汽轮机的热力循环.

汽轮机的热力循环一、相关定律1、热力学第一定律（能量守恒定律）自然界中的一切物质都具有能量，能量不能被创造也不会被消灭，但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且转化过程中能量总量保持不变。电厂中：2.1热力学回顾化学能热能动能机械能电能锅炉静叶动叶发电机2、热力学第二定律（能量转化定律）1）克劳修斯表述（1850，DClausius）：热不可能自发的不付代价地从低温物体传至高温物体（热能传递的方向性问题）。2）开尔文表述：1824.SadiCarnot：凡有温差的地方都能产生动力（热能转化机械能的根本条件）。1851.LordKelvin&MaxPlant：不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机（第二类永动机、水坝高水位无低水位无法做功）。2.1热力学回顾热能与动力工程专业4/1072.1热力学回顾3、卡诺循环1）定义：卡诺循环是由完全气体（理想气体）作工质，经过两个定温过程和两个等熵过程构成的理想循环。在相同温度范围内卡诺循环的热效率最高。1→2：定温吸热，工质由高温的定温热源吸热；2→3：绝热膨胀，工质温度降低，对外做功；3→4：定温放热，工质在低温热源中定温放热（有利于下一步压缩）；4→1：绝热压缩：对工质进行压缩提供热量。热能与动力工程专业5/107121qqqC2）卡诺循环效率说明：①T1↑，T2↓→ηc↑；②ηc1,因为T1=∞和T2=0不能实现；③T1=T2→ηc=0（温差是热能转化的动力）2.1热力学回顾sTsTsT121121TTq1q2热能与动力工程专业6/1073）无法实现ηc=1的原因①提高ηc，T1、T2相差增大，需要很大的压差和体积压缩比，使得p1和v3极大，这对设备制造带来很大困难，此时在p—v图上循环过程显得很狭长，循环功不大，但摩擦损失则相对很大，实际有效效率并不高；②气体的定温传递过程也不易实现。2.1热力学回顾热能与动力工程专业7/107给水泵循环水泵冷凝器锅炉冷凝塔发电机汽轮机过热器GP0，TO，V0P0，iaPk’，ik’Pk，ikt1、定义：朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，假定在每个过程中都没有损失，即理想的蒸汽动力循环。p0—蒸汽初压：国际单位Pa，MPa=106Pa，bar=105Pa；T0—蒸汽初温国际单位K；工程单位￮ｃi0—蒸汽初焓KJ/kg；ikt—理想排汽焓；ik‘—凝结水焓ia—给水焓；pk—汽轮机排汽压力；pk’—凝结水压2.2朗肯循环及其效率i0热能与动力工程专业8/107abcdea'两相区饱和水线饱和汽线三相点Pk,ik’P0,iaP0,t0,i0Pk,iktTS2、热力过程（1）a’a—给水压缩过程，s=const，给水泵耗功lp=ia-ik（2）abcd—锅炉中等压加热过程，p=const；ab—未饱和水→饱和水bc—沸腾汽化过程→饱和蒸汽cd—过热过程→过热蒸汽，d点得到新汽p0,t0,i0，吸热量q1=i0-ia（3）de—汽轮机中做功过程，s=const，做功（4）ea’—冷凝器蒸汽凝结放热过程，p=const,放热量q2=ikt-ik’2.2朗肯循环及其效率给水泵循环水泵冷凝器锅炉冷凝塔发电机汽轮机过热器GP0，TO，V0P0，iaPk’，ik’Pk，ikti0热能与动力工程专业9/107abcdea'两相区饱和水线饱和汽线三相点Pk,ik’P0,iaP0,t0,i0Pk,iktTS2、热力过程特点：两个等熵过程：压缩、膨胀；一个等压过程：吸热；一个等温过程：放热abcdea'is2.2朗肯循环及其效率热能与动力工程专业10/1072.2朗肯循环及其效率3、相关效率定义1）循环净功：2）净效率：3）毛效率：)()('0kaktpTiiiilllakaktpTtiiiiiiqllql0'0111)()(若p0不高，则令：lp≈0，可得：10101qHqiiqlktTtktiiH00汽轮机理想焓降结论：朗肯循环的毛效率等于汽轮机理想焓降与吸热量之比。abcdea'两相区饱和水线饱和汽线三相点Pk,ik’P0,iaP0,t0,i0Pk,iktTS热能与动力工程专业11/107小结（2.1-2.2）：1.热力学第一定律：2.热力学第二定律：3.卡诺循环：4.郎肯循环：2.2朗肯循环及其效率abcdea'两相区饱和水线饱和汽线三相点Pk,ik’P0,iaP0,t0,i0Pk,iktTS2.2朗肯循环及其效率121211211TTsTsTsTqqqC10101qHqiiqlktTtktiiH00能量守恒；能量转化方向；理想气体的理想循环；理想的蒸汽动力循环；热能与动力工程专业12/107abcdea'se'd'nmm'T一、初温t0的影响1、假设保持p0和pk不变，只改变t0，则原循环a'abcdea'吸热平均温度为Tn，t0升高后，循环变为a'abcd'e'a'，平均吸热温度为T'n，已知T'mTm，又因为循环放热温度同为Tk，根据热工原理，朗肯循环可等效化为“相当卡诺循环”。2.3蒸汽参数对循环效率的影响121211TTqqqCmkTT1热能与动力工程专业13/107mktTT1其热效率可表示为：原循环初温上升后结论：①提高汽轮机初温可以提高循环热效率②同时也提高了末级次末级的干度，减少湿气冲蚀2.3蒸汽参数对循环效率的影响tt'''1mktTTmmTT't=600°cp0ηt(%)540°c480°c450°c400°c050100150200250ata354045abcdea'se'd'nmm'T热能与动力工程专业14/1072、初温t0的限制条件金属材料耐高温性能的限制，目前t0≤566℃。（1）高温引起金属材料蠕变速度增加；（2）目前高温材料性能差（导电性能工艺性能）价格高:普通碳素钢：1珠光体铬钼不锈钢：1.8~3.7奥氏体镉镍不锈钢：12.8~18（3）工程实践表明t0不能太高2.3蒸汽参数对循环效率的影响t=600°cp0ηt(%)540°c480°c450°c400°c050100150200250ata354045热能与动力工程专业15/107二、蒸汽初压p0对循环效率的影响1、假设t0=const，pk=const循环原循环a''abcdea''p0↑循环a''a'b'c'd'e'a''压力p0p'0放热温度TkTk吸热平均温度TnT'n循环效率ηt=1-Tk/Tnη't=1-Tk/T'n∵TnT'n→ηtη't2.3蒸汽参数对循环效率的影响abcdea'TSe'a''b'c'd'p'0p0Tkt0Tn'Tn热能与动力工程专业16/1072、例：t0=400℃，pk=0.039bar时p0=40ata→ηt=0.34p0=80ata→ηt=0.405Δηt=6.5%p0=120ata→ηt=0.417p0=160ata→ηt=0.422Δηt=0.5%2.3蒸汽参数对循环效率的影响热能与动力工程专业17/1073、结论：（1）提高蒸汽初压能够提高循环热效率；（2）压力越高，效率提高幅度越小（由于bc两点逐渐接近），但平均吸热温度Tn中的汽化潜热越来越小（液相变汽相过程中，温度保持不变）；（3）随着P0↑，汽轮机后的蒸汽湿度↑，则ηt↓（湿汽损失↑），同时冲蚀叶片，为了安全，限定湿度≤12~14%，因此提高P0时一般同时提高t0以减小蒸汽湿度。2.3蒸汽参数对循环效率的影响abcdea'TSe'a''b'c'd'p'0p0Tkt0Tn'Tn热能与动力工程专业18/107例如：1）早期汽轮机：13ata/340℃→29/400→35/435→90/455→135/535→165/5652）300、600mW机组：亚临界机组：170ata/535~575℃(再热)超临界机组：242ata/566/5663）其他国际先进机组：德国985mW超超临界机组：30MPa/580/60045.2%丹麦400mW超超临界机组：29MPa/582/582/58249%2.4蒸汽参数对循环效率的影响热能与动力工程专业19/107循环原循环a'abcdea'pk↓循环a'''a''bcde'a'''吸热量q1=Sabcde21q'1=Sa''bcde'2'1'放热量q2=Sa'e21q'2=Sa'''e'2'1'吸热温度TnT'n∵：Tn≈T'nTkT'k三、排汽压力pk对循环效率的影响1、假设p0=const，t0=const，排汽压力pk下降到p'kabcdea'TSe'a'''a''T0,P0T’K,P’KTK,PK1'122.3蒸汽参数对循环效率的影响1-Tn/Tk1-T'n/T'kηtη't放热温度TkT'k热能与动力工程专业20/1072、结论1）降低排汽压力pk可以提高循环效率。（采用冷凝式蒸汽动力循环就是为了降低排汽压力提高循环效率）2）但排汽压力不能无限降低，受到以下条件限制：pk下降→末级湿度增加（要求湿度12～14%）→pk不能过小2.3蒸汽参数对循环效率的影响abcdea'TSe'a'''a''T0,P0T’K,P’KTK,PK1'12%5.30%05.27/%)05.27%3.35(/tt例：某25MW汽轮机，p0=3.43MPa,t0=435￮c1）当pk=1ata=0.0987MPa时，ηt=27.05%2）当pk=0.1ata=0.0098MPa时，η't=35.3%热能与动力工程专业21/1073、说明1）pk与冷却水温有关，冷却水温取决于环境温度（气温），同时考虑传热端差，即排汽温度必然高于冷却水温，如使排汽压力低于自然环境对应的冷却水温，则须采用制冷设备，得不偿失。2.3蒸汽参数对循环效率的影响2）影响pk的因素：①冷却水温tw1；②冷却水量w→Δt；③冷却方式Δt④机组容量↑→pk尽量小；⑤末级尺寸↑→比容↑→Pa↓⑥大电厂投资费用→w⑦燃料价格热能与动力工程专业22/107小结：1.初温t0的影响：2.初压p0的影响：3.背压pk的影响：2.3蒸汽参数对循环效率的影响t0↑Tm↑→ηt↑；末级干度↑→减轻冲蚀，降低撞击损失；abcdea'se'd'nmm'Tp0↑Tn↑→ηt↑；末级干度↓→冲蚀增强，撞击损失增大；abcdea'TSe'a''b'c'd'p'0p0Tkt0Tn'Tn注：一般情况下增大p0的同时要提高t0pk↓Tk↓→ηt↑；末级干度↓→冲蚀增强，撞击损失增大；abcdea'TSe'a'''a''T0,P0T’K,P’KTK,PK1'12mktTT1热能与动力工程专业23/107给水泵锅炉过热器1过热器2BTHTLGPkP0t0Pret′rePret′′re一、热力系统及热力循环1、热力过程：由锅炉过热器1送出的新汽p0，t0，i0在高压汽轮机TH中做功后，压力降到pre，再引回过热器2加热至T''re，然后进入低压汽轮机TL做功直至排汽压力pk注：再热过程仅有温度变化，压力保持不变2.4蒸汽中间再热循环热能与动力工程专业24/107abcdea'se'nTff'mm'2、热力循环csiff'mm'加热加热放热放热i0p0i0-i'rei''re-ik其作用在于：（1）提高吸热平均温度Tn→ηt↑；（2）降低末级蒸汽的湿度→ηt↑，腐蚀↓；（3）增加吸热过程→对外输出功率↑2.4蒸汽中间再热循环给水泵锅炉过热器1过热器2BTHTLGPkP0t0Pret′rePret′′re热能与动力工程专业25/107abcdea'snTfmi0iaiki'ki'rei''reie二、中间再热循环的热效率（按理想情况）csii'rei0p0iki''reprepkL0L’0q'10按理想情况分析循环的热效率，由T-S图可见，可将中间再热循环看做是两个循环：（1）基本循环a'abcdea'效率ηt0（2）附加循环emnfe效率η't0(附加循环吸热温度高)2.4蒸汽中间再热循环热能与动力工程专业26