Tehnike poboljšanja učinkovitosti ciklusa Rankine

Parne elektrane još uvijek predstavljaju temelj ukupne proizvodnje energije u Aziji i Pacifiku. Stoga čak i mali napredak u obliku povećanja učinka ima ogroman utjecaj na uštedu goriva i smanjenje emisija stakleničkih plinova.

Stoga ne bi trebalo propustiti nijednu priliku da se pronađu načini i sredstva za povećanje učinka parnog ciklusa.

Ideja iza bilo kakvog poboljšanja ili modifikacije je povećati toplinski učink elektroane. Stoga tehnike poboljšanja toplinskog učinka su:

• Smanjenjem prosječne temperature pri kojoj se toplina odbacuje iz radnog tekućine (para) u kondenzatoru. (Smanjenje tlaka u kondenzatoru)

• Povećanjem temperature para koji ulazi u turbinu

Smanjenje Tlaka u Kondenzatoru

Par napušta turbinu i ulazi u kondenzator kao zasićeni mješavina u skladu s odgovarajućim tlakom para u kondenzatoru. Smanjenje tlaka u kondenzatoru uvijek pomaže u isporuci veće količine radnog toka u turbinu, jer je moguće više ekspanzije para u turbinu.

Pomoću T-s dijagrama može se vidjeti i razumjeti utjecaj smanjenja tlaka u kondenzatoru na performanse ciklusa.

Pozitivni Efekti Smanjenja Tlaka u Kondenzatoru

Da bi se iskoristio prednost višeg učinka, Rankine Ciklus mora raditi na nižem tlaku u kondenzatoru, obično ispod atmosferskog. Međutim, granica za niži tlak u kondenzatoru definirana je temperaturom hladne vode koja odgovara tlaku zasićenja u području.

Na gornjem T-s dijagramu lako se može vidjeti da bojanata površina predstavlja povećanje neto izlaznog rada zbog smanjenja tlaka u kondenzatoru od P4 do P4’.

Negativni Efekti Smanjenja Tlaka u Kondenzatoru

Efekt smanjenja tlaka u kondenzatoru ne dolazi bez stranih efekata. Stoga su sljedeći negativni efekti smanjenja tlaka u kondenzatoru:

• Dodatni toplinski unos u kotao zbog smanjene temperature re-cirkulacije kondenzata (efekt nižeg tlaka u kondenzatoru)

• Sa nižim tlakom u kondenzatoru porasta mogućnost povećanja sadržaja vlage u paru na finalnoj fazi ekspanzije turbine. Smanjenje frakcije suhosti para u kasnijim fazama turbine je neželjeno jer rezultira malim smanjenjem učinka i erozijom ležaja turbine.

Neto Efekti Smanjenja Tlaka u Kondenzatoru

Ukupan neto efekt je više pozitivan, jer je povećanje potrebe za toplinskim unosom u kotao marginalno, ali povećanje neto izlaznog rada je veće zbog smanjenja tlaka u kondenzatoru. Također, frakcija suhosti para u kasnijim fazama turbine ne smije pasti ispod 10-12%.

Supertopljenje Para na Višu Temperaturu

Supertopljenje para je fenomen u kojem se toplina prenosi paru kako bi se supertopljenjem para na višu temperaturu održavao konstantan tlak u kotlu.

Bojanata površina na gornjem T-s dijagramu jasno pokazuje povećanje neto rada (3-3’-4’-4) zbog povećanja temperature supertopljenja para.

Dodatni toplinski unos u obliku energije napušta ciklus kao rad, tj. povećanje izlaznog rada prevazilazi dodatni toplinski unos i odbacivanje topline. Toplinski učink Rankine ciklusa povećava se zbog povećanja temperature para.

Pozitivni Efekti Povećanja Temperature Para

Jedan željeni efekt povećanja temperature para jest da ne dopušta povećanje procenta vlage u posljednjoj fazi. Ovaj efekt lako se može vidjeti na T-s dijagramu (Figura:2) gore.

Negativni Efekti Povećanja Temperature Para

Povećanje temperature para rezultira malim povećanjem toplinskog unosa. Postoji ograničenje do koje se par može supertopliti i koristiti u proizvodnom ciklusu. Ova ograničenja su povezana s metalurškim sposobnostima na visokoj temperaturi i ekonomskom isplativosti.

Trenutno, u superkritičnim jedinicama za proizvodnju energije, temperatura para na ulazu u turbinu iznosi oko 620°C. Odluka o daljnjem povećanju temperature para može se pažljivo donijeti tek nakon provedbe metalurške analize i procjene troškova.

Neto Efekti Povećanja Temperature Para

Iz T-s dijagrama (Figura:2) neto efekt povećanja temperature je više pozitivan, jer dobit od neto izlaznog rada prevazilazi povećanje toplinskog unosa i malo povećanje odbacivanja topline. Stoga je uvijek korisno povećati temperaturu para nakon procjene pouzdanosti i ekonomske isplativosti.

Povećanje Tlaka u Kotlu s Podkritičkim Parametrima

Alternativni način povećanja učinka Rankine ciklusa jest povećanjem radnog tlaka u kotlu, a time i na način povezan s temperaturom pri kojoj se voda vri u kotlu. Stoga se povećava toplinski učink ciklusa.
Pomoću T-s dijagrama može se jasno vidjeti i razumjeti utjecaj povećanja tlaka u kotlu na performanse ciklusa.

Zbog povećanja tlaka u kotlu, Rankine ciklus se pomakne malo lijevo, kao što je prikazano na Figuri:3 na T-s dijagramu, i stoga se može zaključiti sljedeće:

• Značajno povećanje neto rada, kao što je prikazano na roze bojanatoj površini gornje figure.

• Kako se ciklus pomakne malo lijevo, smanjuje se neto rad tijekom ekspanzije para u turbinu. (kao što je prikazano na gornjoj figuri:3, bojanato sivo).

• Smanjenje odbacivanja topline u hladnu vodu u kondenzatoru.

Stoga je neto efekt značajno povećanje toplinskog učinka ciklusa zbog ovih mjera.

Povećanje Tlaka u Kotlu s Superkritičkim Parametrima

Radi povećanja toplinskog učinka Rankine ciklusa, u trenutno korištenim parnim generatorima koristi se superkritički tlak. Kada parni generatori rade iznad 22.06Mpa, oni se nazivaju superkritičkim parnim generatorima, a postroj je nazvan superkritičnom jedinicom za proizvodnju energije. Zbog viših radnih tlakova, ove postroje su poznate po većem učinku.

Ponovno Zagrijavanje Rankine Ciklusa

Ciklus ponovnog zagrijavanja Rankine koristi se kako bi se iskoristila prednost većeg učinka ciklusa na višem tlaku u kotlu, bez kompromisa na sadržaju vlage para u posljednjim fazama turbine.

Viši učink ciklusa moguć je s ciklusom ponovnog zagrijavanja, a to bez kompromisa na frakciji suhosti, što je moguće ekspanzijom para u turbinu u dvije faze s