Tècniques d'Millora de l'Eficiència del Cicle de Rankine

Les centrals termoelèctriques encara són el sostre de la generació total d'energia en el Pacífic Àsic. Així, fins i tot una petita millora en forma d'increment de l'eficiència té un efecte tremendo en l'estalvi de combustible i també en la reducció de l'emissió de gasos d'efecte hivernacle.

Per tant, no s'hauria de perdre cap oportunitat per trobar les formes i mitjans per augmentar l'eficiència del cicle de vapor.

La idea darrere qualsevol millora o modificació és incrementar l'eficiència tèrmica de la central termoelèctrica. Així, les tècniques d' millora de l'eficiència tèrmica són:

• Disminuint la temperatura mitjana a la qual es regeixa el calor del fluid de treball (vapor) al condensador. (Reducció de la pressió del condensador)

• Augmentant la temperatura del vapor que entra a la turbina

Reducció de la pressió del condensador

El vapor surt de la turbina i entra al condensador com una mescla saturada d'acord amb la pressió corresponent de vapor al condensador. Reduir la pressió del condensador sempre ajuda a lliurar més treball útil a la turbina ja que és possible una major expansió del vapor a la turbina.

Amb l'ajut del diagrama T-s, es pot veure i entendre l'efecte de la reducció de la pressió del condensador en el rendiment del cicle.

Efectes positius de la reducció de la pressió del condensador

Per beneficiar-se d'una major eficiència, el cicle de Rankine ha de funcionar amb una pressió del condensador inferior a l'atmosfèrica. Però el límit per a una pressió del condensador més baixa està definit per la temperatura de l'aigua de refredament corresponent a la pressió de saturació de la zona.

En el diagrama T-s anterior es pot veure fàcilment que l'àrea colorida és l'augment de la sortida neta de treball deguda a la reducció de la pressió del condensador de P4 a P4’.

Efectes negatius de la reducció de la pressió del condensador

L'efecte de la reducció de la pressió del condensador no ve sense efectes secundaris. Així, els següents són els efectes adversos de la reducció de la pressió del condensador:

• Aport de calor addicional a la caldera com a conseqüència de la disminució de la temperatura de recirculació del condensat (efecte de la pressió del condensador més baixa)

• Amb una pressió del condensador més baixa, la possibilitat d'incrementar el contingut de humitat del vapor a l'etapa final d'expansió de la turbina augmenta. La disminució de la fracció de sequedat del vapor en les etapes posteriors de la turbina és indesitjable, ja que resulta en una lleugera disminució de l'eficiència i erosió de les paletes de la turbina.

Efectes nets de la reducció de la pressió del condensador

L'efecte net global és més positiu, ja que l'increment de la necessitat d'aport de calor a la caldera és marginal, però l'increment de la sortida neta de treball és més gran degut a la disminució de la pressió del condensador. També, la fracció de sequedat del vapor en les etapes posteriors de la turbina no es permet que baixi més enllà del 10-12%.

Superescalfament del vapor a una temperatura superior

El superescalfament del vapor és el fenomen en què el calor es transmet al vapor per superescalfar-lo a una temperatura superior mantenint la pressió constant a la caldera.

L'àrea ombrada en el diagrama T-s mostra clarament l'increment de la sortida neta de treball (3-3’-4’-4) deguda a l'increment de la temperatura de superescalfament del vapor.

L'aport de calor addicional en forma d'energia, surt del cicle com a treball, és a dir, l'increment de la sortida de treball supera l'aport de calor addicional i la rejecció de calor. L'eficiència tèrmica del cicle de Rankine augmenta deguda a l'increment de la temperatura del vapor.

Efectes positius de l'increment de la temperatura del vapor

Un efecte desitjable de l'increment de la temperatura del vapor és que no permet que el percentatge de humitat a l'última etapa del vapor augmenti. Aquest efecte es pot veure fàcilment en el diagrama T-s (Fig:2) superior.

Efectes negatius de l'increment de la temperatura del vapor

L'increment de la temperatura del vapor resulta en un petit increment de l'aport de calor. Hi ha un límit fins al qual el vapor es pot superescalfar i utilitzar en el cicle de generació d'energia. Aquests factors limitants estan relacionats amb la provesa metallúrgica a altas temperatures i la viabilitat econòmica.

Actualment, en les unitats de generació d'energia supercrítica, la temperatura del vapor a la entrada de la turbina és al voltant de 620oC. La decisió de qualsevol increment addicional de la temperatura del vapor només es pot prendre judiciosament després de fer la diligència devida metallúrgica i l'avaluació de les implicacions de cost.

Efectes nets de l'increment de la temperatura del vapor

Des del diagrama T-s (Fig:2), l'efecte net de l'increment de la temperatura és més positiu, ja que el guany de la sortida de treball supera l'increment de l'aport de calor i un lleuger increment de la rejecció de calor. Per tant, sempre és beneficiós augmentar la temperatura del vapor després d'avaluar la fiabilitat i la viabilitat econòmica.

Increment de la pressió de la caldera amb paràmetres subcrítics

Una altra manera d'incrementar l'eficiència del cicle de Rankine és incrementant la pressió de funcionament de la caldera i, d'aquesta manera, relacionant-la amb la temperatura a la qual es produeix l'ebullició a la caldera. Així, l'eficiència tèrmica del cicle augmenta.
Amb l'ajut del diagrama T-s, l'efecte de l'increment de la pressió de la caldera en el rendiment del cicle es pot veure i entendre clarament.

Degut a l'increment de la pressió de la caldera, el cicle de Rankine es desplaça lleugerament cap a l'esquerra, com es mostra en la Fig:3 del diagrama T-s, i es poden concloure les següents coses:

• Increment substancial de la sortida neta de treball, com es mostra en l'àrea ombrada de color rosa de la figura anterior.

• Com el cicle es desplaça lleugerament cap a l'esquerra, hi ha una disminució de la sortida neta de treball durant l'expansió del vapor a la turbina. (com es mostra en la Fig:3, ombrada en gris).

• Reducció de la rejecció de calor a l'aigua de refredament al condensador.

Així, l'efecte net és un increment marcado de l'eficiència tèrmica del cicle degut a aquestes mesures.

Increment de la pressió de la caldera amb paràmetres supercrítics

Per incrementar l'eficiència tèrmica del cicle de Rankine, es fa servir la pressió supercrítica en els generadors de vapor utilitzats en el present. Quan els generadors de vapor funcionen per sobre de 22,06 MPa, aquests generadors es denominen generadors de vapor supercrítics i la planta es denomina planta de generació d'energia supercrítica. Gràcies a les pressions d'operació més altes, aquestes plantes són conegudes per oferir eficiències més altes.

Cicle de Rankine amb recaloració

El cicle de Rankine amb recaloració serveix per aproveitar l'increment de l'eficiència del cicle a una pressió més alta de la caldera sense comprometre el contingut de humitat del vapor en les últimes etapes de la turbina.

Una major eficiència del cicle és possible amb el cicle de recaloració, i això sense comprometre la fracció de sequedat,