Các kỹ thuật cải thiện hiệu suất chu kỳ Rankine

Nhà máy điện hơi nước vẫn là cốt lõi của tổng sản lượng điện ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương. Do đó, ngay cả một cải tiến nhỏ dưới dạng tăng hiệu suất cũng có tác động lớn đến tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính.

Do đó, không nên bỏ qua bất kỳ cơ hội nào để tìm cách tăng hiệu suất chu trình hơi nước.

Ý tưởng đằng sau bất kỳ cải tiến hay sửa đổi nào là tăng hiệu suất nhiệt của nhà máy điện. Do đó, các kỹ thuật cải thiện hiệu suất nhiệt là:

• Bằng cách giảm nhiệt độ trung bình mà nhiệt được loại bỏ từ chất làm việc (hơi nước) trong bộ ngưng tụ. (Giảm áp suất bộ ngưng)

• Bằng cách tăng nhiệt độ hơi nước vào tua-bin

Giảm Áp Suất Bộ Ngưng

Hơi nước rời khỏi tua-bin và đi vào bộ ngưng như một hỗn hợp bão hòa theo áp suất tương ứng của hơi nước trong bộ ngưng. Giảm áp suất bộ ngưng luôn giúp tăng công suất mạng lưới trong tua-bin vì sự mở rộng của hơi nước trong tua-bin là có thể.

Với sự giúp đỡ của biểu đồ T-s, hiệu quả của việc giảm áp suất bộ ngưng trên hiệu suất của chu trình có thể được nhìn thấy và hiểu rõ.

Các Tác Động Tích Cực Của Việc Giảm Áp Suất Bộ Ngưng

Để tận dụng lợi thế của hiệu suất cao hơn, chu trình Rankine phải hoạt động ở áp suất bộ ngưng thấp hơn, thường dưới áp suất khí quyển. Nhưng giới hạn cho áp suất bộ ngưng thấp hơn được xác định bởi nhiệt độ nước làm mát tương ứng với áp suất bão hòa của khu vực.

Trên biểu đồ T-s phía trên, có thể dễ dàng thấy rằng diện tích màu sắc là sự tăng công suất mạng lưới đầu ra do giảm áp suất bộ ngưng từ P4 đến P4’.

Các Tác Động Tiêu Cực Của Việc Giảm Áp Suất Bộ Ngưng

Hiệu ứng của việc giảm áp suất bộ ngưng không đến mà không có bất kỳ tác dụng phụ nào. Do đó, các tác động tiêu cực của việc giảm áp suất bộ ngưng là:

• Nhiệt bổ sung vào nồi hơi do giảm nhiệt độ tuần hoàn ngưng tụ (hiệu ứng của áp suất bộ ngưng thấp hơn)

• Với áp suất bộ ngưng thấp hơn, khả năng tăng hàm lượng hơi nước trong hơi tại giai đoạn cuối cùng của tua-bin tăng lên. Sự giảm tỷ lệ khô của hơi nước ở các giai đoạn sau của tua-bin là không mong muốn vì nó dẫn đến giảm nhẹ hiệu suất và mài mòn cánh tua-bin.

Tác Động Tổng Thể Của Việc Giảm Áp Suất Bộ Ngưng

Tác động tổng thể chủ yếu là tích cực, vì yêu cầu tăng nhiệt trong nồi hơi là nhỏ, nhưng tăng công suất mạng lưới đầu ra là nhiều do giảm áp suất bộ ngưng. Ngoài ra, tỷ lệ khô của hơi nước ở các giai đoạn sau của tua-bin không được phép giảm xuống dưới 10-12%.

Nhiệt Siêu Hơi Nước Đến Nhiệt Độ Cao Hơn

Nhiệt siêu hơi nước là hiện tượng truyền nhiệt đến hơi nước để siêu nhiệt hơi nước đến nhiệt độ cao hơn bằng cách duy trì áp suất không đổi trong nồi hơi.

Diện tích màu sắc trên biểu đồ T-s phía trên rõ ràng cho thấy sự tăng công suất mạng lưới (3-3’-4’-4) do tăng nhiệt độ siêu nhiệt của hơi nước.

Nhiệt bổ sung dưới dạng năng lượng, rời khỏi chu trình dưới dạng công, nghĩa là tăng công suất đầu ra vượt quá nhiệt bổ sung và nhiệt thải. Hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine tăng do tăng nhiệt độ hơi nước.

Các Tác Động Tích Cực Của Việc Tăng Nhiệt Độ Hơi Nước

Một tác động mong muốn của việc tăng nhiệt độ hơi nước là nó không cho phép tỷ lệ ẩm cuối cùng của hơi nước tăng lên. Tác động này có thể dễ dàng thấy trên biểu đồ T-s (Hình 2) phía trên.

Các Tác Động Tiêu Cực Của Việc Tăng Nhiệt Độ Hơi Nước

Việc tăng nhiệt độ hơi nước dẫn đến sự tăng nhỏ về nhiệt bổ sung. Có một giới hạn mà hơi nước có thể được siêu nhiệt và sử dụng trong chu trình điện. Các yếu tố hạn chế này liên quan đến khả năng chịu nhiệt của vật liệu ở nhiệt độ cao và tính kinh tế.

Hiện nay, trong các đơn vị sản xuất điện siêu tới hạn, nhiệt độ hơi nước tại lối vào tua-bin khoảng 620oC. Quyết định về việc tăng thêm nhiệt độ hơi nước chỉ có thể được đưa ra một cách khôn ngoan sau khi thực hiện đánh giá kỹ thuật và đánh giá chi phí.

Tác Động Tổng Thể Của Việc Tăng Nhiệt Độ Hơi Nước

Từ biểu đồ T-s (Hình 2), tác động tổng thể của việc tăng nhiệt độ chủ yếu là tích cực, vì lợi ích từ công suất mạng lưới đầu ra vượt qua sự tăng nhiệt bổ sung và tăng nhẹ nhiệt thải. Vì vậy, luôn có lợi để tăng nhiệt độ hơi nước sau khi đánh giá độ tin cậy và tính kinh tế.

Tăng Áp Suất Nồi Hơi Với Các Tham Số Dưới Siêu Tới Hạn

Cách khác để tăng hiệu suất chu trình Rankine là bằng cách tăng áp suất hoạt động của nồi hơi và do đó liên quan đến nhiệt độ mà hơi nước sôi trong nồi hơi. Do đó, hiệu suất nhiệt của chu trình tăng.
Bằng cách sử dụng biểu đồ T-s, tác động của việc tăng áp suất nồi hơi đối với hiệu suất của chu trình có thể được nhìn thấy và hiểu rõ.

Do tăng áp suất nồi hơi, chu trình Rankine dịch chuyển nhẹ sang trái như được hiển thị trong Hình 3 trên biểu đồ T-s và do đó có thể kết luận từ nó:

• Tăng đáng kể công suất mạng lưới, như được hiển thị trong vùng màu hồng của hình trên.

• Khi chu trình dịch chuyển nhẹ sang trái, công suất mạng lưới trong quá trình mở rộng hơi nước trong tua-bin giảm. (như được hiển thị trong hình 3 bên trên, được tô màu xám.

• Giảm nhiệt thải đến nước làm mát trong bộ ngưng.

Vì vậy, tác động tổng thể là tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của chu trình nhờ các biện pháp này.

Tăng Áp Suất Nồi Hơi Với Các Tham Số Siêu Tới Hạn

Để tăng hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine, áp suất siêu tới hạn được sử dụng trong các thiết bị tạo hơi nước hiện nay. Khi các thiết bị tạo hơi nước hoạt động trên 22.06Mpa thì chúng được gọi là thiết bị tạo hơi nước siêu tới hạn và nhà máy được gọi là nhà máy sản xuất điện siêu tới hạn. Do áp suất hoạt động cao hơn, các nhà máy này được biết đến với hiệu suất cao hơn.

Chu Trình Rankine Sưởi Lại

Chu trình Rankine sưởi lại nhằm tận dụng hiệu suất chu trình cao hơn ở áp suất nồi hơi cao hơn mà không ảnh hưởng đến hàm lượng ẩm của hơi nước ở các giai đoạn cuối cùng của tua-bin.

Hiệu suất chu trình cao hơn có thể đạt được với chu trình sưởi lại mà không ảnh hưởng đến tỷ lệ khô, điều này có thể thực hiện bằng cách mở rộng hơi nước trong tua-bin thành hai giai đoạn bằng cách sưởi lại giữa chừng. Sưởi lại là cách thực tế chấp nhận được để giải quyết vấn đề ẩm quá mức ở các giai đoạn cuối cùng của tua-bin.

Cách Lý Thuyết Để Giảm Hàm Lượng Ẩm Giai Đoạn Cuối Cùng

Theo lý thuyết, một cách là siêu nhiệt hơi nước đến nhiệt độ cao hơn trước khi hơi nước vào tua-bin, nhưng có một giới hạn mà giới hạn xử lý nhiệt độ hơi nước cao ngăn cản việc tăng thêm vượt quá 620