Dr inż. Andrzej Tatarek
Siłownie cieplne
1
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. gaz-
para).
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 wyraz
nie zmniejsza
rozbieżności pomiędzy obiegiem Clausiusa-Rankine a,
a obiegiem Carnota, co jest połączone z wyraz
nym
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 Regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej w
siłowni parowej
Rys. Szargut  Termodynamika
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 Clausiusa-
Rankine 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