Уурын цахилгаан станцуудад Ранкин циклийг хэрэглэх нь
Уурын цахилгаан станцууд (УЦС) нь дэлхий дээр хамгийн өргөн хэрэглэгддэг цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх технологийн нэг юм. Тэдний ажиллах зарчим нь дулааны энергийг ашиглан усыг өндөр даралттай, өндөр температуртай уур болгон хувиргаж, дараа нь уурын энергийг турбинаар дамжуулан механик энерги болгон хувиргаж, дараа нь генератороор цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. УЦС-ын энерги хувиргах процессын гол цөм нь уурын эрчим хүчний системд тусгайлан зориулсан термодинамик цикл болох Ранкин цикл юм. Энэ нийтлэлд УЦС-д Ранкин циклийг хэрэглэх, түүний үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд, процессын дараалал, практикт түгээмэл хэрэглэгддэг үр ашгийн сайжруулалтын талаар авч үзэх болно.
Ранкин циклийн үндсэн ойлголт
Ранкины мөчлөг нь хаалттай систем дэх ажлын шингэний (ихэвчлэн ус/уур) энергийн өөрчлөлтийг тодорхойлдог идеалчилсан термодинамик мөчлөг юм. Энэ мөчлөг нь шингэн болон уурын фазыг хоёуланг нь ашиглан цахилгаан үйлдвэрлэхэд тохиромжтой тул нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцын дизайны үндэс суурь болдог. Хамгийн тохиромжтой хэлбэрээрээ Ранкины мөчлөг нь тэжээлийн усыг шахах, бойлерт халааж уур болгох, турбин дахь уурыг өргөжүүлж ажил үүсгэх, уурыг конденсатор дахь ус болгон буцаан конденсацлах гэсэн дөрвөн үндсэн процессоос бүрдэнэ.
Хэдийгээр бодит байдал дээр энергийн алдагдал (үрэлт, даралтын уналт, төгс бус дулаан дамжуулалт) байдаг ч Ранкин циклийн загвар нь гүйцэтгэлийг шинжлэх, үр ашигтай ажиллагааны цэгүүдийг тодорхойлох лавлагаа юм.
Ранкин цикл дэх уурын цахилгаан станцын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд
Нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцад Ранкин циклийг хэрэглэх нь хэд хэдэн гол бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хамардаг.
1. Насос (Тэжээлийн усны насос)
Үүний үүрэг нь конденсат усны даралтыг бага даралтаас (конденсаторын гаралт) өндөр даралт руу нэмэгдүүлэх бөгөөд ингэснээр бойлер руу орох боломжтой болно. Шингэнийг шахах нь хийг шахахтай харьцуулахад харьцангуй бага ажил шаарддаг тул Ранкин цикл дэх насосны ажил нь ерөнхийдөө турбины ажлаас бага байдаг.
2. Бойлер (Уурын үүсгүүр)
Уурын зуухнууд нь өндөр даралттай усанд уур болтол нь дулаан өгдөг. Дулааныг түлш (нүүрс, биомасс, газрын тос эсвэл хий) шатаах эсвэл цөмийн цахилгаан станцын цөмийн реактороос гарах дулаан гэх мэт бусад эх үүсвэрээс үүсгэдэг. Уламжлалт нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцуудад уурын зуухнууд нь хэд хэдэн бүсээс бүрдэнэ: эдийн засагч (урьдчилан халаах), ууршуулагч (ууршуулах) болон хэт халаагч (хэт халалт).
3. Уурын турбин
Турбинууд нь дулааны энерги болон уурын даралтыг тэлэлтээр дамжуулан механик ажил болгон хувиргадаг. Турбины гол нь цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд генератортой холбогдсон байдаг. Турбинууд нь ихэвчлэн тэлэлтийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд олон үе шаттай байдаг.
4. Конденсатор
Конденсатор нь турбины яндангийн уурыг хөргөж, буцааж ус болгон хувиргадаг. Конденсатор нь яндангийн бага даралт (харьцангуй вакуум) үүсгэснээр турбины гүйцэтгэл болон нийт үр ашгийг сайжруулахад тусалдаг. Хөргөлтийг ихэвчлэн далайн ус, голын ус эсвэл хөргөлтийн цамхагийн систем ашиглан хийдэг.
Уурын цахилгаан станц дахь Ранкины мөчлөгийн процессын дараалал
Ранкин циклийн хэрэглээг дараах дөрвөн үйл явцын үе шатаар тайлбарлаж болно.
1) Шахах үйл явц (1 → 2)
Конденсатороос гарч буй конденсат нь бага даралттай, харьцангуй бага температурт байдаг. Шахуурга нь бойлерийн ажиллах даралтад даралтыг нэмэгдүүлдэг. Энэ үе шатанд температур бага зэрэг өсдөг боловч гол өөрчлөлт нь даралтын өсөлт юм. Шахуургын шаардлагатай энерги нь генераторын дотоод хүчнээс гардаг боловч турбины үйлдвэрлэсэн энергитэй харьцуулахад түүний хувь нэмэр харьцангуй бага байдаг.
2) Бойлерт дулаан нэмэх процесс (2 → 3)
Өндөр даралттай ус бойлерт орж, халаана. Эхлээд усыг буцалгах цэг хүртэл халаана (мэдрэмжтэй халаалт), дараа нь фазыг ханасан уур болгон өөрчилнө (далд халаалт), мөн нүүрсээр ажилладаг олон цахилгаан станцын загварт уурыг хэт халсан уур болгон цаашид халаана. Хэт халалт нь чухал бөгөөд учир нь турбинд орж буй хуурай уур нь усны дуслаас турбины ирний элэгдэлд орох эрсдлийг бууруулдаг.
Энэ нь түлшний химийн энерги нь ажлын шингэн дэх дулааны энерги болж хувирдаг газар юм. Шаталтын үр ашиг, дулаан дамжуулалт, бойлерийн загвар нь үйлдвэрийн гүйцэтгэлд мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг.
3) Турбины тэлэлтийн процесс (3 → 4)
Өндөр даралттай уур нь турбин руу урсаж, тэлж, түүний даралт болон температурыг бууруулж, босоо амны механик ажил үүсгэдэг. Энэ ажил нь генераторыг хөдөлгөдөг. Хамгийн тохиромжтой нөхцөлд тэлэлтийг изентропик (тогтмол энтропи) гэж үздэг боловч бодит нөхцөлд эргэлт буцалтгүй байдал нь турбины ажлыг бууруулдаг.
Турбины үзүүр дэх уурын чанар нь маш чухал асуудал юм. Хэрэв уур хэт чийглэг байвал усны дусал турбины ир рүү цохиж, зэврэлт/элэгдэл үүсгэж болзошгүй. Тиймээс цахилгаан станцууд турбины гаралтын хэсэгт чийгшил багатай уурын түвшинг хадгалахыг эрмэлздэг.
4) Конденсатор дахь конденсацийн процесс (4 → 1)
Турбины яндангийн уур нь конденсатор руу орж, хөргөлтийн орчинд дулааныг ялгаруулж, ус болгон конденсацалдаг. Энэ процесс нь бага даралттай үед явагддаг. Эрчим хүчний хувьд конденсаторт ялгарсан дулаан нь ажил болгон хувиргах боломжгүй дулааны "алдагдал"-ыг илэрхийлдэг боловч цикл давтагдах, яндангийн даралтыг бага байлгахад шаардлагатай хэвээр байгаа бөгөөд энэ нь турбины ажиллагааг нэмэгдүүлдэг.
Дараа нь конденсацлагдсан ус нь циклийг давтахын тулд насос руу буцаж ордог.
Ранкины мөчлөг нь уурын цахилгаан станцуудад үр дүнтэй байдаг шалтгаанууд
Ранкин мөчлөг нь маш үр дүнтэй байдаг, учир нь:
– Усыг хямд, аюулгүй, дулааны сайн шинж чанартай ажлын шингэн болгон ашиглах.
– Их хэмжээний дулааныг шингээх боломжийг олгодог шингэн-уурын фазын өөрчлөлтийг ашигладаг.
– Турбин руу орж буй уурын температур болон даралтыг нэмэгдүүлэх, мөн конденсаторын даралтыг бууруулах замаар оновчтой болгож болно.
– Дахин халаах болон нөхөн төлжих халаалт зэрэг үр ашгийг дээшлүүлэх технологийг хэрэгжүүлэхийг дэмждэг.
Үр ашгийн сайжруулалт: Өөрчлөгдсөн Ранкины мөчлөг
Практикт нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцууд энгийн Ранкин циклийг ховор ашигладаг. Үр ашгийг дээшлүүлэх, тоног төхөөрөмжийн найдвартай байдлыг хадгалахын тулд хэд хэдэн өөрчлөлтийг түгээмэл ашигладаг:
1) Супер халаагч ба хэт супер шүүмжлэлтэй
Турбины өмнөх уурын температурыг нэмэгдүүлэх (хэт халалт) нь турбинд гаргаж авах боломжтой энергийн зөрүүг нэмэгдүүлэх замаар дулааны үр ашгийг нэмэгдүүлдэг. Орчин үеийн зарим нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцууд нь хэт чухал эсвэл хэт чухал нөхцөлд ажилладаг бөгөөд зууханд шингэн-уурын фазын тодорхой хил хязгаар байдаггүй өндөр даралт, температурт ажилладаг. Энэ технологи нь үр ашгийг нэмэгдүүлэх боломжтой боловч өндөр температур/даралтыг тэсвэрлэх чадвартай материал шаарддаг.
2) Дахин халаах
Дахин халаах мөчлөгт өндөр даралтын турбин дахь хэсэгчлэн өргөжсөн уурыг дахин халаахаар бойлер руу буцааж оруулаад, дараа нь дунд/нам даралтын турбин руу нийлүүлдэг. Зорилго нь:
- турбины нийт ажлыг нэмэгдүүлэх,
– турбины эцсийн шатанд уурын чийгшлийг бууруулах,
- мөчлөгийн үр ашгийг дээшлүүлэх.
3) Нөхөн сэргээх тэжээлийн усны халаалт
Тэжээлийн ус халаагчаар дамжуулан бойлер руу орохоос өмнө тэжээлийн усыг халаахын тулд турбины тодорхой үе шатнаас (цус алдаж буй уур) уурын тодорхой хэсгийг авдаг. Тэжээлийн усны температурыг нэмэгдүүлснээр бойлерийн дулааны хэрэгцээ буурч, үр ашиг нэмэгддэг. Энэ систем нь задгай халаагуур (деаэратор) эсвэл хаалттай халаагуур (хаалттай халаагуур) ашиглаж болно.
4) Конденсатор болон хөргөлтийн системийн засвар
Конденсаторын даралтыг бууруулах (вакуум нэмэгдүүлэх) нь турбины энтальпийн уналтыг нэмэгдүүлж, чадлын гаралтыг нэмэгдүүлнэ. Гэсэн хэдий ч энэ нь хөргөлтийн системийн дулааныг гадагшлуулах чадвараас хамаарна. Тиймээс конденсаторын чанар, хоолойн цэвэр байдал, хөргөлтийн усны температур нь гүйцэтгэлд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
Ранкин циклийг хэрэгжүүлэх үйл ажиллагааны бэрхшээлүүд
PLTU-д Ранкин циклийг хэрэглэх нь давуу талуудаас гадна дараах бэрхшээлүүдтэй тулгардаг.
– Үрэлтийн урсгал, алдагдал болон төгс бус дулаан дамжуулалтаас үүдэлтэй энергийн алдагдал.
– Усны чанар ба зэврэлт: бойлер болон турбинуудад царцдас, зэврэлт үүсэхээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд тэжээлийн усыг хатуу цэвэрлэсэн байх ёстой.
– Ялгаралт ба хүрээлэн буй орчин: нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцуудад шаталт нь CO₂, SOx, NOx болон тоосонцор үүсгэдэг тул ялгаралтыг хянах тоног төхөөрөмж шаардлагатай.
– Материалын хязгаарлалт: температур болон даралт нэмэгдэх нь засвар үйлчилгээ хийхэд үнэтэй бөгөөд төвөгтэй тусгай материал шаарддаг.
Дүгнэлт
Ранкин цикл нь нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцын (PLTU) үйл ажиллагааны гол цөм нь юм, учир нь энэ нь дулааны энергийг шахах, халаах, тэлэх, конденсацлах гэсэн дөрвөн үндсэн процессоор дамжуулан механик болон цахилгаан энерги болгон давтан хөрвүүлэх боломжийг олгодог. Бодит хэрэгжилтэд энэхүү циклийг үр ашгийг нэмэгдүүлэх, турбины найдвартай байдлыг хадгалахын тулд хэт халаагч, дахин халаагч, нөхөн төлжих халаалт, конденсаторын оновчлол зэрэг технологиор өөрчилдөг. Эрчим хүчний алдагдал, усны чанар, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөлтэй холбоотой бэрхшээлүүд байгаа хэдий ч уян хатан байдал, технологийн боловсорч гүйцсэн байдал, шаардлагатай бол гүйцэтгэлийг нэмэгдүүлэх чадвартай тул Ранкин циклийг хэрэгжүүлэх нь уурын цахилгаан станцуудын хувьд үндсэн сонголт хэвээр байна.
Хэрэв та хүсвэл би мөчлөгийг илүү харааны болон техникийн болгохын тулд процессын урсгалын диаграмм эсвэл T–s (Температур-Энтропи) муруй дээр суурилсан тайлбар нэмж болно.
