Techniki poprawy wydajności cyklu Rankine

Parowe elektrownie stanowią nadal podstawę całkowitej generacji energii elektrycznej w Azji i Pacyfiku. Dlatego nawet niewielkie poprawy w postaci zwiększenia wydajności mają ogromny wpływ na oszczędność paliwa oraz zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych.

Dlatego nie należy przegapić żadnej okazji, aby znaleźć sposoby i środki do zwiększenia wydajności parowego cyklu energetycznego.

Pomysł za każdą poprawą lub modyfikacją polega na zwiększeniu sprawności termicznej elektrowni. Dlatego techniki poprawy sprawności termicznej to:

• Poprzez obniżenie średniej temperatury, przy której ciepło jest odrzucane z płynu roboczego (pary) w kondensatorze. (Obniżanie ciśnienia w kondensatorze)

• Poprzez zwiększenie temperatury pary wejściowej do turbiny

Obniżanie ciśnienia w kondensatorze

Para opuszcza turbinę i wchodzi do kondensatora jako nasycana mieszanka zgodnie z odpowiednim ciśnieniem pary w kondensatorze. Obniżanie ciśnienia w kondensatorze zawsze pomaga w dostarczaniu większej pracy sieciowej w turbinie, ponieważ możliwe jest większe rozszerzenie pary w turbinie.

Z pomocą diagramu T-s można zobaczyć i zrozumieć wpływ obniżenia ciśnienia w kondensatorze na wydajność cyklu.

Pozitive efekty obniżania ciśnienia w kondensatorze

Aby skorzystać z korzyści wynikających ze wzrostu wydajności, cykl Rankine'a musi działać przy niższym ciśnieniu w kondensatorze, zwykle poniżej atmosferycznego. Ale granica dla niższego ciśnienia w kondensatorze jest określona przez temperaturę wody chłodzącej odpowiadającą ciśnieniu nasycenia obszaru.

Na powyższym diagramie T-s można łatwo zauważyć, że zakolorowany obszar to zwiększenie netto pracy wyjściowej na skutek obniżenia ciśnienia w kondensatorze od P4 do P4’.

Negative efekty obniżania ciśnienia w kondensatorze

Efekt obniżania ciśnienia w kondensatorze nie pojawia się bez żadnych skutków ubocznych. Oto negatywne skutki obniżania ciśnienia w kondensatorze:

• Dodatkowe wprowadzenie ciepła do kotła w wyniku obniżonej temperatury rekryrkulacji kondensatu (skutku niższego ciśnienia w kondensatorze)

• Przy niższym ciśnieniu w kondensatorze rośnie prawdopodobieństwo zwiększenia zawartości wilgoci w parze na końcowej etapie ekspansji turbiny. Spadek ułamka suchości pary w późniejszych etapach turbiny jest niepożądany, ponieważ prowadzi do lekkiego spadku wydajności i erozji łopatek turbiny.

Całkowity efekt obniżania ciśnienia w kondensatorze

Ogólny efekt jest bardziej pozytywny, ponieważ wzrost wymaganej ilości ciepła w kotłowni jest marginesowy, ale zwiększenie netto pracy wyjściowej jest większe dzięki obniżeniu ciśnienia w kondensatorze. Ponadto ułamek suchości pary w późniejszych etapach turbiny nie jest pozwalany spadać poniżej 10-12%.

Supergrezowanie pary do wyższej temperatury

Supergrezowanie pary to zjawisko, w którym ciepło jest przekazywane parze, aby supergrzać parę do wyższej temperatury, utrzymując stałe ciśnienie w kotłowni.

Zakolorowany obszar na powyższym diagramie T-s jasno pokazuje zwiększenie netto pracy (3-3’-4’-4) dzięki zwiększeniu temperatury supergrzania pary.

Dodatkowe wprowadzenie ciepła w formie energii, opuszcza cykl jako praca, tzn. zwiększenie wyjściowej pracy przewyższa dodatkowe wprowadzenie ciepła i jego odrzucenie. Sprawność termiczna cyklu Rankine'a zwiększa się dzięki zwiększeniu temperatury pary.

Pozitive efekty zwiększania temperatury pary

Jednym z pożądanych efektów zwiększania temperatury pary jest to, że nie pozwala ono na zwiększenie procentu wilgotności pary w ostatnim stopniu. Ten efekt można łatwo zobaczyć na diagramie T-s (Rys. 2) powyżej.

Negative efekty zwiększania temperatury pary

Zwiększenie temperatury pary powoduje niewielkie zwiększenie wprowadzanego ciepła. Istnieje limit, do którego para może być supergrzana i używana w cyklu energetycznym. Te ograniczające czynniki są związane z metalekturą i rentownością w wysokich temperaturach.

Obecnie w jednostkach generujących energię ponadkrityczną, temperatura pary na wejściu do turbiny wynosi około 620oC. Decyzja o dalszym zwiększeniu temperatury pary może być podejmowana tylko po wykonaniu odpowiedniej kontroli metalurgicznej i oceny kosztów.

Całkowity efekt zwiększania temperatury pary

Z diagramu T-s (Rys. 2) wynika, że całkowity efekt zwiększenia temperatury jest bardziej pozytywny, ponieważ zysk z wyjściowej pracy przewyższa zwiększenie wprowadzanego ciepła i lekkie zwiększenie odrzucanego ciepła. Zatem zawsze jest korzystne zwiększenie temperatury pary po ocenie niezawodności i rentowności.

Zwiększanie ciśnienia w kotłowni z parametrami podkritycznymi

Alternatywny sposób zwiększenia sprawności cyklu Rankine'a polega na zwiększeniu ciśnienia roboczego kotła, a tym samym w pewnym sensie związany jest z temperaturą, przy której następuje wrzenie w kotłowni. W ten sposób sprawność termiczna cyklu zwiększa się.
Z pomocą diagramu T-s można jasno zobaczyć i zrozumieć wpływ zwiększenia ciśnienia w kotłowni na wydajność cyklu.

W wyniku zwiększenia ciśnienia w kotłowni, cykl Rankine'a przesuwa się nieco w lewo, jak pokazano na Rys. 3 na diagramie T-s, i z tego można wyciągnąć następujące wnioski:

• Znaczne zwiększenie netto pracy, jak pokazano na zakolorowanym obszarze na powyższym rysunku.

• Ponieważ cykl przesuwa się nieco w lewo, następuje spadek netto pracy podczas ekspansji pary w turbinie. (jak pokazano na powyższym rys. 3 zakres szary).

• Redukcja odrzucania ciepła do wody chłodzącej w kondensatorze.

Wynikiem jest zauważalny wzrost sprawności termicznej cyklu dzięki tym działaniom.

Zwiększanie ciśnienia w kotłowni z parametrami nadkritycznymi

Aby zwiększyć sprawność termiczną cyklu Rankine'a, w obecnych generatorach pary stosuje się nadkrityczne ciśnienia. Gdy generatory pary działają powyżej 22,06 Mpa, nazywane są one nadkritycznymi generatorami pary, a elektrownia nazywana jest elektrownią z nadkrityczną generacją energii. Ze względu na wyższe ciśnienia robocze, te elektrownie znane są z wyższej sprawności.

Cykl Rankine'a z ponownym grzaniem

Cykl Rankine'a z ponownym grzaniem służy do zwiększenia sprawności cyklu przy wyższym ciśnieniu w kotłowni bez kompromisów w kwestii zawartości wilgoci pary w ostatnich stopniach turbiny.