Effektivitetsforbedringsteknikker for Rankine-syklus
Dampkraftverk er fortsatt rygraden i total strømproduksjon i Asia Pacific. Så selv en liten forbedring i form av økt effektivitet har et enormt innvirkning på drivstoffbesparelse og også reduksjon i utslipp av drivhusgasser.
Derfor bør man ikke misse noen mulighet til å finne ut metoder for å øke effektiviteten i dampkraftsyklusen.
Tanken bak alle forbedringer eller modifikasjoner er å øke termisk effektivitet i kraftverket. Dermed er teknikkene for forbedring av termisk effektivitet:
Ved å senke gjennomsnittstemperaturen ved hvilken varme forkastes fra arbeidsmediumet (damp) i kondensatoren. (Senking av kondensatortrykk)
Ved å øke damptemperaturen som går inn i turbinen
Senking av Kondensatortrykk
Damp forlater turbinen og går inn i kondensatoren som en saturert blanding i samsvar med det tilsvarende trykket på damp i kondensatoren. Senking av kondensator-trykket hjelper alltid med å levere mer nettoverskudd i turbinen, da mer ekspansjon av damp i turbinen er mulig.
Med hjelp av T-s-diagrammet kan effekten av senking av kondensatortrykk på syklusens ytelse ses og forstås.
Positive Effekter av Senking av Kondensatortrykk
For å utnytte fordelen av høyere effektivitet, må Rankine-syklusen operere med lavere kondensatortrykk, vanligvis under atmosfæriske. Men grensen for lavt kondensatortrykk defineres av kjølevannstemperaturen som svarer til saturasjonstrykket i området.
I T-s-diagrammet over kan det lett sees at den fargede området representerer økningen i nettoverskudd på grunn av senking av kondensatortrykket fra P4 til P4’.
Negative Effekter av Senking av Kondensatortrykk
Effekten av senking av kondensatortrykk kommer ikke uten noen bieffekter. Følgende er de ugunstige effektene av senking av kondensatortrykk:
Tilleggsvarmeinnsetting i pannen på grunn av redusert kondensat gjenomstrømnings temperatur (effekt av lavere kondensatortrykk)
Med lavere kondensatortrykk øker muligheten for økt fuktinnhold i damp i den endelige ekspansjonsfasen av turbinen. Reduksjon i torrfaktor for damp i senere stadier av turbinen er uønsket, da det fører til en liten reduksjon i effektivitet og erosjon av turbinblader.
Nettoeffekter av Senking av Kondensatortrykk
Den totale nettoeffekten er mer positiv, siden økningen i varmeinnsetting i pannen er marginal, men økningen i nettoverskudd er større på grunn av senking av kondensator-trykk. I tillegg tillates ikke torrfaktoren for damp i de siste stadiene av turbinen å synke under 10-12%.
Overoppvarming av Damp til Høyere Temperatur
Overoppvarming av damp er fenomenet der varme overføres til damp for å overoppvarme dampen til høyere temperatur ved å opprettholde konstant trykk i pannen.
Det fargede området i T-s-diagrammet ovenfor viser tydelig økningen i nettoverskudd (3-3’-4’-4) som følge av økning i overoppvarmet damptemperatur.
Tilleggsvarmeinnsetting i form av energi forlater syklusen som arbeid, dvs. økningen i arbeidsutbytte overstiger den tilleggsvarmeinnsettingen og varmeavledningen. Termisk effektivitet i Rankine-syklusen øker som følge av økning i damptemperatur.
Positive Effekter av Økning i Damptemperatur
En ønskelig effekt av økning i damptemperatur er at den unngår at fuktprosenten i den siste fasen av dampen øker. Denne effekten kan lett sees i T-s-diagrammet (Figur:2) ovenfor.
Negative Effekter av Økning i Damptemperatur
Økning i damptemperatur resulterer i en liten økning i varmeinnsetting. Det er en grense for hvor mye damp kan overoppvarmes og brukes i strømsyklusen. Disse begrensningene er relatert til metallurgiske egenskaper ved høye temperaturer og økonomisk lønnsomhet.
Nåværende i superkritiske kraftgenererende enheter er damptemperatur ved turbininngang rundt 620oC. Beslutning om videre økning i damptemperatur kan kun tas etterferdig etter gjennomgang av metallurgiske aspekter og vurdering av kostnadseffekter.
Nettoeffekter av Økning i Damptemperatur
Fra T-s-diagrammet (Figur:2) er den nettoeffekten av temperaturøkning mer positiv, fordi gevinster fra nettoverskuddet overstiger økningen i varmeinnsetting og en liten økning i varmeavledning. Det er alltid fordelaktig å øke damptemperatur etter vurdering av pålitelighet og økonomisk lønnsomhet.
Øking av Pannetrykk med Subkritiske Parametre
Alternativ måte å øke Rankine-sykluseffektiviteten er ved å øke pannens driftstrykk, og dermed knyttet til temperaturen ved hvilken kokting foregår i pannen. Dermed øker termisk effektivitet i syklusen.
Ved hjelp av T-s-diagrammet kan effekten av økning i pannetrykk på syklusens ytelse klart sees og forstås.
Pga. økning i pannetrykk, skifter Rankine-syklusen litt mot venstre som vist i Figur:3 på T-s-diagrammet, og følgende kan konkluderes fra det:
Betydelig økning i nettoverskudd, som vist i det rosa fargede området i figuren over.
Da syklusen flytter seg litt mot venstre, blir det en reduksjon i nettoverskudd under ekspansjon av damp i turbinen. (som vist i figur:3 markert med grått farge.)
Reduksjon i varmeavledning til kjølevannet i kondensatoren.
Dermed er den nettoeffekten en betydelig økning i termisk effektivitet i syklusen som følge av disse tiltakene.
Øking av Pannetrykk med Superkritiske Parametre
For å øke termisk effektivitet i Rankine-syklusen, brukes superkritisk trykk i dampgeneratorer som brukes i dag. Når dampgeneratorer opererer over 22.06Mpa, kalles de superkritiske dampgeneratorer, og anlegget kalles superkritisk kraftgenererende anlegg. På grunn av de høyere driftstrykkene er disse anleggene kjent for å gi høyere effektiviteter.
Omoppvarming av Rankine-syklus
Omoppvarming av Rankine-syklus er for å utnytte økt sykluseffektivitet ved høyere pannetrykk uten å kompromissere på fuktinnholdet i de siste fasene av turbinen.
Høyere sykluseffektivitet er mulig med omoppvarmingscyklus, og dette uten å kompromissere på torrfaktor, noe som er mulig ved å ekspandere dampen i turbinen i to faser ved omoppvarming mellom. Omoppvarming er en praktisk godkjent måte å håndtere problemet med for mye fukt i de siste fasene av turbinen.
