Буу электр станцияларында Ранкин циклин колдонуу
Буу электр станциялары (PLTU) дүйнөдө эң кеңири колдонулган электр энергиясын өндүрүү технологияларынын бири болуп саналат. Алардын иштөө принциби сууну жогорку басымдагы жана жогорку температурадагы бууга айландыруу үчүн жылуулук энергиясын колдонот, андан кийин буу энергиясын турбина аркылуу механикалык энергияга айландырат, андан кийин ал генератор тарабынан электр энергиясына айландырылат. PLTUдагы энергияны айландыруу процессинин өзөгү - буу энергия системалары үчүн атайын иштелип чыккан термодинамикалык цикл болгон Ранкин цикли. Бул макалада PLTUда Ранкин циклин колдонуу, анын негизги компоненттери, процесстин ырааттуулугу жана практикадагы жалпы натыйжалуулукту жакшыртуулар талкууланат.
Ранкин циклинин негизги түшүнүгү
Ранкин цикли – бул жабык системадагы жумушчу суюктуктагы (адатта суу/буу) энергиянын өзгөрүшүн сүрөттөгөн идеалдаштырылган термодинамикалык цикл. Бул цикл көмүр менен иштеген электр станцияларын долбоорлоонун негизи болуп саналат, анткени ал суюк жана буу фазаларын колдонуп электр энергиясын өндүрүүгө ылайыктуу. Идеалдуу түрдө Ранкин цикли төрт негизги процесстен турат: азыктандыруучу сууну сордуруп алуу, аны казанда бууга айландыруу, турбинадагы бууну кеңейтип, жумуш өндүрүү жана бууну конденсатордо кайра сууга айландыруу.
Чындыгында энергиянын жоголушу (сүрүлүү, басымдын төмөндөшү, жылуулуктун толук эмес өткөрүлүшү) болгону менен, Ранкин циклинин модели иштин натыйжалуулугун талдоо жана натыйжалуу иштөө чекиттерин аныктоо үчүн маалымдама болуп саналат.
Ранкин циклиндеги буу электр станциясынын негизги компоненттери
Ранкин циклин көмүр менен иштеген электр станциясында колдонуу бир нече негизги компоненттерди камтыйт:
1. Насос (Суу насосу)
Анын функциясы конденсат суусунун басымын төмөнкү басымдан (конденсатордун чыгышынан) жогорку басымга чейин жогорулатуу, ошондо ал казанга кире алат. Суюктукту сордуруу газды кысууга салыштырмалуу аз жумушту талап кылгандыктан, Ранкин циклиндеги насостун иши, адатта, турбинанын ишинен азыраак.
2. Казан (буу генератору)
Казандар жогорку басымдагы сууга бууга айланганга чейин жылуулук беришет. Жылуулук отунду (көмүр, биомасса, мунай же газ) күйгүзүү же башка булактардан, мисалы, атомдук электр станциясындагы ядролук реактордон чыккан жылуулуктан пайда болот. Кадимки көмүр менен иштеген электр станцияларында казандар бир нече зоналардан турат: экономайзер (алдын ала ысытуу), бууланткыч (буулантуу) жана өтө ысытуучу (өтө ысытуу).
3. Буу турбинасы
Турбиналар жылуулук энергиясын жана буу басымын кеңейүү аркылуу механикалык ишке айландырат. Турбинанын валы электр энергиясын өндүрүү үчүн генераторго туташтырылган. Турбиналар, адатта, кеңейүүнүн натыйжалуулугун жогорулатуу үчүн бир нече баскычтан турат.
4. Конденсатор
Конденсатор турбинанын чыккан буусун муздатып, аны кайра сууга айландырат. Төмөнкү чыгуу басымын (салыштырмалуу вакуумду) түзүү менен конденсатор турбинанын иштешин жана жалпы натыйжалуулугун жакшыртууга жардам берет. Муздатуу, адатта, деңиз суусун, дарыя суусун же муздатуучу мунара системасын колдонуу менен ишке ашырылат.
Буу электр станциясындагы Ранкин циклинин процессинин ырааттуулугу
Ранкин циклинин колдонулушун төмөнкү төрт процесстик этап аркылуу түшүндүрүүгө болот:
1) Соргуч процесси (1 → 2)
Конденсатордон чыккан конденсат төмөнкү басымда жана салыштырмалуу төмөн температурада болот. Насос казандын иштөө басымына басымды жогорулатат. Бул этапта температура бир аз жогорулайт, бирок негизги өзгөрүү басымдын жогорулашы болуп саналат. Насос талап кылган энергия генератордун ички кубаттуулугунан келип чыгат, бирок анын салымы турбина тарабынан өндүрүлгөн энергияга салыштырмалуу аз.
2) Казанга жылуулук кошуу процесси (2 → 3)
Жогорку басымдагы суу казанга кирип, ысытылат. Алгач суу кайноо температурасына чейин ысытылат (акылга сыярлык жылытуу), андан кийин фазасы каныккан бууга өзгөрөт (жашыруун жылытуу) жана көптөгөн көмүр менен иштеген электр станцияларынын долбоорлорунда буу андан ары өтө ысытылган бууга чейин ысытылат. Ашыкча ысытуу маанилүү, анткени турбинага кирген кургак буу суу тамчыларынан турбинанын калагынын эрозия коркунучун азайтат.
Дал ушул жерде отундун химиялык энергиясы жумушчу суюктуктагы жылуулук энергиясына айланат. Күйүү эффективдүүлүгү, жылуулук алмашуу жана казандын дизайны заводдун иштешине олуттуу таасир этет.
3) Турбинадагы кеңейүү процесси (3 → 4)
Жогорку басымдагы буу турбинага агып, кеңейип, анын басымын жана температурасын төмөндөтүп, ошол эле учурда валда механикалык жумушту пайда кылат. Андан кийин бул жумуш генераторду кыймылдатат. Идеалдуу шарттарда кеңейүү изентропиялык (туруктуу энтропия) деп эсептелет, бирок реалдуу шарттарда кайтарылгыстык турбинанын жумушун азайтат.
Турбинанын учундагы буу сапаты өтө маанилүү маселе. Эгерде буу өтө нымдуу болсо, суу тамчылары турбинанын калактарына тийип, коррозияга/эрозияга алып келиши мүмкүн. Ошондуктан, электр станциялары, адатта, турбинанын чыгышында нымдуулуктун төмөн деңгээлин кармап турууга аракет кылышат.
4) Конденсатордогу конденсация процесси (4 → 1)
Турбинанын чыккан буусу конденсаторго кирип, муздатуучу чөйрөгө жылуулукту бөлүп чыгарып, аны сууга айлантат. Бул процесс төмөнкү басымда жүрөт. Энергия жагынан алганда, конденсатордо четке кагылган жылуулук жумушка айландырылбай турган жылуулук "жоготуусун" билдирет, бирок циклдин кайталанышы жана төмөнкү чыгуу басымын кармап туруу үчүн дагы эле зарыл, бул турбинанын иштешин жогорулатат.
Андан кийин конденсацияланган суу циклди кайталоо үчүн насоско кайтып келет.
Ранкин циклинин буу электр станциялары үчүн натыйжалуу болушунун себептери
Ранкин цикли абдан натыйжалуу, анткени:
– Сууну арзан, коопсуз жана жакшы жылуулук мүнөздөмөлөрүнө ээ болгон жумушчу суюктук катары колдонуу.
– Көп өлчөмдөгү жылуулукту сиңирүүгө мүмкүндүк берген суюктук-буу фазасынын өзгөрүшүн колдонот.
– Турбинага кирген буунун температурасын жана басымын жогорулатуу жана конденсатордун басымын төмөндөтүү менен оптималдаштырылышы мүмкүн.
– Кайра жылытуу жана регенеративдик жылытуу сыяктуу натыйжалуулукту жогорулатуучу технологияларды ишке ашырууну колдойт.
Натыйжалуулукту жогорулатуу: Модификацияланган Ранкин цикли
Иш жүзүндө көмүр менен иштеген электр станциялары жөнөкөй Ранкин циклин сейрек колдонушат. Натыйжалуулукту жогорулатуу жана жабдуулардын ишенимдүүлүгүн сактоо үчүн бир нече модификациялар кеңири колдонулат:
1) Супер ысыткыч жана өтө суперкритикалык
Турбинанын алдындагы буу температурасын көтөрүү (ашыкча ысытуу) турбинада бөлүнүп алынуучу энергия айырмасын көбөйтүү менен жылуулук эффективдүүлүгүн жогорулатат. Айрым заманбап көмүр менен иштеген электр станциялары өтө критикалык же өтө критикалык шарттарда иштейт, казанда суюктук-буу фазасынын так чек арасы жок болгондуктан, ушунчалык жогорку басымда жана температурада иштейт. Бул технология эффективдүүлүктү жогорулата алат, бирок жогорку температурага/басымга туруштук бере алган материалдарды талап кылат.
2) Кайра жылытуу
Кайра ысытуу циклинде жогорку басымдагы турбинада жарым-жартылай кеңейген буу кайра ысытуу үчүн казанга кайтарылат, андан кийин орто/төмөнкү басымдагы турбинага берилет. Максат:
– турбинанын жалпы иштешин көбөйтүү,
– турбинанын акыркы баскычтарындагы буу нымдуулугун азайтуу,
- циклдин натыйжалуулугун жогорулатуу.
3) Регенеративдик суу жылытуу системасы
Берүүчү сууну жылыткыч аркылуу казанга киргизүүдөн мурун аны жылытуу үчүн турбинанын айрым баскычтарынан буу алынат (кан агуучу буу). Берүүчү суунун температурасын жогорулатуу менен казандын жылуулукка болгон муктаждыгы азаят жана натыйжалуулугу жогорулайт. Бул система ачык жылыткычты (деаэратор) же жабык жылыткычты (жабык жылыткыч) колдоно алат.
4) Конденсаторду жана муздатуу системасын оңдоо
Конденсатордун басымын төмөндөтүү (вакуумду көбөйтүү) турбинанын энтальпиясынын төмөндөшүн жогорулатат жана кубаттуулукту жогорулатат. Бирок, бул муздатуу системасынын жылуулукту бөлүп чыгаруу жөндөмүнө көз каранды. Ошондуктан, конденсатордун сапаты, түтүктүн тазалыгы жана муздатуучу суунун температурасы иштөө үчүн абдан маанилүү.
Ранкин циклин ишке ашыруудагы операциялык кыйынчылыктар
Артыкчылыктарынан тышкары, PLTUда Ранкин циклин колдонууда төмөнкүдөй кыйынчылыктар бар:
– сүрүлүү агымынан, агып кетүүдөн жана идеалдуу эмес жылуулук алмашуудан улам энергия жоготуулары.
– Суунун сапаты жана коррозия: казандарда жана турбиналарда кебердин жана коррозиянын алдын алуу үчүн берилүүчү сууну катуу тазалоо керек.
– Чыгаруулар жана айлана-чөйрө: көмүр менен иштеген электр станцияларында күйүү CO₂, SOx, NOx жана бөлүкчөлөрдү пайда кылат, андыктан эмиссияны көзөмөлдөөчү жабдуулар талап кылынат.
– Материалдык чектөөлөр: температуранын жана басымдын жогорулашы кымбат жана тейлөөгө татаал атайын материалдарды талап кылат.
Корутунду
Ранкин цикли көмүр менен иштеген электр станцияларынын (PLTU) иштөөсүнүн өзөгүндө турат, анткени ал жылуулук энергиясын төрт негизги процесс: сордуруу, жылытуу, кеңейтүү жана конденсация аркылуу механикалык жана электр энергиясына кайра-кайра айландырууга мүмкүндүк берет. Иш жүзүндө ишке ашырууда бул цикл натыйжалуулукту жогорулатуу жана турбинанын ишенимдүүлүгүн сактоо үчүн супер ысыткычтар, кайра ысыткычтар, регенеративдик жылытуу жана конденсаторду оптималдаштыруу сыяктуу технологиялар менен модификацияланат. Энергиянын жоготууларына, суунун сапатына жана айлана-чөйрөгө тийгизген таасирине байланыштуу кыйынчылыктарга карабастан, Ранкин циклин ишке ашыруу буу электр станциялары үчүн ийкемдүүлүгү, технологиялык жетилгендиги жана зарылчылыкка жараша иштин натыйжалуулугун жогорулатуу мүмкүнчүлүгүнөн улам негизги тандоо бойдон калууда.
Кааласаңыз, циклди визуалдык жана техникалык жактан жакшыртуу үчүн процесстин агым диаграммасын же T–s (Температура–Энтропия) ийри сызыгына негизделген түшүндүрмө кошо алам.
