第六章

動力循環

PowerCycles概述熱機：將熱能轉換為機械能的設備；動力循環：熱機中，通過工質的熱力循環過程實現熱能連續地轉換為機械能，其工作循環稱為動力循環；根據工質的不同，動力循環可分為：蒸汽動力循環（蒸汽機、蒸汽輪機）：外燃機（externalcombustionengine）氣體動力循環（活塞式、葉輪式）：內燃機（internalcombustionengine）研究重點熱能利用的經濟性，即循環熱效率；分析影響循環熱效率的各種因素，研究提高循環熱效率的途徑；研究方法簡化：簡化熱機工作流程；理想化：簡單、典型的可逆過程和循環近似實際復雜的不可逆過程和循環。6-1活塞式內燃機循環燃料直接在氣缸里燃燒，燃燒產物作為工質推動活塞作功，再由連桿帶動曲軸轉動；結構緊湊、重量輕、體積小、管理方便，是一種輕便、熱效率高的熱機；根據燃料不同，分為汽油機、柴油機、煤氣機等；點火的方式不同分為點燃式和壓燃式點燃式壓燃式一、活塞式內燃機實際循環的簡化

單缸汽油機構造示意圖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9-進水口10-連桿11-飛輪12-曲軸13-機油管14-曲軸箱15-機油泵16-曲軸正時齒輪17-凸輪正時齒輪18-凸輪軸19-排氣管20-進氣管21-進氣門22排氣門23-化油器空氣標準假設(Air-standardAssumption)循環工質為空氣，且為定比熱理想氣體；燃料燃燒過程簡化為工質從高溫熱源吸熱，排氣過程簡化為工質向低溫熱源放熱；循環中所有過程為內可逆過程。TDC—topdeadcenterBDC—bottomdeadcenter二、活塞式內燃機的理想循環對汽油機，認為燃燒過程定容，抽象為Otto循環；對柴油機，認為燃燒過程定壓，抽象為Diesel循環；認為燃燒過程由定容、定壓兩部分組成，抽象出混合加熱循環。1.汽油機的理想循環—Otto循環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.柴油機的理想循環—Diesel循環

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。為定壓預脹比3.混合加熱理想循環

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蒸汽動力循環由鍋爐、汽輪機、凝汽器、水泵等主要熱力設備組成的整套裝置稱為蒸汽動力裝置;我國已成批生產功率分別為200MW、300MW、600MW的鍋爐、汽輪機和發電機組；熱力發電廠這樣以水蒸氣為工質的蒸汽動力裝置工作循環稱為蒸汽動力循環。GasCooledReactors(GCR)Usescarbondioxideusedascoolant.Graphitemoderatorsallowuseofnaturaluranium.PressureWaterReactors(PWR)Refuelingdonewithplantshutdown.Coolingdoneinsteamgeneratoroutsidethecore.BoilingWaterReactor(BWR)Typicallyallowsbulkboilingofwaterinthereactor.Controlrodsareinsertedfromthebottom.核電站與火電廠的比較共同點：蒸汽在膨脹機中膨脹做功；乏汽凝結后由水泵送回蒸汽發生器；不同點：蒸汽發生器不同（火電站為鍋爐，核電站為反應堆）；蒸汽初參數不同；不考慮蒸汽發生的具體方式，循環的熱力學分析方法相同。一、朗肯（Rankine）循環朗肯循環水在給水泵中的可逆絕熱壓縮過程3-4；水與水蒸氣在鍋爐中的可逆定壓加熱過程4-5-6-1；水蒸氣在汽輪機中的可逆絕熱膨脹過程1-2；乏汽在冷凝器中的定壓放熱過程2-3。忽略了給水泵、汽輪機中的摩擦和散熱及工質在鍋爐、冷凝器中的壓力變化。朗肯循環汽輪機作功：水泵絕熱壓縮耗功：循環凈功：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作出的功相比甚小，一般情況下可忽略不計，即：簡化的熱效率公式：汽耗率：蒸汽動力裝置每輸出1kW.h功量所消耗的蒸汽量二、蒸汽參數對朗肯循環

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

蒸汽初溫的影響basT654321T210987與同溫限卡諾循環1234‘比較放熱量相同，卡諾循環吸熱更多，效率高；但等溫吸熱4‘1難實現；卡諾循環7-8-9-10可實現等溫吸放熱；8點干度太小，不利于汽輪機低壓級強度；9-10兩相區壓縮難以實現。蒸汽參數對朗肯循環熱效率的影響蒸汽初溫的影響basT654321T2優點：吸熱平均溫度提高，循環熱效率提高；出口的乏汽干度比原來增加(x2’>x2)，有利于汽輪機安全。缺點：初溫度愈高，對耐熱及強度要求高，在目前的火力發電廠中，最高初溫一般在550℃左右。蒸汽參數對朗肯循環熱效率的影響蒸汽初壓的影響basT654321優點：吸熱平均溫度提高，循環熱效率提高；缺點：出口的乏汽干度比原來減少，乏汽中所含水分增加，將會沖擊和侵蝕汽輪機最后幾級葉片，不利于汽輪機安全。一般要求出口干度0.85~0.88。蒸汽參數對朗肯循環熱效率的影響乏汽壓力的影響sT654321ba優點：放熱平均溫度降低，吸熱平均溫度影響很小，循環熱效率提高；問題：受環境溫度限制(乏汽出口溫度必須高于環境溫度，才能放熱凝結)，現在大型機組乏汽壓力為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。三、第二定律分析p1=17MPat1=550CP2=0.005MPa討論爐內燃燒產物與水、汽間的大溫差是造成系統有效能損失的主要原因，高達35.98%；冷凝器中凝結放熱占總加熱量的54.26%，但有效能損失僅占2.22%；汽輪機內部損失有效能占6.10%。

減少燃燒過程有效能損失為改進循環的主要著眼點。方法：燃氣—蒸汽聯合循環；提高蒸汽的初參數。6-3提高熱效率的其他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…...一、再熱循環新蒸汽在高壓汽輪機中膨脹作功到某一中間壓力以后,全部抽出導入鍋爐中的再熱器，吸收煙氣放出的熱量，然后再導入低壓汽輪機繼續膨脹作功到終壓力，這種循環稱為蒸汽再熱循環，簡稱再熱循環。s一次再熱循環T6543217其平均放熱溫度與原循環相同，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Ts6543217優點：提高熱效率。缺點：管路復雜，增大了投資。使用：大型機組采用一次到二次再熱。熱效率公式：二、回熱循環蒸汽回熱循環1kg壓力為p1的新蒸汽進入汽輪機膨脹作功，狀態由1變化到a，此時抽出

kg引入回熱加熱器，其余(1-

)kg蒸汽繼續在汽輪機中膨脹作功直至乏汽壓力，然后進入冷凝器被冷凝成水，經凝結水泵升壓進入回熱加熱器，接受

kg抽汽凝結時放出的潛熱并與之混合成為抽汽壓力下的1kg飽和水。一次抽汽回熱循環(1-

)kg

kg10987s6543211kgT在汽輪機內作功后的蒸汽潛熱加熱進入鍋爐之前的給水，減少從高溫熱源的吸熱量，循環的吸熱平均溫度有較大的提高。利用乏汽加熱是不可能的，因為乏汽的溫度與給水的溫度相等。因此采用從汽輪機中間抽出部分已作過功但壓力尚不太低的少量蒸汽來加熱低溫給水。回熱必然提高循環效率。一次抽汽回熱循環(1-

)kg

kg10987s6543211kgT抽汽量大小根據質量守恒和能量守恒的原則確定：循環熱效率為：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使用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。三、熱電聯供循環背壓式熱電聯產循環簡圖背壓>0.1MPa盡管采用了高參數、再熱、回熱等措施，循環熱效率仍低于50％，大部分被排放于冷卻水或大氣中，這部分熱能數量雖大，但因溫度接近于環境溫度，故不能用來轉換為機械能。為了充分利用熱能，自然地聯想到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供。抽氣式熱電聯產循環簡圖背壓式汽輪機熱電聯供循環主要缺點是供電供熱彼此互相牽制，不能同時獨立地滿足熱負荷與電負荷變化的需要。抽汽式熱電聯供循環,采用抽汽式汽輪機供熱，可以自動調節熱、電供應比例，以滿足不同用戶的需要。熱電聯供循環的評價只采用熱效率不夠全面，能量利用系數

未考慮熱和電的品位不同。背壓式熱電聯供循環，K理論上將達到1，但實際上由于各種損失及泄漏，只有0.85左右。應同時使用兩個指標評價。6-4

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。火電廠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，現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

蒸汽聯合循環整體煤