Ռանկինի ցիկլի կիրառումը գոլորշու էլեկտրակայաններում

Ռանկինի ցիկլի կիրառումը գոլորշու էլեկտրակայաններում

Գոլորշու էլեկտրակայանները (ԳԷԿ) աշխարհում էլեկտրաէներգիայի արտադրության ամենատարածված տեխնոլոգիաներից մեկն են: Դրանց աշխատանքային սկզբունքն օգտագործում է ջերմային էներգիան՝ ջուրը բարձր ճնշման և բարձր ջերմաստիճանի գոլորշու վերածելու համար, այնուհետև գոլորշու էներգիան տուրբինի միջոցով վերածում է մեխանիկական էներգիայի, որը գեներատորի միջոցով վերածվում է էլեկտրական էներգիայի: ԳԷԿ-ում էներգիայի փոխակերպման գործընթացի միջուկը Ռանկինի ցիկլն է, որը հատուկ գոլորշու էներգիայի համակարգերի համար մշակված ջերմադինամիկ ցիկլ է: Այս հոդվածը քննարկում է Ռանկինի ցիկլի կիրառումը ԳԷԿ-ում, դրա հիմնական բաղադրիչները, գործընթացի հաջորդականությունը և գործնականում արդյունավետության ընդհանուր բարելավումները:

Ռանկինի ցիկլի հիմնական հասկացությունը

Ռանկինի ցիկլը իդեալականացված թերմոդինամիկ ցիկլ է, որը նկարագրում է աշխատանքային հեղուկի (սովորաբար ջրի/գոլորշու) էներգիայի փոփոխությունները փակ համակարգում: Այս ցիկլը ածխով աշխատող էլեկտրակայանների նախագծման հիմքն է, քանի որ այն հարմար է էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար՝ օգտագործելով ինչպես հեղուկ, այնպես էլ գոլորշու փուլեր: Իր իդեալական տեսքով Ռանկինի ցիկլը բաղկացած է չորս հիմնական գործընթացներից՝ սնուցող ջրի մղում, կաթսայում այն ​​տաքացնել մինչև գոլորշի, տուրբինում գոլորշին ընդարձակել՝ աշխատանք ստանալու համար, և գոլորշին կրկին ջրի խտացնել խտացուցիչում:

Չնայած իրականում կա էներգիայի կորուստ (շփում, ճնշման անկում, ջերմափոխանակման անկատարություն), Ռանկինի ցիկլի մոդելը հենք է հանդիսանում կատարողականը վերլուծելու և արդյունավետ շահագործման կետերը որոշելու համար։

Ռանկինի ցիկլում գոլորշու էլեկտրակայանի հիմնական բաղադրիչները

Ռանկինի ցիկլի կիրառումը ածխով աշխատող էլեկտրակայանում ներառում է մի քանի հիմնական բաղադրիչներ՝

1. Պոմպ (սնուցող ջրի պոմպ)
Դրա գործառույթը կոնդենսատային ջրի ճնշումը ցածր ճնշումից (կոնդենսատորի ելք) բարձրացնելն է բարձր ճնշման, որպեսզի այն կարողանա մտնել կաթսա։ Քանի որ հեղուկը մղելու համար համեմատաբար քիչ աշխատանք է պահանջվում գազի սեղմման համեմատ, Ռանկինի ցիկլում պոմպի աշխատանքը սովորաբար փոքր է տուրբինի աշխատանքից։

2. Կաթսա (գոլորշու գեներատոր)
Կաթսաները ջերմություն են մատակարարում բարձր ճնշման ջրին, մինչև այն վերածվի գոլորշու: Ջերմությունն առաջանում է վառելիքի (ածուխ, կենսազանգված, նավթ կամ գազ) այրման կամ այլ աղբյուրների միջոցով, ինչպիսիք են ատոմակայանի միջուկային ռեակտորից ստացված ջերմությունը: Ավանդական ածխով աշխատող էլեկտրակայաններում կաթսաները բաղկացած են մի քանի գոտիներից՝ էկոնոմայզեր (նախատաքացում), գոլորշիացնող (գոլորշիացում) և գերտաքացուցիչ (գերտաքացում):

3. Գոլորշու տուրբին
Տուրբինները ջերմային էներգիան և գոլորշու ճնշումը վերածում են մեխանիկական աշխատանքի՝ ընդարձակման միջոցով: Տուրբինի լիսեռը միացված է գեներատորին՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Տուրբինները սովորաբար բաղկացած են մի քանի փուլերից՝ ընդարձակման արդյունավետությունը բարձրացնելու համար:

4. Խտացուցիչ
Կոնդենսատորը սառեցնում է տուրբինի արտանետվող գոլորշին՝ այն կրկին վերածելով ջրի: Ստեղծելով ցածր արտանետվող ճնշում (հարաբերական վակուում), կոնդենսատորը նպաստում է տուրբինի աշխատանքի և ընդհանուր արդյունավետության բարելավմանը: Սառեցումը սովորաբար իրականացվում է ծովի ջրի, գետի ջրի կամ սառեցման աշտարակի համակարգի միջոցով:

Ռանկինի ցիկլի պրոցեսների հաջորդականությունը գոլորշու էլեկտրակայանում

Ռանկինի ցիկլի կիրառումը կարելի է բացատրել հետևյալ չորս գործընթացային փուլերի միջոցով՝

1) Պոմպային գործընթաց (1 → 2)
Խտացուցիչից եկող կոնդենսատը գտնվում է ցածր ճնշման և համեմատաբար ցածր ջերմաստիճանի տակ։ Պոմպը մեծացնում է ճնշումը մինչև կաթսայի աշխատանքային ճնշումը։ Այս փուլում ջերմաստիճանը փոքր-ինչ բարձրանում է, բայց հիմնական փոփոխությունը ճնշման աճն է։ Պոմպի կողմից պահանջվող էներգիան գալիս է գեներատորի ներքին հզորությունից, բայց դրա ներդրումը համեմատաբար փոքր է տուրբինի կողմից արտադրվող էներգիայի համեմատ։

2) Ջերմության ավելացման գործընթացը կաթսայում (2 → 3)
Բարձր ճնշման ջուրը մտնում է կաթսա և տաքացվում։ Սկզբում ջուրը տաքացվում է մինչև եռման կետ (զգայուն տաքացում), այնուհետև այն փոխում է փուլը՝ վերածվելով հագեցած գոլորշու (թաքնված տաքացում), իսկ ածխով աշխատող շատ էլեկտրակայանների նախագծերում գոլորշին հետագայում տաքացվում է մինչև գերտաքացած գոլորշի։ Գերտաքացումը կարևոր է, քանի որ տուրբին մտնող ավելի չոր գոլորշին նվազեցնում է տուրբինի թևերի ջրի կաթիլներից քայքայման ռիսկը։

Այստեղ է, որ վառելիքի քիմիական էներգիան աշխատանքային հեղուկում փոխակերպվում է ջերմային էներգիայի: Այրման արդյունավետությունը, ջերմափոխանակումը և կաթսայի նախագծումը զգալիորեն ազդում են կայանի աշխատանքի վրա:

3) Տուրբինում ընդարձակման գործընթաց (3 → 4)
Բարձր ճնշման գոլորշին հոսում է տուրբինի մեջ և ընդարձակվում՝ նվազեցնելով դրա ճնշումը և ջերմաստիճանը՝ միաժամանակ մեխանիկական աշխատանք առաջացնելով լիսեռի վրա։ Այս աշխատանքն այնուհետև շարժման մեջ է դնում գեներատորը։ Իդեալական պայմաններում ընդարձակումը համարվում է իզենտրոպիկ (հաստատուն էնտրոպիա), բայց իրական պայմաններում անշրջելիությունը նվազեցնում է տուրբինի աշխատանքը։

Տուրբինի ծայրամասում գոլորշու որակը կարևորագույն մտահոգություն է: Եթե գոլորշին չափազանց խոնավ է, ջրի կաթիլները կարող են հարվածել տուրբինի թևերին և առաջացնել կոռոզիա/էրոզիա: Հետևաբար, էլեկտրակայանները սովորաբար ձգտում են տուրբինի ելքում պահպանել գոլորշու ցածր խոնավության մակարդակ:

4) Խտացման գործընթացը խտացուցիչում (4 → 1)
Տուրբինի արտանետվող գոլորշին մտնում է խտացուցիչ և ջերմություն է արտանետում սառեցնող միջավայրին, խտացնելով այն ջրի մեջ։ Այս գործընթացը տեղի է ունենում ցածր ճնշման տակ։ Էներգիայի տեսանկյունից, խտացուցիչում արտանետվող ջերմությունը ներկայացնում է ջերմային «կորուստ», որը չի կարող վերածվել աշխատանքի, բայց դեռևս անհրաժեշտ է ցիկլի կրկնության և արտանետվող հեղուկի ցածր ճնշումը պահպանելու համար, ինչը բարձրացնում է տուրբինի աշխատանքը։

Այնուհետև խտացրած ջուրը վերադառնում է պոմպ՝ ցիկլը կրկնելու համար։

Ռանկինի ցիկլի արդյունավետության պատճառները գոլորշու էլեկտրակայանների համար

Ռանկինի ցիկլը շատ արդյունավետ է, քանի որ՝
– Ջրի օգտագործումը որպես աշխատանքային հեղուկ, որը էժան է, անվտանգ և ունի լավ ջերմային բնութագրեր։
– Օգտագործում է հեղուկ-գոլորշի փուլային փոփոխությունը, որը թույլ է տալիս կլանել մեծ քանակությամբ ջերմություն։
– Կարող է օպտիմալացվել՝ տուրբին մտնող գոլորշու ջերմաստիճանը և ճնշումը բարձրացնելով և խտացուցիչի ճնշումը նվազեցնելով։
– Աջակցում է արդյունավետությունը բարձրացնող տեխնոլոգիաների, ինչպիսիք են վերատաքացումը և վերականգնողական տաքացումը, ներդրմանը։

Արդյունավետության բարելավում. փոփոխված Ռանկինի ցիկլ

Գործնականում, ածխով աշխատող էլեկտրակայանները հազվադեպ են օգտագործում պարզ Ռանկինի ցիկլը: Արդյունավետությունը բարելավելու և սարքավորումների հուսալիությունը պահպանելու համար սովորաբար օգտագործվում են մի քանի փոփոխություններ.

1) Գերտաքացուցիչ և գերգերկրիտիկական
Տուրբինից առաջ գոլորշու ջերմաստիճանի բարձրացումը (գերտաքացումը) մեծացնում է ջերմային արդյունավետությունը՝ մեծացնելով տուրբինում արդյունահանվող էներգիայի տարբերությունը: Որոշ ժամանակակից ածխային էլեկտրակայաններ աշխատում են գերկրիտիկական կամ գերգերկրիտիկական պայմաններում՝ աշխատելով այնպիսի բարձր ճնշումների և ջերմաստիճանների պայմաններում, որ կաթսայում չկա հստակ հեղուկ-գոլորշի փուլային սահման: Այս տեխնոլոգիան կարող է բարձրացնել արդյունավետությունը, բայց պահանջում է նյութեր, որոնք կարող են դիմակայել բարձր ջերմաստիճաններին/ճնշումներին:

2) Վերատաքացնել
Վերատաքացման ցիկլում բարձր ճնշման տուրբինում մասամբ ընդարձակված գոլորշին վերադարձվում է կաթսա՝ վերատաքացման համար, այնուհետև մատակարարվում է միջին/ցածր ճնշման տուրբինին։ Նպատակն է՝
– մեծացնել տուրբինի ընդհանուր աշխատանքը,
– նվազեցնել գոլորշու խոնավությունը տուրբինի վերջնական փուլերում,
- բարելավել ցիկլի արդյունավետությունը։

3) Վերականգնողական սնուցող ջրի տաքացում
Որոշակի տուրբինային փուլերից որոշակի գոլորշի է ներծծվում (արտանետվող գոլորշի)՝ սնուցող ջուրը տաքացնելու համար, նախքան այն սնուցող ջրի տաքացուցիչով կաթսա մտնելը: Սնուցող ջրի ջերմաստիճանը բարձրացնելով՝ կաթսայի ջերմային պահանջները նվազում են, իսկ արդյունավետությունը՝ բարձրանում: Այս համակարգը կարող է օգտագործել բաց ջեռուցիչ (դեզատոր) կամ փակ ջեռուցիչ (փակ ջեռուցիչ):

4) Կոնդենսատորի և սառեցման համակարգի նորոգում
Խտացուցիչի ճնշման իջեցումը (վակուումի մեծացումը) կմեծացնի տուրբինի էնթալպիայի անկումը և կբարձրացնի ելքային հզորությունը: Այնուամենայնիվ, սա կախված է սառեցման համակարգի ջերմությունը ցրելու ունակությունից: Հետևաբար, խտացուցիչի որակը, խողովակի մաքրությունը և սառեցնող ջրի ջերմաստիճանը կարևոր են աշխատանքի համար:

Ռանկինի ցիկլի ներդրման գործառնական մարտահրավերները

Առավելություններից բացի, Ռանկինի ցիկլի կիրառումը PLTU-ում բախվում է հետևյալ մարտահրավերներին.
– Էներգիայի կորուստներ՝ շփման հոսքի, արտահոսքի և ոչ իդեալական ջերմափոխանակման պատճառով։
– Ջրի որակը և կոռոզիան. սնուցող ջուրը պետք է խստորեն մշակվի՝ կաթսաներում և տուրբիններում նստվածքի առաջացումը և կոռոզիան կանխելու համար։
– Արտանետումներ և շրջակա միջավայր. ածխով աշխատող էլեկտրակայաններում այրումը առաջացնում է CO₂, SOx, NOx և մասնիկներ, ուստի անհրաժեշտ են արտանետումների վերահսկման սարքավորումներ:
– Նյութական սահմանափակումներ. բարձրացված ջերմաստիճանը և ճնշումը պահանջում են հատուկ նյութեր, որոնք թանկ են և բարդ են պահպանման համար։

Եզրակացություն

Ռանկինի ցիկլը ածխով աշխատող էլեկտրակայանների (ԱԷԿ) շահագործման հիմքում է, քանի որ այն թույլ է տալիս ջերմային էներգիայի բազմակի փոխակերպումը մեխանիկական և էլեկտրական էներգիայի՝ չորս հիմնական գործընթացների միջոցով՝ մղում, տաքացում, ընդարձակում և խտացում: Իրական իրականացման ընթացքում այս ցիկլը փոփոխվում է այնպիսի տեխնոլոգիաներով, ինչպիսիք են գերտաքացուցիչները, վերատաքացուցիչները, վերականգնողական տաքացումը և խտացուցիչի օպտիմալացումը՝ արդյունավետությունը բարձրացնելու և տուրբինի հուսալիությունը պահպանելու համար: Չնայած էներգիայի կորստի, ջրի որակի և շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության հետ կապված մարտահրավերներին, Ռանկինի ցիկլի ներդրումը մնում է գոլորշու էլեկտրակայանների համար հիմնական ընտրությունը՝ իր ճկունության, տեխնոլոգիական հասունության և անհրաժեշտության դեպքում արտադրողականությունը մեծացնելու ունակության շնորհիվ:

Եթե ​​ցանկանում եք, կարող եմ նաև ավելացնել գործընթացի հոսքի դիագրամ կամ T–s (ջերմաստիճան-էնտրոպիա) կորի վրա հիմնված բացատրություն՝ ցիկլն ավելի տեսողական և տեխնիկական դարձնելու համար։