Techniky zlepšení efektivity Rankinova cyklu

Parní elektrárny stále tvoří základ celkové výroby elektřiny v Asii a Tichomoří. I malé zlepšení ve formě zvýšení efektivity má obrovský dopad na úsporu paliva a také snížení emisí skleníkových plynů.

Neměli bychom proto vynechat žádnou příležitost najít způsoby a metody, jak zvýšit efektivitu parního cyklu.

Záměrem jakékoli vylepšení nebo modifikace je zvýšit tepelnou efektivitu elektrárny. Tedy techniky pro zlepšení tepelné efektivity jsou:

• Snížením průměrné teploty, při které se teplo odvádí z pracovního média (páry) v kondenzátoru. (Snížení tlaku v kondenzátoru)

• Zvýšením teploty páry, která vstupuje do turbíny

Snížení tlaku v kondenzátoru

Pára opouští turbínu a vstupuje do kondenzátoru jako nasycená směs v souladu s odpovídajícím tlakem páry v kondenzátoru. Snížení tlaku v kondenzátoru vždy pomáhá dodat více práce v turbíně, protože je možné dosáhnout větší expanze páry v turbíně.

S pomocí T-s diagramu lze vidět a pochopit dopad snížení tlaku v kondenzátoru na výkon cyklu.

Pozitivní účinky snížení tlaku v kondenzátoru

Aby bylo možné využít výhod vyšší efektivity, musí Rankinův cyklus fungovat při nižším tlaku v kondenzátoru, obvykle pod atmosférickým. Ale limit pro nižší tlak v kondenzátoru je definován teplotou chladicí vody odpovídající nasycenému tlaku v dané oblasti.

Na výše uvedeném T-s diagramu lze snadno vidět, že zbarvená oblast představuje zvýšení netto výkonu díky snížení tlaku v kondenzátoru od P4 na P4’.

Negativní účinky snížení tlaku v kondenzátoru

Účinek snížení tlaku v kondenzátoru nepřichází bez vedlejších účinků. Následují tedy nežádoucí účinky snížení tlaku v kondenzátoru:

• Dodatečný tepelný vstup do kotlu v důsledku snížení teploty recirkulace kondenzátu (účinek nižšího tlaku v kondenzátoru)

• Při nižším tlaku v kondenzátoru se zvyšuje možnost zvýšení obsahu vlhkosti v páře v poslední fázi expanze v turbíně. Snížení sušené frakce páry v pozdějších stadiích turbíny je nežádoucí, protože to vede k mírnému poklesu efektivity a erozi lopatek turbíny.

Celkové účinky snížení tlaku v kondenzátoru

Celkový netto účinek je spíše pozitivní, protože nárůst požadovaného tepelného vstupu do kotlu je marginalní, ale nárůst netto výkonu je větší díky snížení tlaku v kondenzátoru. Sušená frakce páry v pozdějších stadiích turbíny není dovoleno klesnout pod 10-12%.

Zvýšení teploty páry na vyšší úroveň

Předehřívání páry je fenomén, při němž se teplo přenáší do páry, aby byla předehřáta na vyšší teplotu za udržení konstantního tlaku v kotli.

Zbarvená oblast v níže uvedeném T-s diagramu jasně ukazuje zvýšení netto práce (3-3’-4’-4) v důsledku zvýšení teploty předehřáté páry.

Dodatečný tepelný vstup ve formě energie opouští cyklus jako práce, tedy nárůst výkonu převyšuje dodatečný tepelný vstup a odvod tepla. Tepelná efektivita Rankinova cyklu se zvyšuje v důsledku zvýšení teploty páry.

Pozitivní účinky zvýšení teploty páry

Jeden z požadovaných účinků zvýšení teploty páry je, že nedovolí zvýšení vlhkosti páry v poslední fázi. Tento účinek lze snadno vidět na T-s diagramu (Obr. 2) výše.

Negativní účinky zvýšení teploty páry

Zvýšení teploty páry vede k malému nárůstu tepelného vstupu. Existuje limit, do kterého může být pára předehřáta a použita v energetickém cyklu. Tyto omezující faktory jsou spojeny s metalurgickou schopností vysokých teplot a ekonomickou viabilitou.

V současné době v nadkritických elektrárnách je teplota páry u vstupu do turbíny asi 620oC. Rozhodnutí o dalším zvýšení teploty páry lze správně učinit pouze po provedení metalurgického due diligence a hodnocení nákladových implikací.

Celkové účinky zvýšení teploty páry

Z T-s diagramu (Obr. 2) lze vidět, že celkový účinek zvýšení teploty je spíše pozitivní, protože zisk z netto výkonu převyšuje nárůst tepelného vstupu a mírný nárůst odvodu tepla. Je tedy vždy výhodné zvýšit teplotu páry po ohodnocení spolehlivosti a ekonomické viabilitě.

Zvýšení tlaku v kotli s podkritickými parametry

Alternativní způsob zvýšení efektivity Rankinova cyklu je zvýšením provozního tlaku v kotli a tedy způsobem spojeným s teplotou, při které dochází ke vaření v kotli. Tím se zvyšuje tepelná efektivita cyklu.
S pomocí T-s diagramu lze jasně vidět a pochopit dopad zvýšení tlaku v kotli na výkon cyklu.

V důsledku zvýšení tlaku v kotli se Rankinův cyklus mírně posouvá doleva, jak je znázorněno na Obr. 3 v T-s diagramu, a lze z toho usoudit následující:

• Výrazné zvýšení netto práce, jak je znázorněno v růžově zbarvené oblasti níže uvedeného obrázku.

• Jelikož se cyklus mírně posouvá doleva, dochází k snížení netto práce během expanze páry v turbíně. (jak je znázorněno na níže uvedeném obr. 3 v šedé barvě).

• Snížení odvodu tepla do chladicí vody v kondenzátoru.

Tedy celkový účinek je značné zvýšení tepelné efektivity cyklu díky těmto opatřením.

Zvýšení tlaku v kotli s nadkritickými parametry

Aby bylo možné zvýšit tepelnou efektivitu Rankinova cyklu, jsou v současné době v parních generátorech používány nadkritické tlaky. Když parní generátory pracují nad 22,06 Mpa, pak se označují jako nadkritické parní generátory a elektrárna se nazývá nadkritická elektrárna. Díky vyšším provozním tlakům tyto elektrárny dávají vyšší efektivitu.

Opakově předehřátý Rankinův cyklus