Tehnike poboljšanja efikasnosti Rankineovog ciklusa

Parne elektrane su i dalje osnovna snaga ukupne proizvodnje struje u Aziji i Pacifiku. Stoga čak i mala poboljšanja u obliku povećanja efikasnosti imaju ogroman uticaj na štednju goriva i smanjenje emisija stakleničkih plinova.

Stoga ne bi trebalo propustiti nijednu priliku da se pronađu načini i sredstva za povećanje efikasnosti parnog ciklusa.

Ideja iza bilo kog poboljšanja ili modifikacije jeste da se poveća toplinska efikasnost elektrane. Stoga, tehnike za poboljšanje toplinske efikasnosti su:

• Smanjenjem prosečne temperature pri kojoj se toplina odbacuje iz radnog fluida (para) u kondenzatoru. (Smanjenje pritiska u kondenzatoru)

• Povećanjem temperature para koji ulazi u turbinu

Smanjenje pritiska u kondenzatoru

Par napušta turbinu i ulazi u kondenzator kao zasićeni mešavina u skladu sa odgovarajućim pritiskom para u kondenzatoru. Smanjenje pritiska u kondenzatoru uvek pomaže u isporuci više radne snage u turbinu, jer je moguće veće proširenje para u turbinu.

Sa pomoću T-s dijagrama, može se videti i razumeti uticaj smanjenja pritiska u kondenzatoru na performanse ciklusa.

Pozitivni efekti smanjenja pritiska u kondenzatoru

Da bi se iskoristila prednost veće efikasnosti, ciklus Rankine mora da radi na nižem pritisku u kondenzatoru, obično ispod atmosferskog. Međutim, granica za niži pritisak u kondenzatoru je definisana temperaturom hladne vode koja odgovara pritisku zasićenja u tom području.

Na gornjem T-s dijagramu se lako može videti da bojanata površina predstavlja povećanje neto izlaznog rada usled smanjenja pritiska u kondenzatoru od P4 do P4’.

Negativni efekti smanjenja pritiska u kondenzatoru

Efekat smanjenja pritiska u kondenzatoru ne dolazi bez sekundarnih efekata. Stoga, sledeći su negativni efekti smanjenja pritiska u kondenzatoru:

• Dodatni toplinski unos u kotao zbog smanjene temperature re-cirkulacije kondenzata (efekat nižeg pritiska u kondenzatoru)

• Sa nižim pritiskom u kondenzatoru, porasta mogućnost povećanja sadržaja vlage u paru u finalnoj fazi proširenja turbine. Smanjenje frakcije suhega para u kasnim fazama turbine je neželjeno, jer dovodi do blagog smanjenja efikasnosti i erozije ležajnih krilaca.

Neto efekti smanjenja pritiska u kondenzatoru

Ukupan neto efekat je pretežno pozitivan, jer je povećanje potrebe za toplinskim unosom u kotao marginalno, ali povećanje neto izlaznog rada je veće zbog smanjenja pritiska u kondenzatoru. Takođe, frakcija suheg para u kasnim fazama turbine ne smije pasti ispod 10-12%.

Supernagrevanje para na višu temperaturu

Supernagrevanje para jeste fenomen u kome se toplina prenosi paru kako bi se supernagrejao na višu temperaturu uz održavanje konstantnog pritiska u kotlu.

Bojanata površina na gornjem T-s dijagramu jasno pokazuje povećanje neto rada (3-3’-4’-4) zbog povećanja temperature supernagrevenog para.

Dodatni toplinski unos u obliku energije, napušta ciklus kao rad, tj. povećanje izlaznog rada prevazilazi dodatni toplinski unos i odbacivanje topline. Toplinska efikasnost ciklusa Rankine se povećava zbog povećanja temperature para.

Pozitivni efekti povećanja temperature para

Jedan željeni efekat povećanja temperature para jeste da ne dopušta da postotak vlage u posljednjoj fazi para poraste. Ovaj efekat se lako može videti na T-s dijagramu (Figura:2) iznad.

Negativni efekti povećanja temperature para

Povećanje temperature para rezultira malim povećanjem toplinskog unosa. Postoji ograničenje do koje se par može supernagreti i koristiti u ciklusu proizvodnje. Ova ograničenja su povezana s metalurškom pouzdanošću na visokim temperaturama i ekonomskom održivosti.

Trenutno, u superkritičnim jedinicama za proizvodnju struje, temperatura para na ulazu u turbinu je oko 620°C. Odluka o daljem povećanju temperature para može biti doneta samo nakon provedene metalurške due diligence i procene troškova.

Neto efekti povećanja temperature para

Iz T-s dijagrama (Figura:2) neto efekat povećanja temperature je pretežno pozitivan, jer dobit od povećanja izlaznog rada prevazilazi povećanje toplinskog unosa i blago povećanje odbacivanja topline. Stoga je uvek korisno povećati temperaturu para nakon ocene pouzdanošću i ekonomskog održivosti.

Povećanje pritiska u kotlu sa subkritičkim parametrima

Alternativan način povećanja efikasnosti ciklusa Rankine jeste povećanjem operativnog pritiska u kotlu, time povezujući temperaturu koja se javlja tokom ključenja u kotlu. Time se povećava toplinska efikasnost ciklusa.
Pomoću T-s dijagrama se može jasno videti i razumeti uticaj povećanja pritiska u kotlu na performanse ciklusa.

Zbog povećanja pritiska u kotlu, ciklus Rankine se malo pomeri ka levoj strani, kao što je prikazano na Figuri:3 na T-s dijagramu, i stoga se može zaključiti sljedeće:

• Značajno povećanje neto rada, kao što je prikazano u roze boji na gornjoj slici.

• Kako se ciklus malo pomeri ka levoj strani, smanjuje se neto rad tijekom proširenja para u turbinu. (kao što je prikazano na gornjoj figuri:3 u sivoj boji.

• Smanjenje odbacivanja topline u hladnu vodu u kondenzatoru.

Stoga je neto efekat značajno povećanje toplinske efikasnosti ciklusa zbog ovih mjera.

Povećanje pritiska u kotlu sa superkritičkim parametrima

Radi povećanja toplinske efikasnosti ciklusa Rankine, u parnim generatorima koji se koriste danas koristi superkritički pritisak. Kada parni generatori rade iznad 22.06Mpa, oni se nazivaju superkritičkim parnim generatorima, a elektrana se naziva superkritičnom elektranom. Zbog viših operativnih pritiska, ove elektrane su poznate po tome što daju veću efikasnost.

Ciklus Rankine sa ponovnim zagrijavanjem

Ciklus Rankine sa ponovnim zagrijavanjem koristi se kako bi se iskoristila prednost veće efikasnosti ciklusa na višem pritisku u kotlu, bez kompromisa na sadržaju vlage u paru u posljednjim fazama turbine.