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一、水蒸汽动力循环基础 主要内容

一、水蒸汽动力循环基础 主要内容. 1 、热力学基本定律 2 、卡诺循环 3 、水蒸汽及其物性参数 4 、朗肯循环及其改进 5 、现代典型火力发电厂热力系统示例. 1.1 热力学基本定律 1.1.1 热力学基本定律的实质. 1 、热力学基本定律的研究任务 研究热能和机械能相互转化的基本规律 例如：各种电厂的能源转换基本过程 火电厂：燃料化学能 →热能→ 机械能 → 电能 核电厂：重核裂变能 →热能→ 机械能 → 电能 水电厂： 水能 → 机械能 → 电能

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一、水蒸汽动力循环基础 主要内容

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Presentation Transcript

  1. 一、水蒸汽动力循环基础主要内容 1、热力学基本定律 2、卡诺循环 3、水蒸汽及其物性参数 4、朗肯循环及其改进 5、现代典型火力发电厂热力系统示例

  2. 1.1 热力学基本定律1.1.1 热力学基本定律的实质 1、热力学基本定律的研究任务 • 研究热能和机械能相互转化的基本规律 • 例如：各种电厂的能源转换基本过程 • 火电厂：燃料化学能→热能→机械能→电能 • 核电厂：重核裂变能→热能→机械能→电能 • 水电厂： 水能→机械能→电能 • 任何由热能产生机械功都必须遵循的基本规律，否则就会出现——永动机 2、热力学基本定律 • 热力学第一定律 • 能量守恒 • 热力学第二定律 • 能量品位

  3. 1.1 热力学基本定律1.1.2 热力学第一定律 1、热力学第一定律的表述 • 各种说法 • 热可以变为功，功也可以变为热； • 一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功； • 消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热； • 彻底否定了第一类永动机。 2、热力学第一定律的实质 • 能量转换及守恒定律在热现象上的应用

  4. 1.1 热力学基本定律1.1.3 热力学第二定律 1、热力学第二定律的表述 • 各种说法 • 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。 • 只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是造不成功的。 • 在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加或保持不变，但永远不会减少。（熵增定律） • 彻底否定了第二类永动机 2、热力学第二定律的实质 • 一切事物都具有方向性： • 热、功之间的相互转化也具有方向性： • 有序→无序，无条件的，功→热； • 无序→有序，有条件的，热→功。 • 能量是有品位的 • 给定的热量，有多少可以转化为机械能？

  5. 1.2 卡诺循环1.2.1 卡诺循环 1、卡诺循环的构成 • 由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程所构成的动力循环。温熵图： • 1→2：定温吸热过程 • 2→3：绝热膨胀做功过程 • 3→4：定温放热过程 • 4→1：绝热压缩耗功过程 • 循环净功

  6. 1.2 卡诺循环1.2.1 卡诺循环 2、卡诺循环效率 3、结论 • 卡诺循环是理想循环，具有最高的效率，其他循环中存在各种损失，其效率必低于卡诺循环 • 效率仅取决于 • 热源温度：T1↑ • 冷源温度：T2↓ • 效率<100% • T1= T2 ，效率为零

  7. 1.2 卡诺循环1.2.2 卡诺定理 1、卡诺定理 • 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关； • 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。 2、广义卡诺循环效率 3、结论 • 效率取决于 • 平均吸热温度 • 平均放热温度

  8. 1、饱和状态 （1）饱和状态 对于一个汽—液共存系统，当液体汽化和蒸汽液化的速度相等时，这一动态平衡状态称为饱和状态。 处于饱和状态时，系统的压力、温度称为饱和压力、饱和温度 （2）饱和压力（ps） （3）饱和温度（ts） 对于一定的物质饱和压力和饱和温度是一一对应的。 1atm下，水的沸点100℃ 2、水及水蒸气的状态 （1）过冷水（未饱和水） （2）饱和水 （3）湿蒸汽（湿饱和蒸汽） 饱和水和饱和蒸汽的混合物，其中纯饱和蒸汽的质量百分数称为湿蒸汽的干度，以x表示，其状态一般由（ps，x）或（ts，x）确定。 （4）干饱和蒸汽 （5）过热蒸汽 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.1 水的饱和温度及饱和压力

  9. 1、水及水蒸气的六个基本状态参数 （1）压力 p MPa （2）温度 t ℃ （3）比容 v m3/kg （4）比焓 h kJ/kg （5）比熵 s kJ/kg℃ （6）干度 x / 注意： 在饱和水线、湿蒸汽区、干饱和蒸汽线，压力和温度是一一对应的，此时这两个参数将缩减为一个参数； 通常已知其中两个独立参数，可以求得其他参数。 2、水及水蒸气的临界点 临界点参数 压力 pc=22.129MPa 温度 tc=374.15℃ 比容 vc=0.00326 m3/kg 特性及应用 超临界参数 p>pc 在水蒸气的定压发生过程中，水直接瞬间汽化为过热蒸汽 ρ汽= ρ水 亚临界参数 p<pc 经历湿蒸汽的汽化阶段 ρ汽<ρ水 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.2 水及水蒸气的物性描述

  10. 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.3 火电厂做功工质——水及水蒸气 1、工质 • 用以实现系统与外界能量交换的媒介物质 • 研究系统的状态、参数、过程等，实际上就是研究工质的循环工作状态 • 火力发电厂：水及水蒸汽 • 制冷循环：氟利昂 2、水及水蒸汽物性图表 （1）焓熵表 （2）焓熵图 （3）水及水蒸汽物性计算软件包

  11. 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——1、换热器内定压流动过程

  12. 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——1、换热器内定压流动过程 （1）无流动阻力定压流动换热过程 ①只和外界有热量交换，而无功交换 ②工质在换热器内所吸收（或放出）的热量等于工质焓的升高（或减少）。 （ 2）应用： • 热力发电厂中各种换热设备 • 锅炉及其各受热面 • 给水回热加热器 • 凝汽器

  13. 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——2、汽轮机内的绝热流动过程

  14. （1）与外界无热交换的绝热流动过程 ①将蒸汽热能转变成机械功； ②对外所做的功等于工质的焓降。 （2）应用： 各种类型的汽轮机 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——2、汽轮机内的绝热流动过程

  15. 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——3、通过喷嘴的绝热流动

  16. （1）绝热流动过程 ①将工质的热能转化为汽流的动能； ②在工质在流动中不对外做功； ③喷嘴的出口速度为 ④通过喷嘴的流量 （2）喷嘴 ①喷嘴的种类（按外形） A ．渐缩喷管 沿流动方向，截面积逐渐变小； B ．缩放喷管 沿流动方向，截面积先逐渐变小，在逐渐变大，其截面积最小的部位称之为喉部； ②喷嘴内的流动特点 A ．音速 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——3、通过喷嘴的绝热流动

  17. 声音在介质中的传播速度，是介质的固有属性。声音在介质中的传播速度，是介质的固有属性。 eg：空气中常温下，音速为340m/s（约1200km/h） a．亚音速流动 c<a，介质流动的速度小于当地音速； b．超音速流动 c>a，介质流动的速度大于当地音速。 B ．喷嘴一般是由于将工质加速的（热能、势能转化为工质的动能），其内部流动规律（机理）取决于喷嘴的形状、工质的特性。 a．渐缩喷管：其出口速度小于或等于音速； b．缩放喷管：在喉部达到音速，其出口为超音速 （3）喷嘴的应用 （1）汽轮机内部实现热能转化为功的部件； （2）射流泵、水枪； （3）火箭 1.3 水蒸汽及其物性参数1.3.4 水蒸气典型热力过程——3、通过喷嘴的绝热流动

  18. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.1 朗肯循环——1、图解过程

  19. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.1 朗肯循环——2、过程描述

  20. （1）朗肯循环所产生的净功 ①汽轮机输出功与水泵耗功之差 ②从热源的吸热量与向冷源的放热量之差 两者是一致的， 数量上即为T—s图上循环包围的面积。 1.4 朗肯循环及其改进1.4.1 朗肯循环——3、朗肯循环的热效率

  21. （2）朗肯循环的热效率 忽略水泵耗功（仅占1.5％左右）则： 其中，h3为凝汽器压力下的饱和水焓h 2‘。 1.4 朗肯循环及其改进1.4.1 朗肯循环——3、朗肯循环的热效率

  22. （1）主要影响因素： ①由公式：h1↑、 h2 ↓、 h2’ ↓ → ηT ↑ ② p1 ↑、 t1 ↑ → h1 ↑ p2 ↓ → h2 ↓、 h2’ ↓ 总之：从循环的角度 提高初参数，降低终参数 提高平均吸热温度，降低平均放热温度 提高热源温度，降低冷源温度 （2）具体影响 系列化参数 在我国，经过多年的研究，对于特定容量的机组，所选用的水蒸汽参数已形成系列化参数 1.4 朗肯循环及其改进1.4.1 朗肯循环——4、影响朗肯循环效率的因素

  23. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.2 再热循环

  24. 1．采用再热技术的目的： 增加吸热环节→ 提高吸热过程平均吸热温度 → 提高循环效率 2、再热循环： 在朗肯循环的基础上，将做过部分功的蒸汽从汽轮机的某一中间位置（一般为高压缸排汽）抽出来，通过管道送回锅炉内的再热器，使之再加热到与过热器出口过热蒸汽相同或稍高的温度，然后返回到汽轮机的中、低压缸继续膨胀做功，直至达到终压。 3、再热循环的特点 （1）可以提高乏汽的干度，有利于汽轮机安全工作，提高了汽轮机的内效率； （2）提高循环热效率； （3）减少了汽耗率，减小了设备尺寸； （4）（不利因素）设备复杂，运行管理要求高。 1.4 朗肯循环及其改进1.4.2 再热循环

  25. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.3 给水回热循环

  26. 1．采用给水回热循环的目的： 提高给水温度 → 提高吸热过程平均吸热温度 → 提高循环效率 减少汽轮机排汽量 → 减少冷源损失 → 提高循环效率 2．回热循环的描述 在朗肯循环基础上，从汽轮机的某些中间部位抽出一部分做过功的蒸汽，送入回热加热器中用来加热凝汽器来的凝结水，使锅炉的入口水温提高。由于锅炉中水的预热起点温度提高，工质在锅炉内的平均吸热温度T；将提高，故可使循环热效率提高。 一般超高压以上的机组采用7～9级回热。 3．给水回热的特点 （1）提高了循环的效率 （2）减轻了汽轮机末级的工作负荷 1.4 朗肯循环及其改进1.4.3 给水回热循环

  27. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.4 热电联产循环

  28. 1．凝汽式发电机组： 以发电为主的蒸汽动力循环，大量的乏汽排入凝汽器被冷却凝结成凝结水，释放了大量的汽化潜热，这一损失是不可避免的，称之为冷源损失，是循环效率低下的主要原因。 2．热电联产 所谓热电联产循环就是将电能生产和热能生产联合成一体，既供热又供电，所供热能是已做功发电的汽轮机排汽所携带的热能。 （1）热电联产循环的做功发电收益（高品位能量） （2）热电联产循环的供热收益（低品位能量） 将相对于朗肯循环少做的功和朗肯循环的冷源损失全部（或部分）地送到热用户利用了。因而引入热量有效利用系数： 所以热电联产循环的热量有效利用程度比纯动力循环要高得多，这正是热电联产循环的意义之所在。 1.4 朗肯循环及其改进1.4.4 热电联产循环

  29. 1.4 朗肯循环及其改进1.4.4 热电联产循环 3．热电联产的方式 （1）背压式汽轮机 • 以热定电； （2）调整抽汽供热式汽轮机 • 能在一定范围内同时满足发电和供热的要求。

  30. 1.5 现代典型火力发电厂热力系统示例1.5.1 火力发电厂生产过程

  31. 1.5 现代典型火力发电厂热力系统示例1.5.2 国产600MW机组原则性热力系统

  32. 1、热力学基本定律 由热做功的基本规律 热力学第一定律 热力学第二定律 2、卡诺循环 热功转化的最高效率和方向 3、水蒸汽及其物性参数 水蒸汽基本物性参数 水蒸汽典型热力过程 4、朗肯循环及其改进 朗肯循环 再热循环 给水回热循环 热电联产 5、现代典型火力发电厂热力系统示例 以朗肯循环为基础 了解火电厂生产过程 了解火电厂主要生产设备 小 结

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