Tekniker för förbättring av Rankinecykelns effektivitet

Ångkraftverk är fortfarande kärnan i den totala strömförsörjningen i Asien och Stillahavsområdet. Så även en liten förbättring genom att öka effektiviteten har en enorm inverkan på bränslebesparing och också minskning av utsläpp av växthusgaser.

Man bör därför inte missa någon möjlighet att hitta sätt och medel att öka effektiviteten hos ångkraftcykeln.

Idéen bakom alla förbättringar eller modifieringar är att öka den termiska effektiviteten hos kraftverket. Således är teknikerna för termisk effektivitetsförbättring:

• Genom att minska den genomsnittliga temperaturen vid vilken värme avges från arbetsmediet (ånga) i kondensatorn. (Sänkning av kondensatortryck)

• Genom att öka temperaturen på ångan som går in i turbinen

Sänkning Av Kondensatortrycket

Ånga lämnar turbinen och går in i kondensatorn som en mättad blandning i linje med motsvarande tryck på ånga i kondensatorn. Sänkning av kondensator-tryck hjälper alltid till att leverera mer nätarbete i turbinen eftersom större expansion av ånga i turbinen är möjlig.

Med hjälp av T-s-diagrammet kan effekten av sänkning av kondensatortryck på cyklens prestanda ses och förstås.

Positiva Effekter Av Sänkning Av Kondensatortryck

För att dra nytta av högre effektivitet måste Rankinecykeln fungera vid lägre kondensatortryck, vanligtvis under atmosfärstryck. Men gränsen för lägre kondensatortryck definieras av kylvatertemperaturen som motsvarar områdets mättnadstryck.

I ovanstående T-s-diagram kan det enkelt ses att den färgade ytan är ökningen av nettoarbete på grund av sänkning av kondensatortryck från P4 till P4’.

Negativa Effekter Av Sänkning Av Kondensatortryck

Effekten av sänkning av kondensatortryck kommer inte utan biverkningar. Följande är de negativa effekterna av sänkning av kondensatortryck:

• Ytterligare värmeinmatning i pannan p.g.a. sänkt återcirkulationstemperatur av kondensat (effekt av lägre kondensatortryck)

• Med lägre kondensatortryck ökar möjligheten till ökad fuktighetshalt i ånga i den sista expansionsstadiet av turbinen. Minskning av torrhetshalten i ånga i senare stadier av turbinen är oönskad eftersom det resulterar i en liten minskning av effektivitet och erosion av turbinblad.

Nettoeffekter Av Sänkning Av Kondensatortryck

Den övergripande nettoeffekten är mer positiv, eftersom ökningen av värmeinmatningskrav i pannan är marginal, men ökningen av nettowerk är större p.g.a. sänkt kondensator-tryck. Dessutom tillåts inte torrhetshalten i ånga i de senare stadierna av turbinen att sjunka under 10-12%.

Överhettning Av Ånga Till Högre Temperatur

Överhettning av ånga är fenomenet där värme överförs till ångan för att överheta ångan till en högre temperatur genom att bibehålla konstant tryck i pannan.

Den skuggade ytan i ovanstående T-s-diagram visar tydligt ökningen av nettowerk (3-3’-4’-4) p.g.a. ökad överhettningstemperatur av ånga.

Ytterligare värmeinmatning i form av energi lämnar cykeln som arbete, dvs. ökningen av arbetesutdata överträffar den ytterligare värmeinmatningen och värmeavläggningen. Den termiska effektiviteten hos Rankinecykeln ökar p.g.a. ökad ångtemperatur.

Positiva Effekter Av Ökning Av Ångtemperatur

En önskvärd effekt av ökning av ångtemperatur är att den inte tillåter fuktighetsprocenten i den sista stadiet av ånga att öka. Denna effekt kan enkelt ses i T-s-diagrammet (Fig:2) ovan.

Negativa Effekter Av Ökning Av Ångtemperatur

Ökning av ångtemperatur resulterar i en liten ökning av värmeinmatning. Det finns en gräns för hur mycket ånga kan överhettas och användas i kraftcykeln. Dessa begränsande faktorer är relaterade till metallurgiska bevis på höga temperaturer och ekonomisk lönsamhet.

Nuvarande superkritiska kraftgenereringsenheter har ångtemperatur vid turbininlopp runt 620oC. Beslut om eventuell ytterligare ökning av ångtemperatur kan endast riktigt tas efter att ha gjort metallurgiska due diligence och bedömt kostnadseffekter.

Nettoeffekter Av Ökning Av Ångtemperatur

Från T-s-diagrammet (Fig:2) är nettoeffekten av temperaturökningen mer positiv, eftersom vinster från nettowerk överträffar ökningen av värmeinmatning och en liten ökning av värmeavläggning. Det är alltid fördelaktigt att öka ångtemperaturen efter att ha utvärderat tillförlitlighet och ekonomisk lönsamhet.

Ökning Av Panntryck Med Subkritiska Parametrar

Ett alternativt sätt att öka Rankinecykelns effektivitet är genom att öka pannans driftstryck och på så sätt indirekt relaterat till temperaturen vid vilken kokning sker i pannan. På detta sätt ökar cykelns termiska effektivitet.
Genom T-s-diagram kan effekten av ökning av panntryck på cykelns prestanda tydligt ses och förstås.

På grund av ökningen av panntryck flyttar sig Rankinecykeln något åt vänster som visas i Fig:3 i T-s-diagrammet, och följande kan dras som slutsats från det:

• Betydande ökning av nettowerk, som visas i den rosa färgade ytan i figuren ovan.

• Eftersom cykeln flyttar sig något åt vänster, så minskar det nettowerket under expansion av ånga i turbinen. (som visas i ovanstående fig:3 markerad i grått färg.

• Minskning av värmeavläggning till kylvattnet i kondensatorn.

Dessutom är nettoeffekten en markant ökning av cykelns termiska effektivitet på grund av dessa åtgärder.

Ökning Av Panntryck Med Superkritiska Parametrar

För att öka den termiska effektiviteten hos Rankinecykeln används superkritiska tryck i ånggeneratorer som används numera. När ånggeneratorerna fungerar över 22.06Mpa kallas de superkritiska ånggeneratorer och anläggningen kallas superkritisk kraftproduktion. P.g.a. de högre drifttrycken är dessa anläggningar kända för att ge högre effektiviteter.

Återhettad Rankinecykel

Återhettad Rankinecykel är för att ta tillvara på ökad cykleffektivitet vid högre panntryck utan att kompromissa med fuktighetshalten i ånga i de sista stadierna av turbinen.

Högre cykleffektivitet är möjlig med återhettad cykel, och detta utan att kompromissa med torrhetshalten, vilket är möjligt genom att expandera ångan i turbinen i två steg genom återhettning emellan. Återhettning är ett praktiskt acceptabelt sätt att hantera problemet med för mycket fuktighet i de sista stadierna av turbinen.