Técnicas de mellora da eficiencia do ciclo de Rankine

As centrais térmicas a vapor son aínda o esqueleto da xeración total de enerxía na Ásia Pacífico. Polo tanto, incluso unha pequena mellora en forma de aumento da eficiencia ten un efecto tremendo na poupanza de combustible e tamén na redución das emisións de gases de efecto invernado.

Por tanto, non se debe perder ningunha oportunidade para atopar as formas e medios para aumentar a eficiencia do ciclo de potencia a vapor.

A idea detrás de calquera mellora ou modificación é aumentar a eficiencia térmica da central eléctrica. Así, as técnicas de mellora da eficiencia térmica son:

• Diminuíndo a temperatura media na que se rexeita o calor do fluído de traballo (vapor) no condensador. (Baixando a presión do condensador)

• Aumentando a temperatura do vapor que entra na turbina

Baixando a presión do condensador

O vapor abandona a turbina e entra no condensador como unha mezcla saturada de acordo coa presión correspondente do vapor no condensador. Baixar a presión do condensador sempre axuda a entregar máis traballo útil na turbina xa que é posible unha maior expansión do vapor na turbina.

Coa axuda do diagrama T-s, pode verse e entender o efecto de baixar a presión do condensador no rendemento do ciclo.

Efectos positivos de baixar a presión do condensador

Para aproveitar a vantaxe dunha maior eficiencia, o ciclo Rankine debe operar con presión de condensador inferior ao atmosférico. Pero o límite para a menor presión do condensador está definido pola temperatura da auga de refrixeración correspondente á presión de saturación da área.

No diagrama T-s superior pódese ver facilmente que a área colorida é o aumento na saída de traballo neto debido á diminución da presión do condensador de P4 a P4’.

Efectos negativos de baixar a presión do condensador

O efecto de baixar a presión do condensador non veñen sen efectos secundarios. Así, os seguintes son os efectos adversos de baixar a presión do condensador:

• Entrada de calor adicional no caldeirón debido á diminución da temperatura de recirculación do condensado (efecto da menor presión do condensador)

• Con menor presión do condensador, aumenta a posibilidade de aumento do contido de humidade no vapor na etapa final de expansión da turbina. A diminución da fracción de sequedad do vapor nas últimas etapas da turbina é indeseable xa que resulta nunha diminución lixeira da eficiencia e erosión das pás da turbina.

Efectos netos de baixar a presión do condensador

O efecto neto global é máis positivo, xa que o aumento na solicitude de entrada de calor no caldeirón é marginal, pero o aumento na saída de traballo neto é maior debido á diminución da presión do condensador. Ademais, a fracción de sequedad do vapor nas últimas etapas da turbina non se permite caer máis alá do 10-12%.

Supercalentando o vapor a temperaturas máis altas

O supercalentamento do vapor é o fenómeno no que se transmite calor ao vapor para supercalentalo a temperaturas máis altas mantendo a presión constante no caldeirón.

A área sombreada no diagrama T-s anterior mostra claramente o aumento no traballo neto (3-3’-4’-4) debido ao aumento da temperatura de supercalentamento do vapor.

A entrada de calor adicional na forma de enerxía, abandona o ciclo como traballo, é dicir, o aumento na saída de traballo supera a entrada de calor adicional e a rexeición de calor. A eficiencia térmica do ciclo Rankine aumenta debido ao aumento da temperatura do vapor.

Efectos positivos de aumentar a temperatura do vapor

Un efecto deseable de aumentar a temperatura do vapor é que non permite que o porcentaxe de humidade na última etapa do vapor aumente. Este efecto pode verse facilmente no diagrama T-s (Fig:2) superior.

Efectos negativos de aumentar a temperatura do vapor

Aumentar a temperatura do vapor resulta nun pequeno aumento na entrada de calor. Hai un límite ata o cal o vapor pode ser supercalentado e usado no ciclo de potencia. Estes factores limitantes están relacionados coa resistencia metalúrgica a altas temperaturas e a viabilidade económica.

Actualmente nas unidades de xeración supercríticas, a temperatura do vapor na entrada da turbina é arredor dos 620oC. A decisión de calquera aumento adicional na temperatura do vapor só pode ser tomada de xeito criterioso despois de facer a debida diligencia metalúrgica e a avaliación dos custos implicados.

Efectos netos de aumentar a temperatura do vapor

Do diagrama T-s (Fig:2) o efecto neto do aumento da temperatura é máis positivo, porque o gaño na saída de traballo supera o aumento na entrada de calor e o leve aumento na rexeición de calor. Polo tanto, é sempre beneficioso aumentar a temperatura do vapor despois de avaliar a fiabilidade e a viabilidade económica.

Aumentando a presión do caldeirón con parámetros subcríticos

Outra forma de aumentar a eficiencia do ciclo Rankine é aumentando a presión de funcionamento do caldeirón e, así, de algún modo relacionado coa temperatura a que se está producindo a ebullición no caldeirón. Así, a eficiencia térmica do ciclo aumenta.
Coa axuda do diagrama T-s, pode verse e entender claramente o efecto do aumento da presión do caldeirón no rendemento do ciclo.

Debido ao aumento da presión do caldeirón, o ciclo Rankine desprázase levemente cara á esquerda, como se mostra na Fig:3 no diagrama T-s, e polo tanto, pode concluírse do mesmo:

• Aumento substancial no traballo neto, como se mostra na área de cor rosa da figura superior.

• Como o ciclo desprázase levemente cara á esquerda, hai unha diminución no traballo neto durante a expansión do vapor na turbina. (como se mostra na figura superior 3, sombreada en gris.

• Reducción na rexeición de calor á auga de refrixeración no condensador.

Polo tanto, o efecto neto é un aumento marcado na eficiencia térmica do ciclo debido a estas medidas.

Aumentando a presión do caldeirón con parámetros supercríticos

Para aumentar a eficiencia térmica do ciclo Rankine, actualmente utilízanse presións supercríticas nos xeradores de vapor. Cando os xeradores de vapor operan por riba de 22.06Mpa, estes xeradores de vapor chámanse xeradores de vapor supercríticos e a central chámase central de xeración supercrítica. Debido ás presións de funcionamento máis altas, estas centrais son coñecidas por dar maiores eficiencias.

Ciclo Rankine de recalentamento

Ciclo Rankine de recalentamento é para aproveitar a vantaxe da maior eficiencia do ciclo a presións de caldeirón máis altas sen comprometer o contido de humidade do vapor nas últimas etapas da turbina.

É posible unha maior eficiencia do ciclo co ciclo de recalentamento, tamén sen comprometer a fracción de sequedad, isto é posible expandindo o vapor na turbina en dúas etapas, recalentándoo entre medias. O recalentamento é unha forma prácticamente aceptable de tratar o problema do exceso de humidade nas últimas etapas da turbina.

Forma teórica de reducir a humidade na última etapa