Техніки підвищення ефективності циклу Ренкіна

Парові електростанції все ще є основою загального генерування електроенергії в Азійсько-Тихоокеанському регіоні. Таким чином, навіть невелике покращення у вигляді збільшення ефективності має величезний вплив на економію палива та також на зменшення викидів парникових газів.

Тому не варто пропускати жодну можливість знайти способи та засоби для збільшення ефективності парового циклу.

Ідея будь-яких вдосконалень або модифікацій полягає в збільшенні термічної ефективності електростанції. Тому техніки покращення термічної ефективності такі:

• Зменшення середньої температури, при якій тепло відводиться від робочого рідини (пару) в конденсаторі. (Зниження тиску в конденсаторі)

• Збільшення температури пару, який входить до турбіни

Зниження тиску в конденсаторі

Пар залишає турбіну і входить до конденсатора як насичена суміш відповідно до відповідного тиску пару в конденсаторі. Зниження тиску в конденсаторі завжди допомагає отримувати більше корисної роботи в турбіні, оскільки стає можливим більше розширення пару в турбіні.

За допомогою T-s діаграми можна побачити та зрозуміти вплив зниження тиску в конденсаторі на продуктивність циклу.

Позитивні ефекти зниження тиску в конденсаторі

Для отримання переваги від вищої ефективності, цикл Ренкіна повинен працювати при нижчому тиску в конденсаторі, зазвичай нижче атмосферного. Але межа для нижчого тиску в конденсаторі визначається температурою охолоджувальної води, яка відповідає насиченому тиску в даному регіоні.

На вищезазначеній T-s діаграмі можна легко побачити, що кольорована область є збільшенням корисної роботи на рахунок зниження тиску в конденсаторі з P4 до P4’.

Негативні ефекти зниження тиску в конденсаторі

Ефект зниження тиску в конденсаторі не проходить без побічних ефектів. Отже, наступні є небажаними ефектами зниження тиску в конденсаторі:

• Додатковий тепловий внесок в котел через зниження температури рециркуляції конденсату (вплив нижчого тиску в конденсаторі)

• З нижчим тиском в конденсаторі збільшується можливість збільшення вологості пару на фінальному етапі розширення в турбіні. Зменшення частки сухості пару на пізніших етапах турбіни небажане, оскільки це призводить до незначного зменшення ефективності та зносу лопаток турбіни.

Сумарні ефекти зниження тиску в конденсаторі

Загальний сумарний ефект більш позитивний, оскільки збільшення потреби в тепловому внеску в котел є незначним, але збільшення корисної роботи значне через зниження тиску в конденсаторі. Також частка сухості пару на пізніших етапах турбіни не дозволяється опускатися нижче 10-12%.

Перегрівання пару до вищої температури

Перегрівання пару - це явище, при якому тепло передається пару, щоб перегріти його до вищої температури, зберігаючи постійний тиск в котлі.

Кольорована область на вищезазначеній T-s діаграмі ясно показує збільшення корисної роботи (3-3’-4’-4) через збільшення температури перегріту пару.

Додатковий тепловий внесок у вигляді енергії, залишає цикл як робота, тобто збільшення виходу роботи перевищує додатковий тепловий внесок та відведення тепла. Термічна ефективність циклу Ренкіна збільшується через збільшення температури пару.

Позитивні ефекти збільшення температури пару

Один з бажаних ефектів збільшення температури пару полягає в тому, що він не дозволяє збільшувати вологість пару на останніх етапах. Цей ефект можна легко побачити на T-s діаграмі (Рис. 2) вище.

Негативні ефекти збільшення температури пару

Збільшення температури пару призводить до невеликого збільшення теплового внеску. Є межа, до якої пар можна перегріти та використовувати в енергетичному циклі. Ці обмежуючі фактори пов'язані з металургічною стійкістю при високих температурах та економічною вигідністю.

На даний час в надкритичних енергетичних блоках, температура пару на вході в турбіну становить приблизно 620°C. Рішення про подальше збільшення температури пару можна прийняти лише після проведення металургічної перевірки та оцінки вартості.

Сумарні ефекти збільшення температури пару

З T-s діаграми (Рис. 2) видно, що сумарний ефект збільшення температури більше спрямований на позитивну сторону, оскільки виграш від корисної роботи перевищує збільшення теплового внеску та незначне збільшення відведення тепла. Тому завжди вигідно збільшувати температуру пару, враховуючи надійність та економічну вигідність.

Збільшення тиску в котлі при підкритичних параметрах

Альтернативний спосіб збільшення ефективності циклу Ренкіна полягає в збільшенні робочого тиску в котлі, а таким чином, пов'язаний з температурою, при якій відбувається кипіння в котлі. Таким чином, термічна ефективність циклу збільшується.
За допомогою T-s діаграми можна ясно побачити та зрозуміти вплив збільшення тиску в котлі на продуктивність циклу.

У результаті збільшення тиску в котлі, цикл Ренкіна трохи зсувається вліво, як показано на Рис. 3 на T-s діаграмі, і з цього можна зробити такі висновки:

• Значне збільшення корисної роботи, як показано в розфарбованій області рожевого кольору на вищезазначеному рисунку.

• Оскільки цикл трохи зсувається вліво, то зменшується корисна робота під час розширення пару в турбіні. (як показано на вищезазначеному рис. 3, розфарбоване в сірий колір).

• Зменшення відведення тепла до охолоджувальної води в конденсаторі.

Таким чином, сумарний ефект полягає в значному збільшенні термічної ефективності циклу завдяки цим заходам.

Збільшення тиску в котлі при надкритичних параметрах

Для збільшення термічної ефективності циклу Ренкіна, в сучасних парогенераторах використовується надкритичний тиск. Коли парогенератори працюють при тиску понад 22,06 МПа, то такі парогенератори називаються надкрит