Tehnike za izboljšanje učinkovitosti Rankinovega cikla

Parne elektrarne so še vedno glavna os podjetja za proizvodnjo energije v Aziji in Pacifiku. Torej celo majhno izboljšanje v obliki povečane učinkovitosti ima ogromen učinek na prihranek goriva in tudi zmanjšanje emisij toplogrednih plinov.

Zato ne bi smeli izgubiti nobene priložnosti, da bi odkrili načine in sredstva za povečanje učinkovitosti parnega cikla.

Ideja za katero koli izboljšavo ali spremembo je povečati toplinsko učinkovitost elektrarne. Torej so tehnike za izboljšanje toplinske učinkovitosti:

• S zniževanjem povprečne temperature, pri kateri se toplota odpoveduje iz delovnega tekočina (para) v kondenzatorju. (Zniževanje tlaka v kondenzatorju)

• S povečanjem temperature para, ki vstopa v turbinu

Zniževanje tlaka v kondenzatorju

Para zapusti turbinu in vstopi v kondenzator kot nasycena mešanica v skladu z odgovarjajočim tlakom para v kondenzatorju. Zniževanje tlaka v kondenzatorju pomaga pri večjem delovnem izhodu turbine, saj je možna večja raztezanje para v turbinu.

S pomočjo T-s diagrama lahko vidimo in razumemo učinke zniževanja tlaka v kondenzatorju na delovanje cikla.

Pozitivni učinki zniževanja tlaka v kondenzatorju

Za izkoriščanje prednosti višje učinkovitosti mora Rankine cikel delovati na nižjem tlaku v kondenzatorju, običajno pod atmosferskim. Vendar je meja za nižji tlak v kondenzatorju določena z temperaturo hladilne vode, ki ustreza nasičenemu tlaku v območju.

Na zgornjem T-s diagramu je jasno videti, da je pobarvano območje povečanje neto dela na račun zniževanja tlaka v kondenzatorju od P4 do P4’.

Negativni učinki zniževanja tlaka v kondenzatorju

Učinek zniževanja tlaka v kondenzatorju ne pride brez stranskih učinkov. Torej so naslednji negativni učinki zniževanja tlaka v kondenzatorju:

• Dodatni toplinski vhod v kotlo zaradi znižane temperature recirkulacije kondenzata (učinek nižjega tlaka v kondenzatorju)

• Pri nižjem tlaku v kondenzatorju se poveča možnost povečanja vlažnosti para v zadnji fazi razširjanja turbine. Zmanjšanje stopnje suhosti para v kasnejših fazah turbine je neželeno, ker to povzroča malenkostno zmanjšanje učinkovitosti in erozijo lepetov turbine.

Neto učinki zniževanja tlaka v kondenzatorju

Celoten neto učinek je bolj pozitiven, ker je povečanje zahtev po toplinskem vhodu v kotlo marginalno, vendar je povečanje neto dela večje zaradi znižanja tlaka v kondenzatorju. Tudi stopnja suhosti para v kasnejših fazah turbine ni dovoljena, da bi padla preko 10-12%.

Superzagrevanje para na višjo temperaturo

Superzagrevanje para je pojav, pri katerem se toplota prenaša paru, da ga superzagreje na višjo temperaturo, pri čemer se v kotlu ohranja konstanten tlak.

Pobarvano območje na zgornjem T-s diagramu jasno kaže povečanje neto dela (3-3’-4’-4) zaradi povečanja temperature superzagreva para.

Dodatni toplinski vhod v obliki energije zapusti cikel kot delo, torej povečanje izhoda dela presega dodatni toplinski vhod in odpoved toplote. Toplinska učinkovitost Rankine cikla se poveča zaradi povečanja temperature para.

Pozitivni učinki povečanja temperature para

Ena željena učinka povečanja temperature para je, da ne dopušča, da v zadnji fazi poveča % vlage para. Ta učinek je jasno videti na T-s diagramu (Slika:2) zgoraj.

Negativni učinki povečanja temperature para

Povečanje temperature para vodi v majhno povečanje toplinskog vhoda. Obstaja meja, do katere lahko para superzagreva in uporablja v proizvodnem ciklu. Te omejevalne faktorji so povezani z materialnimi lastnostmi pri visokih temperaturah in gospodarsko ustreznostjo.

Trenutno v nadkritičnih enotah za proizvodnjo energije je temperatura para pri vhodu v turbinu okoli 620°C. Odločitev o kakršnem koli dodatnem povečanju temperature para je mogoče sprejeti samo po tem, ko se izvede materialna preglednost in ocena stroškov.

Neto učinki povečanja temperature para

Iz T-s diagrama (Slika:2) je neto učinek povečanja temperature bolj pozitiven, ker je dobiček iz neto dela presega povečanje toplinskog vhoda in malenkostno povečanje odpovedi toplote. Zato je vedno koristno povečati temperaturo para po oceni zanesljivosti in ekonomske ustreznosti.

Povečanje tlaka v kotlu s podkritičnimi parametri

Alternativni način povečanja učinkovitosti Rankine cikla je z povečanjem delovnega tlaka v kotlu in tako povezano z temperaturo, pri kateri se varjenje dogaja v kotlu. Tako se poveča toplinska učinkovitost cikla.
S pomočjo T-s diagrama lahko jasno vidimo in razumemo učinke povečanja tlaka v kotlu na delovanje cikla.

Zaradi povečanja tlaka v kotlu se Rankine cikel malo premakne v levo, kot je prikazano na Sliki:3 na T-s diagramu, in iz tega lahko zaključimo naslednje:

• Značilno povečanje neto dela, kot je prikazano v rožnem obarvanem območju zgornje slike.

• Ker se cikel malo premakne v levo, zmanjša se neto delo med razširjanjem para v turbinu. (kot je prikazano na zgornji Sliki:3 v sivo obarvanem območju.

• Zmanjšanje odpovedi toplote v hladilno vodo v kondenzatorju.

Torej je neto učinek označen z značilnim povečanjem toplinske učinkovitosti cikla zaradi teh ukrepov.

Povečanje tlaka v kotlu z nadkritičnimi parametri

Za povečanje toplinske učinkovitosti Rankine cikla se v trenutku uporabljajo nadkritični tlaki v parogeneratorjih. Ko parogeneratorji delujejo nad 22,06 Mpa, se imenujejo nadkritični parogeneratorji, in elektrarna se imenuje nadkritična elektrarna. Zaradi višjih delovnih tlakov te elektrarne zagotavljajo višje učinkovitosti.

Rankine cikel z ponovnim zagrevanjem

Rankine cikel z ponovnim zagrevanjem je za izkoriščanje prednosti višje učinkovitosti cikla pri višjem tlaku v kotlu, brez kompromisa glede vlažnosti para v zadnjih fazah turbine.