background image

 

 
 
 
 
 

 
 

Z

a

k

ła

d

 E

le

kt

ro

w

ni

  i 

Gos

podarki E

lek

tro

en

e

rg

e

ty

c

z

n

e

j

 

 

 
 
 

 

 

POLITECHNIKA POZNAŃSKA – WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY 

 
 

INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI 

 
 

ZAKŁAD ELEKTROWNI I GOSPODARKI ELEKTROENERGETYCZNEJ 

 
 

ELEKTROENERGETYKA – LABORATORIUM 

 

 
 

Ćw.1 Badanie metod poprawy sprawności obiegu Rankine’a cz.1 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Studia: stacjonarne; II-stopnia 
Semestr: I 
Kierunek: Elektrotechnika 

background image

1.

 

Wstęp teoretyczny 

Głównym obiegiem termodynamicznym, realizowanym w  elektrowni  cieplnej, jest obieg 

parowo-wodny,  zwany  krótko  obiegiem  parowym  elektrowni.  Jest  to  obieg  Rankine’a 

z użyciem  pary  przegrzanej  (nazywany  niekiedy  obiegiem  Hirna).  Uproszczony  schemat 

układu cieplnego elektrowni przedstawiono na rysunku 1.1 

 

Rys.1.1 Schemat układu technologicznego elektrowni parowej pracującej wg obiegu Rankine’a.

 

1- kocioł, 2 – przegrzewacz pary, 3- turbina, 4 – generator synchroniczny (prądnica),  

5 – skraplacz(kondensator), 6 – pompa wody chłodzącej (PWCh), 7 – pompa skroplin (PK), 8 – zbiornik 

wody zasilającej, 9 – pompa wody zasilającej (PWZ). 

 

   

Rys.1.2 Obieg Rankine’a z użyciem pary przegrzanej (wykres T-s) 

q

d

 – ciepło dostarczane, q

o

 – ciepło odbierane

 

background image

Na  rysunku  1.2  przedstawiono  obieg  parowy  w  układzie  T-s.  Poszczególne  obszary  na 

wykresie  T-s  są  oddzielone  od  siebie  linią  graniczną,  która  składa  się  z  dwóch  gałęzi:  lewej 

i prawej, połączonych ze sobą w punkcie krytycznym K

Lewa  gałąź  linii  granicznej  łączy  ze  sobą  punkty,  w  których  wskutek  doprowadzania 

ciepła z zewnątrz występuje wrzenie, czyli rozpoczyna się parowanie wody przy określonym 

ciśnieniu; jest to zatem linia wody wrzącej. Prawa gałąź linii granicznej łączy z kolei punkty, 

w  których  odparowywana  mieszanina  wody  wrzącej  i  pary  staje  się  para  nasycona  suchą,  a 

wiec całkowicie pozbawiona wody, jest to linia pary nasyconej suchej

Na  lewo  od  linii  granicznej  leży  obszar  cieczy;  między  lewą  a  prawą  linią  graniczną 

znajduje  się  obszar  pary  mokrej  (wilgotnej),  będącej  mieszaniną  wody  wrzącej  i  pary 

nasyconej suchej, a na prawo od prawej linii granicznej – obszar pary przegrzanej, w której 

temperatura  jest  wyższa  od  temperatury  pary  nasyconej  przy  danym  ciśnieniu,  zwanej 

temperaturą nasycenia. 

Przy ochładzaniu czynnika, czyli oddawania ciepła na zewnątrz, na prawej linii granicznej 

rozpoczyna  się  skraplanie  pary  przy  określonym  ciśnieniu,  a  na  lewej  linii  granicznej 

skraplana  para  mokra  staje  się  z  powrotem  wodą  wrzącą.  Obie  gałęzie  linii  granicznej  łącza 

się ze soba w punkcie krytycznym, którego parametry wynoszą: 



 

Ciśnienie krytyczne p

k

 = 22,12 Mpa 



 

Temperatura krytyczna T

k

 = 647,28 K 



 

Objętość krytyczna v

k

 = 3,147 * 10

-3

 m

3

/kg 



 

Entropia krytyczna s

k

 = 4,424 kJ/(kg*K) 

Obieg przedstawiony na rysunku 2 (kolor czerwony) składa się z kilku przemian 

termodynamicznych czynnika roboczego. Są to kolejno: 



 

1 -2a – izentropowe rozprężanie pary w turbinie od ciśnienia p1 do p2 (przemiana 

idealna 

∆∆∆∆

s = 0 



 

1 - 2 – rozprężanie pary w turbinie (przemiana rzeczywista 

∆∆∆∆

s > 0) – w turbinie

 



 

2a-3 -  izobaryczne (izotermiczne) skraplanie pary (przy ciśnieniu p2) –  

w skraplaczu 



 

3-4 – izentropowe (izochoryczne) sprężanie wody od ciśnienia p2 do p1 – w PWZ 



 

4-5 - izobaryczne podgrzewanie wody do temperatury nasycenia – podgrzewacz 

wody – kocioł 



 

5-6 - izobaryczne (izotermiczne) odparowanie wody  – parownik – kocioł 



 

6-1 - izobaryczne przegrzewanie pary – przegrzewacz pary – kocioł 

background image

Na wykresie T-s ciepło doprowadzane do kotła q

dk

 odpowiada polu A-3-4-5-6-1-2a-B-A, 

a  ciepło  oddawane  w  skraplaczu  q

ws

  –  polu  2a-B-A-3-2a.  Różnicę  tych  dwóch  pół  stanowi 

pole  1-2a-3-4-5-6-1  odpowiadające  pracy  technicznej  w  turbinie  a

tt. 

Sprawność  teoretyczną 

obiegu z przegrzewaniem pary można więc obliczyć po wyznaczeniu odpowiednich pól jako: 

A

-

B

-

2a

-

1

-

6

-

5

-

4

-

3

-

A

 

1

-

6

-

5

-

4

-

3

-

2a

-

1

=

tR

η

 

 

Rys.1.3 Obieg Rankine’a z użyciem pary przegrzanej (wykres i-s)

 

Na wykresie i-s wielkościom a

tt

, q

dk

, q

ws

 odpowiadają określone różnice entalpii (Rys.1.3), 

zatem wzór na sprawność teoretyczną obiegu z przegrzewem pary jest następujący: 

wz

a

dk

tt

tR

i

i

i

i

q

a

=

=

1

2

1

η

 

a wzór dokładniejszy, w którym uwzględnia się pracę pompowania: 

)

(

)

(

'

4

1

4

2

1

wz

wz

wz

a

dp

tp

tt

tR

i

i

i

i

i

i

i

i

q

a

a

=

=

η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

2.

 

Sprawność bloku energetycznego konwencjonalnej elektrowni parowej. 

Sprawność bloku energetycznego brutto przedstawia poniższy wzór: 

w

el

g

m

w

tR

r

k

elb

BQ

P

=

=

η

η

η

η

η

η

η

 

P

el 

– Moc elektryczna na zaciskach generatora [kW] 

B – strumień masowy paliwa kierowany do kotła [kg/s] 

Q

w

 – wartość opałowa paliwa [kJ/kg] 

  

W  tabeli  przedstawiono  osiągane  wartości  sprawności  przetwarzania  energii 

w elektrowniach parowych. 

Sprawność 

Symbol 

Elektrownie krajowe 

Wartości maksymalne 

Kotła 

η

k

 

0,7-0,9 

0,935 

Rurociągów 

η

r

 

0,98-0,99 

0,99 

Teoretyczna obiegu 

Rankine’a 

η

tR

 

0,37-0,44 

0,54 

Wewnętrzna turbiny 

η

w

 

0,70-0,87 

0,91 

Mechaniczna 

turbozespołu 

η

m

 

0,96-0,985 

0,99 

Generatora 

η

g

 

0,95-0,98 

0,99 

Ogólna bloku (brutto) 

η

elb

 

0,34-0,38 

0,45 

 

O sprawności bloku decyduje sprawność teoretyczna obiegu Rankine’a!!! 

 

3.

 

Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  następującymi  metodami  poprawy 

sprawności obiegu Rankine’a. 



 

Podniesienie temperatury pary świeżej 



 

Podniesienie ciśnienia pary świeżej 



 

Obniżenie ciśnienia pary w skraplaczu 

 

 

 

 

background image

4.

 

Metody poprawy sprawności obiegu Rankine’a

 

a)

 

Podniesienie temperatury pary świeżej 

 

Rys. 4.1 Wpływ zwiększania temperatury pary T

na sprawność obiegu Rankine’a (wykres T-s) 

Na  rysunku  4.1  przedstawiono  wpływ  temperatury  pary  świeżej  T

na  sprawność 

obiegu  Rankine’a,  zwiększona  została  temperatura  od  T

1

  (punktu  1’)  do  temperatury  T

1

 

(punkt 1”). 

Obecnie  za  całkowicie  opanowane,  nie  sprawiające  trudności  w  eksploatacji  można 

przyjąć  temperatury  pary  świeżej,  nie  przekraczające  808  K  (535 

°

C),  pozwalające  na 

zastosowanie  w  całym  obiegu  stali  ferrytycznych.  Przyjmowana  w  niektórych  obiegach 

temperatura  w  przedziale  838  –  873  K  (565  –  600 

°

C)  wymaga  już  stosowania  specjalnych 

stali stopowych nowej generacji do budowy końcowych sekcji przegrzewacza pary. 

 

Rys. 4.2 Wpływ temperatury początkowej na sprawność teoretyczną obiegu: 

ηηηη

tC

 – Carnota,   

ηηηη

–Rankine’a 

background image

Podsumowując: 

Wzrost temperatury pary T1 powoduje:

 

- zwiększenie rozbieżności między obiegiem Rankine’a a obiegiem Carnota 

- wzrost sprawności wskutek podwyższenia temperatury górnego źródła ciepła 

- wzrost suchości pary na wylocie turbiny 
 
b)

 

Podniesienie ciśnienia pary świeżej 

 

 

Rys. 4.3 Wpływ zwiększania ciśnienia pary p

1

 (wykres T-s) na sprawność obiegu Rankine’a 

Na  rysunku  4.3  przedstawiono  wpływ  podwyższania  ciśnienia  pary  świeżej  T

na 

sprawność obiegu Rankine’a, zwiększone zostało ciśnienie od p

1

 do p

1

Zwiększanie  ciśnienia  pary  przegrzanej,  przy  stałej  temperaturze  T

1

  powoduje 

zmniejszenie rozbieżności między obiegiem Rankine’a a obiegiem  Carnota, co jest połączone 

z  istotnym  zwiększeniem  sprawności  teoretycznej  obiegu.  Zwiększenie  ciśnienia powoduje 

jednak  niekorzystne  zwiększanie  wilgotności  pary  w  końcowej  części  procesu 

rozprężania  w turbinie,  co  przyspiesza  erozję  łopatek  turbiny.  Erozja  łopatek  polega  na 

ż

łobieniu materiału łopatek przez kropelki wody znajdujące się w parze mokrej.

 

Aby  przeciwdziałać  temu  zjawisku,  należy  przy  zwiększaniu  ciśnienia  pary  podwyższać 

równocześnie temperaturę jej przegrzania lub stosować międzystopniowe przegrzewanie pary. 

 

Zwiększanie  ciśnienia  pary  wpływa  na  konstrukcję  urządzeń,  na  grubość  ścianek 

wszystkich  elementów  ciśnieniowych  obiegu,  a  więc  na  koszt  urządzeń  oraz  wymagania 

eksploatacyjne.  Jako  opanowane  pod  względem  technicznym  maksymalne  ciśnienie  pary 

ś

wieżej uważa się dziś ciśnienie nadkrytyczne p

= 30 MPa, chociaż w wielu krajach, w tym 

także w Polsce, a stosowane głównie ciśnienia podkrytyczne na poziome 13,5-17,6 MPa. 

 

background image

Podsumowując: 

Wzrost ciśnienia pary p

1

 powoduje: 

- zmniejszenie rozbieżności między obiegiem Rankine’a a obiegiem Carnota   i  wzrost 

sprawności 

- obniżenie suchości pary na wylocie turbiny (skutek negatywny)   

 
c)

 

Obniżenie ciśnienia pary w skraplaczu 

 

 

Rys. 4.4 Wpływ zmniejszania ciśnienia pary p

2

 (wykres T-s) na sprawność obiegu Rankine’a

 

 

Na  rysunku  4.4  przedstawiono  wpływ  obniżania  ciśnienia  w  skraplaczu  p

2

  na 

sprawność obiegu Rankine’a, zmniejszone zostało ciśnienie od p

2

 do p

2

W  miarę  obniżania  ciśnienia  maleje  ilość  ciepła  oddawanego  do  dolnego  źródła, 

wzrasta  natomiast  ilość  ciepła  zamienianego  na  pracę.  Obniżenie  parametrów  końcowych 

jest  jednak  uwarunkowane  temperaturą  czynnika  chłodzącego  i sposobu  chłodzenia 

skraplacza. Ponieważ w warunkach ziemskich dolnym źródłem ciepła jest w ogólnym ujęciu 

otaczająca  elektrownię  atmosfera,  zatem  temperatura  i  ciśnienie  w skraplaczu  zależą 

bezpośrednio od warunków geograficznych i klimatycznych, w jakich pracuje elektrownia, od 

ś

redniej temperatury powietrza, a zwłaszcza wody używanej do chłodzenia skraplacza. 

Podsumowując: Obniżanie ciśnienia pary w skraplaczu p

2

 powoduje:  

- wzrost sprawności wskutek obniżenia temperatury dolnego źródła ciepła 

obniżenie suchości pary wylotowej z turbiny (skutek negatywny)

 

- zwiększa się objętość pary wylotowej z turbiny, co przy tych samych przekrojach kanałów 

wylotowych  powoduje  wzrost  prędkości  pary  na  wylocie  z  turbiny  a  tym  samym  obniżenie 

sprawności  wewnętrznej  turbiny  –  niezbędne  jest  budowanie  wielowylotowej  części 

niskoprężnej (wyższy koszt turbiny).  

background image

Sposoby chłodzenie skraplacza: 

W  otwartym  obiegu  chłodzenia,  wodą  pobieraną  z  rzeki  (jeziora  lub  innego 

zbiornika  wodnego),  temperatura  wody  chłodzącej  skraplacz  nie  jest  na  ogół  (w  polskich 

warunkach geograficznych) wyższa od 15 

°

C. Dla przeciętnych wartości różnicy temperatury 

między skraplaną parą a wodą chłodzącą można uzyskać temperaturę skraplania na poziome 

28-30 

°

C, co odpowiada ciśnieniu w skraplaczu ok. 4 kPa.  

W zamkniętym obiegu chłodzenia woda chłodząca po przejściu przez skraplacz jest 

kierowana  do  urządzenia  chłodniczego  (np.  chłodni  kominowej),  w którym  obniża  swoją 

temperaturę,  oddając  ciepło  do  otaczającego  powietrza.  W  tych  warunkach  uzyskuje  się 

wyższą temperaturę wody chłodzącej – w granicach 24-27 

°

C. Temperatura skraplania ustala 

się  wówczas  na  poziomie  ok.  38  –  40 

°

C,  któremu  odpowiada  ciśnienie  w  skraplaczu  ok. 

7kPa. 

 

Rys. 4.5 Porównanie parametrów obiegów chłodzenia: otwartego i zamkniętego 

- obieg otwarty zapewnia wyższą sprawność 
- sprawność jest wyższa zimą niż latem 
 

 

Rys. 4.6 Wpływ ciśnienia w skraplaczu na sprawność obiegu Rankine’a

 

background image

5.

 

Badanie metod poprawy sprawności. Model elektrowni

 

 

Układ technologiczny elektrowni parowej będzie modelowany w Programie Cycle  

Tempo 5.0 

 

W tabeli przedstawiono zakres parametrów poszczególnych urządzeń, gdzie: 

 

POUT – ciśnienie na wyjściu z danego urządzenia 

 

TOUT – temperatura na wyjściu z danego urządzenia 

 

DELP – spadek ciśnienia 

 

DELT – spadek temperatury 

Wielkości bezwymiarowe GDCODE, EEQCOD, SATCOD dotyczą kodu programu. Należy 

podać wartości wytłuszczone w tabeli 

UWAGA:  Nie  należy  podawać  wartości  wielkości  nie  znajdujących  się  w  poniższej 

tabeli. Zbyt duża ilość danych spowoduje wystąpienie błędów podczas obliczeń. 

Ciśnienia podajemy w jednostkach [bar]   1 bar = 0.1Mpa 

 

Tabela 5.1 Symbole i parametry 

Urządzenie 

Symbol 

Dane 

Zakres danych 

DELP [bar] 

 

0 - 

 

TOUT [

o

C] 

 

100 - 535 

ETHAB [ - ] 

sprawność kotła 

0.5 - 0.95 

LHV [kJ/kg]  

wartość opałowa 

paliwa 

6000 - 38000 

Kocioł  

(Boiler) 

1

 

EXFUEL [kJ/kg] 

j.w. 

j.w. 

GDCODE [ - ] 

 

Turbina  

(Turbine) 

1

 

ETHAI [ - ] 

Sprawność 

wewnętrzna turbiny 

0.5 - 0.95 

POUT [bar] 

 

1 - 

 

Pompa  

(Pump) 

1

 

ETAHI [ - ] 

 

0.4 – 0.95 

EEQCOD [ - ] 

DELP1 [bar] 

 

0 - 

 

DELT1 [

o

C] 

Spadek temperatury 

wody chłodzącej 

skraplacz 

5 – 25 

DELTH 

 

0-5 

DELP2 [bar] 

 

0 - 

 

Skraplacz  

(Condenser) 

2

 

SATCOD [ - ] 

background image

POUT [bar] 

 

1 - 

 

DELP [bar] 

 

1 - 

 

Zbiornik  

(Sink) 

2

 

TOUT [

o

C] 

 

5 - 

 

Generator 

 

ETHAGEN [ - ] 

Sprawność generatora 

0.9 – 0.99 

 

6.

 

Przebieg ćwiczenia

 

 

I.

 

Modelowanie elektrowni parowej 

W pierwszym etapie ćwiczenia należy zamodelować prosty układ technologiczny 

elektrowni parowej. 

 

 

Rys. 6.1 Prosty model elektrowni parowej: 1-kocioł, 2-turbina, 3 – pompa wody zasilającej kocioł, 

4- skraplacz, 5 – źródło wody do chłodzenia skraplacza, 6 – pompa wody chłodzącej 

1,2 – grube linie – rurociąg parowy; 3,4,5,6,7 – cienkie linie – rurociąg wodny  

 

B – zużycie paliwa [kg/s], Q

w

 – wartość opałowa paliwa [kJ/kg], D –wydajność kotła [kg/s] 

D

wch

 – natężenie przepływu wody chłodzącej [kg/s],     i - entalpia czynnika [kJ/kg] 

Po przeprowadzonej symulacji wypełnić poniższą tabele. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela pomiarów i obliczeń 

i

[kJ/kg] 

i’

[kJ/kg] 

i”

[kJ/kg] 

i

wz 

[kJ/kg] 

 

 

 

 

D[kg/s] 

D

wch

[kg/s] 

B[kg/s] 

η

elb 

 

 

 

 

 

B[kg/s] – obliczyć z bilansu kotła energetycznego 

0

0

=

+

k

w

wz

BQ

Di

Di

η

 

background image

II.

 

Poprawa sprawności  

W drugim etapie ćwiczenia należy zbadać metody poprawy sprawności: 

a.

 

Podwyższanie temperatury górnego źródła ciepła (Regulacja TOUT  

w kotle) 

Przy stałym ciśnieniu, należy zmieniać temperaturę w kotle w zakresie od 400 do 

550

°

C z krokiem podanym przez prowadzącego 

   

Tabela pomiarów

 

Temperatura t

1

 [

°°°°

C]  Sprawność elektrowni brutto 

ηηηη

elb

 

 

 

…………

 

…………

 

 

 

   

Sporządzić wykres T-s dla maksymalnej wartości temperatury. 

b.

 

Podwyższanie ciśnienia górnego źródła ciepła (Regulacja POUT  

na pompie wody zasilającej) 

Przy stałej temperaturze, należy zmieniać ciśnienie w zakresie od 10 do 200 bar  

z krokiem podanym przez prowadzącego 

Tabela pomiarów

 

Ciśnienie p

1

 [bar]  Sprawność elektrowni brutto 

ηηηη

elb

 

10 

 

…………

 

…………

 

200 

 

Sporządzić wykres T-s dla maksymalnej wartości ciśnienia. 

c.

 

Obniżanie ciśnienia w dolnym źródle ciepła (Regulacja TOUT  

w zbiorniku (sink/source)) 

Przy stałych parametrach górnego źródła ciepła, należy zmieniać temperaturę wody w obiegu 

chłodzenia skraplacz w zakresie od 5 do 40 

°

C z krokiem podanym przez prowadzącego 

UWAGA: Suma parametrów DELTH (skraplacz) i TOUT (sink/source) 

nie może być mniejsza niż  9 

°°°°

C, ze względu na zbyt małe ciśnienie w 

skraplaczu 

Należy mierzyć ciśnienie w skraplaczu!! 

 

background image

Tabela pomiarów

 

Ciśnienie p

2

 [bar]  Sprawność elektrowni brutto 

ηηηη

elb

 

 

 

…………

 

…………

 

 

 

Sporządzić wykres T-s dla minimalnej wartości ciśnienia. 

 

7.

 

Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 



 

Przedstawione na wykresie T-s metody poprawy sprawności 



 

Obliczenia analityczne zamodelowanego układu – w oparciu o bilanse 

energetyczne 



 

Wykres 

η

elb 

= f(t

1

), 

η

elb 

= f(p

1

), 

η

elb 

= f(p

2

) 



 

Wykresy T-s dla maksymalnej wartości t

1

, dla maksymalnej wartości p

1

 

dla minimalnej wartości p

2

 



 

Wykresy oraz wyniki obliczeń wskazane przez prowadzącego!!! 



 

Szczegółowe wnioski !!!