Техники улучшения эффективности цикла Ренкина

نیروگاه‌های بخار همچنان پشتیبان تولید برق در آسیا و اقیانوسیا می‌باشند. بنابراین حتی با یک بهبود کوچک در شکل افزایش کارایی، تأثیر عظیمی بر صرفه‌جویی سوخت و همچنین کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دارد.

بنابراین نباید هیچ فرصتی را برای یافتن روش‌ها و امکانات افزایش کارایی چرخه بخار از دست بدهیم.

ایده پشت هر بهبود یا تغییر افزایش کارایی حرارتی نیروگاه است. بنابراین روش‌های بهبود کارایی حرارتی عبارتند از:

• با کاهش میانگین دمایی که در آن گرما از ماده کاری (بخار) در خنک‌کننده رد می‌شود. (کاهش فشار خنک‌کننده)

• با افزایش دمای بخار وارد توربین

کاهش فشار خنک‌کننده

بخار از توربین خارج شده و به عنوان مخلوط اشباع شده در خنک‌کننده وارد می‌شود که مطابق با فشار متناظر بخار در خنک‌کننده است. کاهش فشار خنک‌کننده همیشه در تحویل بیشتر کار شبکه در توربین کمک می‌کند زیرا بیشتر گسترش بخار در توربین ممکن است.

با کمک نمودار T-s، تأثیر کاهش فشار خنک‌کننده بر عملکرد چرخه قابل مشاهده و درک است.

اثرات مثبت کاهش فشار خنک‌کننده

برای بهره‌مندی از کارایی بالاتر، چرخه رانکین باید با فشار خنک‌کننده کمتر از فشار جوی کار کند. اما حد کمتر فشار خنک‌کننده توسط دمای آب خنک‌کننده متناظر با فشار اشباع منطقه تعیین می‌شود.

در نمودار T-s فوق می‌توان به راحتی دید که منطقه رنگی افزایش خروجی کار خالص به دلیل کاهش فشار خنک‌کننده از P4 به P4’ است.

اثرات منفی کاهش فشار خنک‌کننده

تأثیر کاهش فشار خنک‌کننده بدون هیچ اثر جانبی نیست. بنابراین اثرات منفی کاهش فشار خنک‌کننده عبارتند از:

• ورود گرمای اضافی به کِتِل به دلیل کاهش دمای بازگرداندن مایع خنک‌کننده (اثر کاهش فشار خنک‌کننده)

• با کاهش فشار خنک‌کننده احتمال افزایش محتوای رطوبت در بخار در مرحله آخر گسترش توربین افزایش می‌یابد. کاهش درصد خشکی بخار در مراحل بعدی توربین مطلوب نیست زیرا منجر به کاهش کمی کارایی و فرسایش پره‌های توربین می‌شود.

اثرات خالص کاهش فشار خنک‌کننده

اثرات کلی خالص بیشتر به سمت مثبت است، زیرا افزایش نیاز به ورود گرمایی در کِتِل حاشیه‌ای است اما افزایش خروجی کار خالص بیشتر به دلیل کاهش فشار خنک‌کننده است. همچنین درصد خشکی بخار در مراحل بعدی توربین را مجاز نیست فراتر از ۱۰-۱۲٪ کاهش یابد.

سوپر‌گرم کردن بخار به دمای بالاتر

سوپر‌گرم کردن بخار پدیده‌ای است که در آن گرما به بخار منتقل می‌شود تا بخار را به دمای بالاتر سوپر‌گرم کند در حالی که فشار در کِتِل ثابت است.

منطقه رنگی در نمودار T-s فوق به وضوح افزایش کار خالص (3-3’-4’-4) به دلیل افزایش دمای سوپرگرمی بخار را نشان می‌دهد.

ورود گرمای اضافی به شکل انرژی، از چرخه به عنوان کار خارج می‌شود یعنی افزایش خروجی کار فراتر از ورود گرمایی و رد گرما است. کارایی حرارتی چرخه رانکین به دلیل افزایش دمای بخار افزایش می‌یابد.

اثرات مثبت افزایش دمای بخار

یکی از اثرات مطلوب افزایش دمای بخار این است که اجازه نمی‌دهد درصد رطوبت در مرحله آخر افزایش یابد. این اثر را می‌توان به راحتی در نمودار T-s (شکل ۲) فوق مشاهده کرد.

اثرات منفی افزایش دمای بخار

افزایش دمای بخار به افزایش کوچکی در ورود گرمایی منجر می‌شود. محدودیتی وجود دارد که بخار می‌تواند سوپرگرم شود و در چرخه تولید برق استفاده شود. این محدودیت‌ها مربوط به تحمل مواد معدنی در دماهای بالا و اقتصادی بودن هستند.

در حال حاضر در واحد‌های تولید برق فوق بحرانی، دمای بخار در ورودی توربین حدود ۶۲۰°C است. تصمیم برای هر افزایش بیشتر در دمای بخار تنها پس از انجام بررسی‌های متالورژیکی و ارزیابی پیامدهای هزینه‌ای می‌تواند گرفته شود.

اثرات خالص افزایش دمای بخار

از نمودار T-s (شکل ۲) اثرات خالص افزایش دمایی بیشتر به سمت مثبت است، زیرا سود حاصل از خروجی کار خالص فراتر از افزایش ورود گرمایی و افزایش کمی رد گرما است. بنابراین همیشه سودمند است که دمای بخار را پس از ارزیابی قابلیت اطمینان و اقتصادی بیشتر کنیم.

افزایش فشار کِتِل با پارامترهای زیربحرانی

راه حل جایگزین برای افزایش کارایی چرخه رانکین افزایش فشار کاری کِتِل و در نتیجه به نوعی مرتبط با دمایی که در کِتِل جوش می‌کند است. بنابراین کارایی حرارتی چرخه افزایش می‌یابد.
با کمک نمودار T-s می‌توان تأثیر افزایش فشار کِتِل بر عملکرد چرخه را به وضوح مشاهده و درک کرد.

به دلیل افزایش فشار کِتِل، چرخه رانکین کمی به سمت چپ جابجا می‌شود مانند آنچه در شکل ۳ نمودار T-s نشان داده شده و بنابراین می‌توان از آن نتیجه گرفت:

• افزایش قابل توجه کار خالص، مانند آنچه در منطقه رنگی صورتی شکل فوق نشان داده شده است.

• با اینکه چرخه کمی به سمت چپ جابجا می‌شود، بنابراین کاهش کار خالص در گسترش بخار در توربین (مانند آنچه در شکل ۳ فوق در منطقه رنگی خاکستری نشان داده شده است).

• کاهش رد گرما به آب خنک‌کننده در خنک‌کننده.

بنابراین اثر خالص افزایش قابل توجه کارایی حرارتی چرخه به دلیل این اقدامات است.

افزایش فشار کِتِل با پارامترهای فوق بحرانی

برای افزایش کارایی حرارتی چرخه رانکین، فشار فوق بحرانی در ژنراتورهای بخار که در زمان حال استفاده می‌شود. وقتی ژنراتورهای بخار با فشار بالاتر از ۲۲.۰۶Mpa کار می‌کنند، آنها ژنراتورهای بخار فوق بحرانی نامیده می‌شوند و واحد تولید برق آنها واحد تولید برق فوق بحرانی نامیده می‌شود. به دلیل فشار کاری بالاتر این واحد‌ها برای ارائه کارایی بالاتر شناخته شده‌اند.