لا تزال محطات الطاقة البخارية العمود الفقري للطاقة الكهربائية الإجمالية في منطقة آسيا والمحيط الهادئ. وبالتالي، حتى التحسين الصغير على شكل زيادة في الكفاءة له تأثير كبير على توفير الوقود وكذلك تقليل انبعاثات غازات الدفيئة.
لذا يجب عدم تفويت أي فرصة لاكتشاف الطرق والوسائل لزيادة كفاءة دورة الطاقة البخارية.
الفكرة وراء أي تحسين أو تعديل هي زيادة الكفاءة الحرارية لمحطة الطاقة. وبالتالي، فإن تقنيات تحسين الكفاءة الحرارية هي:
عن طريق خفض درجة الحرارة المتوسطة التي يتم فيها رفض الحرارة من السائل العامل (البخار) في المكثف. (خفض ضغط المكثف)
عن طريق زيادة درجة حرارة البخار الداخل إلى التوربين
يترك البخار التوربين ويدخل المكثف كخليط مشبع وفقًا للضغط المقابل للبخار في المكثف. يساعد خفض ضغط المكثف دائمًا في تسليم المزيد من الشغل الناتج في التوربين لأن المزيد من التمدد للبخار في التوربين ممكن.
يمكن رؤية وتوضيح تأثير خفض ضغط المكثف على أداء الدورة باستخدام مخطط T-s.
للاستفادة من كفاءة أعلى، يجب أن تعمل دورة رانكين تحت ضغط مكثف أقل عادةً من الضغط الجوي. ولكن الحد الأدنى لضغط المكثف المنخفض محدد بواسطة درجة حرارة المياه المبردة المقابلة لضغط التشبع في المنطقة.
يمكن رؤية بسهولة في مخطط T-s أعلاه أن المساحة الملونة هي زيادة في الشغل الناتج الصافي نتيجة خفض ضغط المكثف من P4 إلى P4’.
لا يأتي تأثير خفض ضغط المكثف دون أي آثار جانبية. وبالتالي، ما يلي هو الآثار السلبية لخفض ضغط المكثف:
إدخال حراري إضافي في المرجل بسبب انخفاض درجة حرارة إعادة تدوير المكثفات (تأثير خفض ضغط المكثف)
مع انخفاض ضغط المكثف، تزداد احتمالية زيادة نسبة الرطوبة في البخار في المرحلة النهائية من التوسع في التوربين. يعتبر انخفاض نسبة الجفاف للبخار في المراحل الأخيرة من التوربين غير مرغوب فيه لأنه يؤدي إلى انخفاض طفيف في الكفاءة وأيضًا تآكل شفرات التوربين.
التأثير الإجمالي الصافي أكثر نحو الجانب الإيجابي، حيث أن زيادة متطلبات الإدخال الحراري في المرجل هامشية ولكن زيادة الشغل الناتج الصافي أكبر بسبب انخفاض ضغط المكثف. كما أن نسبة الجفاف للبخار في المراحل الأخيرة من التوربين لا تسمح لها بالانخفاض عن 10-12%.
تسخين البخار هو ظاهرة نقل الحرارة إلى البخار لتسخينه إلى درجة حرارة أعلى مع الحفاظ على الضغط الثابت في المرجل.
توضح المساحة المظللة في مخطط T-s أعلاه بشكل واضح زيادة الشغل الصافي (3-3’-4’-4) نتيجة لزيادة درجة حرارة تسخين البخار.
يزيد الإدخال الحراري الإضافي على شكل طاقة يترك الدورة كشغل، أي أن زيادة الشغل الناتج تتجاوز الإدخال الحراري الإضافي ورفض الحرارة. تزيد الكفاءة الحرارية لدورة رانكين نتيجة لزيادة درجة حرارة البخار.
أحد الآثار المرغوبة لزيادة درجة حرارة البخار هو أنه لا يسمح بنسبة الرطوبة في المرحلة الأخيرة من البخار بالزيادة. يمكن رؤية هذا التأثير بسهولة في مخطط T-s (الشكل 2) أعلاه.
يزيد تسخين البخار من الإدخال الحراري قليلاً. هناك حد يمكن أن يُسخن فيه البخار ويُستخدم في دورة الطاقة. هذه العوامل المحددة مرتبطة بالقدرة المعدنية على تحمل درجات الحرارة العالية والجدوى الاقتصادية.
حالياً، في الوحدات المنتجة للطاقة فوق الحرجة، تكون درجة حرارة البخار عند مدخل التوربين حوالي 620oC. يمكن اتخاذ قرار بشأن أي زيادة أخرى في درجة حرارة البخار فقط بعد القيام بالتدقيق المعدني والتقييم التكلفة-الفائدة.
من مخطط T-s (الشكل 2) فإن التأثير الصافي لزيادة درجة الحرارة أكثر نحو الجانب الإيجابي، لأن الفائدة من الشغل الناتج تتجاوز الزيادة في الإدخال الحراري والزيادة الطفيفة في رفض الحرارة. لذا فمن المستفيد دائماً زيادة درجة حرارة البخار بعد تقييم الموثوقية والجدوى الاقتصادية.
طريقة بديلة لزيادة كفاءة دورة رانكين هي عن طريق زيادة ضغط تشغيل المرجل وبالتالي بطريقة مرتبطة بدرجة الحرارة التي يحدث فيها الغليان في المرجل. وبالتالي تزداد الكفاءة الحرارية للدورة.
يمكن رؤية وتوضيح تأثير زيادة ضغط المرجل على أداء الدورة باستخدام مخطط T-s.
بسبب زيادة ضغط المرجل، تنحرف دورة رانكين قليلاً نحو اليسار كما هو موضح في الشكل 3 في مخطط T-s ويمكن استنتاج ما يلي منه:
زيادة كبيرة في الشغل الصافي، كما هو موضح في المنطقة المظللة باللون الوردي في الشكل أعلاه.
بما أن الدورة تنحرف قليلاً نحو اليسار، فإن هناك انخفاض في الشغل الصافي أثناء توسع البخار في التوربين. (كما هو موضح في الشكل 3 أعلاه مظلل باللون الرمادي.
تخفيض في رفض الحرارة إلى مياه التبريد في المكثف.
وبالتالي يكون التأثير الصافي هو زيادة واضحة في الكفاءة الحرارية للدورة نتيجة لهذه الإجراءات.
لتوفير الكفاءة الحرارية لدورة رانكين، يستخدم الضغط فوق الحرجي في مولدات البخار المستخدمة حاليًا. عندما تعمل مولدات البخار بأكثر من 22.06 ميجا باسكال، تسمى مولدات البخار فوق الحرجة ويسمى المصنع بمصنع توليد الطاقة فوق الحرجة. بسبب الضغوط العالية التي تعمل بها هذه المحطات، تتميز بكفاءات أعلى.
دورة رانكين بإعادة التسخين هي للاستفادة من زيادة كفاءة الدورة عند ضغط مرجل أعلى دون المساومة على نسبة الرطوبة في البخار في المراحل الأخيرة من التوربين.
يمكن الحصول على كفاءة دورة أعلى مع دورة إعادة التسخين بدون المساومة على نسبة الجفاف وهذا ممكن من خلال توسيع البخار في التوربين في مراحلين بإعادة تسخينه بينهما. تعتبر إعادة التسخين طريقة عملية مقبولة لمعالجة مشكلة الرطوبة الزائدة في المراحل الأخيرة من التوربين.
نظريًا، أحد الطرق هو تسخين البخار إلى درجة حرارة أعلى قبل دخوله إلى التوربين ولكن هناك حد أقصى يمنعه من زيادة أكبر من 620oC بسبب القيود المعدنية في التعامل مع درجات الحرارة العالية. تعمل محطات الطاقة فوق الحرجة في الهند بدرجة حرارة دخول البخار حوالي 593oC.
الطريقة العملية لتقليل الرطوبة في المرحلة الأخيرة في التوربينات الك
