Technieken voor verbetering van de efficiëntie van de Rankine-cyclus

Stoomkrachtcentrales vormen nog steeds de ruggengraat van de totale elektriciteitsproductie in Azië en de Stille Oceaan. Daarom heeft zelfs een kleine verbetering in de vorm van een efficiëntieverhoging een enorme invloed op brandstofbesparing en ook op de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen.

Daarom mag geen enkele kans worden gemist om manieren te vinden om de efficiëntie van de stoomkrachtcyclus te verhogen.

Het idee achter elke verbetering of aanpassing is om de thermische efficiëntie van de krachtcentrale te verhogen. De technieken voor het verbeteren van de thermische efficiëntie zijn:

• Door de gemiddelde temperatuur waarop warmte wordt afgestoten van het werkende medium (stoom) in de condensor te verlagen. (Verlaging van de condensordruk)

• Door de stoomtemperatuur die de turbine binnenkomt te verhogen

Verlaging van de Condensordruk

Stoom verlaat de turbine en gaat de condensor binnen als een verzadigd mengsel overeenkomstig de corresponderende druk van de stoom in de condensor. Het verlagen van de condensordruk helpt altijd bij het leveren van meer netto arbeid in de turbine, omdat er meer expansie van de stoom in de turbine mogelijk is.

Met behulp van de T-s-diagram kan het effect van het verlagen van de condensordruk op de prestaties van de cyclus worden gezien en begrepen.

Positieve Effecten van het Verlagen van de Condensordruk

Om het voordeel van een hogere efficiëntie te benutten, moet de Rankine-cyclus opereren met een lagere condensordruk, meestal onder atmosferisch. Maar de grens voor lagere condensordruk wordt bepaald door de koelwater temperatuur overeenkomstig de verzadigingsdruk van het gebied.

In het bovenstaande T-s-diagram kan duidelijk worden gezien dat de gekleurde oppervlakte de toename in netto arbeidsuitvoer is ten gevolge van het verlagen van de condensordruk van P4 naar P4’.

Negatieve Effecten van het Verlagen van de Condensordruk

Het effect van het verlagen van de condensordruk komt niet zonder neveneffecten. De volgende zijn de nadelige effecten van het verlagen van de condensordruk:

• Extra warmte-invoer in de ketel als gevolg van een verlaagde temperatuur van de gerecirculeerde condensaat (effect van lagere condensordruk)

• Bij lagere condensordruk neemt de mogelijkheid toe dat de vochtgehalte in de stoom in de laatste expansiestage van de turbine toeneemt. Een afname van de droogheidsfractie van de stoom in de latere stadia van de turbine is ongewenst, omdat dit resulteert in een lichte afname van de efficiëntie en erosie van de turbinebladen.

Netto Effecten van het Verlagen van de Condensordruk

Het algemene netto-effect is meer positief, omdat de toename in warmte-invoervereiste in de ketel marginaal is, maar de toename in netto arbeidsuitvoer groter is als gevolg van de vermindering van de condensordruk. Bovendien wordt de droogheidsfractie van de stoom in de latere stadia van de turbine niet toegestaan om onder 10-12% te dalen.

Superverhitting van Stoom tot Hogere Temperatuur

Superverhitting van stoom is het verschijnsel waarbij warmte wordt overgedragen aan de stoom om de stoom te superverhitten tot een hogere temperatuur terwijl de druk in de ketel constant wordt gehouden.

De gekleurde oppervlakte in het bovenstaande T-s-diagram toont duidelijk de toename in netto arbeid (3-3’-4’-4) als gevolg van de toename in de superverhitte temperatuur van de stoom.

Extra warmte-invoer in de vorm van energie verlaat de cyclus als arbeid, wat betekent dat de toename in arbeidsuitvoer de extra warmte-invoer en warmteafgifte overstijgt. De thermische efficiëntie van de Rankine-cyclus neemt toe als gevolg van de toename in stoomtemperatuur.

Positieve Effecten van het Verhogen van de Stoomtemperatuur

Een gewenst effect van het verhogen van de stoomtemperatuur is dat het niet toelaat dat de vochtpercentage in de laatste fase van de stoom toeneemt. Dit effect kan eenvoudig worden gezien in het T-s-diagram (Fig:2) hierboven.

Negatieve Effecten van het Verhogen van de Stoomtemperatuur

Het verhogen van de stoomtemperatuur resulteert in een kleine toename in warmte-invoer. Er is een limiet waartoe de stoom kan worden gesuperverhit en gebruikt in de krachtcyclus. Deze beperkende factoren hebben betrekking op metallurgische eigenschappen bij hoge temperaturen en economische haalbaarheid.

Momenteel bedraagt de stoomtemperatuur bij de turbine-ingang in superkritische elektriciteitsopwekkingsunits ongeveer 620oC. Elke verdere toename in de stoomtemperatuur kan alleen na zorgvuldige metallurgische evaluatie en beoordeling van de kosten implicaties worden genomen.

Netto Effecten van het Verhogen van de Stoomtemperatuur

Uit het T-s-diagram (Fig:2) blijkt dat het netto effect van de temperatuurstijging meer positief is, omdat de winst uit de netto arbeidsuitvoer de toename in warmte-invoer en lichte toename in warmteafgifte overtreft. Het is dus altijd voordelig om de stoomtemperatuur te verhogen na het evalueren van de betrouwbaarheid en economische haalbaarheid.

Verhoging van de Keteldruk met Subkritische Parameters

Een alternatieve manier om de efficiëntie van de Rankine-cyclus te verhogen, is door de werkdruk van de ketel te verhogen en daarmee op een bepaalde manier gerelateerd aan de temperatuur waarop het koken plaatsvindt in de ketel. Hierdoor neemt de thermische efficiëntie van de cyclus toe.
Met behulp van het T-s-diagram kan het effect van de verhoging van de keteldruk op de prestaties van de cyclus duidelijk worden gezien en begrepen.

Vanwege de verhoging van de keteldruk, verschuift de Rankine-cyclus iets naar links zoals weergegeven in Fig:3 op het T-s-diagram, en kunnen daaruit de volgende conclusies worden getrokken:

• Substantiële toename in netto-arbeid, zoals weergegeven in het roze gekleurde gebied van de bovenstaande figuur.

• Doordat de cyclus iets naar links verschuift, is er een afname in netto-arbeid tijdens de expansie van de stoom in de turbine. (Zoals weergegeven in bovenstaande fig:3, ingekleurd in grijs.

• Vermindering van de warmteafgifte aan het koelwater in de condensor.

Dus het netto-effect is een merkbare toename in de thermische efficiëntie van de cyclus als gevolg van deze maatregelen.

Verhoging van de Keteldruk met Superkritische Parameters

Om de thermische efficiëntie van de Rankine-cyclus te verhogen, wordt tegenwoordig superkritische druk gebruikt in stoomgeneratoren. Wanneer de stoomgeneratoren boven 22,06 Mpa opereren, worden deze stoomgeneratoren superkritische stoomgeneratoren genoemd en de installatie wordt een superkritische elektriciteitsopwekkingsinstallatie genoemd. Vanwege de hogere werkdrukken staan deze installaties bekend om hun hogere efficiëntie.

Her-verhittings Rankine-cyclus

Her-verhittings Rankine-cyclus is bedoeld om te profiteren van een verhoogde cycleficiëntie bij hogere keteldruk zonder in te boeten op de vochtgehalte van de stoom in de laatste fases van de turbine.

Een hogere cycleficiëntie is mogelijk met de her-verhittingscyclus, zonder in te boeten op de droogheidsfractie. Dit is mogelijk door de stoom in twee fasen in de turbine te laten expanderen, met tussendoor her-verhitting