Kajy ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny motera etona maoderina
Matetika ny motera etona dia heverina ho teknolojia "klasika" avy amin'ny Revolisiona Indostrialy. Na izany aza, mbola ilaina ankehitriny ny foto-kevitra sy ny fivoarany, indrindra amin'ny orinasa mpamokatra herinaratra amin'ny arintany (PLTU), ny fametrahana hafanana sy herinaratra mitambatra (CHP), ary ny rafitra turbine etona ao amin'ny indostrian'ny fanodinana. Ny "motera etona maoderina" dia manondro ny rafitra famokarana herinaratra mifototra amin'ny tsingerin'ny Rankine, izay mahomby kokoa noho ny motera etona mifamadika nentim-paharazana, mampiasa tsindry sy mari-pana avo lenta, superheaters, reheater, ary fanafanana regenerative amin'ny alàlan'ny fanafanana rano famatsiana. Mba hahatakarana ny fahombiazan'ireo rafitra ireo, ny masontsivana fototra iray izay kajy foana dia ny fahombiazan'ny hafanana.
1. Hevitra fototra momba ny fahombiazan'ny hafanana
Ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny motera etona dia mamaritra ny habetsaky ny angovo hafanana miditra (avy amin'ny fandoroana solika na loharanon-kafanana) izay avadika ho asa ilaina, matetika amin'ny endrika herin'ny tahon'ny turbine na ny herin'ny mpamokatra herinaratra. Amin'ny ankapobeny, ny fahombiazan'ny hafanana dia faritana toy izao:
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Aiza:
– \( W_{net} \) dia ny asa net an'ny tsingerina (asan'ny turbine miiba ny asan'ny paompy).
– \( Q_{in} \) dia ny hafanana miditra amin'ny tsingerina, izay matetika mitranga ao amin'ny boiler sy/na superheater.
Ao anatin'ny tsingerina Rankine tonga lafatra, ny singa fototra dia ahitana paompy, boiler, turbine, ary condensateur. Ny etona dia atsipy (rano famatsiana) amin'ny tsindry avo lenta, hafanaina ho etona (mahavoky na mafana be), mivelatra ao amin'ny turbine mba hamokarana asa, ary avy eo dia mivaingana indray ho ranoka ao amin'ny condensateur alohan'ny hidirany indray ao amin'ny paompy. Ny fahombiazan'ny hafanana no fandrefesana voalohany ny fahombiazan'ny fampiasana angovon'ny hafanana ataon'ny motera etona.
2. Tsingerin'ny Rankine Idealy vs. Real
Amin'ny kajy voalohany, matetika ny injeniera dia manomboka amin'ny tsingerin'ny Rankine tonga lafatra mba hahazoana hevitra momba ny fetra ambony indrindra amin'ny fahombiazana. Ireo vinavina tonga lafatra dia matetika:
1. Fizotran'ny paompy sy turbine isentropika (tsy misy fatiantoka).
2. Tsy misy fihenan'ny tsindry ao amin'ny boiler, ny fantsona, ny superheater, ny reheater, ary ny condenser.
3. Tsy misy hafanana very amin'ny tontolo iainana.
4. Mitranga amin'ny tsindry tsy miova ny fiforonan'ny etona sy ny hafanana.
Amin'ny toe-javatra tena misy, ireo fiheverana ireo dia tsy tanteraka tanteraka. Ny fatiantoka vokatry ny fikikisana, ny fatiantoka amin'ny tsindry, ary ny fahombiazan'ny isentropika amin'ny paompy sy ny turbine dia latsaky ny 100%. Noho izany, ny fahombiazan'ny hafanana tena izy dia ambany noho ny sanda tsara indrindra foana, ary ny kajikajy dia tsy maintsy ahitana masontsivana toy ny:
– Fahombiazan'ny turbine isentropika (\(\eta_t\))
– Fahombiazan'ny paompy isentropika (\(\eta_p\))
– Fahaverezan-hafanana (fahaverezan-hafanana)
- Fihenan'ny tsindry
3. Dingana kajy ny fahombiazan'ny hafanana (Rafitra ankapobeny)
Mba hikajiana ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny motera etona maoderina (mifototra amin'ny Rankine), ireto ny dingana ankapobeny:
a) Farito ny teboka momba ny fanjakana
Matetika asiana marika hoe:
1. Fivoahana / fidiran'ny paompy (ranoka mahavoky amin'ny tsindrin'ny condenser)
2. Fivoahana paompy / fidirana boiler (rano famatsiana tsindry avo lenta)
3. Fivoahana boiler/superheater/fidiran'ny turbine (etona maina mahavoky na mafana be)
4. Fivoahana turbine / fidirana condenser (fangaroan'ny etona sy rano na hamandoana mafana be)
Ao anatin'ny tsingerina misy fanafanana indray sy fanavaozana, mitombo ny isan'ny teboka toe-javatra. Ny motera etona maoderina amin'ny orinasa mpamokatra herinaratra lehibe dia mazàna manana dingana fanesorana turbine sy fanafanana rano famatsiana maromaro, ka mahatonga ny fanadihadiana ho sarotra kokoa, saingy mbola mitovy ny foto-kevitra: manao fandanjalanjana angovo amin'ny singa tsirairay.
b) Makà angon-drakitra momba ny toetra termodinamika
Ireo toetra fototra ilaina:
– Entalpy (\(h\)) amin'ny teboka tsirairay
– Entropy (\(s\)) ho an'ny dingana isentropika
– Tsindry (\(P\)) sy mari-pana (\(T\))
– Kalitaon'ny etona (\(x\)) rehefa ao amin'ny faritra misy dingana roa
Matetika ity angon-drakitra ity dia nalaina avy amin'ny tabilao steam na rindrambaiko (EES, REFPROP, Aspen, na IAPWS/IF97 property calculators).
c) Kajy ny asan'ny paompy
Ny asa tsara indrindra amin'ny paompy dia azo tombanana toy izao:
\[
W_p \eo ho eo v_f (P_2 – P_1)
\]
Izay ny \(v_f\) no habetsahan'ny ranoka manokana (m³/kg) eo amin'ny fidiran'ny paompy. Ho an'ny paompy tena izy:
\[
W_{p,tena izy} = \frac{W_{p,ideal}}{\eta_p}
\]
Avy eo ny enthalpy mivoaka ny paompy:
\[
h_2 = h_1 + W_{p, tena izy}
\]
d) Kajy ny hafanana miditra ao amin'ny boiler
Fidiran'ny hafanana amin'ny ankapobeny:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]
Raha misy "superheater", ny sandan'ny \(h_3\) dia ny enthalpy-n'ny etona mafana be eo amin'ny fidiran'ny turbine. Raha misy "reheater" indray, dia misy hafanana fanampiny faharoa miditra:
\[
Q_{in,total} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(miankina amin'ny laharan'ny teboka eo amin'ny kisarisary).
e) Kajy ny asan'ny turbine
Ho an'ny turbine idealy (isentropika), ny \(s_3 = s_{4s}\) sy \(h_{4s}\) dia azo avy amin'ny tabilao. Ho an'ny turbine tena izy:
\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,actual}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,actual} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]
Fampiasana ny turbine:
\[
W_t = h_3 – h_{4, tena izy}
\]
Raha misy dingana fanitarana na fanafanana indray maromaro, dia ny fitambaran'ny asan'ny turbine no fitambaran'ny dingana tsirairay.
f) Kajy ny Asa Tambajotra sy ny Fahombiazan'ny Hafanana
\[
W_{net} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Ity no fototry ny kajy ny fahombiazan'ny hafanan'ny tsingerina.
4. Ohatra tsotra (Tsotra)
Aoka hatao hoe misy tsingerina Rankine maoderina tsotra manana angon-drakitra (amin'ny endrika enthalpies) efa azo avy amin'ny tabilao etona ary mandinika ny fahombiazan'ny singa:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (ranoka mahavoky miala ny condenser)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (vokatra avy amin'ny paompy, tena izy)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (miditra ao amin'ny turbine ny etona mafana be)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (vokatra avy amin'ny turbine, tena izy)
Koa:
– Asa amin'ny turbine: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– Asa paompy: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– Asa tambajotra: \(W_{net} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
– Fidiran'ny hafanana: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)
Fahombiazan'ny hafanana:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \approx 33.1\%
\]
Azo ekena tsara io sanda io ho an'ny tsingerin'ny Rankine, saingy mety ho ambony kokoa ny toby famokarana herinaratra ultra-supercritical maoderina raha jerena ho fahombiazan'ny toby (na dia mbola misy fiantraikany amin'ny fatiantoka boiler, condenser ary entana fanampiny aza).
5. Ireo anton-javatra mampitombo ny fahombiazan'ny motera etona maoderina
a) Ampitomboy ny mari-pana sy ny tsindrin'ny etona miditra ao amin'ny turbine
Arakaraka ny maha-avo ny mari-pana antonony amin'ny fanampiana hafanana no maha-avo ny fahombiazana (mifanaraka amin'ny fitsipiky ny Carnot). Ny teknolojia supercritical sy ultra-supercritical dia ahafahana miasa amin'ny tsindry ambonin'ny teboka manan-danja amin'ny rano (22,1 MPa), mampihena ny fatiantoka mifandraika amin'ny fiovan'ny dingana ary mampitombo ny fahombiazana.
b) Fampidinana ny tsindrin'ny "Condenser" (Azo ampiasaina tsara kokoa ny banga)
Ny fampihenana ny tsindrin'ny "condenser" dia mampitombo ny fahafahan'ny "turbine" mivelatra, ka mampitombo ny fahombiazan'ny "turbine". Na izany aza, voafetra izany noho ny mari-pana ao amin'ny rano mangatsiaka, ny haben'ny "condenser", ary ny mety hisian'ny hamandoana avo lenta amin'ny dingana farany amin'ny "turbine".
c) Tsingerin'ny fanafanana indray
Manafana indray ny etona ny fanafanana rehefa avy mivelatra ampahany, avy eo dia mivelatra indray. Vokatr'izany dia mitombo ny fahombiazana ary mihena ny hamandoana eo amin'ny fivoahan'ny turbine (azo antoka kokoa ho an'ny lelan'ny turbine).
d) Fanavaozana (Fanafanana ny rano fisotro)
Amin'ny alàlan'ny fakana etona avy amin'ny turbine mba hanafanana ny rano famatsiana, dia tsy mila manome hafanana be loatra ny boiler mba hahatratrarana ny teboka mangotraka. Ny fanavaozana dia manatsara ny fahombiazan'ny tsingerina, na dia mampihena ny asan'ny turbine aza izany satria ny etona sasany dia tsy mamokatra asa amin'ny tsindry ambany.
6. Fahasamihafana eo amin'ny fahombiazan'ny tsingerina amin'ny hafanana sy ny fahombiazan'ny famokarana
Zava-dehibe ny manavaka:
– Fahombiazan'ny hafanan'ny tsingerina Rankine: mifototra amin'ny \(W_{net}/Q_{in}\) ao amin'ny singa ao amin'ny tsingerina.
– Fahombiazan'ny famokarana: raisina an-tsaina ny fatiantoka amin'ny fandoroana, ny fahombiazan'ny boiler, ny fatiantoka amin'ny gropy, ny entana fanampiny (paompy, mpankafy, mpitondra entana), ary ny fatiantoka anatiny amin'ny fandefasana herinaratra.
Ao amin'ny orinasa mpamokatra herinaratra amin'ny arintany, mety ho betsaka ny fahombiazan'ny boiler sy ny fatiantoka amin'ny rafitra. Noho izany, na dia toa avo aza ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny tsingerina, dia mety ho ambany kokoa ny fahombiazana amin'ny ankapobeny.
7. Famaranana
Ny kajy ny fahombiazan'ny hafanana amin'ny motera etona maoderina dia mifototra amin'ny fifandanjan'ny angovon'ny tsingerin'ny Rankine: ny kajy ny asan'ny turbine, ny asan'ny paompy, ary ny fidiran'ny hafanana ao amin'ny boiler (sy ny fanafanana indray, raha misy). Ny fanalahidin'ny fahamarinan-toerana dia ny famaritana mazava tsara ny teboka toetry ny toetr'andro sy ny toetran'ny thermodynamic (enthalpy, entropy, kalitaon'ny etona), ary koa ny fampidirana ny toe-javatra tena misy toy ny fahombiazana isentropic sy ny fihenan'ny tsindry. Ny fahombiazan'ny hafanana no famantarana voalohany ny fahombiazan'ny rafitra ary fototra hanombanana ny fanatsarana toy ny fitomboan'ny mari-pana/tsindry, ny fanafanana indray, ny fanavaozana ary ny fanatsarana ny condenser.
Raha tianao, afaka manampy ohatra kajy "maoderina" kokoa aho (oh: tsingerin'ny fanafanana indray + fanafanana rano famatsiana 1–2) miaraka amin'ny tabilao teboka toetry ny herinaratra sy ny kisarisary Ts mba hampitahana ny tena fandalinana ny tranga PLTU.
