Dr inż. Andrzej Tatarek Siłownie cieplne 1 Wykład 3 Sposoby podwyższania sprawności elektrowni 2 Zwiększenie sprawności Metody zwiększenia sprawności elektrowni: 1. podnoszenie temperatury i ciśnienia pary świeżej, dopływającej do turbiny, 2. międzystopniowe (pojedyncze lub dwukrotne) przegrzewanie pary, 3. regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej 4. skojarzenie wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, 5. obniżanie parametrów wylotowych pary – ciśnienia w skraplaczu, 6. zwiększenie sprawności kotła, 7. zwiększenie sprawności wewnętrznej turbiny, 8. zmniejszenie zużycia energii na potrzeby własne (zwiększenie sprawności i regulacyjności urządzeń pomocniczych), 9. skojarzenie obiegów o różnych czynnikach roboczych (np. gazpara). 3 Zwiększenie sprawności Wzajemna sprzeczność niektórych stosowanych metod: podgrzewanie wody do wysokiej temperatury w układzie regeneracji stoi na przeszkodzie wzrostowi sprawności kotła, obniżenie ciśnienia w skraplaczu utrudnia zwiększenie sprawności wewnętrznej turbiny. 4 Zwiększenie sprawności Aby wysoka temperatura wody zasilającej nie spowodowała spadku sprawności kotła: rozbudowuje się powierzchnie podgrzewacza powietrza 5 Zwiększenie sprawności Rozbudowa powierzchni podgrzewacza powietrza powoduje poprawę warunków spalania w wyniku: wzrostu temperatury spalania zmniejszenie niedopału wzrostu strumienia ciepła przenikającego przez jednostkę powierzchni ogrzewalnej kotła możliwości odpowiedniego schłodzenia spalin wylotowych 6 Zwiększenie sprawności Inne czynniki wpływające na sprawność elektrowni: czas wykorzystania mocy zainstalowanej (praca z częstymi odstawieniami i rozruchami lub przy niskim obciążeniu pogarsza sprawność K i T) jakość obsługi (personel elektrowni) warunki atmosferyczne (temperatura powietrza, stan wód, warunki atmosferyczne) 7 Zwiększenie sprawności Sposoby zwiększania sprawności obiegu Rankine’a: powiększenie różnicy między skrajnymi (górną i dolną) temperaturami obiegu – stosowanie możliwie wysokich parametrów pary przegrzanej (T, p) i jak najniższej temperatury w skraplaczu turbiny rozwinięcie obiegu Rankine’a przez stosowanie międzystopniowego przegrzewania pary i regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej 8 Podwyższenie temperatury przegrzania pary zwiększa rozbieżność pomiędzy obiegiem Clausiusa-Rankine’a a odpowiednim obiegiem Carnota. Mimo to uzyskuje się zwiększenie sprawności energetycznej obiegu Clausiusa-Rankine’a, dzięki podwyższeniu średniej temperatury czynnika obiegowego przy pobieraniu ciepła. Rys. Szargut „Termodynamika” 9 Przy stałej temperaturze pary przegrzanej zwiększenie jej ciśnienia wyraźnie zmniejsza rozbieżności pomiędzy obiegiem Clausiusa-Rankine’a, a obiegiem Carnota, co jest połączone z wyraźnym zwiększeniem sprawności energetycznej. Jednakże zwiększenie ciśnienia pary świeżej prowadzi do zmniejszenia stopnia suchości pary przy wypływie z turbiny, co jest niepożądane ze względu na erozję łopatek turbiny. Wraz ze wzrostem ciśnienia pary świeżej należy podwyższać również jej temperaturę przegrzania lub stosować międzystopniowe przegrzewanie pary. Rys. Szargut „Termodynamika” 10 Turbina jest podzielona na dwie części – wysokoprężną i niskoprężną. Parę odpływającą z części wysokoprężnej kieruje się do przegrzewacza międzystopniowego, w którym temperatura pary ponownie jest podwyższana. Następnie płynie do części niskoprężnej. Uzyskujemy dodatkowy obieg 2-3-4-A-2. Jeżeli jego sprawność energetyczna, tj. stosunek przyrostu pracy Dlob do przyrostu ciepła doprowadzanego Dqd, jest większa od sprawności obiegu podstawowego, to przegrzanie międzystopniowe zapewnia zwiększenie sprawności siłowni. Równocześnie uzyskuje się zwiększenie stopnia suchości pary wylotowej z turbiny. 11 Rys. Szargut „Termodynamika” 12 Wpływ obniżenia ciśnienia w skraplaczu jest bardzo korzystny, gdyż przyrost pracy obiegu jest większy od przyrostu doprowadzanego ciepła Dlob > Dqd. Ciśnienie w skraplaczu powinno być jak najniższe, ale jest uwarunkowane temperaturą czynnika chłodzącego skraplacz. Nie może to być czynnik sztucznie oziębiony za pomocą ziębiarki, gdyż praca napędu ziębiarki byłaby większa niż uzyskanie zwiększenia pracy obiegu siłowni cieplnej. Rys. Szargut „Termodynamika” 13 Sprawność obiegu Carnota nie uległa by zmianie, gdyby zamiast przemian izentropowych zostały wprowadzone dwie dowolne przemiany przebiegające w układzie T-s równolegle. Ciepło oddane przez czynnik obiegowy w przemianie 2-3 powinno być przekazane czynnikowi podlegającemu przemianie 4-1, jest to tzw. regeneracja ciepła. Regenerację ciepła najłatwiej jest przeprowadzić, jeżeli przemiany 2-3 i 4-1 są izobarami. Można je wówczas zrealizować w wymienniku ciepła. W układzie T-s przemiany izobaryczne są równoległe tylko w przypadku gazów doskonałych i półdoskonałych. Rys. Szargut „Termodynamika” 14 W siłowni parowej regenerację ciepła realizuje się w następujący sposób. Część pary spomiędzy stopni turbiny odprowadza się i kieruje ją do podgrzewaczy wody zasilającej. Rys. Szargut „Termodynamika” 15 Przy założeniu, że rozprężanie w turbinie przebiega bez tarcia, odprowadzanie pary z upustów turbiny wywołuje skokowe zmniejszanie się strumienia pary. Linia rozprężania staje się łamaną. Przy podgrzewaniu wody zasilającej występują również skokowe zmiany strumieni czynnika i entropii na skutek dołączania się skroplin pary upustowej. Gdyby turbina miała nieskończenie wiele upustów, linia rozprężania w układzie T-s przebiegałaby w zakresie pary nasyconej równolegle do izobary wody w stanie nasycenia (x=0), zgodnie z uogólnionym obiegiem Carnota. 16 Obieg siłowni regeneracyjnej Rys. Szargut „Termodynamika” Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej w siłowni parowej 17 Korzyści uzyskane przez regenerację można wyjaśnić w następujący sposób. W obiegu regeneracyjnym do skraplacza dopływa zmniejszona ilość pary. Można przyjąć, że przemiany tej pary przebiegają według klasycznego obiegu ClausiusaRankine’a. Natomiast każdy i-ty strumień pary upustowej pobiera ciepło w kotle, wykonuje pracę, ale nie oddaje ciepła do otoczenia. Dzięki regeneracji ciepła strumienie pary upustowej wykonują więc pracę ze sprawnością energetyczną równą jedności. Sprawność obiegu regeneracyjnego zwiększa się ze zwiększeniem liczby upustów. Im wyższe parametry pary świeżej i im większa jest moc turbozespołu, tym większą stosuje się liczbę upustów (do dziesięciu). Dzięki regeneracji ciepła zmniejsza się względna ilość pary płynącej do skraplacza, co umożliwia zmniejszenie wysokości łopatek ostatnich stopni turbiny albo przy niezmienionej wysokości łopatek daje możliwość zwiększenia ilości pary dolotowej i mocy turbiny. 18
