Chapter10PowerCycle蒸汽动力循环.ppt

Chapter 9 Vapor Power Cycle 蒸汽动力循环蒸汽动力循环o9.1 Basic Power Cycle using Water Vapor---Rankine Cycle (基本蒸汽动力循环基本蒸汽动力循环---朗肯循环朗肯循环)o9.2 The Diesel Cycle (狄塞尔循环狄塞尔循环)o9.3 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环水蒸气：水蒸气：火力发电、核电火力发电、核电低沸点工质：低沸点工质：氨、氟里昂氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电太阳能、余热、地热发电动力循环：动力循环：以获得功为目的以获得功为目的朗肯循环的提出与卡诺循环朗肯循环的提出与卡诺循环sT64211098753·　　 卡诺卡诺最大；最大； l　　等温吸热等温吸热4’1难实现难实现·11点点x太小太小,不利于汽不利于汽机强度；机强度； · 12-9两相区难压缩；两相区难压缩；  wnet卡诺卡诺小小 　　由于温差小，所以由于温差小，所以效率不会很高，且乏汽效率不会很高，且乏汽干度过小，干度过小，  卡诺卡诺<  朗肯朗肯；；l went卡诺卡诺< wnet 朗肯朗肯1112在温限在温限1234’对比对比5678对比对比9-10-11-12   四个主要装置：四个主要装置： 锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵§10-1 Basic Power Cycle using Water Vapor- Rankine Cycle 基本蒸汽动力循环基本蒸汽动力循环---朗肯循环朗肯循环1.水蒸气动力循环系统水蒸气动力循环系统 锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器朗肯循环朗肯循环1234简化（理想化）：简化（理想化）：12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热RANKINE CYCLE RANKINE CYCLE o12 Saturated or superheated steam enters the turbine at state 1, where it expands isentropically to the exit pressure at state 2. o23 The steam is then condensed at constant pressure and temperature to a saturated liquid, state 3.The heat removed from the steam in the condenser is typically transferred to the cooling water.o34 The saturated liquid then flows through the pump which increases the pressure to the boiler pressure (state 4). o41 the water is first heated to the saturation temperature, boiled and typically superheated to state 1. Then the whole cycle is repeated.1342pv(1)(1)朗肯循环朗肯循环p-vp-v图图12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热4321Tshs1324(2) (2) 朗肯循环朗肯循环T-sT-s和和h-sh-s图图12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 　　p 放热放热34 给水泵给水泵 　　s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热hs13242. 朗肯循环功和热的朗肯循环功和热的计算计算 汽轮机作功：汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：锅炉中的定压吸热量：hs1324朗肯循环热效率的朗肯循环热效率的计算计算 一般很小一般很小，占，占0.8~1%，忽略，忽略泵功泵功 朗肯循环朗肯循环与卡诺循环比较与卡诺循环比较sT64211098753·　　 卡诺卡诺最大；最大； l　　等温吸热等温吸热4’1难实现难实现·11点点x太小太小,不利于汽不利于汽机强度；机强度； · 12-9两相区难压缩；两相区难压缩；  wnet卡诺卡诺小小 　　由于温差小，所以由于温差小，所以效率不会很高，且乏汽效率不会很高，且乏汽干度过小，干度过小，  卡诺卡诺<  朗肯朗肯；；l went卡诺卡诺< wnet 朗肯朗肯1112在温限在温限1234’对比对比5678对比对比9-10-11-12sp1 t1 p26543213.3.如何提高如何提高朗肯循环朗肯循环的热效率的热效率影影响响热热效效率率的的参参数？数？THow can we increase the efficiency of the Rankine cyclesT654321A.A.蒸汽初压对蒸汽初压对朗肯循环朗肯循环热效率的影响热效率的影响t1 , p2不变不变，，p1优点：优点：•        •           ，汽轮机出口尺汽轮机出口尺寸小寸小缺点：缺点：• 对强度要求高对强度要求高•              不不利于汽利于汽轮机安全。

一般轮机安全一般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85~ 0.88sT654321B.B.蒸汽初温对蒸汽初温对朗肯循环朗肯循环热效率的影响热效率的影响优点：优点：•        •           ，有利于汽机安有利于汽机安全缺点：缺点：• 对耐热及强度要求对耐热及强度要求高，目前初温一般高，目前初温一般在在550℃℃左右左右• 汽机出口尺寸汽机出口尺寸大大p1 , p2不变不变，，t1sT654321C.C.乏汽压力乏汽压力对朗对朗肯循环肯循环热效率的影响热效率的影响优点：优点：•        缺点：缺点：•受环境温度限制，现在受环境温度限制，现在大型机组大型机组p2为为0.0035~0.005MPa，，相相应的饱和温度约为应的饱和温度约为27~ 33℃℃ ，已接近事实上可，已接近事实上可能达到的最低限度冬能达到的最低限度冬天热效率高天热效率高p1 , t1不变不变，，p2§10-2 蒸汽回热循环与再热循环蒸汽回热循环与再热循环 (regenerative cycle and reheat cycle)抽汽抽汽去凝汽器去凝汽器冷凝水冷凝水表面式回热器表面式回热器抽汽抽汽冷凝水冷凝水给水给水混合式回热器混合式回热器抽汽式回热抽汽式回热Feedwater heaterOpen Feedwater heaterClosed Feed water heater1.蒸汽回热循环蒸汽回热循环(regenerative)(1) 蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环回热循环(1-  )kg  kg65as43211kgTa  kg4(1-  )kg51kg由由于于T-s图图上上各各点点质质量量不不同同，，面面积积不不再再直直接接代表热和功代表热和功(2)(2)抽汽抽汽回热循环的抽汽量回热循环的抽汽量计算计算(1-  )kg  kg65as43211kgTa  kg4(1-  )kg51kg以混合式回热器为例以混合式回热器为例热一律热一律忽略泵功忽略泵功(2)(2)抽汽抽汽回热循环热效率的回热循环热效率的计算计算(1-  )kg  kg65as43211kgT吸热量：吸热量：放热量：放热量：净功：净功：热效率：热效率：为什么抽汽为什么抽汽回热热效率提高？回热热效率提高？(1-  )kg  kg65as43211kgT教材教材P.256P.256推导推导简单朗肯循环：简单朗肯循环：物理意义物理意义：：  kgkg工质工质100%利用利用 1- 1-   kg kg工质效率未变工质效率未变小结小结: 蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环的特点回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为小型火力发电厂回热级数一般为1～～3级级中大型火力发电厂一般为中大型火力发电厂一般为 4～～8级。

级•优点优点l 提高热效率提高热效率l 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短l 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面l 可兼作除氧器可兼作除氧器•缺点缺点l 循环比功减小，汽耗率增加循环比功减小，汽耗率增加l 增加设备复杂性增加设备复杂性l 回热器投资回热器投资>缺点缺点Ts65431b2. 2. 蒸汽再热循环蒸汽再热循环 (reheat cycle)(reheat cycle)When steam leaves the turbine, it is typically wet. The presense of water causes erosion of the turbine blades. To prevent this, steam is extracted from high pressure turbine (state 2), and then it is reheated in the boiler (state 2') and sent back to the low pressure turbine. Ts65431b蒸汽再热循环的蒸汽再热循环的热效率热效率l 再热循环本身再热循环本身不一定不一定提高循环热效率提高循环热效率l 与再热压力有关与再热压力有关l x2降低降低,给提高初压给提高初压创造了条件，选取再热创造了条件，选取再热压力合适，一般采用压力合适，一般采用一一次再热可使热效率提高次再热可使热效率提高2 2％～％～3.53.5％。

％蒸汽再热循环的实践蒸汽再热循环的实践  再热压力再热压力 pb=pa 0.2~0.3p1  p1<10MPa，，一般不采用一般不采用再热再热  我国常见机组，我国常见机组，10、、12.5、、20、、30万机组，万机组， p1>13.5MPa，，一次一次再热再热  超临界机组，超临界机组， t1>600℃，，p1>25MPa，， 二次二次再热再热Ts65431b蒸汽再热循环的蒸汽再热循环的定量计算定量计算吸热量：吸热量：放热量放热量：：净功（忽略泵功）：净功（忽略泵功）：热效率：热效率：§10-3 热电联产热电联产(供供)循环循环用发电厂作了功的蒸用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用汽的余热来满足热用户的需要，这种作法户的需要，这种作法称为称为热电联热电联( (产产) )供供背压式机组背压式机组( (背压背压>0.1MPa>0.1MPa) )热用户为什么要用换热用户为什么要用换热器而不直接用热力热器而不直接用热力循环的水？循环的水？Cogeneration背压式背压式缺点缺点：：l 热电互相影响热电互相影响l 供热参数单一供热参数单一抽汽调节式热电联产抽汽调节式热电联产( (供供) )循环循环 抽汽式热电联供抽汽式热电联供循环循环, , 可以自动调节可以自动调节热、电供应比例，以热、电供应比例，以满足不同用户的需要。

满足不同用户的需要热电联产热电联产( (供供) )循环的经济性评价循环的经济性评价l 只采用热效率只采用热效率 显然不够全面显然不够全面l 能量利用系数能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同，但未考虑热和电的品位不同l Ex经济学评价经济学评价l 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保热电联产、集中供热是发展方向，经济环保Utilization factor1、、熟悉熟悉朗肯循环朗肯循环图示图示与与计算计算2、、朗肯循环朗肯循环与与卡诺循环卡诺循环3、、蒸汽参数蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响对朗肯循环热效率的影响4、、再热再热、、回热原理及计算回热原理及计算 小小 结结 Summary1.The Otto Cycle (奥托奥托循环）循环） (1). Actual cycle (实际循环实际循环) The Otto cycle is an idealization of a set of processes used by spark ignition internal combustion engines (2-stroke or 4-stroke cycles). §10-4 Internal combustion engines                     (内燃机内燃机)0       1‘ :吸入空气; 　1'      2:压缩过程;        2       3:喷油燃烧过程;       3       4:喷油燃烧过程;4      5:膨胀过程;   5      1'' : 排气过程;         1''     0:排出剩余的废气　　　　　　　OttoOtto循环循环 a) ingest a mixture of fuel and air, b) compress it, c) cause it to react, thus effectively adding heat through converting chemical energy into thermal energy, d) expand the combustion products, and then e) eject the combustion products and replace them with a new charge of fuel and air.                                                    (2) Otto(2) Otto循环的简化循环的简化_ _ We model all of these happenings by a thermodynamic cycle consisting of a set of processes all acting on a fixed mass of air contained in a piston-cylinder arrangement. The exhaust and intake processes are replaced by constant-volume cooling.）                                                     　1'      2:压缩过程;2       3:喷油燃烧过程;4      5:膨胀过程; 5      1'' : 排气过程; 　　　　　　　　1’ - 2 Compress mixture quasi-statically and adiabatically 2 - 3 Ignite and burn mixture at constant volume (heat is added)3 (4)- 5 Expand mixture quasi-statically and adiabatically5 - 1’’ Cool mixture at constant volumeRepresentation of the thermodynamic cycle.(3) Thermal Efficiency of Otto Cycle ( (奥托循环的热效率奥托循环的热效率) ) 提高循环的压缩比提高循环的压缩比提高循环的最高温度提高循环的最高温度 2.The Diesel Cycle ( (狄塞尔循环狄塞尔循环) ) The diesel internal combustion engine differs from the gasoline powered Otto cycle by using a higher compression of the fuel to ignite the fuel rather than using a spark plug ("compression ignition" rather than "spark ignition") Thermal Efficiency of Disel Cycle狄塞尔循环的热效率：狄塞尔循环的热效率： l 提高循环的压缩比提高循环的压缩比l 降低循环的预胀比降低循环的预胀比 l 提高循环的最高温度提高循环的最高温度 3. The Dual Cycle ( (混合加热循环混合加热循环 ) ) 其中其中,1-2是定熵压缩过程是定熵压缩过程, 2-3是可逆定容加热过程是可逆定容加热过程, 3-4是可逆定压加热过程是可逆定压加热过程, 4-5是定熵膨胀过程是定熵膨胀过程, 5-1是可逆定容放热过程是可逆定容放热过程.几个定义：几个定义：　　压缩比　　压缩比: 　　　　 定容升压比定容升压比: 定压预胀比定压预胀比:: 混混合合加加热热循循环环的的热热效效率率: :提高热效率方法：提高热效率方法：提高循环的压缩比提高循环的压缩比 降低循环的预胀比降低循环的预胀比 提高循环的最高温度提高循环的最高温度 　　由上面的三个定义,得:　　                                   讨论:　　   随     ,           ,              的升高而升高;　　   随     的升高而降低.(1)具有相同的压缩比具有相同的压缩比 从从T-S图可知图可知:由于三个循环的放热量相同由于三个循环的放热量相同,故故热效率的高低次序为热效率的高低次序为: 　　　　 o 4. 4. 活活塞塞式式内内燃燃机机三三种种理理想想循循环环的的比比较较o(2) 具有不同的最高压力和最高温度具有不同的最高压力和最高温度 o从图可以看出，三循环的放热量相同，吸热量有：从图可以看出，三循环的放热量相同，吸热量有：o所以所以,热效率的高低为热效率的高低为:　　　　　　 　　o考虑到实际的情况,三循环的热效率高低为:　　　　　　 　　　　　　 1.燃气轮机装置燃气轮机装置 燃气轮机的构成:压气机,燃烧室,燃气轮机,简单的装置如图示:　　　　　　§10-5燃燃气气轮轮机机装装置置循循环环燃气轮机循环燃气轮机循环功功 率率 的的 分分 析析　　　　压压气气机机耗耗功功:　　　　燃燃气气轮轮机机做做功功:　　　　净净功功: 吸热量吸热量:　　　　　　　　　　　　放热量放热量:热效率热效率: 式中式中 ,称为增压比称为增压比.　　　　对于给定的气体对于给定的气体, k一定时一定时,热效率随增压比热效率随增压比的升高而升高的升高而升高; 当增压比等于当增压比等于1 时时,热效率为零热效率为零.提高循环的增压比提高循环的增压比,可提高循环的热效率可提高循环的热效率. 讨论讨论: : 实际的燃气轮机循环存在不可逆因素实际的燃气轮机循环存在不可逆因素,以以压压气气机机的的绝绝热热效效率率 来来修修正正.。