汽轮机热效率的定义是什么

随着通过传热增加的平均温度增加,蒸汽轮机的热效率趋于增加。w88优德备用网址 微博汽轮机的热效率

汽轮机的热效率

总的来说,热效率ηTH.,任何热发动机都被定义为工作它确实如此,W,输入在高温下,QH

热效率公式- 1

热效率ηTH.,表示的分数H,转换为去工作.因为能量是守恒的第一热力学定律w88优德app能量不能完全转化为功,输入的热量QH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量浪费Q.C到环境中。因此我们可以将热效率公式改写为:

热效率公式- 2

这是一个非常有用的公式,但是这里我们用第一定律来表示热效率

通常大多数核电站运营多级冷凝汽轮机.在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa;275.6°C)从蒸汽发生器并用液体分离器(点D)排气。必须重新加热蒸汽,以避免可能对汽轮机叶片造成的损坏低质量的蒸汽.再热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压阶段,在那里膨胀(E点到F点),排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 MPa),并且处于部分冷凝状态(点F),通常具有近90%的质量。

rankine周期 -  TS图
朗肯循环- t图


典型3000mw压水堆汽轮机
一个典型的3000mw压水堆汽轮机方案。
在这种情况下,蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成了热力发动机,这受效率限制所施加的效率限制热力学的第二律w88优德app.在理想情况下(没有摩擦,可逆过程,完美的设计),这种热力发动机将有一个卡诺效率

= 1 - t/ T.= 1 - 315/549 = 42.6%

其中热储温度为275.6℃(548.7K),冷储温度为41.5℃(314.7K)。但是核电站是真正的发动机,其中热力学过程是不可逆的。它们不是无限缓慢地完成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机),机械摩擦和热损失会导致进一步的效率损失。

计算热效率最简单的郎肯循环(无需再加热)工程师使用关于焓的热力学第一定律w88优德app而不是内能量。

关于焓的第一定律是:

dH = dQ + Vdp

在这个方程中,术语Vdp是一个流程工作。这项工作,Vdp,用于开流系统就像一个涡轮或者一个其中有一个“DP”,即压强的变化。没有变化控制体积.可以看出,这种形式的法律简化能量转移的描述在恒压下,焓的变化等于能源通过加热从环境中转移:

等压过程(Vdp = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1

在恒定的熵,即在惯言过程中,焓的变化等于工作流程图由系统完成或由系统完成:

等熵过程(dQ = 0):

DH = VDP→W = H.2- - - - - - H1

这对于分析动力工程中的两个热力学循环,即布雷顿循环和兰金循环,都是非常有用的。

可以制成一个密集的, 或者具体的,通过除以变量质量工程师使用具体的焓在热力学分析中超过焓自身。它是制表的蒸汽表随着具体的体积具体的内部能量.这样一个简单的朗肯循环的热效率,用比焓表示就是:

朗肯循环的热效率

这是一个非常简单的方程,你可以使用来自的数据来确定热效率蒸汽表

Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。
Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。“方法高效柴油和燃气发动机”(PDF)。三菱重工业技术审查。45(1)。检索到2011-02-04。

汽轮机的热效率

在现代核电站中,总体热效率是三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。原因在于蒸汽温度较低(6 MPa;275.6°C)。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽。但这需要增加锅炉或蒸汽发生器的压力。然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但必须注意的是,核电厂比化石燃料电厂更复杂,而且燃烧化石燃料的更容易,而不是从核燃料产生能量。亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。

电力工程中发动机的效率
  • 海洋热能转换(OTEC)。OTEC.是非常复杂的热量发动机,使用冷却器深层和较温暖的表面海水之间的温差运行低压涡轮机。自从此以来温差小,约20°C,其热效率也很低,约3%
  • 在现代核电站整体热效率大约三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽.但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器.然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但是,必须指出的是,核电厂比化石燃料发电厂复杂得多,而且燃烧化石燃料比从中产生能量要容易得多核燃料
  • 亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。
  • 超临界水反应堆被认为是一个有希望的进步核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。
  • 超临界化石燃油电厂,运营超临界压力(即大于22.1 MPa),具有周围的效率43%.最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超重要”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。
  • 现代的联合循环燃气轮机(CCGT)电厂,其中的热力学循环包括两个电厂循环(如Brayton循环和Rankine循环),可以实现周围的热效率55%相比之下,单循环蒸汽发电厂的效率仅为35-45%左右。

低效率的原因

如前所述,效率可以在0到1之间。每个热机都是低效的。这种低效率可以归结为三个原因。

  • 流程的不可逆转性.在任何热机中,热量转化为功的效率都有一个总体的理论上限。这个上限叫做卡诺效率.根据这一点卡诺原理,没有发动机可以比可逆发动机更有效(卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。例如,当高温热源有T400°C (673K)和T约20°C(293K),最大(理想)效率将是:= 1 - T/ T.= 1 - 293/673 = 56%。但所有真正的热力学过程都以某种方式不可逆转的.它们不是无限缓慢地完成的。因此,热机的效率必须低于其效率的限制,因为他们使用的热机循环固有的不可逆性。
  • 存在摩擦和热损失。在实际的热力系统或热机中,整体循环效率低下的一部分是由于单个部件的损失造成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机)a机械摩擦热损失燃烧过程中的损失会造成进一步的效率损失。
  • 设计效率低下.最后,效率低下的最后一个重要原因是妥协由制成工程师在设计热机(如发电厂)时。他们必须考虑成本和其他因素在设计和运行的循环。作为一个例子,请考虑冷凝器在热电厂。理想情况下,蒸汽排入冷凝器的蒸汽将会有没有欠火.但是真正的冷凝器设计用于将液体从几度摄入液体中脱离,以避免吸空化在冷凝水泵中。但是,这种过冷却增加了循环的低效,因为需要更多的能量来重新加热水。

提高热效率-汽轮机

有几种方法,如何才能提高朗肯循环的热效率。假设最高温度受反应堆压力容器内压力的限制,方法如下:

锅炉和冷凝器压力
就像在卡诺奥托布雷顿周期,热效率随着通过传热添加能量的平均温度而增加和/或能量被拒绝的平均温度降低。w88优德备用网址 微博这是所有热力学循环的共同特征。

冷凝器压力

朗肯循环-冷凝器压力
减小涡轮机排气压力增加每周期的净工作,但也降低了出口蒸汽的蒸汽质量。

在能量被拒绝的平均温度下降的情况下,需要内部压力的降低冷凝器(即减少饱和温度).最低可行冷凝器压力是与环境温度相对应的饱和压力(即绝对压力)0.008 MPa,对应41.5°C)。保持最低实际涡轮机排气压力的目标是包括热电厂中的冷凝器的主要原因。冷凝器提供真空,使得从蒸汽中提取的能量最大化,导致净工作和热效率显着增加。但此参数(冷凝器压力)还具有其工程限制:

  • 降低涡轮排气压力会降低蒸汽质量(或干燥分数)。在某一时刻必须停止膨胀,以避免对汽轮机叶片造成损伤低质量的蒸汽
  • 减小涡轮机排气压力显着增加了蒸汽的特定体积,这需要蒸汽轮机的低压级的最后行中的巨大叶片。

在典型的湿式汽轮机中,排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力0.008 MPa,对应41.5°C)。这种蒸汽处于部分冷凝状态(F点),质量通常接近90%。需要注意的是,冷凝器的温度与环境温度之间总是存在一个温差(ΔT = 14℃左右),这是由于冷凝器的尺寸和效率有限造成的。

冷凝涡轮机冷凝器中的典型参数
冷凝涡轮机冷凝器中的典型参数

锅炉压力

朗肯循环 - 锅炉压力
锅炉压力的增加是由反应器压力容器的材料限制。

由于热量传递而增加能量的平均温度升高的情况,需要产生的蒸汽过热或锅炉(蒸汽发生器)内的压力升高。w88优德备用网址 微博过热并不是核电站的典型现象。

通常大多数核电站运营多级冷凝汽轮机.在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa;275.6°C)。由于蒸汽发生器都不是100%的效率,饱和温度(二次侧)和一次冷却剂温度之间总是有一个温差。

蒸汽发生器 - 逆流换热器
典型压水堆蒸汽发生器的温度梯度。

在一个典型的压水堆中,热的主冷却剂(水330°C;626°F.)被泵入蒸汽发生器通过初级入口。这需要保持非常高的压力以使水保持在液态状态。为了防止初级冷却剂的沸腾并提供过冷余量(压力机温度与反应器核心的最高温度之间的差异),为PWRS典型约16MPa的压力反应堆压力容器是关键部件,它限制了每个核电站的热效率,因为电抗器容器必须承受高压。

压水堆凝汽式汽轮机进口典型参数。
压水堆凝汽式汽轮机进口典型参数。
过热和再热
superheated-steam-min对于卡诺循环热效率随着平均温度的增加,热量传递所增加的能量趋于增加。w88优德备用网址 微博这是所有热力学循环的共同特征。

一种可能的方法是过热再热工作蒸汽。这两个过程在方式上非常相似:

  • 过热器- 提高饱和温度高于饱和温度的蒸汽温度
  • 再热-除去水分,并在部分膨胀后提高蒸汽温度。

过热的过程是唯一的方法增加峰值温度在不增加锅炉压力的情况下,使用朗肯循环(并提高效率)。这就需要增加另一种称为a的热交换器过热器,产生过热蒸汽

朗肯循环 - 超热 - 过热器
高压级过热度的朗肯循环。这要求蒸汽发生器的温度更高。

过热蒸汽过热蒸汽是温度的蒸气高于沸点在测量温度的绝对压强下。

再热允许在接近周期峰值的温度下传递更多的热量。这就需要增加另一种称为a的热交换器回热器.再热器的使用包括分裂涡轮,即使用多级涡轮与再热器。据观察,两级以上的再加热是不必要的,因为下一级的循环效率仅为前一级的一半。

汽轮机的高压和低压级通常在同一个轴上驱动一个共同的发电机,但它们有不同的情况。与一个回热器后提取流局部扩张(点D),回运行通过热交换器将其加热到峰值温度(点E),然后传递给低压涡轮。然后在低压涡轮中完成从E点到F点的膨胀。

兰金循环-再热-过热
兰金循环与再热和过热的低压阶段

过热器,在固定压力下进一步加热导致温度和特定体积的增加。在T-S图中,在状态E和饱和蒸汽曲线之间的图中提供了T-S图中的水蒸气的过热过程。也可以看出,也可以看出湿汽轮机(例如,用于核电厂)使用过热蒸汽特别是在低压阶段的入口。通常大多数核电站运营多级冷凝湿汽轮机(高压阶段在饱和蒸汽上运行)。在这些涡轮机中,高压台接收蒸汽(该蒸汽在图中的蒸汽 - x = 0.995-点C)从蒸汽发生器排气到水分分离器再热器(点D)。蒸汽必须是加热或过热为避免低质量蒸汽对汽轮机叶片造成损伤。当凝结水喷到叶片上时,高水滴含量会引起叶片的快速冲击和侵蚀。为了防止这种情况,在通往汽轮机的蒸汽管道中安装冷凝水排水管。再热器的加热蒸汽的蒸汽(D),然后是针对汽轮机的低压阶段,扩张(E, F)。精疲力竭的蒸汽压力低于大气,而且,从这幅图中可以看出,部分冷凝的蒸汽状态(F),通常的质量接近90%,但它的蒸汽质量要比没有再加热时高得多。相应地,过热也倾向于缓解涡轮排气的低汽质问题。

由于初级冷却剂的温度受反应器内部的压力的限制,因此在核电厂不使用过井(水分分离器再热器除外),并且它们通常是单个湿汽轮机操作。

热再生
大幅度提高汽轮电厂的热效率可以通过降低热负荷来实现大量的燃料那必须加到锅炉里。这可以通过将热量(部分膨胀的蒸汽)从汽轮机的某些部分传递给给水来实现,这通常远高于环境温度。这个过程被称为热再生各种各样的高温蓄热室可用于此目的。有时工程师使用该术语经济学者那是用来减少能源消耗的热交换器,特别是在预热流体

从文章中可以看出蒸汽发生器“,蒸汽发生器的入口处的给水(次级电路)可能具有约~ 230°C(446°F)然后加热到该流体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa)和蒸发。但冷凝器出口处的冷凝水可能有左右40°C.,所以典型PWR的热再生很重要,非常重要:

  • 热再生增加了热效率,因为进入循环中的更多的热流发生在较高温度下。
  • 热再生导致通过蒸汽轮机的低压级降低质量流量,从而提高LP等熵涡轮机效率。请注意,在扩展的最后阶段,蒸汽具有非常高的特定体积。
  • 热再生导致工作蒸汽质量的增加,因为排水管位于涡轮机壳体的周边,在那里较高浓度的水滴。

再生与热量的再生

一般来说,热交换器用于再生可分为两种再生器换热器

  • 蓄热器是一种热交换器,热流体的热量在被转移到冷流体之前间歇性地存储在热存储介质中。它有一个单一的流动路径,在其中冷热流体交替通过。
  • 换热器是一种热交换器单独的流动路径每一种流体沿着它们自己的通道,热量通过分离壁传递。在动力工程中,为了提高热力循环的整体效率,经常使用回热器(如省煤器)。例如,在燃气涡轮发动机中。回热器将废气中的部分废热转移到压缩空气中,从而在进入燃烧室之前对其进行预热。许多回热器被设计成逆流换热器。
超临界兰金循环
朗肯循环-超临界循环
超临界兰金循环

正如所讨论的那样,热效率可以“简单地”通过提高进入汽轮机的蒸汽的温度来提高。但是这个温度受到材料和设计的冶金限制反应堆压力容器和主要管道。反应堆容器和主管道必须能承受高温下的高压和巨大压力。但目前,改进的材料和制造方法已经允许最大压力显著增加,热效率相应提高。火电厂目前的设计是在超临界兰金循环(即蒸汽压力超过临界水压22.1 MPa,涡轮进口温度超过600°C)。超临界化石燃油电厂,运营超临界压力,有效率43%.最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超批判”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。

超临界水反应堆- SCWR

SCWR的特征
SCWR中冷却剂的典型特性。

超临界兰金循环也是超临界水反应堆的热力学循环。的超临界水反应堆是一代IV反应堆的概念,运营超临界压力(即大于22.1 MPa)。在该上下文中的术语超临界指的是热力学水的临界点(T.CR= 374°C;pCR= 22.1 MPa),不得与反应堆核心的临界状态,描述了中子数反应堆堆芯

为了SCWRs一个一次通过蒸汽循环已经设想,省略了反应器内的任何冷却剂再循环。它类似于沸水反应堆蒸汽将直接向蒸汽轮机提供,并从蒸汽循环供给水将被提供回芯。

以及超临界水反应堆可以使用轻水重水作为中子慢化剂.可以看出,有许多SCWR设计,但所有SCWR都有一个关键特征,即使用超过热力学临界点的水作为主要冷却剂。因为这个特性允许增加峰值温度,超临界水反应堆被认为是一个有希望的进步核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。

等式效率 - 涡轮机,泵

在前面的章节中,我们假设蒸汽的膨胀是等熵的,因此我们使用了T4,作为气体的出口温度。这些假设仅适用于理想的循环。

大多数稳定流动装置(涡轮、压气机、喷管)都是在绝热条件下运行的,但它们不是真正的等熵,而是为了计算目的而理想化的等熵。我们定义参数ηTηP,η.N在等熵条件下(在涡轮中),设备所做的实际功与设备所做的功的比值。这个比值被称为等熵涡轮泵/喷嘴效率.这些参数描述了涡轮、压气机或喷管近似于相应的等熵装置的效率。该参数降低了整体效率和工作输出。对于涡轮机,其价值ηT通常是0.7到0.9(70-90%)。

也可以看看:等熵过程

型效率 - 涡轮 - 泵

等熵与绝热压缩
等熵和绝热膨胀
等熵过程是绝热过程的一种特殊情况。这是一个可逆绝热过程。等熵过程也可以称为等熵过程。

汽轮机 - 解决方案问题

兰诗周期让我们假设这一点郎肯循环,这是最常见的一种热力学循环在火电厂。在这种情况下,假设一个简单的循环,而无需重新加热并且没有冷凝汽轮机运行饱和蒸汽(干蒸汽)。在这种情况下,涡轮在6 MPa, t = 275.6°C, x = 1(点3)的进口条件下稳定运行。蒸汽在0.008 MPa, 41.5°C和x = ??(4)点。

计算:

  1. 出口蒸汽的蒸汽质量
  2. 这两个态之间的焓差(3→4),这对应于蒸汽,W的工作T
  3. 这两个状态(1→2)之间的焓差,这对应于泵,W完成的工作P
  4. 这两个状态(2→3)之间的焓差,对应于蒸汽发生器中添加的净热量
  5. 此循环的热力学效率,并将此值与Carnot的效率进行比较

1)

由于我们不知道出口蒸汽的确切蒸汽质量,我们必须确定这个参数。状态4被压强固定p4= 0.008 mpa.而事实是特定熵等熵膨胀是常数吗3.=年代4= 5.89kJ/kgK为6 MPa).饱和液态水(x=0)和干蒸汽(x=1)的比熵可以取蒸汽表.在有湿蒸汽的情况下,实际熵可以通过蒸汽质量来计算,x,饱和液态水和干蒸汽的比熵:

年代4=年代vX + (1 - X) sl

在哪里

年代4=湿蒸汽熵(J/kg K) =5.89kJ / kgK

年代v=“干”蒸汽的熵(J/kg K) = 8.227 kJ/kgK(为0.008 MPa)

年代l=饱和液态水的熵(J/kg K) = 0.592 kJ/kgK(为0.008 MPa)

从这个方程式,蒸气质量是:

x4=(年代4年代l/(年代v年代l)=(5.89 - 0.592)/(8.227 - 0.592)= 0.694 = 69.4%

2)

状态3的焓可以直接从蒸汽表中选择,而状态4的焓必须使用蒸汽质量来计算:

h3、v2785焦每千克

h4,潮湿= h4,V.X + (1 - X) h4,L.= 2576。0.694 + (1 - 0.694)174 = 1787 + 53.2 = 1840 kJ/kg

那么蒸汽做的功WT,

WT=Δh =945焦每千克

3)

状态1的焓可以直接从蒸汽表中得到:

h1, l174焦每千克

状态2由压力p固定2= 6.0 MPa,等熵压缩的比熵是恒定的1=年代2= 0.592KJ / KGK为0.008 MPa).对于这个熵s20.592kJ / kgK和P.2我们发现6.0 MPah2,亚过冷在压缩水的蒸汽表中(使用两个状态之间的插值)。

h2,亚过冷179.7 kJ /公斤

那么泵做的功,WP,

WP=Δh =5.7 kj / kg

4)

(2→3)之间的焓差对应于蒸汽发生器所加的净热量,简单为:

添加= h3、v- H2,亚过冷= 2785 - 179.7 =2605.3 kJ /公斤

注意,在这个循环中没有热再生。另一方面,加入的大部分热量是汽化焓(即相变)。

5)

在这种情况下,蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成了热力发动机,这受效率限制所施加的效率限制热力学的第二律w88优德app.在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美的设计),这个热机将有一个卡诺效率

η卡诺= 1 - t/ T.= 1 - 315/549 =42.6%

其中热储温度为275.6℃(548.7 K),冷储温度为41.5℃(314.7K)。

该循环的热力学效率可以通过以下公式计算:

朗肯循环-例子-热效率

因此
ηTH.= (945 - 5.7) / 2605.3 = 0.361 =36.1%

参考:
核与反应堆物理学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论导论,第二版,Addison-Wesley,雷丁,MA(1983)。
  2. J. R. Lamarsh, A. J. Baratta,核工程导论,3d版,prentices - hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1。
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  4. Glasstone,Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,弹簧斯;第4版,1994,ISBN:978-0412985317
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高级反应堆物理:

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  3. 李国强,核反应堆动力学,中国核科学研究院,1993,ISBN: 0-894-48453-2。
  4. 刘文杰,刘文杰,刘文杰。中子输运计算方法[j] .物理学报,1993,59(4):449 - 452。

也可以看看:

涡轮发电机

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