发电厂热力循环

1. 热力循环的本质

发电厂（以蒸汽动力厂为例）的工作原理是：

• 燃料燃烧 → 产生高温高压蒸汽 → 推动汽轮机做功 → 带动发电机发电 → 冷凝回水 → 再次加热循环。这个过程就是一个热力循环。理论上，热机效率取决于高温热源和低温冷源之间的温差（卡诺效率）。

2. 典型的热力循环：朗肯循环（Rankine Cycle）

几乎所有的蒸汽动力发电厂都基于朗肯循环。

它有四个基本过程：

1. 泵送（压缩过程，等熵压缩）
   • 给水泵把冷凝器出来的低压水抽回锅炉，升高压力。
   • 功耗很小，可以忽略不计。
2. 加热与蒸发（等压吸热）
   • 高压水进入锅炉，先被加热成饱和水，再蒸发成蒸汽，最后过热成高温高压蒸汽。
   • 蒸汽获得的热量主要来自燃料燃烧或核裂变。
3. 膨胀做功（等熵膨胀）
   • 高温高压蒸汽进入汽轮机，推动叶片旋转，膨胀成低压蒸汽。
   • 这是循环中输出功的核心环节。
4. 冷凝（等压放热）
   • 低压蒸汽进入冷凝器，与循环冷却水换热，放出热量变成饱和水。
   • 释放的热量大部分进入河流/海水或冷却塔。

这四个过程构成一个完整的循环。

3. 热力循环的能量流动

• 输入能量：燃料燃烧（锅炉吸热）
• 输出能量：汽轮机发电（做功）
• 损失能量：冷凝放热 + 管道散热 + 摩擦损失

循环效率 = (汽轮机做功 – 泵功) ÷ 锅炉吸热

在实际电厂中：

• 热效率通常在 35%~45% 左右（超临界机组可达 45% 以上）。
• 余下的热量作为低品位热排入环境。

4. 提高朗肯循环效率的措施

为了让发电厂效率更高，工程师们改进了基本循环：

1. 再热循环
   • 蒸汽在汽轮机中部分膨胀后，回锅炉再加热一次，然后继续做功。
   • 作用：避免蒸汽过湿，增加平均温度差，提高效率。
2. 回热循环（抽汽加热）
   • 从汽轮机中抽出部分蒸汽，加热给水，使其进入锅炉前温度更高。
   • 作用：减少锅炉加热所需的热量，提高循环效率。
3. 提高蒸汽参数
   • 使用高温高压蒸汽（超临界、超超临界），提高做功能力。
4. 联合循环
   • 燃气轮机发电 + 废气余热锅炉产生蒸汽驱动汽轮机 → 整体效率可达 55%~62%。

5. 常见几种电厂的热力循环

• 燃煤电厂：典型朗肯循环，辅以再热+回热。
• 核电厂：蒸汽发生器代替锅炉，仍是朗肯循环，但蒸汽参数较低。
• 燃气—蒸汽联合循环电厂：燃气轮机（布雷顿循环）+ 蒸汽轮机（朗肯循环）的耦合。

✅ 一句话总结：

发电厂的热力循环就是朗肯循环及其改进型，核心思想是：

燃料燃烧 → 加热工质 → 蒸汽做功 → 冷凝回收 → 再次循环。

通过再热、回热、联合循环等方式不断提高效率。