Техники за подобряване на ефективността на цикъла на Ренкин

Парните електроцентрали все още са основата на общата генерация на енергия в Азиатско-Тихоокеанския регион. Ето защо дори и малко подобрение, като увеличаването на ефективността, има огромен ефект върху спестяването на гориво и намалението на излъчването на парникови газове.

Ето защо не бива да упускаш никоя възможност да откриваш начини и средства за увеличаване на ефективността на парния цикъл.

Основната идея зад всяко подобрение или модификация е да се увеличи термалната ефективност на електроцентралата. Ето защо техниките за подобряване на термалната ефективност са:

• Чрез намаление на средната температура, при която топлината се отвежда от работната течност (пар) в кондензатора. (Намаление на налягането в кондензатора)

• Чрез увеличаване на температурата на пара, влизащ в турбината

Намаление на налягането в кондензатора

Парът напуска турбината и влиза в кондензатора като насищена смес в съответствие със съответното налягане на пара в кондензатора. Намалението на налягането в кондензатора винаги помага за по-голяма работа в турбината, тъй като е възможно повече разширяване на пара в турбината.

С помощта на T-s диаграмата, ефектът от намалението на налягането в кондензатора върху производителността на цикъла може да бъде видян и разбран.

Положителни ефекти от намалението на налягането в кондензатора

За да се използва преимуществото на по-висока ефективност, цикълът на Ренкин трябва да работи при по-ниско налягане в кондензатора, обикновено под атмосферно. Но границата за ниско налягане в кондензатора е определена от температурата на охлаждащата вода, съответстваща на налягането на насищане в региона.

В горната T-s диаграма лесно може да се види, че оцветената област представлява увеличение на нетната работа, произтичащо от намалението на налягането в кондензатора от P4 до P4’.

Отрицателни ефекти от намалението на налягането в кондензатора

Ефектът от намалението на налягането в кондензатора не идва без странични ефекти. Ето защо следните са неблагоприятните ефекти от намалението на налягането в кондензатора:

• Допълнителен топлинен вход в котела поради намалена температура на рециркулиращата кондензация (ефект от намаленото налягане в кондензатора)

• При по-ниско налягане в кондензатора възможността за увеличаване на съдържанието на влага в пара в последната стадия на разширяване на турбината се увеличава. Намалението на дробта на сухост на пара в по-късните стадии на турбината е нежелателно, тъй като води до леко намаление на ефективността и износ на лопатките на турбината.

Общите ефекти от намалението на налягането в кондензатора

Общият нетен ефект е по-положителен, тъй като увеличението на необходимостта от топлинен вход в котела е малко, но увеличението на нетната работа е по-голямо поради намалението на налягането в кондензатора. Освен това дробта на сухост на пара в по-късните стадии на турбината не се позволява да падне под 10-12%.

Суперзаваряване на пара до по-висока температура

Суперзаваряването на пара е феномен, при който топлина се предава на пара, за да се нагрее до по-висока температура, докато се поддържа постоянното налягане в котела.

Оцветената област в горната T-s диаграма ясно показва увеличението на нетната работа (3-3’-4’-4) поради увеличението на температура на суперзаваряване на пара.

Допълнителният топлинен вход във формата на енергия, напуска цикъла като работа, т.е. увеличението на работата надминава допълнителния топлинен вход и отвеждането на топлина. Термалната ефективност на цикъла на Ренкин се увеличава поради увеличението на температурата на пара.

Положителни ефекти от увеличаването на температурата на пара

Един желателен ефект от увеличаването на температурата на пара е, че не позволява процентът на влага в последната стадия на пара да се увеличи. Този ефект лесно може да се види на T-s диаграмата (Фиг. 2) по-горе.

Отрицателни ефекти от увеличаването на температурата на пара

Увеличаването на температурата на пара води до малко увеличение на топлинния вход. Има граница, до която пара може да бъде суперзаварена и използвана в енергийния цикъл. Тези ограничаващи фактори са свързани с металургичната издръжливост при високи температури и икономическата жизнеспособност.

В момента в суперкритичните електроцентрали, температурата на пара при входа в турбината е около 620oC. Решението за всякакво допълнително увеличение на температурата на пара може да бъде взето само след детайлно изследване на металургичните ограничения и оценка на икономическия ефект.

Общите ефекти от увеличаването на температурата на пара

От T-s диаграмата (Фиг. 2) общият ефект от увеличението на температурата е по-положителен, тъй като печалбата от нетната работа надминава увеличението на топлинния вход и лекото увеличение на отвеждането на топлина. Затова винаги е полезно да се увеличи температурата на пара след оценка на надеждността и икономическата жизнеспособност.

Увеличаване на налягането в котела с подкритични параметри

Алтернативен начин за увеличаване на ефективността на цикъла на Ренкин е чрез увеличаване на операционното налягане в котела и по този начин свързано с температурата, при която се извършва заваряването в котела. Така термалната ефективност на цикъла се увеличава.
Чрез T-s диаграмата ефектът от увеличението на налягането в котела върху производителността на цикъла може ясно да се види и разбере.

Поради увеличението на налягането в котела, цикълът на Ренкин се премества леко наляво, както е показано на Фиг. 3 в T-s диаграмата, и следователно може да се заключи следното:

• Значително увеличение на нетната работа, както е показано в розовата оцветена област на горната фигура.

• Тъй като цикълът се премества леко наляво, има намаление на нетната работа при разширяването на пара в турбината. (Както е показано в горната фиг. 3, оцветена в сиво.

• Намаление на отвеждането на топлина към охлаждащата вода в кондензатора.

Така общият ефект е значително увеличение на термалната ефективност на цикъла поради тези мерки.

Увеличаване на налягането в котела с суперкритични параметри

За да се увеличи термалната ефективност на цикъла на Ренкин, в сегашните парогенератори се използва суперкритично налягане. Когато парогенераторите работят над 22.06 Мпа, те се наричат суперкритични парогенератори, а заводът се нарича суперкритична електроцентрала. Благодарение на по-високите операционни налягания, тези заводи са известни с по-високата си ефективност.