od
POLITECHNIKA POZNAC
SKA  WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
ZAKA
AD 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
c
a
p
r
k
s
i
o
E
G
l
e
i
k
i
t
n
r
o
w
e
o
n
r
t
e
k
r
g
e
l
e
E
t
y
d
a
z
ł
n
k
e
a
j
Z
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)
qd  ciepło dostarczane, qo  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 gałąz
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 gałąz
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 pk = 22,12 Mpa
Temperatura krytyczna Tk = 647,28 K
Objętość krytyczna vk = 3,147 * 10-3 m3/kg
Entropia krytyczna sk = 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 qdk odpowiada polu A-3-4-5-6-1-2a-B-A,
a ciepło oddawane w skraplaczu qws  polu 2a-B-A-3-2a. Różnicę tych dwóch pół stanowi
pole 1-2a-3-4-5-6-1 odpowiadające pracy technicznej w turbinie att. Sprawność teoretyczną
obiegu z przegrzewaniem pary można więc obliczyć po wyznaczeniu odpowiednich pól jako:
1- 2a - 3 - 4 - 5 - 6 -1
�tR =
A - 3 - 4 - 5 - 6 -1- 2a - B - A
Rys.1.3 Obieg Rankine a z użyciem pary przegrzanej (wykres i-s)
Na wykresie i-s wielkościom att, qdk, qws odpowiadają określone różnice entalpii (Rys.1.3),
zatem wzór na sprawność teoretyczną obiegu z przegrzewem pary jest następujący:
att i1 - i2a
�tR = =
qdk i1 - iwz
a wzór dokładniejszy, w którym uwzględnia się pracę pompowania:
att - atp i1 - i2a - (i4 - iwz )
�'tR = =
qdp i1 - iwz - (i4 - iwz )
2. Sprawność bloku energetycznego konwencjonalnej elektrowni parowej.
Sprawność bloku energetycznego brutto przedstawia poniższy wzór:
Pel
�elb = �k�r�tR�w�m�g =
BQw
Pel  Moc elektryczna na zaciskach generatora [kW]
B  strumień masowy paliwa kierowany do kotła [kg/s]
Qw  wartość opałowa paliwa [kJ/kg]
W tabeli przedstawiono osiągane wartości sprawności przetwarzania energii
w elektrowniach parowych.
Sprawność Symbol Elektrownie krajowe Wartości maksymalne
Kotła �k 0,7-0,9 0,935
Rurociągów �r 0,98-0,99 0,99
Teoretyczna obiegu
�tR 0,37-0,44 0,54
Rankine a
Wewnętrzna turbiny �w 0,70-0,87 0,91
Mechaniczna
�m 0,96-0,985 0,99
turbozespołu
Generatora �g 0,95-0,98 0,99
Ogólna bloku (brutto) �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 T1 na sprawność obiegu Rankine a (wykres T-s)
Na rysunku 4.1 przedstawiono wpływ temperatury pary świeżej T1 na sprawność
obiegu Rankine a, zwiększona została temperatura od T1 (punktu 1 ) do temperatury T1
(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: �tC  Carnota,
�
�
�
�t  Rankine a
�
�
�
Podsumowując:
Wzrost temperatury pary T1 powoduje:
- zwiększenie rozbieżności między obiegiem Rankine a a obiegiem Carnota
- wzrost sprawności wskutek podwyższenia temperatury górnego z
ródła ciepła
- wzrost suchości pary na wylocie turbiny
b) Podniesienie ciśnienia pary świeżej
Rys. 4.3 Wpływ zwiększania ciśnienia pary p1 (wykres T-s) na sprawność obiegu Rankine a
Na rysunku 4.3 przedstawiono wpływ podwyższania ciśnienia pary świeżej T1 na
sprawność obiegu Rankine a, zwiększone zostało ciśnienie od p1 do p1 .
Zwiększanie ciśnienia pary przegrzanej, przy stałej temperaturze T1 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
żłobieniu 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
świeżej uważa się dziś ciśnienie nadkrytyczne p1 = 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 p1 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 p2 (wykres T-s) na sprawność obiegu Rankine a
Na rysunku 4.4 przedstawiono wpływ obniżania ciśnienia w skraplaczu p2 na
sprawność obiegu Rankine a, zmniejszone zostało ciśnienie od p2 do p2 .
W miarę obniżania ciśnienia maleje ilość ciepła oddawanego do dolnego z
ródła,
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 z
ródłem 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
średniej temperatury powietrza, a zwłaszcza wody używanej do chłodzenia skraplacza.
Podsumowując: Obniżanie ciśnienia pary w skraplaczu p2 powoduje:
- wzrost sprawności wskutek obniżenia temperatury dolnego z
ródła 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 - ę!
TOUT [oC] 100 - 535
Kocioł
ETHAB [ - ] sprawność kotła 0.5 - 0.95
(Boiler)
1
wartość opałowa
LHV [kJ/kg] 6000 - 38000
paliwa
EXFUEL [kJ/kg] j.w. j.w.
GDCODE [ - ] 2
Turbina
1
Sprawność
(Turbine)
ETHAI [ - ] 0.5 - 0.95
wewnętrzna turbiny
POUT [bar] 1 - ę!
Pompa
1
(Pump)
ETAHI [ - ] 0.4  0.95
EEQCOD [ - ] - 1
DELP1 [bar] 0 - ę!
Spadek temperatury
DELT1 [oC] wody chłodzącej 5  25
Skraplacz
skraplacz
(Condenser)
2
DELTH 0-5
DELP2 [bar] 0 - ę!
SATCOD [ - ] - 0
POUT [bar] 1 - ę!
Zbiornik
2
DELP [bar] 1 - ę!
(Sink)
TOUT [oC] 5 - ę!
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  z
ródło 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], Qw  wartość opałowa paliwa [kJ/kg], D  wydajność kotła [kg/s]
Dwch  natężenie przepływu wody chłodzącej [kg/s], i - entalpia czynnika [kJ/kg]
Po przeprowadzonej symulacji wypełnić poniższą tabele.
Tabela pomiarów i obliczeń
io [kJ/kg] i k [kJ/kg] i k [kJ/kg] iwz [kJ/kg]
D[kg/s] Dwch[kg/s] B[kg/s] �elb
B[kg/s]  obliczyć z bilansu kotła energetycznego
Diwz - Di0 + BQw�k = 0
II. Poprawa sprawności
W drugim etapie ćwiczenia należy zbadać metody poprawy sprawności:
a. Podwyższanie temperatury górnego z
ródła 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 t1 [� Sprawność elektrowni brutto �elb
�C] �
� �
� �
Sporządzić wykres T-s dla maksymalnej wartości temperatury.
b. Podwyższanie ciśnienia górnego z
ródła 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 p1 [bar] Sprawność elektrowni brutto �elb
�
�
�
10
200
Sporządzić wykres T-s dla maksymalnej wartości ciśnienia.
c. Obniżanie ciśnienia w dolnym z
ródle ciepła (Regulacja TOUT
w zbiorniku (sink/source))
Przy stałych parametrach górnego z
ródła 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 p2 [bar] Sprawność elektrowni brutto �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 �elb = f(t1), �elb = f(p1), �elb = f(p2)
Wykresy T-s dla maksymalnej wartości t1, dla maksymalnej wartości p1,
dla minimalnej wartości p2
Wykresy oraz wyniki obliczeń wskazane przez prowadzącego!!!
Szczegółowe wnioski !!!
&
&
&
&
&
&
&
&