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

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

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

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

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

4.

Metody poprawy sprawności obiegu Rankine’a

a)

Podniesienie temperatury pary świeżej

Rys. 4.1 Wpływ zwiększania temperatury pary T

1

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

Na rysunku 4.1 przedstawiono wpływ temperatury pary świeżej T

1

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

t

–Rankine’a

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

1

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

1

= 30 MPa, chociaż w wielu krajach, w tym

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

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).

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

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 [ - ]

2

Turbina

(Turbine)

1

ETHAI [ - ]

Sprawność

wewnętrzna turbiny

0.5 - 0.95

POUT [bar]

1 -

↑

Pompa

(Pump)

1

ETAHI [ - ]

0.4 – 0.95

EEQCOD [ - ]

-

1

DELP1 [bar]

0 -

↑

DELT1 [

o

C]

Spadek temperatury

wody chłodzącej

skraplacz

5 – 25

DELTH

0-5

DELP2 [bar]

0 -

↑

Skraplacz

(Condenser)

2

SATCOD [ - ]

-

0

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

o

[kJ/kg]

i’

k

[kJ/kg]

i”

k

[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

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!!

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 !!!