改进兰金循环的方法探析

13.1.2.1　回热循环

在兰金循环中，定压吸热过程（如图13-2中的过程4→1）的平均吸热温度不高，主要是存在着液态水的预热过程温度较低。如能设法使吸热过程不包括这一段水的预热过程，那么平均吸热温度将会提高不少，循环的热效率也可得到相应的提高。基于这种考虑，可采用抽汽的回热循环。图13-6为一个采用二级抽汽回热蒸汽动力循环装置的原理图及其T-S图。

图13-6　二级抽气回热蒸汽动力循环装置

设有1kg过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功。当压力降低到p6时，由汽轮机内抽取α1kg蒸汽送入一号回热器，其余的（1-α1）kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀做功；当压力降到p8时再抽出α2kg蒸汽送入二号回热器；汽轮机内残余（1-α1-a2）kg蒸汽则继续膨胀做功，直到压力降到p2时进入冷凝器。冷凝水离开冷凝器后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内先后与两次抽汽混合加热，每次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。图13-6所示的回热器为混合式，实际上，电厂都采用表面式回热器（蒸汽不与冷凝器水相混合）。还须指出，图13-6（b）中有些图线不是代表1kg工质，而是如图13-6（a）中标出的部分工质的过程线。回热抽汽率α1，α2的计算，应以恰好将冷凝水加热到抽汽压力下的饱和温度为原则，可由回热器的能量平衡来确定，经推算可以得到

式中，H6，H8分别为第一、第二次抽汽的焓；H7，H9分别为第一、第二次抽汽压力下饱和水的焓；H3为乏汽压力下饱和液态冷凝水的焓。

二级回热循环热效率为

式中，H1，H2分别为汽轮机新汽与乏汽的焓。

[例13.2]某蒸汽动力装置采用二次抽汽回热循环，已知进入汽轮机的过热蒸汽的参数为p1=14MPa，t1=560℃。第一次抽汽压力2.0MPa，第二次抽汽压力为0.15MPa，乏汽压力为5kPa，试计算此二次抽汽回热循环的热效率与汽耗率。

图13-7　例13.2附图

解：此二次抽汽回热循环如图13-7所示。

查附录表3.1、表3.2的相关水蒸气表，其各状态点的参数值为

状态点1：H1=3486.0kJ·kg-1，S1=6.5941kJ·kg-1·K-1

状态点6：查得p=2.0MPa时，饱和蒸汽点6′的S6′=6.3409kJ·kg-1·K-1＜S1，因此状态6处于过热蒸汽状态，由内插法求得p=2.0MPa，S6=6.5941kJ·kg-1·K-1时，H6=2929.2kJ·kg-1。

与状态点6对应的饱和液态水点7：H7=908.8kJ·kg-1，V7=0.001767m3·kg-1

H8=2693.6x1+467.1(1-x1)=2451.6(kJ·kg-1)

状态点9：H9=467.1kJ·kg-1，V9=0.001053m3·kg-1

H2=2554.4x2+136.5(1-x2)=1999.7(kJ·kg-1)

因此，状态点4′：H4′=H7+V7Δp=908.8+0.001767×（14-2）×103=930.0（kJ·kg-1）

状态点7′：H7′=H9+V9Δp=467.1+0.001053×（2-0.15）×103=469.1（kJ·kg-1）

状态点9′：H9′=H3+V3Δp=121.5+0.001005×（0.15-0.005）×103=121.6（kJ·kg-1）

第一次抽气量α1的计算：

第一次抽气量α2的计算：

二次抽气回热循环的热效率为

汽耗率为

采用抽汽回热循环可以提高平均吸热温度，因此可以提高循环热效率。需要指出的是，虽然理论上抽汽回热次数越多，最佳给水温度越高，从而平均吸热温度越高，热效率也越高，但是级数越多，设备和管路就越复杂，而每增加一级抽汽的获益也就越少。因此，通常电厂回热级数为3～8级。

13.1.2.2　再热循环

最初采用再热循环的目的，是为了克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。这种危害主要表现在使汽轮机的内部效率降低，以及最后几级叶片受到侵蚀。为避免这些后果，将汽轮机高压中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器（称为再热器）加热升温，然后再送入汽轮机使之继续膨胀做功。这种循环称为中间再加热循环，简称再热循环，如图13-8所示。(www.xing528.com)

图13-8　再热循环图

从图13-8（b）的TS图上看，再热部分实际上相当于在原来兰金循环的基础上增加了一个新的循环6—1′—2′—2—6。通常最有利的再热循环压力为（0.2～0.3）p1，只要再热过程的平均吸热温度高于原来循环的平均吸热温度，再热循环的热效率就可高于原来循环的热效率。因此，现代大型蒸汽动力循环采用再热的目的不只是解决膨胀终态湿度太大问题，而且也作为提高蒸汽循环热效率的途径之一。一般而言，采用再热循环后，循环热效率可提高3%左右。

图13-8所示的再热循环的热效率的计算方法如下：

工质在整个循环中获得的总热量为

QH=(H1-H4)+(H1′-H6)

对外界的放热量为

Q2=H2′-H3

故再热循环的热效率

或

目前超高压（蒸汽初压为13MPa和24MPa或更高）的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环。根据蒸汽初参数的情况，一般进行一次或最多二次再热。我国自行设计制造的亚临界压力3×105kW·h的汽轮发电机组即为一次中间再热式的，进汽初参数为16.2MPa，550℃，再热温度也为550℃。

此外，为了提高热效率，采用热电循环也是一种可被采用的方式，具体可参阅其他方面有关资料。