双工质动力循环

1. 双工质动力循环

2. 蒸汽轮机循环 在锅炉中的吸热过程；在汽轮机中绝热膨胀； 在冷凝器中的放热过程；在给水泵中的绝热压缩。

3. 4-1：在锅炉中的吸热 1 T 1-2：在汽轮机中膨胀做功 4 2-3：在冷凝器中的放热 2 3 3-4：在给水泵中压缩耗功 o s 朗肯循环

4. 燃气轮机循环

5. 燃气轮机工作过程 • 压气机的压缩过程 • 可以理想化为定熵压缩过程 • 燃烧室中燃料燃烧放热 • 可以理想化为定压吸热过程 • 燃气轮机中的膨胀做功过程 • 可以理想化为定熵膨胀过程 • 废气排出过程 • 可以理想化为定压放热过程

6. 燃气轮机循环 定压循环也称为Brayton循环

7. 燃气轮机定压循环与外界的能量交换 1、循环定压吸热量 4、压气机耗功量： 2、循环定压放热量 3、燃气轮机作功量：

8. 燃气轮机循环效率 5、燃气轮机定压循环热效率 定义循环增压比 则

9. 1、概述 现代燃气轮机装置循环最高温度可达1300。C，排气温度也高约600。C，循环热效率仅为30%左右，它与相同最高温度和环境温度（设为20。C）范围内的卡诺循环的热效率之比为

10. 1、概述 • 现代蒸汽动力循环的最高温度可达600。C，排汽温度约为30。C，循环热效率约为40%左右，它与相同最高温度和环境温度（设为20。C）范围内的卡诺循环的热效率之比为

11. 1、概述 • 动力循环热效率的高低完全取决于平均吸热温度（Tm1）和平均放热温度（Tm2）。平均吸热温度愈高、平均放热温度愈低，则循环的热效率愈高。 • 燃气轮机装置的平均吸热虽较高，但平均放热温度也高 ，所以循环热效率不高。 • 蒸汽动力循环的平均吸热温度虽不很高，但平均放热温度很低，所以其循环热效率显著高于燃气轮机装置的循环热效率。但从循环的充满度来说，二者均远小于1。

12. 循环的充满度 • 循环的充满度：某一动力循环热效率与相同温度范围内卡诺循环热效率之比称为循环的充满度，意即该循环在温熵图中与矩形的卡诺循环相比时的饱满程度。

13. 2、工质性质对循环热效率的影响 • 理想的动力工质特性： （1）工质的临界温度必须远超过 材料容许的蒸气最高温度Tmax,以 便在饱和区内实现定温（亦即定 压）的吸热和放热过程。 （2）相应于新饱和蒸气温度T1（即材料容许的最高温度）的最高压力不要太高，气化潜热则应尽 可能大些，以便更有效地吸热。

14. 2、工质性质对循环热效率的影响 （3）三相点温度应低于大气温度，以免工质在涡 轮机中膨胀降温至接近大气温度时产生固态物质。 （4）液体预热时的吸热量相对于气化潜热应尽量 小。液体的定压比热容应尽量小，即在T-s图中饱和液体线应尽量陡些。

15. 2、工质性质对循环热效率的影响 （5）在T-s图中，饱和蒸汽线也应尽量陡些，以免涡轮机后面各级蒸汽湿度大而损害叶片。 （6）相应冷凝温度T2（它接近大气温度T0）的饱 和压力p2不要太低，以免增加维持冷凝器内高真 空度的困难以及由于比体积太大造成涡轮机后面 几级的叶片及排气管道的尺寸过大。 （7）化学稳定性好、无毒、不 腐蚀金属、来源充足、价格便宜等。

16. 2、工质性质对循环热效率的影响 • 水蒸气：临界温度太低，无法实现高温下的定温（定压）加热，但水蒸气在接近大气温度时的饱和压力还不算很低。 • 水银和钾都具有很高的临界温度，便于实现高温下的定 温（定压）吸热，但在接近大气温度时水银和钾的饱和 压力极低，钾在这样的温度下则已凝固。 • 鉴于水和汞及钾在性质上的互补性（水适宜在低温段工 作，汞和钾适宜在高温段工作），人们提出了汞-水双 蒸气循环或钾-水双蒸气循环。

17. 3、双蒸气循环 双蒸气循环 • 用临界温度高的物质（如汞、钾等）进行顶循环，以水蒸气循环作为底循环，顶循环的放热通过换热器为底循环的水预热和汽化时所吸收，这样可达到很好的效果。

18. 3、双蒸气循环 钾-水双蒸气循环

19. 3、双蒸气循环 • 设钾蒸气流量与水蒸气流量之比为m，则 • 整个双蒸气循环所作功（对每千克蒸气而言）为

20. 3、双蒸气循环 • 循环从外界吸收的热量 • 循环向外界放出的热量为 • 双蒸气循环的热效率为

21. 3、双蒸气循环 • 过去实现的汞 - 水双蒸气循环也曾达到较高的热效率，但由于水银价格高，而且有毒，对设备的密封要求特别高，现在已不再采用。 • 钾蒸气具有与汞蒸气类似的性质，它在高温 760 ～ 982。C下的饱和压力仅为0.1～ 0.533MPa，而在放热温度为611 ～ 477 。C下的饱和压力为0.016～ 0.0026MPa，不存在高压或真空度的技术困难，因而有很好的发展前景。

22. 4、燃气 – 蒸汽联合循环 燃气 – 蒸汽联合循环 • 燃气轮机装置进行顶循环，蒸汽动力装置进行底循环，将燃气轮机的排气引入余热锅炉加热水，使之变为蒸汽，进入汽轮机作功，这样形成了燃气 - 蒸汽联合循环。

23. 4、燃气 – 蒸汽联合循环

24. 4、燃气 – 蒸汽联合循环 • 节点温差 右图画出了余热锅炉中燃气放热和水吸热生成蒸汽时温度变化与热量的关系。图中显示了冷热流体间的传热温差分布状况，其中以水开始气化时（状态5）与燃气间的温差最小称为节点温差：

25. 4、燃气 – 蒸汽联合循环 • 节点温差 10K。在选定了节点温差的值后，就可以确 定 ，这样状态5’ 也就确定了，因而燃气（空气）与蒸汽流量之比（m）也就可以由下式确定 而状态 6’ 则可由已知的 m 值求得 • 从而

26. 4、燃气 – 蒸汽联合循环 • 整个联合循环作功（相对于每千克蒸汽而言） • 从外界吸收的热量 • 向外界放出的热量

27. 4、燃气 – 蒸汽联合循环 • 燃气 – 蒸汽联合循环的热效率为 • 燃气轮机装置和蒸汽动力装置在技术上都很成熟，实现燃气 – 蒸汽联合循环并无困难。联合循环的净发电效率达50%以上。

28. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 注蒸汽燃气轮机装置循环 • 注蒸汽燃气轮机装置循环是将余热锅炉产生的蒸汽直接注入从燃烧室流出的高温燃气，然后燃气和蒸汽的混合物（湿燃气）进入涡轮机膨胀作功，并在余热锅炉中放出部分热量后排入大气。水则在余热锅炉中吸收涡轮机排气放出的热量变为蒸汽后注入高温燃气。 所以，注蒸汽燃气轮机装置循环是并联的双工质循环。

30. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 在压气机进气状态（T1、P1）、燃气轮机组的 增压比（膨胀比） 不变，给水参数（ T1’、 P1’）蒸汽参数（ T3’、P3’）也不变，注蒸汽比（即蒸汽流量）与燃气流量之比，（即每千克燃气的注蒸 汽量）D = q’m/ q m 给定的情况下， 整个循环及其它参数（如T3、T6、 P4、P5等）也就完全确定了。

31. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 注蒸汽混合过程的能量平衡式： • 混合后的压力保持混合前燃气的压力 。 P4 和 P4’ 为湿燃气中燃气和蒸汽的分压力，根据 注蒸汽比计算： • 燃气的摩尔分数 • 蒸汽的摩尔分数

32. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 式中 M 和 M’ 依次为燃气和蒸汽的摩尔质量。 燃气和蒸汽的分压力分别为： p4 = p3x p4’ = p3x’ • 在整个膨胀过程（过程4 5、4’ 5’）和放热 过程（5 6、5’ 6’）中，燃气和蒸汽的 分压力保持这一不变的比率（x/x’）

33. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 湿燃气（包括其中的水蒸气）在较高温度T1 可 视为理想气体，它在涡轮机中作定熵膨胀时近 似遵守 常数的规律。 • 式中 为湿燃气的平均定熵指数，它可以由 燃气的定熵指数（ ）和蒸汽的定熵指数 （ ）按下式计算：

34. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 应该指出，图中所画的膨胀过程4→5和 4’→ 5’并非等熵线，因为燃气和蒸汽在相同的初温 和相同的膨胀比 条件下分别作定熵膨胀时，由于定熵指数不同 ，所达到 的终温是不同的 。

35. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 事实上蒸汽和燃气混合在一起无法分开，它们在膨胀过程中，温度始终是同步下降中的，如果设想它们并未掺混，则为了保持温度同步下降，燃气必须吸热，蒸汽必须放热，前者增熵，后者减熵（如图中过程4→5和4’→5’所示），二者合起来保持定熵。定熵膨胀的终温 可由湿燃气的平均定熵指数确定：

36. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 状态 5 应根据 p5和 T5 来确定，状态5’应根据p5’ 和 T5’ 来确定，而不是从状态 4 和 4’ 沿定熵线而下，与定压线 p5和 p5’ 的交点 5s和5s’。 • 余热锅炉的能量平衡式

37. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 循环作功 • 循环吸热量 • 循环放热量 • 循环热效率

38. 5、注蒸汽燃气轮机装置循环 • 注蒸汽燃气轮机装置循环不需要单独的蒸汽轮 机，只需在原有燃气轮机装置的基础上增加一台余热锅炉。 • 注蒸汽后，涡轮机的流量增大，因而功率增高。但它消耗大量经过处理的软水。如何设法回收水，形成闭式的水 - 汽循环系统是注蒸汽燃气轮机装置值得研究的问题。