Rankine-kierron tehokkuuden parantamistekniikat

Höyryvoimalat ovat edelleen Aasian ja Tyynenmeren alueen sähköntuotannon selkäranka. Jopa pienilläkin tehokkuuden parannuksilla on valtava vaikutus polttoaineen säästöihin ja kasvihuonekaasupäästöjen vähentymiseen.

Siksi ei pidä jättää mitään mahdollisuutta käyttämättä löytääkseen keinoja höyryvoiman kierroksen tehokkuuden parantamiseksi.

Kaikkien parannusten tai muutosten tarkoitus on lisätä voimalan lämpötehokkuutta. Näin ollen lämpötehokkuuden parannustehtävät ovat:

• Vähentämällä työvälineen (höyryn) keskimääräistä lämpötilaa, jolla se suljetaan kondensaattoriin. (Kondensaattoripaineen alentaminen)

• Lisäämällä höyryä, joka tulee turbiiniin

Kondensaattoripaineen alentaminen

Höyry poistuu turbiinista ja menee kondensaattoriin tyyppisesti kondensaattorissa olevan vastaavan paineen mukaisena yhdistelmänä. Kondensaattoripaineen alentaminen auttaa aina toiminnan lisäämisessä turbiinissa, koska höyryn laajentuminen turbiinissa on mahdollista.

T-s-kaavion avulla voidaan nähdä ja ymmärtää kondensaattoripaineen alentamisen vaikutus kierroksen suorituskykyyn.

Kondensaattoripaineen alentamisen myönteiset vaikutukset

Korkeamman tehokkuuden hyödyntämiseksi Rankinen kierros on käytettävä tavallisesti alhaisemmalla kondensaattoripaineella, usein ilmakehän alle. Mutta alhaiselle kondensaattoripainepainolle asetetaan raja, joka määritellään kyseisen alueen saturaatiopaineeseen liittyvän jäähdytysveden lämpötilan mukaan.

Yllä olevassa T-s-kaaviossa voidaan helposti nähdä, että väritetty alue on netton työn tulostuksen kasvu kondensaattoripaineen alentamisen ansiosta P4sta P4’hin.

Kondensaattoripaineen alentamisen haitalliset vaikutukset

Kondensaattoripaineen alentamisen vaikutukset eivät tule ilman sivuvaikutuksia. Seuraavat ovat alhaisemman kondensaattoripaineen haitallisia vaikutuksia:

• Lisäenergian tuonti kattilaan vähentuneen kondensaatin kierrätystemperatuuren (alhaisemman kondensaattoripaineen vaikutus) vuoksi

• Alhaisemmalla kondensaattoripaineella loppulasennuksen turbiinin vaiheessa höyryn kosteusosuuden kasvaminen on mahdollista. Höyryn kuivuusosuuden väheneminen turbiinin viimeisissä vaiheissa on epätoivottavaa, sillä se johtaa hieman tehokkuuden laskuun ja turbiiniteräiden eroosioon.

Kondensaattoripaineen alentamisen nettovaikutukset

Koko nettovaikutus on enemmän positiivista puolta, koska kattilan lisäenergiatarpeen kasvu on marginaalinen, mutta netton työn tulostuksen kasvu on suurempi kondensaattoripaineen alentumisen vuoksi. Myös höyryn kuivuusosuus turbiinin viimeisissä vaiheissa ei saa laskea alle 10-12 %.

Höyryn ylikuumeneminen korkeampaan lämpötilaan

Höyryn ylikuumeneminen on ilmiö, jossa lämpöä siirretään höyryyn ylikuumentamaan sitä korkeampaan lämpötilaan pitäen kattilan painetta vakiona.

Yllä olevassa T-s-kaaviossa väritetty alue näyttää selvästi netton työn (3-3’-4’-4) kasvun höyryn ylikuumenemisen ansiosta.

Lisäenergia, joka poistuu kiertokulkuun työn muodossa, eli työn tulostuksen kasvu ylittää lisäenergiatarpeen ja lämpöpudotuksen. Rankinen kierroksen lämpötehokkuus kasvaa höyryn lämpötilan nousun vuoksi.

Höyryn lämpötilan nostamisen myönteiset vaikutukset

Yksi höyryn lämpötilan nostamisen toivottu vaikutus on, että se ei salli viimeisen vaiheen kosteusprosentin kasvaa. Tämä vaikutus voidaan helposti nähdä T-s-kaaviosta (Kuvio:2) yllä.

Höyryn lämpötilan nostamisen haitalliset vaikutukset

Höyryn lämpötilan nostaminen johtaa pieniin lisäenergiatarpeisiin. On raja, johon höyryä voidaan ylikuumentaa ja käyttää voimakierrossa. Nämä rajoitusehdot liittyvät metallurgisiin ominaisuuksiin korkeilla lämpötiloilla ja taloudelliseen kannattavuuteen.

Nykyisin superekriittisissä sähköntuotantojärjestelmissä turbiinin sisäänmenon lämpötila on noin 620oC. Päätös mistä tahansa lisäksi höyryn lämpötilan nostamisesta voidaan tehdä vastuullisesti vain tekemällä metallurginen tarkastelu ja arvioimalla kustannuksia.

Höyryn lämpötilan nostamisen nettovaikutukset

T-s-kaaviosta (Kuvio:2) nähdään, että lämpötilan kasvun nettovaikutus on enemmän positiivista puolta, koska verkon tulostuksen kasvu ylittää lisäenergiatarpeen ja lievän lämpöpudotuksen. Siksi on aina hyödyllistä lisätä höyryn lämpötilaa arvioimalla luotettavuus ja taloudellinen kannattavuus.

Kattilan paineen nostaminen subkritiisin parametrien kanssa

Vaihtoehtoinen tapa lisätä Rankinen kierros-tehokkuutta on lisäämällä kattilan toimintapaine ja siten liittäen se lämpötilaan, jolla kiehahtaminen tapahtuu kattilassa. Näin kierroksen lämpötehokkuus kasvaa.
T-s-kaavion avulla voidaan selvästi nähdä ja ymmärtää kattilan paineen nostamisen vaikutus kierroksen suorituskykyyn.

Kattilan paineen kasvun vuoksi Rankinen kierros siirtyy hieman vasemmalle, kuten kuvio:3 T-s-kaaviossa, ja tästä voidaan päätellä seuraavat:

• Huomattava netton työn kasvu, kuten yllä olevassa kuviossa näkyy vaaleanpunaisella alueella.

• Koska kierros siirtyy hieman vasemmalle, netton työn vähentyminen höyryn laajentuessa turbiinissa. (kuten yllä oleva kuvio:3 harmaalla alueella.

• Jäähdytysveden lämpöpudotuksen vähentyminen kondensaattoriin.

Näin ollen näiden toimenpiteiden ansiosta kierroksen lämpötehokkuus kasvaa huomattavasti.

Kattilan paineen nostaminen superkritiisin parametrien kanssa

Rankinen kierroksen lämpötehokkuuden lisäämiseksi nykyisin käytetään superkritiistä painetta höyrygeneraattoreissa. Kun höyrygeneraattorit toimivat yli 22.06Mpa, ne kutsutaan superkritiikin höyrygeneraattoreiksi ja laitoksia superkritiikin sähköntuotantolaitoksiksi. Korkeammilla toimintapaineilla nämä laitokset tunnetaan korkeammasta tehokkuudestaan.

Toistohoitto Rankinen kierros

Toistohoitto Rankinen kierros on menetelmä, jolla pyritään hyödyntämään korkeampaa kierroksen tehokkuutta korkeammalla kattilan paineella ilman, että kompromissi tehdään viimeisten turbiinvaiheiden höyryn kosteusosuudesta.

Korkeampi kierros tehokkuus on mahdollista toistohoito kierroksella, ilman kuivuusosuuden kompromissia, joka on mahdollista laajentamalla höyryä turbiinissa kahdessa vaiheessa, toistohoito välillä. Toistohoito on käytännöllinen tapa