1.8.  Siłownia parowa (obieg Clausiusa – Rankine’a, metody poprawiania sprawności obiegu C-R). 

Obieg Rankine’a

Klasyczne elektrownie parowe pracują według obiegu Rankine’a, który zamieszczono na rysunku

Obieg Rankine’a elektrowni parowej kondensacyjnej: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s

gdzie: 3 – 4 izentropowe sprężanie wody zasilającej przez pompę wody zasilającej;

           4 – 5 podgrzewanie wody w kotle;

           5 – 6 odparowanie wody;

           6 – 1 przegrzewanie pary;

           1 – 2 rozprężanie pary w turbinie;

           2 – 3 skraplanie pary w skraplaczu;

           qd – ciepło doprowadzone do obiegu;

           qo – ciepło odprowadzone z obiegu.

Przy założeniu, że w obiegu krąży 1 kg czynnika można wyznaczyć:

Ciepło doprowadzone do obiegu w kotle: ;

Ciepło niewykorzystane odprowadzone z obiegu w skraplaczu:

gdzie: i1 –entalpia pary za kotłem, kJ/kg; i2a – entalpia pary po izentropowym jej 

rozprężeniu w turbinie, kJ/kg; isk – entalpia skroplin (punkt3), kJ/kg; iwz – entalpia   wody zasilającej kocioł (punkt 4), kJ/k.

Sprawność obiegu Rankine’a wyraża się wzorem:

gdzie: (iwz –isk) – jest pracą zużyta na pompowanie wody zasilającej do kotła.

Obieg Rankine’a jest obiegiem idealnej siłowni parowej i służy on do oceny pracy rzeczywistej siłowni.

Idealna siłownia parowa jest to taka, w której:

Ø       nie występuje tarcie, nie ma spadu ciśnienia podczas przepływu płynu rurociągiem

      i nie ma strat pracy przez tarcie w silniku i pompie;

Ø       nie występują straty ciepła, ponieważ izolacja turbiny i rurociągów jest idealna;

Ø       występuje izentropowa ekspansja, ponieważ turbina jest idealna;

Ø       pompa zasilająca spręża kondensat izentropowo do ciśnienia kotłowego, nie występuje dławienie;

Ø       całe ciepło spalania paliwa jest przekazywane czynnikowi obiegowemu, ponieważ kocioł jest idealny.

Do metod podniesienia sprawności elektrowni należą między innymi:

Ø       międzystopniowe (pojedyncze lub dwukrotne) przegrzanie pary;

Ø       regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej;

Ø       skojarzenie wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej;

Ø       obniżenie parametrów wylotowych pary (obniżenie ciśnienia w skraplaczu);

Ø       zwiększenie sprawności kotła;

Ø       zwiększenie sprawności wewnętrznej turbiny;

Ø       zmniejszenie zużycia energii na potrzeby własne przez zwiększenie sprawności i regulacyjności urządzeń pomocniczych;

Ø       skojarzenie obiegów o różnych czynnikach roboczych.

Niektóre z wymienionych powyżej metod polepszenia sprawności wykluczają się wzajemnie, dlatego też, aby usprawnić wytwarzanie energii stosuje się prawie wszystkie metody jednocześnie

Wpływ zmiany parametrów początkowych czynnika roboczego na sprawność obiegu

Wybór parametrów początkowych pary ma bardzo duże znaczenie dla osiągnięcia wysokiej sprawności elektrowni. Im wyższe są parametry p1, T1 pary świeżej tym większa jest sprawność obiegu oraz mniejsze jest jednostkowe zużycie paliwa.

Wpływ parametrów początkowych na sprawność obiegu przedstawiono na rysunkach.

                  a)                                                         b)

Zależność sprawności teoretycznej obiegu Rankine’a od: a) temperatury początkowej T1; b) ciśnienia początkowego p1

·       Aby przeciwdziałać negatywnym skutkom występującym przy zmianie parametrów początkowych należy przy jednoczesnym zwiększaniu ciśnienia zwiększać także temperaturę jej przegrzania lub też stosować międzystopniowe przegrzanie pary.

·       Zwiększenie ciśnienia pary wpływa na konstrukcje urządzeń, szczególnie na grubość ścianek elementów ciśnieniowych obiegu, a więc na koszty urządzeń, a także wymagania eksploatacyjne. Maksymalne ciśnienie pary świeżej uzyskiwane obecnie to ciśnienie nadkrytyczne p1 = 30 MPa.

·       Oprócz względów materiałowych istotny wpływ na ograniczenie parametrów początkowych mają straty wewnętrzne turbiny, a także straty ilościowe czynnika roboczego spowodowane jego przeciekaniem. Przy większym ciśnieniu początkowym straty te znacznie rosną.

·       Ponadto spadek sprawności wewnętrznej turbiny następuje w związku z zawilgoceniem pary w ostatnich stopniach.

·       Generalnie określenie parametrów początkowych pary stanowi jedno z podstawowych założeń do projektowania układu cieplnego elektrowni, ponadto jest zadaniem bardzo trudnym.

·       Analizując wykresy przedstawione na rysunku 8 można zauważyć, że wzrost temperatury pary świeżej T1, powiększa rozbieżności między wykresem Rankine’a i wzorcowym obiegiem Carnota, jednak następuje wzrost sprawności termicznej. Przyrost ciśnienia czynnika na początku przy stałej temperaturze przegrzania zwiększa podobieństwo między obiegiem Clausiusa-Rankine’a i obiegiem Carnota, dzięki czemu powiększa się sprawność termiczna obiegu

Wpływ obniżenia ciśnienia w skraplaczu na sprawność obiegu

Clausiusa-Rankine’a

Obniżenie temperatury skraplania pary w obiegu Clausiusa-Rankine’a można osiągnąć przez zmniejszenie średniej różnicy temperatur pary i wody chłodzącej stosując:

Ø       zwiększenie powierzchni kondensatora;

Ø       zwiększenia przepływu wody przez kondensator;

Ø       obniżenie temperatury wody chłodzącej.

Na rysunku zamieszczono wpływ obniżenia temperatury T2 w skraplaczu na sprawność obiegu

Wpływ obniżenia temperatury w skraplaczu na sprawność teoretyczną obiegu Clausiusa-Rankine’a

·       Na powyższym wykresie widać, że wraz z obniżeniem temperatury T2 i ciśnienia p2 maleje ilość ciepła oddawanego do dolnego źródła () wzrasta natomiast ilość ciepła zamienionego na pracę .

·       Obniżenie temperatury i ciśnienia w skraplaczu jest bardzo korzystne jednak uwarunkowane temperaturą czynnika chłodzącego i sposobu chłodzenia skraplaczy. Zwykle temperatura i ciśnienie w skraplaczu zależą od położenia geograficznego elektrowni, a szczególnie od temperatury wody chłodzącej skraplacze. Przeciętnie uzyskuje się temperaturę skraplania na poziomie 28 ÷ 30 oC, co odpowiada ciśnieniu w skraplaczu około 4 kPa.

·       W przypadku stosowania chłodni kominowej, w której woda chłodząca oddaje ciepło do otoczenia uzyskuje się wyższą temperaturę wody chłodzącej 24 ÷ 27 oC.

Wówczas temperatura skraplania wynosi około 38 ÷ 40 oC i odpowiada jej ciśnienie około 7 kPa.

Międzystopniowe przegrzewanie pary

·       Kolejnym sposobem polepszenia sprawności obiegu elektrowni jest międzystopniowy przegrzew pary obecnie powszechnie stosowany. Przegrzewacz pary jest zwykle umiejscowiony w kanałach spalinowych kotła.

·       Przy zastosowaniu międzystopniowego przegrzania pary turbina dzielona jest na kilka kadłubów (część wysoko, średnio i nisko prężną). Zamiast jednostopniowego rozprężania pary dzieli się je na kilka części, a parę odlotową z każdej części odprowadza się pod niezmienionym ciśnieniem do kotła, gdzie podgrzewa się do temperatury dowolnej, jednak zbliżonej do temperatury pary świeżej i kieruje się do następnego stopnia.

·       Metoda ta prowadzi do zwiększenia sprawności, polepszenia parametrów pary odlotowej i zmniejsza straty cieplne do otoczenia.

Uproszczony schemat obiegu cieplnego elektrowni z międzystopniowym przegrzewem pary zamieszczono na rysunku

Schemat obiegu cieplnego elektrowni z międzystopniowym przegrzewem pary: 1 – kocioł; 2 – część wysokoprężna turbiny; 3 – część niskoprężna turbiny; 4 – międzystopniowy przegrzewacz pary

     a)                                                                   b)               

Obieg Clausiusa-Rankine’a z międzystopniowym przegrzaniem pary: a) w układnie T-s;

b) w układzie i-s.

Po zastosowaniu przegrzania na wykresie T-s uzyskujemy jak gdyby dodatkowy obieg, który jest oznaczony na wykresie (m1a – m2 – 2a – 2a’ – m1a), którego sprawność jest decydująca dla efektywności stosowania międzystopniowego przegrzewania pary.

Sprawność obiegu z międzystopniowym przegrzewaniem pary na podstawie wykresu i-s z rysunku  można wyrazić wzorem:

gdzie: - przyrost entalpii w międzystopniowym przegrzewaczu pary,

            kJ/kg

·         Doświadczenia w budowaniu elektrowni wskazują, iż nieodpowiednie dobranie parametrów przegrzania pary może powodować znaczne zwiększenie zużycia paliwa.

·         Sprawność teoretyczna obiegu ma maksymalną wartość dla określonego ciśnienia pm.

·         Dla zbyt wysokich lub zbyt małych wartości ciśnienia pm sprawność obiegu może maleć, może także osiągnąć mniejszą wartość od obiegu bez międzystopniowego przegrzania pary.

·         Obecnie optymalna wartość ciśnienia pm wynosi zwykle (0,2 ÷ 0,25)p1.

Optymalne ciśnienie przegrzania uwarunkowane jest:

Ø       początkowym oraz końcowym ciśnieniem pary oraz końcowymi temperaturami jej przegrzania;

Ø       temperaturą regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej;

Ø       stratami spowodowanymi spadkami ciśnienia pary w układzie przegrzewania międzystopniowego w rurociągach głównych;

Ø       stratami wewnętrznych pomp zasilających;

Ø       stratami wewnętrznych turbin i strat w układzie regeneracji;

Ø       stratami spowodowanymi zawilgoceniem pary w ostatnich stopniach turbiny lub przegrzaniem pary wylotowej.

Dobranie optymalnych parametrów przegrzania nie jest zadaniem łatwym, jednak poprawne wykonanie tego zadania gwarantuje zwiększenie wykorzystania efektywności paliwa i pary.

Obok wymienionych zalet przegrzewanie międzystopniowe pary ma także wady, do których przede wszystkim należy zaliczyć: wzrost kosztów instalacji bloku energetycznego, który to spowodowany jest złożonością jego budowy.

Porównanie zalet i wad związanych ze stosowaniem międzystopniowego przegrzewania pary przemawia za stosowaniem tej techniki w elektrowniach o wysokich parametrach początkowych.

Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej

·           Podgrzewanie kondensatu i wody zasilającej parą, która już częściowo wykonała pracę w turbinie nazywamy podgrzewaniem regeneracyjnym. Jest to kolejny zabieg mający na celu zbliżenie obiegu elektrowni rzeczywistej do idealnego obiegu Carnota.

·           Upusty turbiny, z których pobiera się do tego celu parę nazywamy regeneracyjnymi, podobnie jak i podgrzewacze wykorzystujące tę parę do podgrzewania wody zasilającej.

·           Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej zaczęto stosować od lat dwudziestych. Stosowane na początku parametry pary były niskie. Stosowano trzy – cztery stopnie podgrzewania. W dzisiejszych czasach liczba stopni podgrzewania wody zasilającej dochodzi do siedmiu – dziewięciu w zależności od tego, jaka jest moc turbozespołu i parametry początkowe.

Najprostszy układ pokazujący zasadę działania jednego stopnia podgrzewania wody w podgrzewaczu mieszankowym przedstawia poniższy rysunek.

Schemat obiegu cieplnego elektrowni z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilającej: 1 – kocioł; 2 – turbina; 3 – prądnica; 4 – pompa skroplin; 5 – podgrzewacz mieszankowy; 6- pompa wody zasilającej

Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilającej w układzie T-s

Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilającej (przebieg rozprężania pary w turbinie) w układzie i-s

Sprawność teoretyczna obiegu Rankine’a z regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilającej wyrażą się następującym wzorem:

gdzie: - całkowite ciepło zamienione na pracę w omówionym

           obiegu teoretycznym;

            - jest to ciepło dostarczone do obiegu w kotle.

·           W miarę zwiększania liczby stopni podgrzewania regeneracyjnego rośnie sprawność teoretyczna i energetyczna (rzeczywista) obiegu. Przy nieskończenie dużej ilości podgrzewaczy, zasilanych z nieskończenie dużej ilości upustów teoretyczna sprawność obiegu Rankine’a osiąga sprawność obiegu Carnota dla tych samych wartości temperatur górnego i dolnego źródła ciepła.

·           Wraz z podwyższaniem liczby stopni regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej kocioł przyrost sprawności z każdym dalszym stopniem maleje. Wzrasta natomiast koszt instalacji ze względu na większą ilość podgrzewaczy, upustów, rurociągów itp.

·           Liczba podgrzewaczy jest ograniczona i zależna od mocy turbiny oraz parametrów pary.

·           Podniesienie temperatury wody zasilającej przez dodatkowe upusty jest także źródłem strat takich jak np. straty ciśnienia w rurociągach, które równoważą wzrost sprawności układu.

·           Na przyrost sprawności ma znaczny wpływ sposób podziału całkowitego przyrostu temperatury (entalpii) wody zasilającej między poszczególne podgrzewacze.

·           Dla określenia optymalnej temperatury, do której należy podgrzać wodę zasilającą decydujące znaczenie mają dwa czynniki: zużycie energii przez pompy zasilające oraz zależność straty wylotowej kotła od temperatury wody zasilającej.

...