تکنیک‌های بهبود کارایی چرخه رانکین

نیروگاه‌های بخار همچنان پشتیبان اصلی تولید انرژی الکتریکی در آسیا و اقیانوسیه هستند. بنابراین، حتی بهبود کوچکی در صورت افزایش کارایی تأثیر عظیمی بر صرفه‌جویی در سوخت و همچنین کاهش دی‌اکسید کربن و گازهای گلخانه‌ای دارد.

بنابراین نباید هیچ فرصتی برای یافتن روش‌ها و وسایل افزایش کارایی چرخه بخار از دست برود.

هدف هر بهبود یا اصلاح افزایش کارایی حرارتی نیروگاه است. بنابراین تکنیک‌های بهبود کارایی حرارتی عبارتند از:

• با کاهش میانگین دما 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 یک مخلوط اشباع شده به خنک‌کننده وارد می‌شود که با فشار متناظر بخار در خنک‌کننده مطابقت دارد. کاهش فشار خنک‌کننده همیشه به تحویل بیشتر کار خالص 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 پایین‌تر از فشار جوی کار کند. اما حد کمینه فشار خنک‌کننده توسط دمای آب خنک‌کننده متناظر با فشار اشباع منطقه تعیین می‌شود.

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

اثرات منفی کاهش فشار خنک‌کننده

تأثیر کاهش فشار خنک‌کننده بدون هیچ عوارض جانبی نیست. بنابراین عوارض جانبی کاهش فشار خنک‌کننده عبارتند از:

• ورود گرما اضافی به کотل به دلیل کاهش دمای دوره‌گردش مجدد مایع خنک‌کننده (تأثیر فشار خنک‌کننده کمتر)

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

اثرات خالص کاهش فشار خنک‌کننده

اثرات کلی بیشتر به سمت مثبت است، زیرا افزایش نیاز به گرمای ورودی در کوتل حاشیه‌ای است اما افزایش کار خالص بیشتر به دلیل کاهش فشار خنک‌کننده است. همچنین درصد خشکی بخار در مراحل بعدی توربین به بیش از ۱۰-۱۲٪ کاهش نمی‌یابد.

سوپر هیت کردن بخار به دمای بالاتر

سوپر هیت کردن بخار پدیده‌ای است که گرما به بخار منتقل می‌شود تا بخار را به دمای بالاتر با حفظ فشار ثابت در کوتل سوپر هیت کند.

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

ورود گرما اضافی به صورت انرژی، از چرخه به عنوان کار خارج می‌شود یعنی افزایش خروجی کار از ورود گرما و رد گرما بیشتر است. کارایی حرارتی چرخه رانکین با افزایش دمای بخار افزایش می‌یابد.

اثرات مثبت افزایش دمای بخار

یکی از اثرات مطلوب افزایش دمای بخار این است که به افزایش درصد رطوبت در مرحله آخر بخار اجازه نمی‌دهد. این اثر را می‌توان به راحتی در نمودار T-s (شکل: 2) بالا مشاهده کرد.

اثرات منفی افزایش دمای بخار

افزایش دمای بخار باعث افزایش کوچکی در گرمای ورودی می‌شود. محدودیتی وجود دارد که بخار می‌تواند سوپر هیت شود و در چرخه تولید انرژی استفاده شود. این محدودیت‌ها مرتبط با تحمل مواد فلزی در دماهای بالا و امکانات اقتصادی هستند.

در حال حاضر در واحدهای تولید انرژی فوق بحرانی، دمای بخار در ورودی توربین حدود ۶۲۰°سانتیگراد است. تصمیم برای هر افزایش دیگری در دمای بخار تنها پس از بررسی دقیق متالورژیکی و ارزیابی هزینه‌های مربوطه می‌تواند گرفته شود.

اثرات خالص افزایش دمای بخار

از نمودار T-s (شکل: 2) اثرات خالص افزایش دما بیشتر به سمت مثبت است، زیرا سود از خروجی کار بیش از افزایش گرمای ورودی و افزایش کمی رد گرما بیشتر است. بنابراین همیشه مفید است که پس از ارزیابی قابلیت اطمینان و امکانات اقتصادی دمای بخار افزایش یابد.

افزایش فشار کوتل با پارامترهای زیر بحرانی

راه حل جایگزین برای افزایش کارایی چرخه رانکین افزایش فشار کاری کوتل و در نتیجه افزایش دما که جوشانی در کوتل اتفاق می‌افتد است. بنابراین کارایی حرارتی چرخه افزایش می‌یابد.
با کمک نمودار T-s تأثیر افزایش فشار کوتل بر عملکرد چرخه به وضوح قابل مشاهده و درک است.

به دلیل افزایش فشار کوتل، چرخه رانکین کمی به سمت چپ حرکت می‌کند که در شکل: 3 نمودار T-s نشان داده شده است و از آن می‌توان به نتایج زیر رسید:

• افزایش قابل توجه کار خالص، همانطور که در مساحت رنگی صورتی شکل فوق نشان داده شده است.

• با اینکه چرخه کمی به سمت چپ حرکت می‌کند، بنابراین کاهش کار خالص در طول گسترش بخار در توربین اتفاق می‌افتد. (همانطور که در شکل: 3 با رنگ خاکستری نشان داده شده است.

• کاهش رد گرما به آب خنک‌کننده در خنک‌کننده.

بنابراین اثرات خالص افزایش قابل توجهی در کارایی حرارتی چرخه به دلیل این اقدامات است.

افزایش فشار کوتل با پارامترهای فوق بحرانی

برای افزایش کارایی حرارتی چرخه رانکین، فشار فوق بحرانی در ژنراتورهای بخار استفاده می‌شود. وقتی ژنراتورهای بخار با فشار بیش از ۲۲.۰۶ مگاپاسکال کار می‌کنند، ژنراتورهای بخار فوق بحرانی نامیده می‌شوند و نیروگاه فوق بحرانی نامیده می‌شود. به دلیل فشار کاری بالاتر این نیروگاه‌ها برای ارائه کارایی‌های بالاتر شناخته شده‌اند.