熵分析法及其在热力发电中的应用

孤立系统的熵增原理，即在孤立系统中，熵增总是大于或等于零（Δs≥0）。实际热力过程都是不可逆过程，都会使系统的熵增大，引起能量贬值和功的耗散（即做功能力损失）。因此。可以通过计算熵增来确定做功能力损失的大小，并以此作为评价电厂热力设备热经济性的指标。可见，熵增是用来作为衡量孤立系统内由于不可逆性导致做功能力减小的一种量度。这种用熵增原理来分析和评价实际电厂热经济性的方法称熵分析法。凡是熵增的过程，都会使热经济性下降。

若环境温度为Tamb，则某一热力过程或设备中的熵增Δsg引起的做功能力损失Δw1为

一般情况下，环境温度变化很小，可以作为常数处理，因此做功能力损失与孤立系统的熵增成正比。

热力发电厂的全部能量转换过程是由一系列的不可逆过程组成的，计算出各设备或过程的做功能力损失之后，累加起来即可得到总损失Δwcp，即

下面用熵分析法分析热力发电厂中三种典型的不可逆过程。

1.有温差换热过程的做功能力损失

如图1-3所示，两种工质进行换热。高温工质A经过1-2过程放热，其平均放热温度为，其熵减少ΔsA；低温工质B经过3-4过程吸热，平均吸热温度为，吸热过程熵增为ΔsB，平均换热温差。不考虑散热损失，则放热量ΔQ等于吸热量，即

换热过程的熵增Δsg为

由式（1-8）可知，环境温度一定时，换热温差越大，做功能力损失也就越大；相同的换热量和平均换热温差，流体的平均换热温度越高，换热的做功能力损失就越小，即高温换热器比低温换热器有利。有温差的换热过程的做功能力损失如面积1′4′4″1″1′所示，其计算式如下：

Δw1=Tamb（ΔsB-ΔsA）

2.绝热节流过程

图1-4中的o-a过程所示为蒸汽在汽轮机进汽调节机构中的节流过程。由热力学第一定律解析式dq=dh-vdp可得，绝热节流前后工质的焓不变，即dh=0，对微元过程，有dq=Tds，因此，绝热节流过程的熵增为

图1-3　有温差换热过程的T-s图(www.xing528.com)

图1-4　工质的绝热节流过程

绝热节流过程的做功能力损失为面积o′a′a″o″o′，其计算式为

式中　v——工质的比体积，m3/kg；

T——工质的温度，K；

dp——工质的压力降，MPa。

工质节流过程总是伴随着压力的降低，所以式（1-9）中dp为负，熵增为正，压降越大，熵增和做功能力损失也就越大。减少工质节流过程做功能力损失的途径是尽量减少节流引起的压降。

式（1-9）还表明，节流引起的做功能力损失与工质的比体积成正比，与工质的温度成反比。

3.有摩擦阻力的膨胀或压缩过程

如图1-5所示，蒸汽在汽轮机中可逆膨胀做功时，理想排汽的熵为sca。由于汽轮机内部存在蒸汽与动、静叶的摩擦等种种不可逆因素，引起工质的摩擦与扰动，实际排汽熵为sc，膨胀做功过程不可逆性引起的熵增为

图1-5　工质膨胀做功过程

Δsg=sc-sca

相应的做功能力损失为面积，其计算式为

Δw1=Tamb（sc-sca）

同理，在发电厂的热力系统中，水泵工作时，水的绝热压缩（升压）过程，由于水泵内部各种不可逆因素，使水的熵增大，也要引起做功能力损失。

显然，减少工质膨胀或压缩过程做功能力损失的途径是减少其过程的扰动、摩擦以及工质的泄漏等不可逆程度。