Техники повышения эффективности цикла Ренкина

Паровые электростанции остаются основой общей генерации электроэнергии в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Таким образом, даже небольшое улучшение в виде повышения эффективности оказывает огромное влияние на экономию топлива и также снижение выбросов парниковых газов.

Поэтому не следует упускать ни одной возможности найти способы и средства для увеличения эффективности парового цикла.

Идея любого улучшения или модификации заключается в увеличении тепловой эффективности электростанции. Таким образом, техники улучшения тепловой эффективности следующие:

• Уменьшая среднюю температуру, при которой тепло отводится от рабочего тела (пара) в конденсаторе. (Снижение давления в конденсаторе)

• Повышая температуру пара, входящего в турбину

Снижение давления в конденсаторе

Пар покидает турбину и входит в конденсатор в виде насыщенной смеси, соответствующей давлению пара в конденсаторе. Снижение давления в конденсаторе всегда способствует увеличению полезной работы в турбине, так как возможна большая степень расширения пара в турбине.

С помощью диаграммы T-s можно увидеть и понять влияние снижения давления в конденсаторе на производительность цикла.

Положительные эффекты снижения давления в конденсаторе

Для получения преимущества от более высокой эффективности, цикл Ренкина должен работать при давлении в конденсаторе ниже атмосферного. Однако предел снижения давления в конденсаторе определяется температурой охлаждающей воды, соответствующей давлению насыщения в данной области.

На приведенной выше диаграмме T-s можно легко увидеть, что цветная область представляет собой увеличение полезной работы за счет снижения давления в конденсаторе с P4 до P4’.

Отрицательные эффекты снижения давления в конденсаторе

Эффект снижения давления в конденсаторе не проходит без побочных эффектов. Поэтому следующие являются нежелательными эффектами снижения давления в конденсаторе:

• Дополнительный тепловой ввод в котел из-за снижения температуры рециркуляции конденсата (эффект снижения давления в конденсаторе)

• При снижении давления в конденсаторе увеличивается вероятность увеличения содержания влаги в паре на последней стадии расширения в турбине. Уменьшение доли сухости пара на поздних стадиях турбины нежелательно, так как это приводит к небольшому уменьшению эффективности и эрозии лопаток турбины.

Общий эффект снижения давления в конденсаторе

В целом, общий эффект больше положительный, поскольку увеличение потребности в тепловом вводе в котле является незначительным, но увеличение полезной работы за счет снижения давления в конденсаторе больше. Также доля сухости пара на поздних стадиях турбины не должна снижаться ниже 10-12%.

Перегрев пара до более высокой температуры

Перегрев пара - это явление, при котором тепло передается пару для его перегрева до более высокой температуры при постоянном давлении в котле.

Заштрихованная область на приведенной выше диаграмме T-s четко показывает увеличение полезной работы (3-3’-4’-4) за счет увеличения температуры перегрева пара.

Дополнительный тепловой ввод в виде энергии покидает цикл в виде работы, то есть увеличение выхода работы превышает дополнительный тепловой ввод и отведение тепла. Тепловая эффективность цикла Ренкина увеличивается за счет увеличения температуры пара.

Положительные эффекты увеличения температуры пара

Одним из желательных эффектов увеличения температуры пара является то, что он не позволяет проценту влажности пара на последней стадии увеличиваться. Этот эффект можно легко увидеть на диаграмме T-s (Рис. 2) выше.

Отрицательные эффекты увеличения температуры пара

Увеличение температуры пара приводит к небольшому увеличению теплового ввода. Существует предел, до которого пар можно перегревать и использовать в цикле. Эти ограничивающие факторы связаны с металлургической прочностью при высоких температурах и экономической целесообразностью.

В настоящее время в сверхкритических энергетических установках температура пара на входе в турбину составляет около 620oC. Решение о дальнейшем увеличении температуры пара может быть принято только после проведения металлургического анализа и оценки экономических последствий.

Общий эффект увеличения температуры пара

Из диаграммы T-s (Рис. 2) видно, что общий эффект увеличения температуры больше положительный, так как выигрыш от увеличения полезной работы превышает увеличение теплового ввода и небольшое увеличение отведения тепла. Поэтому всегда выгодно увеличивать температуру пара после оценки надежности и экономической целесообразности.

Увеличение давления в котле с параметрами, ниже критических

Альтернативным способом увеличения эффективности цикла Ренкина является увеличение рабочего давления котла, что, в свою очередь, связано с температурой, при которой происходит кипение в котле. Таким образом, тепловая эффективность цикла увеличивается.
С помощью диаграммы T-s можно четко увидеть и понять влияние увеличения давления в котле на производительность цикла.

Из-за увеличения давления в котле, цикл Ренкина немного смещается влево, как показано на рис. 3 на диаграмме T-s, и из этого можно сделать следующие выводы:

• Значительное увеличение полезной работы, как показано в розовой заштрихованной области на приведенном выше рисунке.

• Так как цикл немного смещается влево, наблюдается уменьшение полезной работы при расширении пара в турбине. (как показано на рис. 3, заштриховано серым цветом).

• Снижение отведения тепла к охлаждающей воде в конденсаторе.

Таким образом, общий эффект - значительное увеличение термической эффективности цикла благодаря этим мерам.

Увеличение давления в котле с параметрами, выше критических

Для увеличения термической эффективности цикла Ренкина в современных парогенераторах используется сверхкритическое давление. Когда парогенераторы работают при давлении выше 22,06 МПа, они называются сверхкритическими парогенераторами, а станция - сверхкритической электростанцией. Благодаря более высоким рабочим давлениям эти станции известны своей высокой эффективностью.

Цикл Ренкина с перегревом

Цикл Ренкина с перегревом предназначен для использования преимущества увеличения эффективности цикла при более высоком давлении в котле, не допуская компромиссов по содержанию влаги в паре на последних стадиях турбины.

Более высокая эффективность цикла возможна с циклом перегрева, причем без компромиссов по доле сухости, это возможно путем расширения пара в турбине в два этапа с перегревом между ними. Перегрев - это практически приемлемый способ решения проблемы избыточной влажности на последних стадиях турбины.