第六章

動(dòng)力循環(huán)

PowerCycles概述熱機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備；動(dòng)力循環(huán)：熱機(jī)中，通過(guò)工質(zhì)的熱力循環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)熱能連續(xù)地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其工作循環(huán)稱(chēng)為動(dòng)力循環(huán)；根據(jù)工質(zhì)的不同，動(dòng)力循環(huán)可分為：蒸汽動(dòng)力循環(huán)（蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)）：外燃機(jī)（externalcombustionengine）氣體動(dòng)力循環(huán)（活塞式、葉輪式）：內(nèi)燃機(jī)（internalcombustionengine）研究重點(diǎn)熱能利用的經(jīng)濟(jì)性，即循環(huán)熱效率；分析影響循環(huán)熱效率的各種因素，研究提高循環(huán)熱效率的途徑；研究方法簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化熱機(jī)工作流程；理想化：簡(jiǎn)單、典型的可逆過(guò)程和循環(huán)近似實(shí)際復(fù)雜的不可逆過(guò)程和循環(huán)。6-1活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)燃料直接在氣缸里燃燒，燃燒產(chǎn)物作為工質(zhì)推動(dòng)活塞作功，再由連桿帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、管理方便，是一種輕便、熱效率高的熱機(jī)；根據(jù)燃料不同，分為汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等；點(diǎn)火的方式不同分為點(diǎn)燃式和壓燃式點(diǎn)燃式壓燃式一、活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化

單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖1-火花塞2-氣缸蓋3-出水口4-氣缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞銷(xiāo)9-進(jìn)水口10-連桿11-飛輪12-曲軸13-機(jī)油管14-曲軸箱15-機(jī)油泵16-曲軸正時(shí)齒輪17-凸輪正時(shí)齒輪18-凸輪軸19-排氣管20-進(jìn)氣管21-進(jìn)氣門(mén)22排氣門(mén)23-化油器空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(Air-standardAssumption)循環(huán)工質(zhì)為空氣，且為定比熱理想氣體；燃料燃燒過(guò)程簡(jiǎn)化為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?，排氣過(guò)程簡(jiǎn)化為工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶艧幔谎h(huán)中所有過(guò)程為內(nèi)可逆過(guò)程。TDC—topdeadcenterBDC—bottomdeadcenter二、活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)對(duì)汽油機(jī)，認(rèn)為燃燒過(guò)程定容，抽象為Otto循環(huán)；對(duì)柴油機(jī)，認(rèn)為燃燒過(guò)程定壓，抽象為Diesel循環(huán)；認(rèn)為燃燒過(guò)程由定容、定壓兩部分組成，抽象出混合加熱循環(huán)。1.汽油機(jī)的理想循環(huán)—Otto循環(huán)4沖程：1-2定熵壓縮；2-3定容加熱；3-4定熵膨脹(作功)；4-1定容放熱。為壓縮比2.柴油機(jī)的理想循環(huán)—Diesel循環(huán)

1-2定熵壓縮；2-3定壓加熱；3-4定熵膨脹(作功)；4-1定容放熱。為定壓預(yù)脹比3.混合加熱理想循環(huán)

1-2定熵壓縮；2-3定容加熱；3-4定壓加熱；4-5定熵膨脹(作功)；5-1定容放熱。為定容增壓比6-2蒸汽動(dòng)力循環(huán)由鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、水泵等主要熱力設(shè)備組成的整套裝置稱(chēng)為蒸汽動(dòng)力裝置;我國(guó)已成批生產(chǎn)功率分別為200MW、300MW、600MW的鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組；熱力發(fā)電廠(chǎng)這樣以水蒸氣為工質(zhì)的蒸汽動(dòng)力裝置工作循環(huán)稱(chēng)為蒸汽動(dòng)力循環(huán)。GasCooledReactors(GCR)Usescarbondioxideusedascoolant.Graphitemoderatorsallowuseofnaturaluranium.PressureWaterReactors(PWR)Refuelingdonewithplantshutdown.Coolingdoneinsteamgeneratoroutsidethecore.BoilingWaterReactor(BWR)Typicallyallowsbulkboilingofwaterinthereactor.Controlrodsareinsertedfromthebottom.核電站與火電廠(chǎng)的比較共同點(diǎn)：蒸汽在膨脹機(jī)中膨脹做功；乏汽凝結(jié)后由水泵送回蒸汽發(fā)生器；不同點(diǎn)：蒸汽發(fā)生器不同（火電站為鍋爐，核電站為反應(yīng)堆）；蒸汽初參數(shù)不同；不考慮蒸汽發(fā)生的具體方式，循環(huán)的熱力學(xué)分析方法相同。一、朗肯（Rankine）循環(huán)朗肯循環(huán)水在給水泵中的可逆絕熱壓縮過(guò)程3-4；水與水蒸氣在鍋爐中的可逆定壓加熱過(guò)程4-5-6-1；水蒸氣在汽輪機(jī)中的可逆絕熱膨脹過(guò)程1-2；乏汽在冷凝器中的定壓放熱過(guò)程2-3。忽略了給水泵、汽輪機(jī)中的摩擦和散熱及工質(zhì)在鍋爐、冷凝器中的壓力變化。朗肯循環(huán)汽輪機(jī)作功：水泵絕熱壓縮耗功：循環(huán)凈功：鍋爐中的定壓吸熱量：凝汽器中的定壓放熱量：熱效率：水泵消耗的功與汽輪機(jī)作出的功相比甚小，一般情況下可忽略不計(jì)，即：簡(jiǎn)化的熱效率公式：汽耗率：蒸汽動(dòng)力裝置每輸出1kW.h功量所消耗的蒸汽量二、蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)

熱效率的影響等效卡諾循環(huán)法bas朗肯循環(huán)與等效卡諾循環(huán)6T54321運(yùn)用T-s圖研究蒸汽參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率的影響極為方便。在T-s圖上，將朗肯循環(huán)折合成熵變相等、吸(放)熱量相同、熱效率相同的卡諾循環(huán)。如圖所示。吸放熱平均溫度為:朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)比較

蒸汽初溫的影響basT654321T210987與同溫限卡諾循環(huán)1234‘比較放熱量相同，卡諾循環(huán)吸熱更多，效率高；但等溫吸熱4‘1難實(shí)現(xiàn)；卡諾循環(huán)7-8-9-10可實(shí)現(xiàn)等溫吸放熱；8點(diǎn)干度太小，不利于汽輪機(jī)低壓級(jí)強(qiáng)度；9-10兩相區(qū)壓縮難以實(shí)現(xiàn)。蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響蒸汽初溫的影響basT654321T2優(yōu)點(diǎn)：吸熱平均溫度提高，循環(huán)熱效率提高；出口的乏汽干度比原來(lái)增加(x2’>x2)，有利于汽輪機(jī)安全。缺點(diǎn)：初溫度愈高，對(duì)耐熱及強(qiáng)度要求高，在目前的火力發(fā)電廠(chǎng)中，最高初溫一般在550℃左右。蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響蒸汽初壓的影響basT654321優(yōu)點(diǎn)：吸熱平均溫度提高，循環(huán)熱效率提高；缺點(diǎn)：出口的乏汽干度比原來(lái)減少，乏汽中所含水分增加，將會(huì)沖擊和侵蝕汽輪機(jī)最后幾級(jí)葉片，不利于汽輪機(jī)安全。一般要求出口干度0.85~0.88。蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響乏汽壓力的影響sT654321ba優(yōu)點(diǎn)：放熱平均溫度降低，吸熱平均溫度影響很小，循環(huán)熱效率提高；問(wèn)題：受環(huán)境溫度限制(乏汽出口溫度必須高于環(huán)境溫度，才能放熱凝結(jié))，現(xiàn)在大型機(jī)組乏汽壓力為0.0035~0.005MPa，相應(yīng)的飽和溫度約為27~33℃

，已接近事實(shí)上可能達(dá)到的最低限度。三、第二定律分析p1=17MPat1=550CP2=0.005MPa討論爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物與水、汽間的大溫差是造成系統(tǒng)有效能損失的主要原因，高達(dá)35.98%；冷凝器中凝結(jié)放熱占總加熱量的54.26%，但有效能損失僅占2.22%；汽輪機(jī)內(nèi)部損失有效能占6.10%。

減少燃燒過(guò)程有效能損失為改進(jìn)循環(huán)的主要著眼點(diǎn)。方法：燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)；提高蒸汽的初參數(shù)。6-3提高熱效率的其他途徑改變循環(huán)參數(shù)提高初溫度提高初壓力降低乏汽壓力改變循環(huán)形式回?zé)嵫h(huán)再熱循環(huán)改變循環(huán)形式熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)新型動(dòng)力循環(huán)IGCCPFBC-CC…...一、再熱循環(huán)新蒸汽在高壓汽輪機(jī)中膨脹作功到某一中間壓力以后,全部抽出導(dǎo)入鍋爐中的再熱器，吸收煙氣放出的熱量，然后再導(dǎo)入低壓汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹作功到終壓力，這種循環(huán)稱(chēng)為蒸汽再熱循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)再熱循環(huán)。s一次再熱循環(huán)T6543217其平均放熱溫度與原循環(huán)相同，平均吸熱溫度取決于抽氣溫度和再熱溫度，提高了出口干度，給提高初壓力創(chuàng)造了條件，一般采用一次再熱可使熱效率提高2％～3.5％。再熱壓力一般在蒸汽初壓力的20％～30％之間。一次再熱循環(huán)Ts6543217優(yōu)點(diǎn)：提高熱效率。缺點(diǎn)：管路復(fù)雜，增大了投資。使用：大型機(jī)組采用一次到二次再熱。熱效率公式：二、回?zé)嵫h(huán)蒸汽回?zé)嵫h(huán)1kg壓力為p1的新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功，狀態(tài)由1變化到a，此時(shí)抽出

kg引入回?zé)峒訜崞鳎溆?1-

)kg蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中膨脹作功直至乏汽壓力，然后進(jìn)入冷凝器被冷凝成水，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓進(jìn)入回?zé)峒訜崞?，接?/p>

kg抽汽凝結(jié)時(shí)放出的潛熱并與之混合成為抽汽壓力下的1kg飽和水。一次抽汽回?zé)嵫h(huán)(1-

)kg

kg10987s6543211kgT在汽輪機(jī)內(nèi)作功后的蒸汽潛熱加熱進(jìn)入鍋爐之前的給水，減少?gòu)母邷責(zé)嵩吹奈鼰崃浚h(huán)的吸熱平均溫度有較大的提高。利用乏汽加熱是不可能的，因?yàn)榉ζ臏囟扰c給水的溫度相等。因此采用從汽輪機(jī)中間抽出部分已作過(guò)功但壓力尚不太低的少量蒸汽來(lái)加熱低溫給水?；?zé)岜厝惶岣哐h(huán)效率。一次抽汽回?zé)嵫h(huán)(1-

)kg

kg10987s6543211kgT抽汽量大小根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒的原則確定：循環(huán)熱效率為：缺點(diǎn)循環(huán)比功減小，汽耗率增加增加設(shè)備復(fù)雜性回?zé)崞魍顿Y優(yōu)點(diǎn)提高熱效率減小汽輪機(jī)低壓缸尺寸，末級(jí)葉片變短減小凝汽器尺寸，減小鍋爐受熱面可兼作除氧器使用小型火力發(fā)電廠(chǎng)回?zé)峒?jí)數(shù)一般為1～3級(jí)，中大型火力發(fā)電廠(chǎng)一般為4～8級(jí)。三、熱電聯(lián)供循環(huán)背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)簡(jiǎn)圖背壓>0.1MPa盡管采用了高參數(shù)、再熱、回?zé)岬却胧?，循環(huán)熱效率仍低于50％，大部分被排放于冷卻水或大氣中，這部分熱能數(shù)量雖大，但因溫度接近于環(huán)境溫度，故不能用來(lái)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。為了充分利用熱能，自然地聯(lián)想到用發(fā)電廠(chǎng)作了功的蒸汽的余熱來(lái)滿(mǎn)足熱用戶(hù)的需要，這種作法稱(chēng)為熱電聯(lián)供。抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)簡(jiǎn)圖背壓式汽輪機(jī)熱電聯(lián)供循環(huán)主要缺點(diǎn)是供電供熱彼此互相牽制，不能同時(shí)獨(dú)立地滿(mǎn)足熱負(fù)荷與電負(fù)荷變化的需要。抽汽式熱電聯(lián)供循環(huán),采用抽汽式汽輪機(jī)供熱，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)熱、電供應(yīng)比例，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。熱電聯(lián)供循環(huán)的評(píng)價(jià)只采用熱效率不夠全面，能量利用系數(shù)

未考慮熱和電的品位不同。背壓式熱電聯(lián)供循環(huán)，K理論上將達(dá)到1，但實(shí)際上由于各種損失及泄漏，只有0.85左右。應(yīng)同時(shí)使用兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)。6-4

新型動(dòng)力循環(huán)蒸汽電站提高電廠(chǎng)供電效率的措施提高初參數(shù)，向亞臨界和超臨界發(fā)展；采用大功率機(jī)組，降低廠(chǎng)用電率；采用熱電聯(lián)供?；痣姀S(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀占總裝機(jī)容量的80%左右，效率37~40%；耗煤占總產(chǎn)量30%，油占10%左右；提高供電效率和改善環(huán)境有重要意義。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展熱力參數(shù)與單機(jī)容量逐步提高，現(xiàn)W>200MW，熱效率35~41%；可靠性95~98.5%，可作為基本負(fù)荷電站；聯(lián)合循環(huán)的現(xiàn)實(shí)可行性燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度t4=400~600℃；大功率機(jī)組排氣量300kg/s以上；利用排氣能量加熱蒸汽輪機(jī)給水(取代鍋爐)，大大提高供電效率，極限效率(燒氣)約58%。燃?xì)?/p>

蒸汽聯(lián)合循環(huán)整體煤