第二章

水蒸汽及其動力循環問題：為什么用水蒸氣而不用別的工質？

水蒸氣是熱力工程中使用最早、應用最廣的工質，第一熱機就是用水蒸氣做工質的。長期以來，人們對水和水蒸氣的性質做過很多專門研究。但迄令為止尚不能用一個代數方程同時很精確地描述它們的性質，較多的是按照它們所處狀態分段，每段都有各自很復雜的狀態方程。水蒸氣的計算主要靠用公式算出的數據配合實驗驗證而編制成的圖表進行。第一節水蒸氣的定壓形成過程及圖表應用一、水蒸氣的基本概念和有關術語二、水蒸汽定壓形成過程：⒈汽化：水變成蒸汽的現象。汽化：從微觀上講，液體中的分子克服周圍液體分子的引力和液體表面張力而逸出液面的現象稱為汽化。蒸發：在液面進行的汽化過程；沸騰：在液體容積空間內的汽化過程。局部沸騰：當液體整體溫度較低時，如果存在局部溫度較高，產生小汽泡，而這些小汽泡不能上升到液面就被淹滅。此時液體的溫度上升速率很大。整體沸騰：當液體溫度上升到與壓力相應確定的溫度時，整個水空間產生汽泡，汽泡不再淹滅而集匯上升到液面逸出。⒉液化：蒸汽變成水的現象。從微觀上講，處于容器汽空間的汽態分子進入容器液體空間的現象稱為液化。液面上空間的壓力越大（密度大），撞回液面的水分子也越多——液化速度取決于蒸汽空間的壓力。對于汽、液共存系統，汽化、液化同時存在，汽化速度大于液化的速度就是汽化，反之液化的速度大于汽化的速度就是液化。如果汽化和液化速度相等，就是我們馬上講的飽和狀態⒊飽和狀態

對于一個汽液共存系統，微觀意義上的汽化速度等于液化速度相等時，系統內的液體量和汽體量達到平衡的狀態。即汽化和液化還在同時進行，但汽液兩相分子數量都不再增加或減少。此時系統的壓力、溫度就稱之為飽和壓力、飽和溫度。飽和壓力與飽和溫度不是彼此獨立的，它們有一定的函數關系。因為液體的汽化速度取決于液體的溫度，而汽體的液化速度取決于蒸汽的壓力。Ts=f(ps)4.常用術語及表示參數過冷水：在定壓下，未達到飽和狀態的水。

飽和水：在定壓下，達到飽和狀態的水

濕飽和蒸汽：在定壓下，飽和水與飽和蒸汽的機械混合物。

干飽和蒸汽：在定壓下，純飽和水蒸汽。

過熱蒸汽：在定壓下，對干飽和蒸汽進一步加熱。

過冷度：過冷水的溫度低于同壓力下飽和溫度的差。用“D”表示。

D=ts-t

過熱度：過熱蒸汽溫度高于同壓力下飽和溫度的差。用“D”表示。

D=t-ts

二、水蒸汽定壓形成過程：在火電廠中，做功的工質是流動性好、易于膨脹、極易獲得、價格低廉、無毒副作用的水蒸汽，它是近似看作水在鍋爐中定壓力下產生的。為了對水蒸汽的定壓形成過程規律性有一個全面的了解，我們取1kg，0℃的過冷水，置于一個帶有活塞的封閉汽缸內，進行定壓力p下加熱，觀察一個近似可逆的定壓水蒸汽形成過程示意圖在p-v圖與T-s圖上表示

ABCABC

pC

pCTCTC飽和水線或下界線

干飽和蒸汽線或上界線

當壓力增加到某一臨界值時，飽和水與干飽和蒸汽不僅具有相同的壓力和比體積，而且還具有相同的溫度和熵，這時的飽和水與干飽和蒸汽之間的差異已完全消失，在圖中由同一點C表示，這個點稱為臨界點，這樣一種特殊的狀態稱為臨界狀態。

ABCABC

pC

pCTCTC綜上所述，在表示水的汽化過程的圖與圖上有1點（臨界點）2線（上、下界線）3區（液相區，汽液兩相區，汽相區）5態（未飽和水、飽和水、濕蒸汽、干蒸汽、過熱蒸汽）。三、水蒸氣圖、表應用⒈飽和水與干飽和蒸汽表（壓力排列）P218、223頁。⒉飽和水與干飽和蒸汽表（溫度排列）P219、224頁。⒊未飽和水與過熱蒸汽表P220、225頁。⒋水蒸氣圖。P18、26頁①展開講清右上角半圖?！獕毫€簇、比容線簇、溫度線簇、干度線簇。②用圖做熱力過程。幾點說明中間狀態用內插法求內能濕蒸汽T-s圖

它用于分析蒸汽的熱力過程較為直觀。圖上每條過程線下的面積都代表了1kg工質在此過程中所吸收(或放出)的熱量。

h-s圖

ABC第二節

水蒸氣典型熱力過程一、換熱器內的定壓流動過程二、汽輪機及水泵內絕熱流動過程三、通過噴管的絕熱流動：四、絕熱節流一、換熱器內的定壓流動過程一、換熱器內的定壓流動過程

能量分析①與外界無動量交換Ws=0;②動能變量忽略不計△c2≈0③宏觀勢能忽略不計g△Z≈0于是有q=（h2-h1）每公斤工質在換熱器內所吸收(或放出)的熱量等于工質焓的升高(或減少)。

h1h2q圖2-4換熱器示意圖汽輪機內的絕熱流動過程

能量分析∵q=0△c2≈0g△Z≈0記為：Wi=h1-h2kJ/kg——對外做出正功該式說明了蒸汽在汽輪機內的絕熱流動過程中，對外所作的內功等于工質的焓降。

上式也適用于水泵等壓縮耗功設備，但式中的wi為外界所消耗的壓縮功，以wP表示，此功轉變為工質的焓升，即wP=h2-h1。

圖2-5汽輪機示意圖h2h1w通過噴管的絕熱流動

能量分析∵絕熱q≈0g△Z≈0Ws=0工質在噴管中的流動當Ma<1,即流速小于當地音速，稱亞音速流動。當Ma=1,即流速等于當地音速，稱等音速流動。當Ma>1,即流速大于當地音速，稱超音速流動。

p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1Acp1、v1、T1p2、v2、T2c2c1p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1漸縮噴管Ma<1Ma=1Ma>1Ma>1Ma<1縮放噴管（拉伐爾噴管）漸擴噴管噴管中的穩定流動基本方程式

連續性方程式

能量方程式

過程方程式

可逆過程壓力與流速的關系：比容與速度的關系：截面積與流速的關系：

①進入噴管的工質速度c<時，<1則，—1<0而dc>0，故dA<0。即為漸縮噴管——為亞音速流動。

②當速度增加到c=a時，這時工質的流速達到音速——為等音速流動，dA=0。③如想使用工質速度繼續增加，即c>a而dc>0，故dA>0。即當工質流動從亞音速流動過渡到超音速時，噴管截面必須是先逐漸縮小，一旦達到音速，噴管截面便縮小到最小值（喉部），之后再逐漸增大，這樣的噴管稱為漸縮漸擴管（簡稱縮放噴管，也稱拉伐爾噴管）。噴管的壓力比

噴管的壓力比：工質進口壓力P1與工質在噴管出口外的背壓力（即環境壓力）Pb之比。在噴管的最小截面（臨界截面）上，有臨界壓力比

工程熱力學推導知，臨界壓力比：

對于過熱蒸汽k=1.3

c＝0.546噴管的選擇

絕熱節流

∵q≈0△c2≈0g△Z≈0Ws=0∴h1=h2

110220①絕熱節流是典型的不可逆過程，是不等焓過程。②節流前后，△h=0，流速略有上升，壓力明顯下降，熵值明顯增大。③節流使工質做功能力降低

④節流的工程應用：制定流量（節流孔板）；獲得流量控制（閥門）。

hsx=10P2P1Pb?hhs0第三節蒸汽動力循環水蒸氣：火力發電、核電低沸點工質：氨、氟里昂太陽能、余熱、地熱發電動力循環：以獲得功為目的卡諾循環sT4213sT4213卡諾循環改造sT42131231

郎肯循環鍋爐汽輪機發電機給水泵凝汽器郎肯循環1234簡化（理想化）：1

2汽輪機s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮4

1

鍋爐p

吸熱1342pv郎肯循環pv圖1

2汽輪機s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮4

1

鍋爐p

吸熱4321Tshs1324郎肯循環Ts和hs圖1

2汽輪機s

膨脹2

3凝汽器p

放熱3

4給水泵s

壓縮4

1

鍋爐p

吸熱hs1324郎肯循環功和熱的計算

汽輪機作功：凝汽器中的定壓放熱量：水泵絕熱壓縮耗功：鍋爐中的定壓吸熱量：hs1324郎肯循環熱效率的計算

一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

工程上常用汽耗率,反映裝置經濟性，設備尺寸汽耗率：蒸汽動力裝置每輸出1kW.h

功量所消耗的蒸汽量kg汽耗率的概念的單位是kJ/kg1kW=1

kJ/s郎肯循環與卡諾循環比較sT64211098753

q2相同；

q1卡諾>

q1朗肯

卡諾>

朗肯；

等溫吸熱4’1難實現

11點x太小,不利于汽機強度；

12-9兩相區難壓縮；

wnet卡諾小

卡諾<

朗肯；

wnet卡諾<wnet

朗肯1112對比同溫限1234’對比5678對比9-10-11-12sp1,t1,p2654321如何提高郎肯循環的熱效率影響熱效率的參數？TsT654321蒸汽初壓對郎肯循環熱效率的影響t1,p2不變，p1優點：

，汽輪機出口尺寸小缺點：

對強度要求高

不利于汽輪機安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88sT654321蒸汽初溫對郎肯循環熱效率的影響優點：

，有利于汽機安全。缺點：

對耐熱及強度要求高，目前最高初溫一般在550℃左右汽機出口尺寸大p1,p2不變，t1sT654321乏汽壓力對郎肯循環熱效率的影響優點：

缺點：受環境溫度限制，現在大型機組p2為0.0035~0.005MPa，相應的飽和溫度約為27~33℃

，已接近事實上可能達到的最低限度。冬天熱效率高p1,t1不變，p22

實際蒸汽動力循環分析sT5322’4’1’’1’14非理想因素：給水泵不可逆(34’)汽機不可逆(12’)汽機汽門節流(1’

1

)

蒸汽管道摩擦降壓，散熱(1’’1’)

提高循環熱效率的途徑改變循環參數提高初溫度提高初壓力降低乏汽壓力改變循環形式回熱循環再熱循環改變循環形式熱電聯產燃氣-蒸汽聯合循環新型動力循環IGCCPFBC-CC…...Ts65431b3蒸汽再熱循環的熱效率

再熱循環本身不一定提高循環熱效率

與再熱壓力有關

x2降低,給提高初壓創造了條件，選取再熱壓力合適，一般采用一次再熱可使熱效率提高2％～3.5％。蒸汽再熱循環的實踐

再熱壓力pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再熱

我國常見機組，10、12.5、20、30萬機組，p1>13.5MPa，一次再熱

超臨界機組，t1>600℃，p1>25MPa，二次再熱

超優點：通過提高初臨界機組，t1>600℃，p1>25MPa，二次再熱Ts65431b蒸汽再熱循環的定量計算吸熱量：放熱量：凈功（忽略泵功）：熱效率：4蒸汽抽汽回熱循環(1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-

)kg51kg由于T-s圖上各點質量不同，面積不再直接代表熱和功抽汽回熱循環的抽汽量計算(1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-

)kg51kg以混合式回熱器為例熱一律忽略泵功抽汽回熱循環熱效率的計算(1-

)kg

kg65as43211kgT吸熱量：放熱量：凈功：熱效率：為什么抽汽回熱熱效率提高？(1-

)kg

kg65as43211kgT簡單朗肯循環：

物理意義：

kg工質100%利用

1-

kg工質效率未變蒸汽抽汽回熱循環的特點小型火力發電廠回熱級數一般為1～3級，中大型火力發電廠一般為4～8級。優點提高熱效率減小汽輪機低壓缸尺寸，末級葉片變短減小凝汽器尺寸，減小鍋爐受熱面可兼作除氧器缺點循環比功減小，汽耗率增加增加設備復雜性回熱器投資>缺點5熱電聯產(供)循環用發電廠作了功的蒸汽的余熱來滿足熱用戶的需要，這種作法稱為熱電聯(產)供。背壓式機組(背壓>0.1MPa)熱用戶為什么要用換熱器而不直接用熱力循環的水？抽汽調節式熱電聯產(供)循環

抽汽式熱電聯供循環,可以自動調節熱、電供應比例，以滿足不同用戶的需要。熱電聯產(供)循環的經濟性評價

只采用熱效率顯然不夠全面

能量利用系數，但未考慮熱和電的品位不同

Ex經濟學評價

熱電聯產、集中供熱是發展方向，經濟環保6現代新型動力循環蒸汽電站提高電廠供電效率的措施：提高初參數，向亞臨界和超臨界發展；采用大功率機組，降低廠用電率；采用熱電聯供?；痣姀S發展現狀占總裝機容量的80%左右，效率37~40%；

耗煤占總產量30%，油占10%左右；

提高供電效率和改善環境有重要意義。燃氣-蒸汽聯合循環燃氣輪機的發展熱力參數與單機容量逐步提高，達W>200MW，熱效率35~41%；可靠性95~98.5%，可作為基本負荷電站；聯合循環的現實可行性燃氣輪機排氣溫度t4=400~600℃；大功率機組排氣量300kg/s以上；利用排氣能量加熱蒸汽輪機給水(取代鍋爐)，大大提高供電效率，極限效率(燒氣)約58%。燃氣蒸汽聯合循環Ts燃氣輪機循環蒸汽輪機循環燃氣蒸汽聯合循環法國GECAlsthom公司的聯合循環電站燃氣輪機：227.2MW蒸汽輪機：128.3MW燃料：天然氣熱效率：54.5%整體煤氣化聯合循環(IGCC)工作流程氣化爐中煤煤氣；煤氣的凈化；燃氣輪機循環；余熱鍋爐回收排氣熱量；蒸汽輪機循環整體煤氣化聯合循環(IGCC)優點熱效率高，目前40~46%，預計可52%；環保性能好，SO2,NOx,CO2,粉塵排放低，可燃用高硫煤；可實現煤化工綜合利用，生產硫、硫酸、甲醇、尿素等；單機功率可達300~400MW缺點目前煤氣化和凈化的熱損失還偏大；初期投資大。整體煤氣化聯合循環(IGCC)應用目前已建成或擬建的IGCC電站10余座，美國預測，2030年IGCC市場份額達35%左右如美國加州有一個電站，“世界上最潔凈的燃煤火電站，脫硫98-99%，產生元素硫，排渣中主要是Al、Si、Fe、Ca等無害元素，用于絕緣材