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。