蒸汽动力循环系统在火电厂中的应用

摘要：总结了火电厂中广泛应用的几种典型的蒸汽动力循环系统，主要包括朗肯循环及以朗肯循环为基础改进的回热循环、中间再热循环和热电循环等，分别介绍了它们的系统装置图和T-S原理图，并对循环系统的热效率进行了比较。在此基础上，指出提高蒸汽动力循环系统中工业余热的利用率，是蒸汽动力循环系统改进的重要途方向之一。

关键词：蒸汽动力循环 系统装置图 T-S原理图 热效率

一、前言

热力学第二定律指出，要连续实现热能转换为机械能，必须通过热力循环。机械能和由机械能转换的电能，是现代生产领域和日常生活的主要动力，故将热力循环称为动力循环。使用水蒸气为工质的动力循环，被称为蒸汽动力循环，如火力发电厂中的汽轮机动力循环。

热力学第二定律证明了在相同界限温度区间，卡诺循环的热效率最高，但因采用水蒸气作为工质的动力循环难以实现卡诺循环，在蒸汽动力循环中采用的是朗肯循环。朗肯循环是火电厂中的最基本的蒸汽动力循环，中小型火电厂的回热循环，大型火电厂的中间再热循环，以及热电循环，都是从朗肯循环中发展而来的[1-4]。

二、朗肯循环

1.朗肯循环系统

朗肯循环系统如图1所示，装置系统中主要设备有蒸汽锅炉、汽轮发电机、冷凝器和给水泵等。从锅炉出来的过热蒸汽（参数为P1、t1），沿蒸汽管道被引入汽轮机，蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，将热能转化为机械能，汽轮机带动同轴的发电机，将机械能转变为电能而同时向外输出；汽轮机的低压排气（又称乏汽，参数为P2）进入冷凝器，在定压下放热凝结为水（饱和水），排汽放出的热量被冷却水吸收并带走；冷凝水由水泵绝热压缩增压后被送入锅炉中；进入锅炉的未饱和水，在定压下吸收燃料放出的热量，变为过热蒸汽。至此，工质完成一次循环，工质在热力设备中不断地进行吸热、膨胀、放热、压缩等四个过程，使热能不断转变为机械能，这就是火力发电厂的朗肯循环。

2.朗肯循环的T-S图

①1―2线为过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功过程。此过程熵不变、压力降低、比容增加。

②2―3线为排汽在冷凝器中定压放热过程，冷凝为水。此过程中，温度不变，比容、熵均减小。

③3―4线为水在水泵中的绝热压缩过程，压力升高，熵不变。由于水的压缩性很小，在水泵中绝热压缩时，水的温度略有升高（变化很微小），消耗的压缩功很小（约为循环功的2％），由于3、4两点差别很小，可以看作两者重合，如图2（b）所示。

④4―5―6―1线为未饱和水在锅炉中定压加热到饱和温度并气化，继续加热变为过热蒸汽的过程。在此过程中温度、比容、熵均增大。

3.朗肯循环的热效率

一次循环中获得的功：W=H1―H2 ①

式①中 H1――过热蒸汽的焓值，KJ/Kg；H2――乏汽的焓值，KJ/Kg。

一次循环消耗的热量：Q=H1―H4 ②

式②中 H4――锅炉给水（水泵出水）的焓值，KJ/Kg。

η=W/Q=(H1―H2)/(H1―H4)

注：上式计算朗肯循环热效率时，略去了水泵的压缩功W泵。

上述计算说明，朗肯循环的热效率表明循环过程中热能转变为功的有效程度。

三、回热循环

为减少在冷凝器中的冷源损失，提高循环热效率，汽轮机中间不同部位抽出部分做过功的蒸汽（抽汽）用来加热锅炉给水，称为给水回热，采用了给水回热的热力循环被称为给水回热循环。

1.回热循环系统

为方便分析，以一次抽汽回热循环为例，如图3所示，1Kg过热蒸汽（参数为P0、t0）进入汽轮机绝热膨胀到P1压力时，将α（Kg）蒸汽（参数为P1）从汽轮机中间抽出[（1―α）（Kg）蒸汽在汽轮机中继续做功以后排入冷凝器]，送入混合加热器中继续加热冷凝水，使给水温度提高到P1压力下的饱和温度，再用给水泵送入锅炉。

2.回热循环的T-S图

图4中，0-1线为抽汽在汽轮机中绝热做功过程；0-2线为进入冷凝器的蒸汽在汽轮机中的绝热做功过程；2-3线为汽轮机排汽在冷凝器中的定压放热过程；3-4线为冷凝水在冷凝水泵中的绝热压缩过程；4-1’线为冷凝水在混合式加热器中定压吸热过程；1-1’线为抽汽在混合式加热器中定压放热过程；6-0线为给水在锅炉中定压吸热变为过热蒸汽的过程。

3.回热循环的热效率

采用给水回热循环，抽汽加热锅炉给水，提高给水温度，抽汽的热量重回到锅炉，没有在冷凝器中被循环冷却水带走的热量损失，这一部分蒸汽的循环效率可以等于100％；其余部分的蒸汽进入冷凝器，其循环效率等于朗肯循环的热效率。可见给水回热循环由上述两部分组成，其热效率必然大于同样参数下的朗肯循环的效率。

三、中间再热循环

为了提高热效率，即提高循环中热转变为功的程度，就得提高初压P0和初温t0。但是初压力的提高，将引起汽轮机末级蒸汽干度降低，蒸汽中的水分增大，碰击汽轮机末级叶片，不仅对叶片产生严重的侵蚀，而且使末级的效率降低。一般规定汽轮机末级湿度应小于12％。因此在提高初压的同时必须相应提高初温，但是提高初温又受到金属材料强度的限制。为了解决采用高参数蒸汽后乏汽湿度过大的问题，目前大容量机组均采用了中间再热循环。

1.中间再热循环系统

与朗肯循环系统装置相比较，中间再热循环系统（如图5）多了一个中间再热器，汽轮机分为高压缸和中低压缸两部分。蒸汽中间再过热，就是将在汽轮机高压缸内已经做了部分功的蒸汽，用再热蒸汽管道引入锅炉中间再热器中重新加热，在定压下加热使蒸汽温度提高至初温，再热后的蒸汽引向汽轮机中低压缸内继续做功，做完功的蒸汽排入冷凝器，以后的工作和循环过程与朗肯循环相同。但由于再热，使得流经低压缸末几级的蒸汽湿度大为减少。这种对蒸汽进行再次加热的循环称为中间再热循环。

2.中间再热循环的T-S图

如图5所示，过热蒸汽在汽轮机高压缸沿1-2线绝热膨胀做功后被引出，使其在中间再热器中沿2-3线定压加热，再引入汽轮机中低压缸沿3-4线继续膨胀做功，从图中可以看出，如果不用中间再热，则蒸汽膨胀过程按1-2’进行，其排汽干度为X’2，经中间再热后，低压缸的膨胀过程为3-4，排汽干度为X4，显然即在蒸汽初压为P1和排汽压力均不变的情况下排汽的干度增加了。

3.中间再热循环的热效率

适当的选择再热压力，不但可提高乏汽的干度，而且循环热效率也可以提高。采用一次中间再热，其热效率约能提高5％；若采用二次中间再热，则热效率约能提高7％。

四、热电循环

蒸汽动力循环装置采用了回热循环、中间再热循环，但其循环热效率依然不高，一般小于40％，因为汽轮机排汽中大量的热量通过循环冷却水被排放到外界环境，现代凝汽式汽轮机为提高效率，排汽压力尽可能降低，通常为0.005MPa左右，在这种压力下对应饱和温度只有32.88℃，循环冷却水温度相应更低，所以不能得到利用。

热电循环就是在发电的同时，适当提高汽轮机排（抽）汽排放的热量能够得到利用，从而大大提高能源利用效率。通常汽轮机排（抽）汽压力提高到0.12MPa，温度为104℃时，就能满足一般取暖需要；排汽压力提高到0.8―1.3MPa，就可以满足一般工业（如化工、印染、棉纺等）需要。当然使用热电循环也是有条件的，需要在机组附近有与机组容量相应的、比较集中且稳定的热用户。

1.背压式热电循环

排汽压力高于大气压力的汽轮机称为背压汽轮机。背压式供热的装置系统，如图7所示，背压式汽轮机排汽缸后不设冷凝器，汽轮机排汽全部送给用户，排汽放热后；全部或部分冷凝水又回到锅炉。

如图8所示，由于提高了汽轮机的排汽压力，蒸汽用于做功发电的热能相应减少，故背压式热电循环123561的热效率，要比同初步参数的朗肯循环12’3’561的热效率有所降低。虽然循环热效率下降，但排汽的使用价值得到提高，提高了热能利用率。为了全面地评价热电循环的经济性，除了循环热效率以外，引用了热能利用率K这个指标。

不考虑设备、管系损失时，理论上热能利用率K可为1.考虑各种损失时，背压式供热的K值一般在0.7左右。热电循环的经济性用循环热效率和热能利用率共同来衡量，在热能利用率相同的情况下，循环热效率大的热电循环要好些。

背压式热电循环供热方式的热能利用率较高，而且不需要冷凝器等，背压式汽轮机的结构也简单（汽轮机级数少）。其缺点是供热与供电要相互影响，难以同时满足两者的需要。例如热负荷不变，电负荷增加，汽轮机排汽量增多，这时只有放掉部分排汽，造成浪费。为了解决这个矛盾，机组可以并入电网运行（热负荷由机组调节，电负荷由电网调节），也可以采用调节抽气式汽轮机供热。

2.调节抽气式热电循环

调节抽汽式热电循环装置循环系统如图9所示。在这种热电循环中，供热和供电可以分别调节，能同时满足用电和用热的需要。

蒸汽在调节抽汽式汽轮机中，抽出一部分蒸汽送往热用户，其余蒸汽经过调节阀进入低压缸继续做功，排汽仍进入冷凝器。热用户的回水又送回热电厂的加热器。动作调节阀，可同时满足供热供电的需要。如热负荷不变，电负荷增加，可开大调节阀以满足电负荷增加的需要。从图9可以看出，通过汽轮机高压汽缸及热用户的那部分蒸汽，实质是一个背压式热电循环，热能利用率在理论上为1；通过冷凝器的那部分蒸汽和朗肯循环相同。所以，调节抽汽供热的热能利用率，介于背压式供热和朗肯循环之间。

结语

综上所述，虽然蒸汽动力循环系统经由朗肯循环不断改进，热效率及热能利用率得到了很大提高，但是在实际生产过程中，仍存在许多问题，如工业余热以大量较低品位热能的形式被浪费。在未来的研究中，寻找一种合适的工艺流程，成本适中的设备，以充分利用工业余热中的热能，减少低品位热量的排放，是蒸汽动力循环改进的一个重要方向。

参考文献：

[1]王文堂.化工节能技术手册（M）.北京：化学工业出版社，2006.

[2]黄恩洪.热工基础（M）.北京：中国电力出版社，1999.

[3]陈钟秀.化工热力学（第二版）（M）.北京：化学工业出版社，2011.

[4]胡英.近代化工热力学―应用研究的新进展（M）.上海：上海科学技术文献出版社，1994.

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