Ժամանակակից գոլորշու շարժիչների ջերմային արդյունավետության հաշվարկը

Ժամանակակից գոլորշու շարժիչների ջերմային արդյունավետության հաշվարկը

Գոլորշու շարժիչները հաճախ համարվում են արդյունաբերական հեղափոխության «դասական» տեխնոլոգիա։ Այնուամենայնիվ, դրանց սկզբունքներն ու զարգացումները մնում են արդիական այսօր, մասնավորապես՝ ածխով աշխատող էլեկտրակայաններում (PLTU), համակցված ջերմային և էլեկտրաէներգիայի (CHP) կայանքներում և վերամշակող արդյունաբերության շոգետուրբինային համակարգերում։ «Ժամանակակից շոգեշարժիչները» վերաբերում են Ռանկինի ցիկլի վրա հիմնված էլեկտրաէներգիայի արտադրության համակարգերին, որոնք շատ ավելի արդյունավետ են, քան ավանդական փոխադարձ շոգեշարժիչները, օգտագործելով բարձր ճնշում և ջերմաստիճան, գերտաքացուցիչներ, վերատաքացուցիչներ և վերականգնողական տաքացում՝ սնուցող ջրատաքացուցիչների միջոցով։ Այս համակարգերի աշխատանքը հասկանալու համար միշտ հաշվարկվող հիմնական պարամետրներից մեկը ջերմային արդյունավետությունն է։

1. Ջերմային արդյունավետության հիմնական հասկացությունը

Գոլորշու շարժիչի ջերմային արդյունավետությունը նկարագրում է, թե մուտքային ջերմային էներգիայի (վառելիքի կամ ջերմային աղբյուրի այրումից) որքանն է հաջողությամբ վերածվում օգտակար աշխատանքի, սովորաբար տուրբինի լիսեռի հզորության կամ գեներատորի էլեկտրական հզորության տեսքով: Ընդհանուր առմամբ, ջերմային արդյունավետությունը սահմանվում է որպես՝

\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

Որտեղ՝
– \( W_{net} \)-ն ցիկլի զուտ աշխատանքն է (տուրբինի աշխատանքը հանած պոմպի աշխատանքը):
– \(Q_{in} \)-ն ցիկլին մուտքային ջերմությունն է, որը սովորաբար տեղի է ունենում կաթսայում և/կամ գերտաքացուցիչում։

Իդեալական Ռանկինի ցիկլում հիմնական բաղադրիչներն են պոմպը, կաթսան, տուրբինը և խտացուցիչը։ Գոլորշին մղվում է (մատակարարման ջուր) բարձր ճնշման տակ, տաքացվում է մինչև գոլորշի (հագեցած կամ գերտաքացված), ընդարձակվում է տուրբինում՝ աշխատանք ստանալու համար, ապա խտանում է խտացուցիչում՝ կրկին հեղուկի վերածվելով, նախքան պոմպ վերադառնալը։ Ջերմային արդյունավետությունը հիմնական չափանիշն է, որը ցույց է տալիս, թե որքան արդյունավետ է գոլորշու շարժիչը օգտագործում ջերմային էներգիան։

2. Իդեալական ընդդեմ իրական Ռանկինի ցիկլի

Սկզբնական հաշվարկներում ինժեներները հաճախ սկսում են իդեալական Ռանկինի ցիկլից՝ արդյունավետության վերին սահմանի մասին պատկերացում կազմելու համար: Իդեալական ենթադրությունները սովորաբար հետևյալն են.
1. Իզենտրոպիկ (անկորուստ) պոմպային և տուրբինային գործընթաց։
2. Կաթսայում, խողովակներում, գերտաքացուցիչում, վերատաքացուցիչում և խտացուցիչում ճնշման անկում չկա։
3. Ջերմության կորուստ շրջակա միջավայրին։
4. Խտացումը և տաքացումը տեղի են ունենում հաստատուն ճնշման տակ։

Իրական աշխարհի պայմաններում այս ենթադրությունները լիովին չեն բավարարվում: Պոմպերի և տուրբինների շփման կորուստները, ճնշման կորուստները և իզենտրոպիկ արդյունավետությունը 100%-ից պակաս են: Հետևաբար, իրական ջերմային արդյունավետությունը միշտ ցածր է իդեալական արժեքից, և հաշվարկները պետք է ներառեն այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են՝
– Տուրբինի իզենտրոպիկ արդյունավետություն (\(\eta_t\))
– Պոմպի իզենտրոպիկ արդյունավետությունը (\(\eta_p\))
– Ջերմության կորուստ (ջերմության կորուստ)
- Ճնշման անկում

3. Ջերմային արդյունավետության հաշվարկման քայլեր (ընդհանուր շրջանակ)

Ժամանակակից գոլորշու շարժիչի (Ռանկինի մեթոդով) ջերմային արդյունավետությունը հաշվարկելու համար ընդհանուր քայլերն են՝

ա) Որոշեք վիճակի կետերը
Սովորաբար նշվում է որպես՝
1. Խտացուցիչի ելք / պոմպի մուտք (խտացուցիչի ճնշման տակ հագեցած հեղուկ)
2. Պոմպի ելք / կաթսայի մուտք (բարձր ճնշման սնուցող ջուր)
3. Կաթսայի/գերտաքացուցիչի ելք/տուրբինի մուտք (հագեցած կամ գերտաքացված չոր գոլորշի)
4. Տուրբինի ելք / կոնդենսատորի մուտք (գոլորշու-ջրի խառնուրդ կամ գերտաքացված խոնավություն)

Վերատաքացուցիչներով և վերականգնմամբ ցիկլերում վիճակի կետերի քանակը մեծանում է: Խոշոր էլեկտրակայանների ժամանակակից գոլորշու շարժիչները սովորաբար ունեն մի քանի տուրբինային արդյունահանման փուլեր և սնուցող ջրի ջեռուցիչներ, ինչը վերլուծությունն ավելի բարդ է դարձնում, բայց սկզբունքը մնում է նույնը՝ կատարել էներգիայի հաշվեկշիռ յուրաքանչյուր բաղադրիչի համար:

բ) Վերցրեք ջերմադինամիկական հատկությունների տվյալները
Պահանջվող հիմնական հատկությունները.
– Էնթալպիա (\(h\)) յուրաքանչյուր կետում
– Էնտրոպիա (\(s\)) իզենտրոպ պրոցեսների համար
– Ճնշում (\(P\)) և ջերմաստիճան (\(T\))
– Գոլորշու որակը (\(x\)) երկֆազային տիրույթում

Այս տվյալները սովորաբար վերցված են Steam աղյուսակներից կամ ծրագրերից (EES, REPPROP, Aspen կամ IAPWS/IF97 գույքի հաշվիչներ):

գ) Հաշվարկել պոմպի աշխատանքը
Պոմպի իդեալական աշխատանքը կարելի է գնահատել հետևյալ կերպ.

\[
W_p \մոտավորապես v_f (P_2 – P_1)
\]

որտեղ \(v_f\)-ն պոմպի մուտքի մոտ հեղուկի տեսակարար ծավալն է (մ³/կգ): Իրական պոմպի համար՝

\[
W_{p,իրական} = \frac{W_{p,իդեալ}}{\eta_p}
\]

Այնուհետև պոմպից դուրս եկող էնթալպիան՝
\[
h_2 = h_1 + W_{p,իրական}
\]

դ) Հաշվարկել կաթսայի ջերմային մուտքը
Ընդհանուր ջերմային մուտքը.
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]

Եթե ​​առկա է գերտաքացուցիչ, \(h_3\) արժեքը տուրբինի մուտքի մոտ գերտաքացած գոլորշու էնթալպիան է։ Եթե առկա է վերատաքացուցիչ, ապա կա երկրորդ լրացուցիչ ջերմային մուտք։
\[
Q_{in,total} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(կախված դիագրամի վրա կետերի համարակալումից):

ե) Հաշվարկել տուրբինի աշխատանքը
Իդեալական (իզենտրոպիկ) տուրբինի համար \(s_3 = s_{4s}\) և \(h_{4s}\) հավասարումները ստացվում են աղյուսակից։ Իրական տուրբինի համար՝

\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,actual}}{h_3 – h_{4s}}
\Աջ սլաք h_{4,իրական} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]

Տուրբինի շահագործում.
\[
W_t = h_3 – h_{4,իրական}
\]

Եթե ​​կան մի քանի ընդարձակման կամ վերատաքացման փուլեր, տուրբինի ընդհանուր աշխատանքը յուրաքանչյուր փուլի գումարն է։

զ) Հաշվարկել ցանցային աշխատանքը և ջերմային արդյունավետությունը
\[
W_{զուտ} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

Սա ցիկլի ջերմային արդյունավետության հաշվարկի միջուկն է։

4. Նկարազարդ օրինակ (պարզ)

Ենթադրենք, որ պարզ ժամանակակից Ռանկինի ցիկլը ունի տվյալներ (էնթալպիաների տեսքով), որոնք արդեն ստացվել են գոլորշու աղյուսակներից և հաշվի է առնում բաղադրիչների արդյունավետությունը։
– \(h_1 = 191 \, \text{կՋ/կգ}\) (խտացուցիչից դուրս եկող հագեցած հեղուկ)
– \(h_2 = 200 \, \text{կՋ/կգ}\) (պոմպի ելք, իրական)
– \(h_3 = 3500 \, \text{կՋ/կգ}\) (գերտաքացված գոլորշի մտնում է տուրբին)
– \(h_4 = 2400 \, \text{կՋ/կգ}\) (տուրբինի ելքային հզորություն, իրական)

Այսպիսով՝
– Տուրբինի աշխատանք՝ \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{կՋ/կգ}\)
– Պոմպի աշխատանք՝ \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{կՋ/կգ}\)
– Զուտ աշխատանք՝ \(W_{զուտ} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{կՋ/կգ}\)
– Ջերմային մուտք՝ \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{կՋ/կգ}\)

Ջերմային արդյունավետություն՝
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \մոտավորապես 33.1\%
\]

Այս արժեքը ողջամիտ է բավականին լավ Ռանկինի ցիկլի համար, սակայն ժամանակակից գերգերկրիտիկական էլեկտրակայանները կարող են ավելի բարձր լինել, երբ դիտարկվում են որպես կայանի զուտ արդյունավետություն (չնայած դեռևս ազդում են կաթսայի, կոնդենսատորի և օժանդակ բեռի կորուստների վրա):

5. Ժամանակակից գոլորշու շարժիչների արդյունավետությունը բարձրացնող գործոններ

ա) Բարձրացնել տուրբին մտնող գոլորշու ջերմաստիճանը և ճնշումը
Որքան բարձր է ջերմության ավելացման միջին ջերմաստիճանը, այնքան բարձր է արդյունավետությունը (համաձայն Կարնոյի սկզբունքի): Գերկրիտիկական և գերգերկրիտիկական տեխնոլոգիաները թույլ են տալիս աշխատել ջրի կրիտիկական կետից (22,1 ՄՊա) բարձր ճնշման տակ՝ նվազեցնելով փուլային փոփոխությունների հետ կապված կորուստները և բարձրացնելով արդյունավետությունը:

բ) Կոնդենսատորի ճնշման իջեցում (ավելի լավ վակուում)
Խտացուցիչի ճնշման իջեցումը մեծացնում է տուրբինի ընդարձակման տիրույթը, այդպիսով բարձրացնելով տուրբինի աշխատանքը: Սակայն սա սահմանափակվում է սառեցման ջրի ջերմաստիճանով, խտացուցիչի չափսերով և տուրբինի վերջնական փուլերում բարձր խոնավության մակարդակի ռիսկով:

գ) Վերատաքացման ցիկլ
Վերատաքացուցիչը մասնակի ընդարձակումից հետո վերատաքացնում է գոլորշին, ապա վերստին ընդարձակում այն։ Արդյունքը բարձրացնում է արդյունավետությունը և ցածրացնում է խոնավության մակարդակը տուրբինի ելքում (ավելի անվտանգ է տուրբինի թևերի համար)։

դ) Վերականգնում (սնուցող ջրի տաքացում)
Տուրբինից որոշակի քանակությամբ գոլորշի վերցնելով՝ սնուցող ջուրը տաքացնելու համար կաթսան կարիք չունի այնքան ջերմություն մատակարարելու՝ եռման կետին հասնելու համար: Վերականգնումը բարելավում է ցիկլի արդյունավետությունը, չնայած այն նվազեցնում է տուրբինի աշխատանքային ծանրաբեռնվածությունը, քանի որ որոշակի քանակությամբ գոլորշի ցածր ճնշման դեպքում աշխատանք չի արտադրում:

6. Ցիկլի ջերմային արդյունավետության և արտադրության արդյունավետության միջև տարբերությունը

Կարևոր է տարբերակել.
– Ռանկինի ցիկլի ջերմային արդյունավետությունը՝ հիմնված ցիկլի բաղադրիչների \(W_{net}/Q_{in}\)-ի վրա։
– Զուտ արտադրողական արդյունավետություն. հաշվի է առնում այրման կորուստները, կաթսայի արդյունավետությունը, գեներատորի կորուստները, օժանդակ բեռները (պոմպեր, օդափոխիչներ, փոխակրիչներ) և ներքին փոխանցման կորուստները։

Ածխով աշխատող էլեկտրակայաններում կաթսայի արդյունավետությունը և համակարգի կորուստները կարող են զգալի լինել: Հետևաբար, նույնիսկ եթե ցիկլի ջերմային արդյունավետությունը բարձր է թվում, ընդհանուր զուտ արդյունավետությունը կարող է ավելի ցածր լինել:

7. Եզրակացություն

Ժամանակակից գոլորշու շարժիչներում ջերմային արդյունավետության հաշվարկները հիմնականում հիմնված են Ռանկինի ցիկլի էներգետիկ հաշվեկշռի վրա՝ հաշվարկելով տուրբինի աշխատանքը, պոմպի աշխատանքը և կաթսային (և վերատաքացուցիչին, եթե այդպիսիք կան) մուտքագրվող ջերմությունը: Ճշգրտության բանալին վիճակային կետերի և թերմոդինամիկ հատկությունների (էնթալպիա, էնտրոպիա, գոլորշու որակ) ճշգրիտ որոշումն է, ինչպես նաև իրական աշխարհի պայմանների ներառումը, ինչպիսիք են իզենտրոպիկ արդյունավետությունը և ճնշման անկումը: Ջերմային արդյունավետությունը համակարգի աշխատանքի հիմնական ցուցանիշն է և օպտիմալացումների գնահատման հիմքը, ինչպիսիք են ջերմաստիճանի/ճնշման բարձրացումը, վերատաքացումը, վերականգնումը և խտացուցիչի բարելավումները:

Եթե ​​ցանկանում եք, կարող եմ ավելացնել ավելի «ժամանակակից» հաշվարկի օրինակ (օրինակ՝ վերատաքացման ցիկլ + 1–2 սնուցող ջրի ջեռուցիչներ)՝ վիճակի կետային աղյուսակներով և Ts դիագրամներով՝ PLTU-ի իրական դեպքի ուսումնասիրությունը մոտավորապես ներկայացնելու համար։