Бу электр станцияларында Ранкин циклін қолдану
Бу электр станциялары (PLTU) әлемдегі ең кең таралған электр энергиясын өндіру технологияларының бірі болып табылады. Олардың жұмыс принципі суды жоғары қысымды және жоғары температуралы буға айналдыру үшін жылу энергиясын пайдаланады, содан кейін бу энергиясын турбина арқылы механикалық энергияға айналдырады, содан кейін ол генератор арқылы электр энергиясына айналады. PLTU-дағы энергияны түрлендіру процесінің негізі - бу энергетикалық жүйелері үшін арнайы жасалған термодинамикалық цикл - Ранкин циклі. Бұл мақалада PLTU-да Ранкин циклін қолдану, оның негізгі компоненттері, процесс тізбегі және практикадағы жалпы тиімділікті жақсартулар талқыланады.
Ранкин циклінің негізгі тұжырымдамасы
Ранкин циклі - тұйық жүйедегі жұмыс сұйықтығындағы (әдетте су/бу) энергия өзгерістерін сипаттайтын идеалдандырылған термодинамикалық цикл. Бұл цикл көмірмен жұмыс істейтін электр станциясын жобалаудың негізі болып табылады, себебі ол сұйық және бу фазаларын пайдаланып энергия өндіруге жарамды. Идеал түрінде Ранкин циклі төрт негізгі процестен тұрады: қоректік суды айдау, оны қазандықта буға айналдыру үшін қыздыру, турбинадағы буды жұмыс өндіру үшін кеңейту және буды конденсатордағы суға қайта конденсациялау.
Шын мәнінде энергия шығыны (үйкеліс, қысымның төмендеуі, жылудың жетілмеген берілуі) болғанымен, Rankine Cycle моделі өнімділікті талдау және тиімді жұмыс нүктелерін анықтау үшін анықтама болып табылады.
Ранкин цикліндегі бу электр станциясының негізгі компоненттері
Ранкин циклін көмірмен жұмыс істейтін электр станциясында қолдану бірнеше негізгі компоненттерді қамтиды:
1. Сорғы (су сорғысы)
Оның қызметі - конденсат суының қысымын төмен қысымнан (конденсатор шығысы) жоғары қысымға дейін арттыру, сонда ол қазандыққа кіре алады. Сұйықтықты айдау газды сығымдаумен салыстырғанда салыстырмалы түрде аз жұмысты қажет ететіндіктен, Ранкин цикліндегі сорғының жұмысы әдетте турбинаның жұмысынан аз болады.
2. Қазандық (бу генераторы)
Қазандықтар жоғары қысымды суға буға айналғанша жылу береді. Жылу отынды (көмір, биомасса, мұнай немесе газ) жағу немесе атом электр станциясындағы ядролық реактордан шығатын жылу сияқты басқа көздерден пайда болады. Дәстүрлі көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларында қазандықтар бірнеше аймақтан тұрады: экономайзер (алдын ала қыздыру), буландырғыш (буландыру) және аса қыздырғыш (аса қыздыру).
3. Бу турбинасы
Турбиналар жылу энергиясын және бу қысымын кеңейту арқылы механикалық жұмысқа айналдырады. Турбина білігі электр энергиясын өндіру үшін генераторға қосылған. Турбиналар әдетте кеңейту тиімділігін арттыру үшін бірнеше сатыдан тұрады.
4. Конденсатор
Конденсатор турбинадан шығатын буды салқындатып, оны қайтадан суға айналдырады. Төмен шығатын қысымды (салыстырмалы вакуум) жасау арқылы конденсатор турбина өнімділігін және жалпы тиімділікті жақсартуға көмектеседі. Салқындату әдетте теңіз суын, өзен суын немесе салқындату мұнарасы жүйесін пайдалану арқылы жүзеге асырылады.
Бу электр станциясындағы Ранкин циклінің процесінің тізбегі
Ранкин циклінің қолданылуын келесі төрт процестің сатысы арқылы түсіндіруге болады:
1) Сорғылау процесі (1 → 2)
Конденсатордан шығатын конденсат төмен қысымда және салыстырмалы түрде төмен температурада болады. Сорғы қазандықтың жұмыс қысымына қысымды арттырады. Бұл кезеңде температура аздап көтеріледі, бірақ негізгі өзгеріс қысымның жоғарылауы болып табылады. Сорғыға қажетті энергия генератордың ішкі қуатынан келеді, бірақ оның үлесі турбина шығаратын энергиямен салыстырғанда салыстырмалы түрде аз.
2) Қазандықтағы жылу қосу процесі (2 → 3)
Жоғары қысымды су қазандыққа түсіп, қыздырылады. Алдымен су қайнау температурасына дейін қыздырылады (ақылға қонымды қыздыру), содан кейін ол қаныққан буға фазасын өзгертеді (жасырын қыздыру), ал көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларының көптеген жобаларында бу одан әрі қыздырылған буға дейін қыздырылады. Аса қыздыру маңызды, себебі турбинаға кіретін құрғақ бу су тамшыларынан турбина қалағының эрозиялану қаупін азайтады.
Дәл осы жерде отынның химиялық энергиясы жұмыс сұйықтығындағы жылу энергиясына айналады. Жану тиімділігі, жылу беру және қазандықтың дизайны қондырғының жұмысына айтарлықтай әсер етеді.
3) Турбинадағы кеңею процесі (3 → 4)
Жоғары қысымды бу турбинаға ағып, кеңейеді, оның қысымы мен температурасын төмендетеді, сонымен бірге білікте механикалық жұмыс жасайды. Бұл жұмыс генераторды басқарады. Идеал жағдайларда кеңею изентропиялық (тұрақты энтропия) болып саналады, бірақ нақты өмір жағдайында қайтымсыздық турбинаның жұмысын азайтады.
Турбина ұшындағы бу сапасы өте маңызды мәселе болып табылады. Егер бу тым ылғалды болса, су тамшылары турбина қалақтарына тиіп, коррозияға/эрозияға әкелуі мүмкін. Сондықтан электр станциялары әдетте турбина шығысында ылғалдылығы төмен бу деңгейін ұстап тұруға тырысады.
4) Конденсатордағы конденсация процесі (4 → 1)
Турбинадан шығатын бу конденсаторға түсіп, салқындатқыш ортаға жылу бөліп, оны суға айналдырады. Бұл процесс төмен қысымда жүреді. Энергия тұрғысынан конденсаторда бөлініп шыққан жылу жұмысқа айналдырылмайтын, бірақ циклдің қайталануы және төмен шығыс қысымын ұстап тұру үшін қажет жылулық «жоғалтуды» білдіреді, бұл турбинаның өнімділігін арттырады.
Содан кейін конденсацияланған су циклды қайталау үшін сорғыға қайтарылады.
Ранкин циклінің бу электр станциялары үшін тиімді болу себептері
Ранкин циклі өте тиімді, себебі:
– Суды арзан, қауіпсіз және жақсы жылулық сипаттамалары бар жұмыс сұйықтығы ретінде пайдалану.
– Көп мөлшерде жылуды сіңіруге мүмкіндік беретін сұйық-бу фазасының ауысуын пайдаланады.
– Турбинаға кіретін будың температурасы мен қысымын арттыру және конденсатор қысымын төмендету арқылы оңтайландыруға болады.
– Қайта қыздыру және регенеративті жылыту сияқты тиімділікті арттыратын технологияларды енгізуді қолдайды.
Тиімділікті арттыру: өзгертілген Ранкин циклі
Іс жүзінде көмірмен жұмыс істейтін электр станциялары қарапайым Ранкин циклін сирек пайдаланады. Тиімділікті арттыру және жабдықтың сенімділігін сақтау үшін бірнеше модификациялар жиі қолданылады:
1) Аса қыздырғыш және аса сыни
Турбина алдындағы бу температурасын көтеру (аса қыздыру) турбинада бөлінетін энергия айырмашылығын арттыру арқылы жылу тиімділігін арттырады. Кейбір заманауи көмірмен жұмыс істейтін электр станциялары аса критикалық немесе аса критикалық жағдайларда жұмыс істейді, қазандықта сұйықтық-бу фазасының айқын шекарасы болмайтындай жоғары қысым мен температурада жұмыс істейді. Бұл технология тиімділікті арттыра алады, бірақ жоғары температураға/қысымға төтеп бере алатын материалдарды қажет етеді.
2) Қайта қыздыру
Қайта қыздыру циклінде жоғары қысымды турбинадағы ішінара кеңейтілген бу қайта қыздыру үшін қазандыққа қайтарылады, содан кейін орташа/төмен қысымды турбинаға беріледі. Мақсат:
– турбина жұмысының жалпы көлемін арттыру,
– турбинаның соңғы сатыларында бу ылғалдылығын азайту,
– цикл тиімділігін арттыру.
3) Регенеративті қоректендіру суын жылыту
Берілетін суды қазандыққа берілетін су жылытқышы арқылы кірмес бұрын қыздыру үшін турбина сатыларының белгілі бірінен бу алынады (қан кететін бу). Берілетін судың температурасын көтеру арқылы қазандықтың жылу қажеттілігі азаяды және тиімділігі артады. Бұл жүйе ашық қыздырғышты (деаэратор) немесе жабық қыздырғышты (жабық қыздырғыш) пайдалана алады.
4) Конденсатор мен салқындату жүйесін жөндеу
Конденсатор қысымын төмендету (вакуумды арттыру) турбинадағы энтальпияның төмендеуін арттырады және қуат шығысын арттырады. Дегенмен, бұл салқындату жүйесінің жылуды тарату қабілетіне байланысты. Сондықтан конденсатордың сапасы, түтіктің тазалығы және салқындатқыш судың температурасы жұмыс өнімділігі үшін өте маңызды.
Ранкин циклін енгізудегі операциялық қиындықтар
Артықшылықтарынан басқа, PLTU-да Ранкин циклін қолдану келесі қиындықтарға тап болады:
– Үйкеліс ағынынан, ағып кетуден және идеал емес жылу алмасуынан туындаған энергия шығындары.
– Судың сапасы және коррозия: қазандықтар мен турбиналарда қақ пен коррозияның алдын алу үшін қоректік суды қатаң түрде тазарту қажет.
– Шығарындылар және қоршаған орта: көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларында жану CO₂, SOx, NOx және бөлшектерді шығарады, сондықтан шығарындыларды бақылау жабдықтары қажет.
– Материалдық шектеулер: температура мен қысымның жоғарылауы қымбат және күтімі қиын арнайы материалдарды қажет етеді.
Қорытынды
Ранкин циклі көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларының (PLTU) жұмысының негізі болып табылады, себебі ол жылу энергиясын төрт негізгі процесс арқылы механикалық және электр энергиясына қайталап түрлендіруге мүмкіндік береді: айдау, қыздыру, кеңейту және конденсация. Іс жүзінде бұл цикл тиімділікті арттыру және турбина сенімділігін сақтау үшін аса қыздырғыштар, қайта қыздырғыштар, регенеративті қыздыру және конденсаторды оңтайландыру сияқты технологиялармен өзгертіледі. Энергия шығындарына, су сапасына және қоршаған ортаға әсер етуге байланысты қиындықтарға қарамастан, Ранкин циклін енгізу икемділігіне, технологиялық жетілгендігіне және қажет болған жағдайда өнімділікті арттыру мүмкіндігіне байланысты бу электр станциялары үшін негізгі таңдау болып қала береді.
Қаласаңыз, циклді көрнекі және техникалық ету үшін процесс ағынының диаграммасын немесе T–s (температура–энтропия) қисығына негізделген түсіндірмені қоса аламын.
