附核电厂蒸汽循环分析.pptx

1附附-1 核电厂热设备的能量效率和核电厂热设备的能量效率和效率效率 2一、蒸汽发生器一、蒸汽发生器 压水堆核电厂一回路压水堆核电厂一回路 工作压力在工作压力在15MPa左右；左右；冷却剂（压力水）在反应堆的冷却剂（压力水）在反应堆的进口温度位于进口温度位于280300，出，出口温度即蒸汽发生器进口温度约口温度即蒸汽发生器进口温度约310330。大亚湾核电厂大亚湾核电厂:一回路压力一回路压力15.5MPa;冷却剂出口平均温度为冷却剂出口平均温度为329.8。3取蒸汽发生器为控制体积，稳定运行状态取蒸汽发生器为控制体积，稳定运行状态一回路冷却剂质量流量一回路冷却剂质量流量 蒸汽发生器的产汽量蒸汽发生器的产汽量 方程方程蒸汽发生器的蒸汽发生器的效率效率能量方程能量方程04 【例附例附-1】大亚湾核电厂每环冷却剂的流量为大亚湾核电厂每环冷却剂的流量为 17550 t/h，一回路压力为一回路压力为15.5MPa，若冷却剂平均出口温度，若冷却剂平均出口温度329.8，平均进口温度平均进口温度290.8，蒸汽发生器产生的新蒸汽是压力，蒸汽发生器产生的新蒸汽是压力6.53MPa，干度为，干度为0.9956的湿饱和蒸汽，进入蒸汽发生器的湿饱和蒸汽，进入蒸汽发生器的水压力为的水压力为7.08MPa，温度为，温度为221.3蒸汽发生器向环境蒸汽发生器向环境大气散热量可忽略，求：蒸汽流量及蒸汽发生器的大气散热量可忽略，求：蒸汽流量及蒸汽发生器的效效率。假定率。假定T0=298K，p0=0.1MPa。解：冷却剂的流量解：冷却剂的流量 冷却剂参数：冷却剂参数：新蒸汽参数：新蒸汽参数：p=6.53MPa，x=0.9956 15.5MPa290.815.5MPa329.87.08MPa，221.3 57.08MPa，221.3 时时 环境态水环境态水h3=950.7kJ/kg;s3=2.521kJ/(kgK)；6取蒸汽发生器为控制体积，稳定状态能量方程：取蒸汽发生器为控制体积，稳定状态能量方程：蒸汽流量蒸汽流量 蒸汽发生器的蒸汽发生器的效率效率 7讨论：讨论：蒸汽发生器的热（能量）量利用率是蒸汽发生器的热（能量）量利用率是100%，但因传热温差，但因传热温差，因此因此效率小于效率小于1蒸汽发生器内两股流体（一回路冷却剂和二回路蒸汽）的蒸汽发生器内两股流体（一回路冷却剂和二回路蒸汽）的平均温差比火力电厂的锅炉中烟气和水的温差小得多，所以平均温差比火力电厂的锅炉中烟气和水的温差小得多，所以核电厂蒸汽发生器核电厂蒸汽发生器效率远大于火力电厂锅炉的效率远大于火力电厂锅炉的效率。效率。8二、蒸汽轮机二、蒸汽轮机 大型核电厂中应用最广的是饱和蒸汽轮机大型核电厂中应用最广的是饱和蒸汽轮机；大亚湾核电站的两台汽轮发电机组在额定功率时，进入汽大亚湾核电站的两台汽轮发电机组在额定功率时，进入汽 轮机的新蒸汽是压力轮机的新蒸汽是压力6.53MPa，干度为，干度为0.96的饱和蒸汽，的饱和蒸汽，主蒸汽的流量是主蒸汽的流量是1467.95kg/s，排汽压力，排汽压力0.007MPa，温度，温度 为为39 汽轮机内过程的能量分析汽轮机内过程的能量分析蒸汽经过汽轮机的绝热膨胀蒸汽经过汽轮机的绝热膨胀与理想可逆过程有显著的差别与理想可逆过程有显著的差别可逆过程汽轮机输出技术功可逆过程汽轮机输出技术功 不可逆绝热过程实际作技术功可逆绝热过程实际作技术功 理想绝热焓降理想绝热焓降 9汽轮机相对内效率（汽轮机效率）汽轮机相对内效率（汽轮机效率）汽轮机内蒸汽实际作功汽轮机内蒸汽实际作功汽轮机内蒸汽汽轮机内蒸汽理论功理论功大功率汽轮机大功率汽轮机0.850.850.920.92；核电厂汽轮机稍小核电厂汽轮机稍小 10图示的汽轮机系统，忽略管道损失，能量方程图示的汽轮机系统，忽略管道损失，能量方程11蒸汽流入汽轮机时的焓蒸汽流入汽轮机时的焓 流出汽轮机时的焓流出汽轮机时的焓 汽轮机的汽轮机的效率效率汽轮机内不可逆绝热过程的汽轮机内不可逆绝热过程的损失损失 汽轮机内过程的汽轮机内过程的分析分析12过程过程损失损失汽轮机输出的功汽轮机输出的功，即技术功，即技术功 散热的热量散热的热量 效率效率 13 【例例附附-2】大亚湾核电厂汽轮机双流低压缸进汽量大亚湾核电厂汽轮机双流低压缸进汽量927.072kg/s，进汽焓进汽焓2991.1kJ/kg，温度，温度267.31。汽轮机有。汽轮机有4级抽汽，抽汽量和级抽汽，抽汽量和抽汽状态分别为抽汽状态分别为 汽轮机排向凝汽器的汽轮机排向凝汽器的参数参数 假定假定T0=298K，p0=0.1MPa 求汽轮机输出功及求汽轮机输出功及效率。效率。14解：汽轮机排向凝汽器的流量解：汽轮机排向凝汽器的流量查相关资料查相关资料 1516 本例汽轮机没有散热，所以热（能量）利用率为本例汽轮机没有散热，所以热（能量）利用率为100%100%，但是，但是从各排汽的熵逐步增大可知蒸汽在汽轮机内过程不可逆，因此从各排汽的熵逐步增大可知蒸汽在汽轮机内过程不可逆，因此其其效率小于效率小于1 1。17三、给水泵三、给水泵 取水泵为控制体积，能量方程取水泵为控制体积，能量方程平衡方程平衡方程 效率效率 通常水泵运行时可以通常水泵运行时可以 假定为绝热过程假定为绝热过程18 【例例附附-3】大亚湾核电厂二回路的给水泵由给水泵汽轮机带动，大亚湾核电厂二回路的给水泵由给水泵汽轮机带动，每台给水泵在额定输出功率时流量为每台给水泵在额定输出功率时流量为1467.95kg/s。进入给水泵水。进入给水泵水的焓的焓694.8kJ/kg，温度，温度164.3，经过水泵后水的焓为，经过水泵后水的焓为704.1kJ/kg，温度温度165.6，水泵的功率，水泵的功率13712kW，假定，假定T0=298K，p0=0.1MPa，求：求：损失。损失。解：取水泵为控制体积。能量方程解：取水泵为控制体积。能量方程 与水泵功率相比，散热量可忽略不计与水泵功率相比，散热量可忽略不计查表得查表得 19附附-2 朗肯循环的热效率朗肯循环的热效率 一、核电厂循环的理论热效率一、核电厂循环的理论热效率 4-1 水在蒸汽发生器中的预热、水在蒸汽发生器中的预热、汽化过程近似认为定压过程汽化过程近似认为定压过程 1-2过程绝热过程绝热2-3乏汽在冷凝器中冷凝，乏汽在冷凝器中冷凝，也为定压过程也为定压过程 4-3绝热压缩，给水泵消耗的功绝热压缩，给水泵消耗的功循环净功循环净功20忽略水泵功忽略水泵功 汽耗率汽耗率 二、蒸汽参数对循环的影响二、蒸汽参数对循环的影响1.蒸汽初压力的影响蒸汽初压力的影响 循环平均放热温度循环平均放热温度T m2 相等相等,但但1p2341p的平均吸热温度比循环的平均吸热温度比循环12341的的 平均吸热温度高，因此初压较高的循环平均吸热温度高，因此初压较高的循环11p2341p热效率较高。热效率较高。单纯提高初压力，虽可使热效率提高，但同时也会造成汽轮机出口蒸汽单纯提高初压力，虽可使热效率提高，但同时也会造成汽轮机出口蒸汽 干度下降，蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行。干度下降，蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行。21压水堆用二回路通常采用饱和蒸汽，饱和压水堆用二回路通常采用饱和蒸汽，饱和 蒸汽的温度和压力一一对应，提高二回路蒸汽的温度和压力一一对应，提高二回路 蒸汽温度的效果和提高压力的效果一样。蒸汽温度的效果和提高压力的效果一样。提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路 冷却剂的温度，应提高一回路压力，所以，提冷却剂的温度，应提高一回路压力，所以，提 高一回路冷却剂压力是提高核电厂循环热效率高一回路冷却剂压力是提高核电厂循环热效率 的有效途径。但是，这种影响受到水的热物理的有效途径。但是，这种影响受到水的热物理 性质的制约。例如，大亚湾核电厂反应堆出口性质的制约。例如，大亚湾核电厂反应堆出口 冷却剂平均温度为冷却剂平均温度为329.8，一回路压力为，一回路压力为15.5 MPa（饱和温度（饱和温度344.7）。若将之提高到）。若将之提高到20 MPa，其饱和温度，其饱和温度365.7，两者相比，虽然冷却剂饱和温度提，两者相比，虽然冷却剂饱和温度提 高了高了21，可以使二回路蒸汽的初温有一定的提高，而带来循，可以使二回路蒸汽的初温有一定的提高，而带来循 环热效率的些微提高，但一回路压力却因此而提高了环热效率的些微提高，但一回路压力却因此而提高了4.5MPa，这将提高系统内各主要设备的承压要求及材料和加工制造的难这将提高系统内各主要设备的承压要求及材料和加工制造的难 度，最终影响到电厂的经济性所以，目前压水堆核电厂一回路度，最终影响到电厂的经济性所以，目前压水堆核电厂一回路 系统的工作压力大多在系统的工作压力大多在15MPa。223.乏汽参数的影响乏汽参数的影响 维持蒸汽初参数维持蒸汽初参数p1、T1不变，降低乏汽压不变，降低乏汽压 力力p2，平均吸热温度仅稍有下降，而平均，平均吸热温度仅稍有下降，而平均 放热温度却明显下降，因此热效率将提高。放热温度却明显下降，因此热效率将提高。乏汽压力乏汽压力p2选择取决于冷凝器内冷却流体选择取决于冷凝器内冷却流体 的温度，一般冷却流体是自然界中的水。的温度，一般冷却流体是自然界中的水。因此，降低因此，降低p2受制于环境介质的温度。目受制于环境介质的温度。目 前大亚湾核电厂凝汽器中采用前大亚湾核电厂凝汽器中采用p2为为0.007MPa左右，对应左右，对应 饱和温度约饱和温度约39。提高核电厂循环热效率的方法，除提高初温（初压）及降低提高核电厂循环热效率的方法，除提高初温（初压）及降低 终压外，还可以从减少循环的不可逆性和改进循环着手，如终压外，还可以从减少循环的不可逆性和改进循环着手，如 采用抽汽回热循环、再热循环等。采用抽汽回热循环、再热循环等。23三、有摩阻的实际循环三、有摩阻的实际循环 考虑汽轮机中的不可逆损失，则理想循环中的可逆绝热过程考虑汽轮机中的不可逆损失，则理想循环中的可逆绝热过程1-2将代之以不可逆绝热过程将代之以不可逆绝热过程1-2act。这样在循环中。这样在循环中 不变，而不变，而增大。增大。蒸汽不可逆经过汽轮机时实际所作的技术功蒸汽不可逆经过汽轮机时实际所作的技术功 汽轮机的相对内效率，简称汽轮机效率汽轮机的相对内效率，简称汽轮机效率 幻灯片 224实际循环内部功实际循环内部功 1kg蒸汽在实际工作循环中作出的循环净功蒸汽在实际工作循环中作出的循环净功 忽略水泵功忽略水泵功 循环内部热效率循环内部热效率 蒸汽在实际循环中所作的循环净功与循环中热源所蒸汽在实际循环中所作的循环净功与循环中热源所供给的热量的比值供给的热量的比值 25汽轮机输出的有效功，即轴功汽轮机输出的有效功，即轴功 机械效率机械效率 用轴功率表示用轴功率表示 汽轮机理想输出功率汽轮机理想输出功率 蒸汽耗量，蒸汽耗量，kg/h 内部功耗汽率内部功耗汽率 理论耗汽率理论耗汽率 有效功耗汽率有效功耗汽率 26 【例例附附-4】某压水堆蒸汽发生器产生某压水堆蒸汽发生器产生10MPa的饱和水蒸汽，进入的饱和水蒸汽，进入汽轮机膨胀后，排向汽轮机膨胀后，排向10kPa的冷凝器，膨胀过程绝热但不可逆，过的冷凝器，膨胀过程绝热但不可逆，过程熵产为程熵产为0.3kJ/(kgK)，求循环各设备的功、循环的热效率和汽耗，求循环各设备的功、循环的热效率和汽耗率。率。解：首先确定各点参数：点解：首先确定各点参数：点1：由：由10MPa，查饱和水蒸汽表：，查饱和水蒸汽表：点点2：由：由10kPa，查饱和水蒸汽表，查饱和水蒸汽表 据绝热过程熵方程：据绝热过程熵方程：状态状态2 2为饱和湿蒸汽状态为饱和湿蒸汽状态 27状态状态4：状态状态3：汽轮机输出功：汽轮机输出功：水泵耗功：水泵耗功：28吸热量：吸热量：冷凝器中放热量：冷凝器中放热量：循环热效率：循环热效率：汽耗率：汽耗率：29附附-3 再热循环再热循环 一、火电厂的再热循环一、火电厂的再热循环 再热循环再热循环新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器或其它换热设备中，使之再加热，然后入锅炉中特设的再热器或其它换热设备中，使之再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压再导入汽轮机继续膨胀到背压的循环。的循环。30再热对循环的影响再热对循环的影响 提高汽轮机末端蒸汽干度提高汽轮机末端蒸汽干度对循环热效率的影响对循环热效率的影响 循环所作的功为（忽略水泵功）循环所作的功为（忽略水泵功）循环加热量循环加热量 热效率热效率 根据已有经验，中间压力在根据已有经验，中间压力在p1的的2030%范围内，对提高热效范围内，对提高热效率的作用最大。但选取中间压力时必须注意使进入冷凝器的乏汽率的作用最大。但选取中间压力时必须注意使进入冷凝器的乏汽干度在允许范围内，此为再热之根本目的。干度在允许范围内，此为再热之根本目的。每每kgkg蒸气所作的功增加，故耗汽率降低，通过设备的水蒸气所作的功增加，故耗汽率降低，通过设备的水和蒸汽的质量减少，减轻水泵和冷凝器的负荷；和蒸汽的质量减少，减轻水泵和冷凝器的负荷；因管道、阀门及换热面增多，增加了投资费用，且使管因管道、阀门及换热面增多，增加了投资费用，且使管理运行复杂化。理运行复杂化。其他影响其他影响31二、压水堆电厂的汽水分离再热循环二、压水堆电厂的汽水分离再热循环压水堆二回路循环的新蒸汽是饱和压水堆二回路循环的新蒸汽是饱和或仅稍微过热的，因此提高蒸汽膨胀或仅稍微过热的，因此提高蒸汽膨胀终态的干度更显重要；终态的干度更显重要；由于反应堆的构造的特征，不可能将蒸汽再送入蒸汽发生器由于反应堆的构造的特征，不可能将蒸汽再送入蒸汽发生器再热，汽水分离再热过程在增设的汽水分离再热器内进行。再热，汽水分离再热过程在增设的汽水分离再热器内进行。压水堆电厂再热的特征压水堆电厂再热的特征核电厂的热源的特殊性，核电厂循环的再热是由新蒸汽完成，核电厂的热源的特殊性，核电厂循环的再热是由新蒸汽完成，因此对循环热效率的提高并不有利，但汽水分离再热对保证汽轮因此对循环热效率的提高并不有利，但汽水分离再热对保证汽轮机的安全运行提供了保障。机的安全运行提供了保障。大亚湾核电站常规岛每台机组配备两个汽水分离再热器，分别大亚湾核电站常规岛每台机组配备两个汽水分离再热器，分别置于汽轮机低压缸的两侧。高压缸排汽压力为置于汽轮机低压缸的两侧。高压缸排汽压力为0.783MPa，排汽温，排汽温度度169.5，湿度，湿度14.2%。经过汽水分离再热器时，排汽中约。经过汽水分离再热器时，排汽中约98%的水分先被排出，再被加热，进入低压缸时蒸汽压力的水分先被排出，再被加热，进入低压缸时蒸汽压力0.74MPa，温度温度265.1。32压水堆电厂再热循环分析压水堆电厂再热循环分析 考虑汽轮机内膨胀过程的不可逆性，考虑汽轮机内膨胀过程的不可逆性，忽略给水泵的功：忽略给水泵的功：循环净功循环净功 汽轮机相汽轮机相 对内效率对内效率 汽轮机高压缸和低压缸的相对内效率汽轮机高压缸和低压缸的相对内效率 循环加热量循环加热量 循环内部热效率循环内部热效率 33 【例例附附-5】大亚湾核电站高压缸排汽进入汽水分离再热器后，大亚湾核电站高压缸排汽进入汽水分离再热器后，沿着壳体构成的环形腔室从前向后通过沿着壳体构成的环形腔室从前向后通过32个波纹形汽水分离单个波纹形汽水分离单元，使来汽的约元，使来汽的约98%水分分离出来，通过疏水阀排走，较干的水分分离出来，通过疏水阀排走，较干的蒸汽通过两级再热器。一级再热由高压缸抽汽加热，二级再热蒸汽通过两级再热器。一级再热由高压缸抽汽加热，二级再热由来自蒸汽发生器的新蒸汽加热。为简化分析，假定一级再热由来自蒸汽发生器的新蒸汽加热。为简化分析，假定一级再热和两级再热全部由新蒸汽完成，如图。和两级再热全部由新蒸汽完成，如图。若高压缸排汽参数为若高压缸排汽参数为 、x=85.8%，排汽总流量，排汽总流量为为1274.138kg/s，低压缸进汽参数为，低压缸进汽参数为，进入再热器，进入再热器的新蒸汽的的新蒸汽的从再热器排出时新蒸汽的从再热器排出时新蒸汽的 排放的疏水平均焓为排放的疏水平均焓为699.6kJ/kg，熵为，熵为1.997kJ/(kgK)，环境状态，环境状态下水的下水的，汽水分离再热器，汽水分离再热器求：汽水分离再热器的新蒸汽流量和求：汽水分离再热器的新蒸汽流量和效率。效率。34解：解：确定各状态参数确定各状态参数查图表：查图表：点点1点点2点点4点点535确定各点质量流量确定各点质量流量取图中虚线所示为控制体积，列能量方程：取图中虚线所示为控制体积，列能量方程：计算各点计算各点值值 3637计算计算效率效率讨论：讨论：效率很高是由于：效率很高是由于：没有外部损失；没有外部损失；传热温差小传热温差小分离再热器庞大。分离再热器庞大。38 【例例附附-6】压水堆二回路循环采用汽水分离再热循环抽象简化压水堆二回路循环采用汽水分离再热循环抽象简化如图所示，若新蒸汽的如图所示，若新蒸汽的 在高压缸膨胀到在高压缸膨胀到 时进入汽水分离时进入汽水分离再热器，再热后再热器，再热后，若凝汽器维持，若凝汽器维持0.007MPa，水流经水泵后焓增加，水流经水泵后焓增加9.3kJ/kg，求，求循环的热效率和耗汽率，并与不采用汽水分离循环的热效率和耗汽率，并与不采用汽水分离再热循环比较。再热循环比较。解：解：各状态点参数各状态点参数 新蒸汽新蒸汽（点（点1）的焓的焓 高压缸膨胀过程为等熵过程高压缸膨胀过程为等熵过程 及再热压力及再热压力 点点a39点点及冷凝器压力及冷凝器压力 点点b再热器中的过程近似为等压再热器中的过程近似为等压 及再热压力及再热压力 点点2及冷凝器压力及冷凝器压力 点点点点40循环分析循环分析41 说明：说明：采用再热后尽管使系统复杂，初投资增采用再热后尽管使系统复杂，初投资增加，但是可以提高乏汽的干度、降低汽加，但是可以提高乏汽的干度、降低汽耗率。耗率。两种循环比较两种循环比较若不采用再热，则循环为若不采用再热，则循环为1-c-3-4-1，该循环，该循环 42 【例例附附-7】在例在例3-6压水堆二回路循环中考虑蒸汽在汽轮机内的压水堆二回路循环中考虑蒸汽在汽轮机内的过程为不可逆过程，如图，若新蒸汽参数及再热压力、再热后温过程为不可逆过程，如图，若新蒸汽参数及再热压力、再热后温度、凝汽器压力和流经水泵后水的焓增加量都与例度、凝汽器压力和流经水泵后水的焓增加量都与例3-6相同，假定相同，假定汽轮机高压缸和低压缸的相对内效率汽轮机高压缸和低压缸的相对内效率和和都是都是0.9。求循环的。求循环的内部热效率和汽轮机内的内部热效率和汽轮机内的损失（损失（T0=295K）。）。解：解：各点参数：由上例各点参数：由上例43循环净功循环净功 循环加热量循环加热量循环内部热效率循环内部热效率 循环分析循环分析根据稳定流动系统熵方程，汽轮机高压缸根据稳定流动系统熵方程，汽轮机高压缸 0汽轮机低压缸熵产汽轮机低压缸熵产 每每kg蒸汽在汽轮机内的蒸汽在汽轮机内的损失损失44附附-4 抽汽循环抽汽循环 一、一、抽汽回热抽汽回热 工程上采用的回热方式是从汽轮机的适当部位抽出尚未完全工程上采用的回热方式是从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。现代大中型蒸汽动力装置毫无例外均采用回热循环，抽汽的级现代大中型蒸汽动力装置毫无例外均采用回热循环，抽汽的级数由数由23级到级到78级，参数越高、容量越大的机组，回热级数越级，参数越高、容量越大的机组，回热级数越多。大亚湾核电站的二回路循环就有高达多。大亚湾核电站的二回路循环就有高达7级的抽汽。级的抽汽。大亚湾电站一回路压力为大亚湾电站一回路压力为15.5MPa，冷却剂，冷却剂平均出口温度平均出口温度329.8，平均进口温度，平均进口温度290.8 281.2 39 45二、二、回热循环分析计算回热循环分析计算 确定抽汽量确定抽汽量1 热平衡方程热平衡方程 忽略水泵功忽略水泵功 循环分析循环分析循环净功循环净功 循环吸热量循环吸热量 46循环热效率循环热效率 循环分析循环分析热效率热效率 工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，回热循环的回热循环的热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率 47增加了回热器、管道、阀门及水泵等设备，使系统更加复杂；增加了回热器、管道、阀门及水泵等设备，使系统更加复杂；增加了投资。增加了投资。其他其他工质吸热量减少，锅炉热负荷减低，可减少受热面，节省金工质吸热量减少，锅炉热负荷减低，可减少受热面，节省金 属材料；属材料；由于进入冷凝器的乏汽量减少，可减少冷凝器的换热面积，由于进入冷凝器的乏汽量减少，可减少冷凝器的换热面积，节省铜材。节省铜材。由于汽耗率增大，使汽轮机高压端的蒸汽流量增加，而低压由于汽耗率增大，使汽轮机高压端的蒸汽流量增加，而低压 端因抽汽而流量减小，有利于汽轮机设计中解决第一级叶片端因抽汽而流量减小，有利于汽轮机设计中解决第一级叶片 太短和最末级叶片太长的矛盾，提高单机效率；太短和最末级叶片太长的矛盾，提高单机效率；48 【例例附附-8 8】具有两次抽汽加热给水的蒸汽动力装置回热循环。具有两次抽汽加热给水的蒸汽动力装置回热循环。其循环其循环T-sT-s图如图示。已知：第一次抽气压力图如图示。已知：第一次抽气压力 ,第二次抽汽压力第二次抽汽压力 ，新蒸汽，新蒸汽 ，。冷凝器中压力冷凝器中压力。试求：。试求：抽汽量抽汽量 循环循环。再与朗肯循环的热效率。再与朗肯循环的热效率、耗汽率、耗汽率d作比较，作比较，热效率；热效率；耗汽率耗汽率并说明耗汽率为什么反而增大？并说明耗汽率为什么反而增大？解：解：抽汽量抽汽量 49热平衡方程式热平衡方程式 50或或 循环热效率循环热效率 耗汽率耗汽率 51与朗肯循环比较与朗肯循环比较 热效率热效率 耗汽率耗汽率 采用抽汽回热后，热效率较简单朗肯循环有所提高，而耗汽采用抽汽回热后，热效率较简单朗肯循环有所提高，而耗汽率增大，这是因为抽汽使每率增大，这是因为抽汽使每kg新蒸汽作出的功减小，故新蒸汽作出的功减小，故d增大，增大，但由于回热，虽吸热量减少，平均吸热温度升高，放热温度不但由于回热，虽吸热量减少，平均吸热温度升高，放热温度不变，故热效率提高。变，故热效率提高。52附附-5 核电厂蒸汽循环的热分析和核电厂蒸汽循环的热分析和分析分析 第一定律分析法第一定律分析法 以能量的数量为立足点，从以能量的数量为立足点，从能量转换的数量关系来评价循能量转换的数量关系来评价循环的经济性，热效率为指标。环的经济性，热效率为指标。抓住能量数量上的平衡，考抓住能量数量上的平衡，考虑能量数量的利用程度，反映虑能量数量的利用程度，反映能量数量的能量数量的“外部损失外部损失”火力发电厂蒸汽动力装置热火力发电厂蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热、排烟和不平衡揭示锅炉散热、排烟和不完全燃烧损失、汽轮机和管道完全燃烧损失、汽轮机和管道等散热损失及冷凝器热损失，等散热损失及冷凝器热损失，得到装置的能流分配和热效率。得到装置的能流分配和热效率。第二定律分析法第二定律分析法 从能量的数量和质量来分析，从能量的数量和质量来分析，以以“熵产或作功能力损失和熵产或作功能力损失和效效率率”为指标。其中为指标。其中分析法揭示分析法揭示出能量中出能量中的转换、传递、利用的转换、传递、利用和损失情况，得出系统和损失情况，得出系统效率。效率。抓住不可逆过程中抓住不可逆过程中转变为转变为、不可能转变为不可能转变为，揭示出，揭示出系统内部存在的能量系统内部存在的能量“质质”的贬值的贬值和损耗。和损耗。两种方法揭示的不完善部位及损失大小不同两种方法揭示的不完善部位及损失大小不同 系统的能量分析方法系统的能量分析方法53压水堆核电厂二回路简化流程压水堆核电厂二回路简化流程 54简化的二回路各点参数简化的二回路各点参数 No.参参 数数34 5678p/MPa6.697.080.72012.5140.6590.0885t/282.8230.2166.1224.3267.396.2h/kJ/kg2772.5992.02477.52652.12991.02623.0s/kJ/(kgK)5.8302.6036.0455.9527.2037.274x/%99.6900.92ex,H/kJ/kg1039.73220.85680.66882.97849.07459.91qm/kg/s1304.781685.171104.425200.35928.30204.50环境参数环境参数 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 55 No.参参 数数91011121314p/MPa0.0070.0070.69040.69042.5146.69t/39.039.039.4137.1224.3282.8h/kJ/kg2354.6163.4165.5577.0982.72772.5s/kJ/(kgK)7.5790.5590.5641.7092.5965.830 x/%99.69ex,H/kJ/kg100.621.381.9972.28213.661039.73qm/kg/s723.801104.4251104.425200.351685.17380.39环境参数环境参数 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 56 No.参参 数数151617181920p/MPa2.4630.6590.0070.0070.10.1t/223.2267.339.039.02330h/kJ/kg1281.62991.02452.2400.796.5125.8s/kJ/(kgK)3.1987.2037.8911.3190.3390.436x/%ex,H/kJ/kg333.16849.07105.2512.200.0440.438qm/kg/s1380.39176.125176.125204.50环境参数环境参数 以二回路水在蒸汽发生器以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准，忽略管路吸收的热量为基准，忽略管路散热损失和压力损失，假定流散热损失和压力损失，假定流经冷凝器后海水温度由经冷凝器后海水温度由23上上升到升到30 57一、循环热分析一、循环热分析 流经冷凝器的冷却水流量流经冷凝器的冷却水流量 对冷凝器立稳定流动能量方程对冷凝器立稳定流动能量方程不计冷凝器散热不计冷凝器散热 0汽轮机高压缸输出功汽轮机高压缸输出功58=给水泵耗功给水泵耗功汽轮机低压缸输出功汽轮机低压缸输出功 给水泵汽轮机散热给水泵汽轮机散热 给水泵汽轮机和给水泵的机械效率为给水泵汽轮机和给水泵的机械效率为1凝水泵耗功凝水泵耗功(不计散热不计散热)59循环输出净功循环输出净功循环吸热量循环吸热量循环放热量循环放热量循环热效率循环热效率或或 60 由于忽略由于忽略了除给水泵汽轮机外的各设备及管路的散热损失和了除给水泵汽轮机外的各设备及管路的散热损失和其它损失，所以除给水泵汽轮机外各个设备能量利用率是其它损失，所以除给水泵汽轮机外各个设备能量利用率是100%，但从冷凝器中冷却水带走的热量巨大，占吸热量比例为但从冷凝器中冷却水带走的热量巨大，占吸热量比例为 二回路装置热流图二回路装置热流图 61二、循环二、循环分析分析进入进入系统系统减减去去离开离开系统的系统的减减去系统去系统损失损失等于等于系统系统增量增量。平衡方程：平衡方程：损失进入系统的损失进入系统的离开系统的离开系统的。稳定流动系统稳定流动系统内部内部损失损失工质在设备内部经历不可逆过程工质在设备内部经历不可逆过程外部外部损失损失由于泄漏、散热等造成由于泄漏、散热等造成+汽轮机这类作功设备汽轮机这类作功设备进行绝热过程，定义进行绝热过程，定义 无功量输入或输出设备，无功量输入或输出设备，如蒸汽发生器、冷凝器、如蒸汽发生器、冷凝器、高低压加热器、除氧器，高低压加热器、除氧器，定义定义 效率效率62 假定一回路冷却剂出口温度平均温度假定一回路冷却剂出口温度平均温度329.8，平均进口温度平均进口温度290.8，冷却剂平均压力，冷却剂平均压力15.5MPa，查有关数据表查有关数据表 一回路冷却剂的流量一回路冷却剂的流量一回路向二回路循环提供的总一回路向二回路循环提供的总值值由蒸汽发生器能量平衡由蒸汽发生器能量平衡63蒸汽发生器蒸汽发生器 蒸汽发生器内过程的蒸汽发生器内过程的损失损失据据平衡方程平衡方程损占提供损占提供值的百分率值的百分率 蒸汽发生器的蒸汽发生器的效率效率64汽轮机高压缸汽轮机高压缸 汽轮机不可逆绝热过程汽轮机不可逆绝热过程损失损失 利用熵产校核利用熵产校核 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 汽轮机高压缸的汽轮机高压缸的效率效率 65汽轮机低压缸汽轮机低压缸 不可逆绝热过程不可逆绝热过程损失损失 利用熵产校核利用熵产校核 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 汽轮机低压缸的汽轮机低压缸的效率效率 66给水泵汽轮机给水泵汽轮机 ，汽轮机不可逆放热过程，汽轮机不可逆放热过程，热量热量全部损失，全部损失，损失损失 利用熵利用熵产校核产校核 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 给水泵汽轮机的给水泵汽轮机的效率效率 67给水泵给水泵不可逆绝热过程不可逆绝热过程，损失损失 利用熵产校核利用熵产校核 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 给水泵给水泵效率效率 68凝水泵凝水泵不可逆绝热过程不可逆绝热过程，损失损失 利用熵产校核利用熵产校核 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 凝水泵凝水泵效率效率 69汽水分离再热器汽水分离再热器 不考虑散热损失，没有散热不考虑散热损失，没有散热损。损。损失损失 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 汽水分离再热器汽水分离再热器效率效率 70冷凝器冷凝器 冷凝器未对外输出功，仅向环境放热，热量冷凝器未对外输出功，仅向环境放热，热量为零。为零。损失损失 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 冷凝器冷凝器效率效率 71低压加热器低压加热器 工质未对外输出功，又未向环境介质放热，工质未对外输出功，又未向环境介质放热，损失损失 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 低压加热低压加热器器效率效率 72除氧器除氧器 工质未对外输出功，又未向环境介质放热，工质未对外输出功，又未向环境介质放热，损失损失 损占提供损占提供值的百分率值的百分率 除氧器除氧器 效率效率 73装置装置损失和损失和平衡验证平衡验证 整个装置的整个装置的损失损失 装置装置平衡验算平衡验算 二回路系统中由一回路冷却剂提供的二回路系统中由一回路冷却剂提供的，等于二回路输出的，等于二回路输出的净机械功和净机械功和二回路系统总的二回路系统总的损之和，计算正确。损之和，计算正确。二回路循环的二回路循环的效率效率74 项目项目名称名称数值数值/（kJ/s）相对百分率相对百分率/%平衡法平衡法热平衡法热平衡法平衡法平衡法热平衡法热平衡法一、一回路冷却剂提供的热量一、一回路冷却剂提供的热量 冷却剂提供的热量的冷却剂提供的热量的值值 3.0001063.0001061001470257.7100二、过程损失二、过程损失 （1）蒸汽发生器损失）蒸汽发生器损失 （2）汽轮机高压缸损失）汽轮机高压缸损失 （3）汽轮机低压缸损失）汽轮机低压缸损失 （4）水泵汽轮机损失）水泵汽轮机损失 （5）给水泵损失）给水泵损失 （6）凝水泵损失）凝水泵损失 （7）汽水分离再熱器损失）汽水分离再熱器损失 （8）凝汽器损失）凝汽器损失 （9）低压加热器损失）低压加热器损失 （10）除氧器损失）除氧器损失90308.56.1478050.45.31101788.36.926735.5559.250.460.0023522.00.241645.60.1182775.95.6391660.72023383.76.2367.4713926.70.9523408.21.59三、净输出有用功三、净输出有用功976404.9976404.966.3932.5二回路循环的能分析和二回路循环的能分析和分析表分析表 75二回路装置二回路装置流图和热流图流图和热流图 76讨论讨论 （1）冷凝器中冷却水带走的能量占一回路提供热量的比例）冷凝器中冷却水带走的能量占一回路提供热量的比例67.47%，即几乎输入能量的，即几乎输入能量的2/3在冷凝器中损失，但是冷凝器在冷凝器中损失，但是冷凝器中的中的损失仅是一回路供给损失仅是一回路供给的约的约6%。（2）本案例假设不计除水泵汽轮机外的散热损失，所以各）本案例假设不计除水泵汽轮机外的散热损失，所以各个设备的能量效率均为个设备的能量效率均为100%，但这些设备都有可用能损失。，但这些设备都有可用能损失。以汽轮机为例，由于汽轮机内过程的不可逆性，虽然没有散热以汽轮机为例，由于汽轮机内过程的不可逆性，虽然没有散热损失，但两级的损失，但两级的损失之和高达一回路输入损失之和高达一回路输入的的12.23%。（3）二回路装置的）二回路装置的分析结果与第一章所提出的火力发电厂分析结果与第一章所提出的火力发电厂蒸汽动力装置的蒸汽动力装置的分析的结果有明显差异。火力发电厂蒸汽动力分析的结果有明显差异。火力发电厂蒸汽动力装置的装置的分析中锅炉内分析中锅炉内损失占输入损失占输入量的量的49%，本案例中蒸汽，本案例中蒸汽发生器的发生器的损失仅损失仅6.14%，燃料燃烧是典型不可逆过程，燃料燃烧是典型不可逆过程，燃料的化学能转换成燃气的热力学能伴随着巨大可用能损失；燃料的化学能转换成燃气的热力学能伴随着巨大可用能损失；锅炉中燃气的平均温度远高于水和水蒸气的平均温度锅炉中燃气的平均温度远高于水和水蒸气的平均温度而蒸汽发生器中一回路的冷却剂的平均温度与二回路中而蒸汽发生器中一回路的冷却剂的平均温度与二回路中输入的给输入的给水和输出的饱和蒸汽平均温度之间差别不大水和输出的饱和蒸汽平均温度之间差别不大，故，故损失不大。损失不大。第一章.ppt77 （4）虽然低压加热器和除氧器等设备中存在）虽然低压加热器和除氧器等设备中存在损失，但是由损失，但是由于提高了给水的温度，减小了蒸汽发生器内传热介质间的温差，于提高了给水的温度，减小了蒸汽发生器内传热介质间的温差，使蒸汽发生器内使蒸汽发生器内损失较大的下降从而有利于装置整体效率的提损失较大的下降从而有利于装置整体效率的提高。高。（5）如果综合考虑包括反应堆在内的整个系统，则装置）如果综合考虑包括反应堆在内的整个系统，则装置效效率将大为减小，压水堆冷却剂采用水为一回路冷却剂，核燃料的率将大为减小，压水堆冷却剂采用水为一回路冷却剂，核燃料的核能转变成压力水的热力学能有极大的核能转变成压力水的热力学能有极大的损失；水的临界温度才损失；水的临界温度才374.15，所以，提高一回路压力对于减少，所以，提高一回路压力对于减少损失的效果非常有损失的效果非常有限，改用金属钠作冷却剂，在热力学意义上是降低这种损失的有限，改用金属钠作冷却剂，在热力学意义上是降低这种损失的有效措施。效措施。总之，就压水堆发电厂的二回路而言，从第一定律分析法总之，就压水堆发电厂的二回路而言，从第一定律分析法（热分析）的角度看，冷凝器中损失了绝大部分能量，但从第（热分析）的角度看，冷凝器中损失了绝大部分能量，但从第二定律分析法（二定律分析法（分析）的分析）的角度来看角度来看损失，最大损失发生损失，最大损失发生在汽轮机内，应尽可能改善汽轮机内的通流结构的气动特性，在汽轮机内，应尽可能改善汽轮机内的通流结构的气动特性，减少不可逆损失。减少不可逆损失。