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 ciśnieniaw 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 sprzecznośćniektórych 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 siępowierzchnie podgrzewacza powietrza 5
Zwiększenie sprawności Rozbudowa powierzchni podgrzewacza powietrza powoduje poprawęwarunków spalania w wyniku: wzrostu temperatury spalania zmniejszenie niedopału wzrostu strumienia ciepła przenikającegoprzez 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 (górnąi 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 rozbieżnośćpomiędzy obiegiem Clausiusa-Rankine aa odpowiednim obiegiem Carnota. Mimo to uzyskuje sięzwiększenie 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 obiegiemclausiusa-rankine a, a obiegiemcarnota, 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 stosowaćmiędzystopniowe przegrzewanie pary. Rys. Szargut Termodynamika 10
Turbina jest podzielona na dwie części wysokoprężną i niskoprężną. Parę odpływającąz części wysokoprężnej kieruje siędo przegrzewacza międzystopniowego, w którym temperatura pary ponownie jest podwyższana. Następnie płynie do części niskoprężnej. Uzyskujemy dodatkowy obieg 2-3-4-A-2. Jeżeli jego sprawnośćenergetyczna, tj. stosunek przyrostu pracydlobdo przyrostu ciepła doprowadzanegodqd, jest większa od sprawności obiegu podstawowego, to przegrzanie międzystopniowe zapewnia zwiększenie sprawności siłowni. Równocześnie uzyskuje sięzwiększenie stopnia suchości pary wylotowej z turbiny. 11
Rys. Szargut Termodynamika 12
Wpływ obniżenia ciśnienia w skraplaczu jest bardzo korzystny, gdyżprzyrost pracy obiegu jest większy od przyrostu doprowadzanego ciepła Dl ob > Dq d. Ciśnienie w skraplaczu powinno być jak najniższe, ale jest uwarunkowane temperaturą czynnika chłodzącego skraplacz. Nie może to byćczynnik sztucznie oziębiony za pomocąziębiarki, gdyżpraca napędu ziębiarkibyłaby większa niżuzyskanie zwiększenia pracy obiegu siłowni cieplnej. Rys. Szargut Termodynamika 13
Sprawnośćobiegu Carnotanie uległa by zmianie, gdyby zamiast przemian izentropowychzostały 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 sąizobarami. Można je wówczas zrealizowaćw 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 sięi kieruje jądo podgrzewaczy wody zasilającej. Rys. Szargut Termodynamika 15
Przy założeniu, że rozprężanie w turbinie przebiega bez tarcia, odprowadzanie pary z upustów turbiny wywołuje skokowe zmniejszanie sięstrumienia 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 obiegiemcarnota. 16
Obieg siłowni regeneracyjnej Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej w siłowni parowej Rys. Szargut Termodynamika 17
Korzyści uzyskane przez regeneracjęmożna wyjaśnićw następujący sposób. W obiegu regeneracyjnym do skraplacza dopływa zmniejszona ilośćpary. Można przyjąć, że przemiany tej pary przebiegają według klasycznego obiegu Clausiusa- Rankine a. Natomiast każdy i-ty strumieńpary 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 równąjedności. Sprawnośćobiegu regeneracyjnego zwiększa sięze 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 sięwzględna ilośćpary płynącej do skraplacza, co umożliwia zmniejszenie wysokości łopatek ostatnich stopni turbiny albo przy niezmienionej wysokości łopatek daje możliwośćzwiększenia ilości pary dolotowej i mocy turbiny. 18