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第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识
10.1 蒸汽动力循环
核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。
热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。
水 蒸 汽
凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽
蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电。
热力循环
凝 结 水
图10.1核电厂二回路基本的工作原理
节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介
1.卡诺循环
卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T－S）图中，如图10.2所示。图中，
A-B代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T2升到T1，以便于从热源实现等温传热；
B-C代表工质等温吸热过程，工质在温度
图10.2 卡诺循环 - 113 -
S
T2 T1
T B C A D T1下从同温度热源吸收热量；
C-D代表工质绝热膨胀过程，过程中工质的温度由T1降到T2，以便于向冷源实现等温传热
D-A代表工质等温放热过程，工质在温度T2下向等温度冷源放出热量，同时工质恢复到其初始状态，并开始下一个循环。
根据热力学第二定律，在同样的热源温度和冷源温度下，卡诺循环的效率最高，其循环效率可表示为：
η=1-T2/T1
从该式中可得出如下结论：
（1）卡诺循环的效率只决定于热源和冷源的温度，所以若要提高热力循环的效率，就应尽可能提高工质吸热温度T1（受金属材料限制），以及尽可能使工质膨胀至低的冷源温度T2（受环境等条件限制）。但是，热源温度T1不可能增至无限大，冷源温度T2也不可能减小至零，所以η不可能等于1，且永远小于1，即在任何循环中不可能把从热源吸取的热量全部转换为机械能。
（2）当T1=T2时η=0 ，表明系统没有温差存在时（即只有一个恒温热源），利用单一热源循环作功是不可能的。
目前，卡诺循环还是一种为人类追求的理想循环，迄今为止还未实际实现。对水蒸汽为工质的循环，若在其湿饱和蒸汽区建立卡诺循环，等温吸热和放热原则上可以克服，如图10.3所示。但对压缩过程而言，由于工质处于汽水混合物状态，一是要求容积较大压缩机，其次耗费压缩功，同时在湿汽状态下，对压缩机工作不利，因此实际上很难实现饱和蒸汽卡诺循环，而是采用朗肯蒸汽循环。
2.朗肯循环
朗肯循环的组成及其设备工作流程如图10.4所示，它是研究各种复杂蒸汽动力装置的基本循环。它的工作过程如下：
T D B A F E S T 图10.3 饱和蒸汽卡诺循环 C D
S F A
E a e 图10.4 朗肯循环
ABCD为等压（不等温）加热过程，水在锅炉（或蒸汽发生器）中吸热，由过冷水变为过热蒸汽，这时工质与外界没有功的交换。
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DE为过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀过程，将热能转换为机械能，对外作功。汽轮机出口的工质达到低压下湿蒸汽状态，称为乏汽。
EF为乏汽在冷凝器中的凝结放热过程，变成该压力下的饱和水，称为凝结水。 FA为凝结水在水泵中绝热压缩过程，提高凝结水压力将其送到锅炉（或蒸汽发生器）继续吸热进行下一个循环。对水进行升压要消耗外功。
由上述4个热力过程组成了一个蒸汽动力循环。由图10.4温熵图可知，朗肯循环的效率为：
η＝面积ABCDEFA/面积aABCDEFea
根据卡诺循环的结论，不难发现朗肯循环中吸热过程中的AB段是整个吸热过程中温度最低的部分，从而降低了朗肯循环的平均吸热温度，使循环效率下降。若能改善低温吸热段过程就可大大地提高蒸汽朗肯循环的效率，由此发展出了回热循环。
3.回热循环
回热循环是现代蒸汽动力循环所普遍采用的循环，它是在朗肯循环的基础上对AB段吸热过程加以改进而得到的。所谓回热是指利用一部分在汽轮机内作过功的蒸汽来加热给水，使进入锅炉（或蒸汽发生器）的给水温度较高，以提高循环的平均吸热温度，从而提高循环效率。图10.5所示为抽汽回热循环示意图。
和朗肯循环比较，回热循环增加了给水加热器H和相应的抽汽管道及疏水管道。蒸汽在汽轮机中膨胀做功到M点，从中抽出一部分蒸汽送到给水加热器H中加热给水使给水温度由A点升高，其余蒸汽则继续做功直到排出汽轮机并被冷凝成凝结水。抽汽放热后凝结成疏水，用疏水泵打入系统中与给水相混合使给水温度最后升高至N点进入锅炉或蒸汽发生器，混合后工质质量没有损失。这时，在锅炉或蒸汽发生器内给水从N点开始吸热，给水的低温吸热段由AB段变为NB段，提高了平均吸热温度，从而提高了循环效率。
T D B N A F E L
S
H A
F C R M D
N M
E
a e 图10.5 抽汽回热循环示意图
应该指出：虽然低温段AB的过程也是吸热过程，但与朗肯循环不同，因为有回热时吸入的热量已经不是外部热源（来自锅炉或蒸汽发生器）的热量，而是循环内部的换热。除了提高平均吸热温度使循环效率升高外，还可以从减少冷源放热损失来说明，即抽出来
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一部分蒸汽在加热给水过程中被凝结成水，它的汽化潜热被给水吸收，而没有被循环水带走，减少了冷源放热损失，提高循环效率。当然，抽出来一部分蒸汽后，汽轮机内作功量也减少了。但理论计算和实际试验都表明：功的减少量远小于向冷源放热的损失量。因此，采用抽汽回热总是可以提高蒸汽动力循环的热效率的。且在一定给水温度下，回热循环的效率是随着回热级数的增多而增加的。但随着回热级数的增加，回热循环效率的增加程度逐渐减少。因此，采用过多的回热级数会使系统复杂、投资增加，实际采用多少级回热合理，应通过技术经济比较确定，一般以7～8级为宜。
4.中间再热循环
所谓中间再热循环是将在汽轮机内膨胀作功到某一中间压力的蒸汽，重新送回到锅炉
T D B C E A H I G S
a e f H
F D
F
A E G
图10.6 再热循环
或汽水分离再热器中进行再次加热，经再热后蒸汽又回到汽轮机内继续膨胀作功，直至终点排入冷凝器。中间再热循环的T－S图及其设备工作流程如图10.6所示。
与朗肯循环比较，在中间再热循环方式中，增加了再热器设备。蒸汽在汽轮机中做功到E点后，全部蒸汽又被送回锅炉再热器或汽水分离再热器继续吸热，变为过热蒸汽，温度接近新蒸汽温度。之后，蒸汽再回到汽轮机继续做功。
由图10.5温熵图得出，中间再热循环的效率为：
η＝面积ABCDEFGHA/面积aHABCDEFGfa
中间再热对循环效率的影响不易从上式直观看出，但可从温熵图作定性分析。若将再热部分看作原循环ABCDEIHA的附加循环IEFGI。如果附加循环效率比基本循环高，则循环的总效率就可以提高，反之则降低。因此，采用再热循环不一定能够提高循环效率，要视所选再热蒸汽压力而定。若再热压力太低，可能会使循环效率降低；再热压力过高，虽然可以提高循环效率，但效果并不明显，并且采取再热的根本目的是提高蒸汽膨胀终点的干度，以保障汽轮机的安全运行。所选再热压力过高，对乏汽干度的改善较少，因此切不可舍本求末。所以综合考虑中间再热压力对效率和干度的影响，实际上存在着一最佳的再热压力。在该压力及汽轮机末级允许干度的条件下，使再热循环效率达到最佳值。其最佳再热压力的确定需作全面的技术经济比较，根据系统实际情况计算得到。一般在初压的15～30％之间，采用一次中间再热可使循环效率提高2～3.5％。
对压水堆核电站，初参数都采用饱和蒸汽，故在高、低压缸之间采用汽水分离再热装
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置以减少汽轮机末级湿度显得尤为重要。
目前，无论是常规火电厂还是核电厂，其蒸汽动力循环都是基于以上循环形式建立的，绝大部分采用中间再热回热循环，即综合了上述各循环形式优点，以满足安全、经济生产的要求。
通过以上所述，提高蒸汽动力循环效率的途径可有如下几个方向： （1） 尽可能提高蒸汽初参数（温度和压力），但受到设备材料的限制；
（2） 尽可能降低蒸汽在汽轮机中膨胀终点的参数（冷凝器真空度），减少冷源损失，但受自然界环境影响；
（3） 采用回热循环和中间再热循环；
（4） 改善汽轮机的结构，提高热功转换效率 ； （5） 优化热力系统结构，减少过程损失； 10.1.2 大亚湾核电站的热力循环
1.大亚湾核电站热力系统
大亚湾核电站的热力循环是具有中间再热、七级回热的饱和蒸汽朗肯循环。图10.7表示出了大亚湾核电站二回路热力系统的组成原理。
大亚湾核电站的热力系统主要由三台蒸汽发生器、两台汽水分离再热器、一台汽轮机（包括一个高压缸、三个低压缸）、三台冷凝器、三台凝结水泵、四级低压给水加热器、
图10.7 大亚湾核电站二回路热力系统原理图
一台除氧器、三台主给水泵（有一台电动给水泵、两台汽动给水泵）、两级高压给水加热器等组成。
蒸汽发生器作为热源由反应堆冷却剂供热产生饱和蒸汽，蒸汽首先进入汽轮机高压缸做功，之后进入两台汽水分离再热器，经过汽水分离和再热变成过热蒸汽后进入三台低压
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