Cykl Rankine'a z zamkniętymi grzejnikami wody podajnej ma swoje korzyści i jest najbardziej powszechnie stosowany we wszystkich nowoczesnych elektrowniach. Zamknięty grzejnik wody podajnej wykorzystuje pośredni sposób przekazywania ciepła, tj. para wyodrębniona lub odprowadzona z turbiny przekazuje swoje ciepło pośrednio do wody podajnej w wymienniku ciepła typu skorupowy. Ponieważ para i woda nie mieszają się bezpośrednio, obwody parowe i wodne są pod różnymi ciśnieniami. Zamknięty grzejnik wody podajnej w cyklu jest przedstawiony na diagramie T-s jak pokazano poniżej na Rys. 1.
Teoretycznie lub idealnie, przekazywanie ciepła w zamkniętym grzejniku wody podajnej powinno odbywać się w taki sposób, aby temperatura wody podajnej wzrosła do temperatury nasyconej odprowadzonej pary (ogrzewanie wody podajnej).
Jednak w rzeczywistej eksploatacji elektrowni maksymalna temperatura, do której może osiągnąć woda podajna, jest zwykle nieco niższa niż temperatura nasycona pary. Powodem może być konieczność utrzymania kilku stopni gradientu temperatury dla efektywnego i sprawnego przekazywania ciepła.
Kondensat lub skondensowana para z powłoki grzejnika powinna być przeniesiona do następnego grzejnika (niskociśnieniowego) w cyklu lub czasami do kondensatora.
Otwarte i zamknięte grzejniki wody podajnej można odróżnić następująco:
Otwarty grzejnik wody podajnej |
Zamknięty grzejnik wody podajnej |
Otwarty i prosty |
Bardziej skomplikowany w projektowaniu |
Dobre właściwości przekazywania ciepła |
Mniej efektywne przekazywanie ciepła |
Bezpośrednie mieszanie odprowadzonej pary i wody podajnej w naczyniu ciśnieniowym |
Pośrednie mieszanie wody podajnej i pary w wymienniku ciepła typu skorupowego. |
Pompa jest potrzebna do przenoszenia wody do kolejnego etapu w cyklu. |
Zamknięte grzejniki wody podajnej nie wymagają pompy i mogą działać z różnicą ciśnień między różnymi grzejnikami w cyklu. |
Wymaga większej powierzchni |
Wymaga mniejszej powierzchni |
Mniej kosztowny |
Bardziej kosztowny |
Wszystkie nowoczesne elektrownie wykorzystują kombinację otwartych i zamkniętych grzejników wody podajnej, aby maksymalizować termiczną wydajność cyklu.
Inżynierska termodynamika zajmuje się przekształcaniem wartościowej formy energii (ciepła) w pracę. W elektrowniach to jest realizowane poprzez przekazanie jej do płynu roboczego, którym jest woda. Celem jest uniknięcie marnowania ciepła pary w kondensatorach turbin parowych. To jest możliwe, jeśli znajdziemy sposób na wykorzystanie niskociśnieniowej pary wprowadzanej do kondensatora.
Kogeneracja to koncepcja wykorzystania ciepła pary do celów użytecznych, zamiast go marnować (obecnie marnowane w kondensatorach).
Kogeneracja oznacza połączone ciepło i energię (CHP), czyli jednoczesne generowanie ciepła i energii elektrycznej dla przemysłu wymagającego procesowego ciepła pary. W elektrowni kogeneracyjnej zarówno ciepło, jak i energia są roztropnie wykorzystywane, co pozwala osiągnąć wydajność nawet 90% lub więcej. Kogeneracja oferuje oszczędności energetyczne.
Kogeneracja pozwala na zmniejszenie marnowania dużej ilości pary, która może być wykorzystana w wielu urządzeniach w postaci ciepła. Większość przemysłów, takich jak papier i celuloza, chemiczny, tekstylia i włókiennictwo oraz cement, polega na elektrowni kogeneracyjnej do uzyskania procesowego ciepła pary. Wymagania dotyczące procesowego ciepła pary w powyższych przemysłach wynoszą około 4 do 5 kg/cm2 przy temperaturze około 150 do 180oC.
Przemysły papierowe, chemiczne i tekstylne wymagają zarówno energii elektrycznej, jak i procesowego ciepła pary, aby osiągnąć swoje cele. To wymaganie można łatwo spełnić poprzez instalację elektrowni kogeneracyjnej.
Temperatura wewnątrz kotła wynosi około 800oC do 900oC, a energia jest przekazywana do wody, aby wytworzyć parę o ciśnieniu 105 bar i temperaturze około 535oC dla elektrowni kogeneracyjnych. Para o tych parametrach jest uważana za bardzo dobry źródło energii i jest więc najpierw wykorzystywana w turbinie parowej do produkcji energii, a wyczerpanie turbiny (niskiej jakości energia) jest używane do spełnienia wymagań procesowego ciepła pary.
Elektrownia kogeneracyjna jest znana z spełniania wymagań energetycznych, jednocześnie spełniając wymagania procesowego ciepła pary dla procesów przemysłowych.
Idealna kogeneracja oparta na turbinie parowej jest pokazana na powyższym Rys. 2. Załóżmy, że wymagania procesowe Qp wynoszą 5.0 Kg/cm2 przy około 100 kW. Aby spełnić wymagania procesowe ciepła pary o 5.0 Kg/cm2, para jest rozprężana w turbinie do momentu, gdy jej ciśnienie spadnie do 5.0 Kg/cm2, co pozwala wyprodukować około 20 kW energii.
Kondensat z ogrzewacza procesowego jest cyrkulowany z powrotem do kotła. Praca pompowa potrzebna do podniesienia ciśnienia wody podajnej w cyklu jest uznawana za niewielką, więc nie jest brana pod uwagę.
