Rankine Cyklus Effektivitetsforbedringsmetoder
Dampkraftværker er stadig rygraden i den samlede strømproduktion i Asien og Stillehavet. Så selv en lille forbedring i form af øget effektivitet har en enorm effekt på brændstofbesparelse og også en reduktion i udledning af drivhusgasser.
Derfor bør man ikke udelade nogen lejlighed til at finde metoder og midler til at øge effektiviteten af dampkraftcyklussen.
Idéen bag enhver forbedring eller ændring er at øge den termiske effektivitet af kraftværket. Derfor er teknikkerne til forbedring af termisk effektivitet:
Ved at nedbringe den gennemsnitlige temperatur, hvorved varme afvises fra arbejdsmediet (damp) i kondensator. (Nedsætning af kondensatortryk)
Ved at øge temperaturen på damp, der indgår i turbinen
Nedsætning af kondensatortryk
Damp forlader turbinen og går ind i kondensatoren som en mættet blanding i overensstemmelse med det tilsvarende tryk på damp i kondensatoren. Nedsætning af kondensatortrykket hjælper altid med at levere mere nettoarbejde i turbinen, da mere udvidelse af damp i turbinen er mulig.
Med hjælp fra T-s diagrammet kan effekten af nedsætning af kondensatortrykket på cyklusens ydeevne ses og forstås.
Positive effekter af nedsætning af kondensatortryk
For at udnytte fordelene ved højere effektivitet skal Rankine-cyklus operere med lavere kondensatortryk, normalt under atmosfæriske. Men grænsen for lavere kondensatortryk defineres af kølevandstemperaturen, der svarer til mætningstrykket i området.
I ovenstående T-s diagram kan det let ses, at den farvede areal er øget nettoarbejde på grund af nedsætning af kondensatortrykket fra P4 til P4’.
Negative effekter af nedsætning af kondensatortryk
Effekten af nedsætning af kondensatortrykket kommer ikke uden nogen bivirkninger. Derfor følgende er de negative effekter af nedsætning af kondensatortrykket:
Yderligere varmeinput i pannen pga. nedsat kondensatgenomløbstemperatur (effekt af lavere kondensatortryk)
Med lavere kondensatortryk øges muligheden for stigende fuktighedsindhold i damp i den sidste udvidelsesfase af turbinen. Minderede tørhedfraktioner af damp i senere faser af turbinen er uønskede, da det resulterer i en lille reduktion i effektivitet og erosion af turbineblade.
Nettoeffekter af nedsætning af kondensatortryk
Den samlede nettoeffekt er mere positiv, da øget varmeinput i pannen er marginalt, men øget nettoarbejde er større på grund af nedsætning af kondensatortrykket. Desuden tillades tørhedfraktionen af damp i de sidste faser af turbinen ikke at falde under 10-12%.
Overophedning af damp til højere temperatur
Overophedning af damp er fænomenet, hvor varme overføres til damp for at overophede dampen til højere temperatur ved at opretholde konstant tryk i pannen.
Den farvede areal i ovenstående T-s diagram viser klart øget nettoarbejde (3-3’-4’-4) pga. øget overophedningstemperatur af damp.
Yderligere varmeinput i form af energi forlader cyklussen som arbejde, dvs. øget arbejdsgivning overstiger yderligere varmeinput og varmeanvisling. Termisk effektivitet af Rankine-cyklus stiger pga. øget dampetemperatur.
Positive effekter af øget dampetemperatur
En ønskelig effekt af at øge dampetemperatur er, at det ikke tillader, at fuktighedsprocenten af damp i den sidste fase øges. Denne effekt kan nemt ses på T-s diagrammet (Fig:2) ovenfor.
Negative effekter af øget dampetemperatur
Øget dampetemperatur resulterer i en lille stigning i varmeinput. Der er en grænse for, hvor meget damp kan overophedes og anvendes i kraftcyklussen. Disse begrænsende faktorer er relateret til metallurgisk robusthed ved høj temperatur og økonomisk lønsomhed.
I øjeblikket i superkritiske strømproduceringsenheder er dampetemperatur ved turbineindgang ca. 620oC. Beslutningen om yderligere stigning i dampetemperatur kan kun træffes efter omhyggelig vurdering af metallurgiske aspekter og evalueringsaf kostimplicationerne.
Nettoeffekter af øget dampetemperatur
Fra T-s diagrammet (Fig:2) er den samlede effekt af temperaturstigning mere positiv, da gevinsterne fra nettoarbejde overstiger stigningen i varmeinput og en lille stigning i varmeanvisling. Det er altid fordelagtigt at øge dampetemperatur efter at have vurderet pålidelighed og økonomisk lønsomhed.
Øgning af panne-tryk med subkritiske parametre
Alternativ måde at øge Rankine-cykluseffektiviteten er ved at øge pannedrivningspresset, og dermed på en måde relateret til temperaturen, hvorved kokning finder sted i pannen. Derved øges den termiske effektivitet af cyklussen.
Ved hjælp af T-s diagrammet kan effekten af øget pannedrivningspres på cyklusens ydeevne klart ses og forstås.
Pga. øget pannedrivningspres flytter Rankine-cyklus let mod venstre, som vist i Fig:3 på T-s diagrammet, og der kan derfor drages følgende konklusioner:
Betydelig stigning i nettoarbejde, som vist i den lyserøde farvede areal i figuren ovenfor.
Da cyklussen flytter let mod venstre, er der en reduktion i nettoarbejde under udvidelsen af damp i turbinen. (som vist i ovenstående fig:3 skrabet i grå farve.
Reduktion i varmeanvisling til kølevandet i kondensatoren.
Dermed er den samlede effekt en markant stigning i den termiske effektivitet af cyklussen som følge af disse foranstaltninger.
Øgning af pannedrivningspres med superkritiske parametre
For at øge den termiske effektivitet af Rankine-cyklus anvendes superkritisk pres i dampgeneratoren, der anvendes i nutid. Når dampgeneratorerne fungerer over 22.06Mpa, kaldes dampgeneratorerne superkritiske dampgeneratorer, og anlægget kaldes superkritisk strømproduceringsanlæg. På grund af de højere driftstryk er disse anlæg kendte for at give højere effektiviteter.
Genophedning af Rankine-cyklus
Genophedning af Rankine-cyklus er for at udnytte fordelene ved øget cykleffektivitet ved højere pannedrivningspres uden at kompromittere på fuktighedsindholdet af damp i de sidste faser af turbinen.
Højere cykleffektivitet er mulig med genophedning, og dette er muligt uden at kompromittere på tørhedfraktion, ved at udvide dampen i turbinen i to faser ved at genophede den imellem. Genophedning er en praktisk acceptabel måde at tackle problemet med for stor fuktighed i de sidste faser af turbinen.
