Tecniche di miglioramento dell'efficienza del ciclo Rankine
Le centrali termoelettriche a vapore sono ancora il pilastro della produzione totale di energia elettrica nell'Asia Pacifico. Pertanto, anche un piccolo miglioramento sotto forma di aumento dell'efficienza ha un effetto enorme sul risparmio di carburante e anche sulla riduzione delle emissioni di gas serra.
Pertanto, non si dovrebbe perdere l'opportunità di trovare modi e mezzi per aumentare l'efficienza del ciclo a vapore.
L'idea dietro qualsiasi miglioramento o modifica è quella di aumentare l'efficienza termica della centrale elettrica. Pertanto, le tecniche di miglioramento dell'efficienza termica sono:
Aumentando la temperatura media alla quale il calore viene rifiutato dal fluido di lavoro (vapore) nel condensatore. (Abbassando la pressione del condensatore)
Aumentando la temperatura del vapore che entra nella turbina
Abbassamento della Pressione del Condensatore
Il vapore lascia la turbina ed entra nel condensatore come una miscela saturata in linea con la corrispondente pressione del vapore nel condensatore. Abbassare la pressione del condensatore aiuta sempre a fornire più lavoro netto nella turbina, poiché è possibile un maggiore espansione del vapore nella turbina.
Con l'aiuto del diagramma T-s, l'effetto dell'abbassamento della pressione del condensatore sulle prestazioni del ciclo può essere visto e compreso.
Efetti Positivi dell'Abbassamento della Pressione del Condensatore
Per sfruttare il vantaggio di un'efficienza superiore, il ciclo Rankine deve operare a una pressione del condensatore generalmente inferiore a quella atmosferica. Ma il limite per la pressione del condensatore inferiore è definito dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento corrispondente alla pressione di saturazione dell'area.
Nel diagramma T-s sopra menzionato, si può facilmente vedere che l'area colorata rappresenta l'aumento del lavoro netto in uscita a causa dell'abbassamento della pressione del condensatore da P4 a P4’.
Efetti Negativi dell'Abbassamento della Pressione del Condensatore
L'effetto dell'abbassamento della pressione del condensatore non viene senza alcun effetto collaterale. Pertanto, i seguenti sono gli effetti negativi dell'abbassamento della pressione del condensatore:
Input di calore aggiuntivo nel caldaia a causa della diminuzione della temperatura di ricircolo del condensato (effetto della pressione del condensatore inferiore)
Con una pressione del condensatore inferiore, aumenta la possibilità di incremento del contenuto di umidità nel vapore nella fase finale di espansione della turbina. La diminuzione della frazione di secchezza del vapore nelle fasi finali della turbina è indesiderabile poiché comporta una leggera diminuzione dell'efficienza e l'erosione delle pale della turbina.
Efetti Netti dell'Abbassamento della Pressione del Condensatore
L'effetto netto complessivo è più positivo, poiché l'aumento del fabbisogno di calore nella caldaia è marginale, ma l'aumento del lavoro netto in uscita è maggiore a causa della diminuzione della pressione del condensatore. Inoltre, la frazione di secchezza del vapore nelle fasi finali della turbina non è consentita di scendere oltre il 10-12%.
Sovrarriscaldamento del Vapore a Temperatura Superiore
Il sovrarriscaldamento del vapore è il fenomeno in cui il calore viene trasferito al vapore per sovrarriscaldarlo a temperature superiori mantenendo costante la pressione nella caldaia.
L'area ombreggiata nel diagramma T-s sopra mostra chiaramente l'aumento del lavoro netto (3-3’-4’-4) a causa dell'aumento della temperatura di sovrarriscaldamento del vapore.
L'input di calore aggiuntivo sotto forma di energia, lascia il ciclo come lavoro, cioè l'aumento del lavoro in uscita supera l'input di calore aggiuntivo e la dissipazione di calore. L'efficienza termica del ciclo Rankine aumenta a causa dell'aumento della temperatura del vapore.
Efetti Positivi dell'Aumento della Temperatura del Vapore
Un effetto desiderabile dell'aumento della temperatura del vapore è che non permette all'ultimo stadio di percentuale di umidità del vapore di aumentare. Questo effetto può essere facilmente visto nel diagramma T-s (Fig:2) sopra.
Efetti Negativi dell'Aumento della Temperatura del Vapore
L'aumento della temperatura del vapore comporta un piccolo aumento dell'input di calore. Esiste un limite entro il quale il vapore può essere sovrarriscaldato e utilizzato nel ciclo di potenza. Questi limiti sono legati alla resistenza metallurgica alle alte temperature e alla viabilità economica.
Attualmente, nelle unità di generazione di energia sovrapressurizzate, la temperatura del vapore all'ingresso della turbina è intorno ai 620°C. La decisione di ulteriori aumenti della temperatura del vapore può essere presa solo dopo aver eseguito la dovuta diligenza metallurgica e valutato le implicazioni sui costi.
Efetti Netti dell'Aumento della Temperatura del Vapore
Dal diagramma T-s (Fig:2), l'effetto netto dell'aumento della temperatura è più verso il lato positivo, perché il guadagno dal lavoro netto supera l'aumento dell'input di calore e la leggera aumento nella dissipazione di calore. Quindi, è sempre vantaggioso aumentare la temperatura del vapore dopo aver valutato la affidabilità e la viabilità economica.
Aumento della Pressione della Caldaia con Parametri Subcritici
Un modo alternativo per aumentare l'efficienza del ciclo Rankine è aumentare la pressione di funzionamento della caldaia e, in un certo senso, relazionarlo con la temperatura a cui avviene l'ebollizione nella caldaia. Pertanto, l'efficienza termica del ciclo aumenta.
Con l'aiuto del diagramma T-s, l'effetto dell'aumento della pressione della caldaia sulle prestazioni del ciclo può essere chiaramente visto e compreso.
A causa dell'aumento della pressione della caldaia, il ciclo Rankine si sposta leggermente verso sinistra come mostrato nella Fig:3 nel diagramma T-s e quindi si possono trarre le seguenti conclusioni:
Aumento sostanziale del lavoro netto, come mostrato nell'area ombreggiata di colore rosa nella figura sopra.
Poiché il ciclo si sposta leggermente verso sinistra, c'è una diminuzione del lavoro netto durante l'espansione del vapore nella turbina. (come mostrato nella fig:3 ombreggiata in grigio.
Riduzione della dissipazione di calore all'acqua di raffreddamento nel condensatore.
Pertanto, l'effetto netto è un aumento marcato dell'efficienza termica del ciclo a causa di queste misure.
Aumento della Pressione della Caldaia con Parametri Sovracritici
Per aumentare l'efficienza termica del ciclo Rankine, si utilizza la pressione sovracritica nei generatori di vapore attuali. Quando i generatori di vapore operano sopra i 22,06 MPa, questi generatori di vapore sono chiamati generatori di vapore sovracritici e la centrale è chiamata centrale di generazione di energia sovracritica. A causa delle elevate pressioni operative, queste centrali sono note per offrire maggiori efficienze.
Ciclo Rankine con Riscaldamento Intermedio
Ciclo Rankine con riscaldamento intermedio è per sfruttare il vantaggio di un'efficienza del ciclo superiore a pressioni più elevate della caldaia senza compromettere il contenuto di umidità del vapore nelle ultime fasi della turbina.
Un'efficienza del ciclo superiore è possibile con il ciclo di riscaldamento intermedio, anche senza compromettere la frazione di secchezza. Questo è possibile espandendo il vapore nella turbina in due fasi, riscaldandolo tra le due. Il riscaldamento intermedio è un modo praticamente accettabile per affrontare il problema di umidità eccessiva nelle ultime fasi della turbina.
