वाफेच्या ऊर्जा प्रकल्पांमध्ये रँकिन चक्राचा वापर

वाफेच्या ऊर्जा प्रकल्पांमध्ये रँकिन चक्राचा वापर

वाफेवर चालणारी वीज केंद्रे (PLTU) ही जगातील सर्वाधिक वापरल्या जाणाऱ्या वीज निर्मिती तंत्रज्ञानांपैकी एक आहेत. त्यांच्या कार्यतत्त्वानुसार, औष्णिक ऊर्जेचा वापर करून पाण्याचे उच्च-दाब आणि उच्च-तापमानाच्या वाफेत रूपांतर केले जाते, त्यानंतर टर्बाइनद्वारे वाफेच्या ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर केले जाते, आणि मग जनरेटरद्वारे त्याचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर केले जाते. PLTU मधील ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रियेचा गाभा म्हणजे रँकिन सायकल (Rankine Cycle), जे विशेषतः वाफेवर चालणाऱ्या वीज प्रणालींसाठी तयार केलेले एक थर्मोडायनॅमिक चक्र आहे. या लेखात PLTU मधील रँकिन सायकलचा वापर, त्याचे मुख्य घटक, प्रक्रियेचा क्रम आणि व्यवहारात केल्या जाणाऱ्या सामान्य कार्यक्षमता सुधारणांवर चर्चा केली आहे.

रँकिन सायकलची मूलभूत संकल्पना

रँकिन चक्र हे एक आदर्श थर्मोडायनामिक चक्र आहे, जे एका बंद प्रणालीमध्ये कार्यकारी द्रवातील (सहसा पाणी/वाफ) ऊर्जा बदलांचे वर्णन करते . हे चक्र कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांच्या रचनेचा पाया आहे, कारण ते द्रव आणि बाष्प या दोन्ही अवस्था वापरून वीज निर्मितीसाठी योग्य आहे. त्याच्या आदर्श स्वरूपात, रँकिन चक्रात चार मुख्य प्रक्रियांचा समावेश असतो: फीडवॉटर पंप करणे , बॉयलरमध्ये त्याची वाफेत रूपांतर करण्यासाठी गरम करणे, टर्बाइनमध्ये वाफेचा विस्तार करून कार्य निर्माण करणे, आणि कंडेन्सरमध्ये वाफेचे पुन्हा पाण्यात रूपांतर करणे.

जरी प्रत्यक्षात ऊर्जेचा अपव्यय (घर्षण, दाब घट, अपूर्ण उष्णता हस्तांतरण) होत असला तरी, रँकिन सायकल मॉडेल हे कार्यक्षमतेचे विश्लेषण करण्यासाठी आणि कार्यक्षम ऑपरेटिंग पॉइंट्स निश्चित करण्यासाठी एक संदर्भ आहे.

रँकाइन चक्रातील वाफेच्या ऊर्जा प्रकल्पाचे मुख्य घटक

कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पात रँकाइन सायकलच्या उपयोगात अनेक प्रमुख घटक समाविष्ट आहेत:

१. पंप (फीडवॉटर पंप)
याचे कार्य संघनित पाण्याचा दाब कमी दाबापासून (कंडेन्सर आउटलेट) उच्च दाबापर्यंत वाढवणे आहे, जेणेकरून ते बॉयलरमध्ये प्रवेश करू शकेल. वायूला संकुचित करण्याच्या तुलनेत द्रव पंप करण्यासाठी तुलनेने कमी कार्य लागत असल्यामुळे, रँकिन सायकलमधील पंपाचे कार्य सामान्यतः टर्बाइनच्या कार्यापेक्षा कमी असते.

२. बॉयलर (वाफ निर्माण यंत्र)
बॉयलर अतिरिक्त लागू करतो उच्च दाबाच्या पाण्यात उष्णता जोपर्यंत त्याचे वाफेत रूपांतर होत नाही. उष्णतेचा स्रोत येथून येतो पदार्थांचे ज्वलन इंधन (कोळसा, बायोमास, तेल किंवा वायू) किंवा अणुऊर्जा प्रकल्पांमधील अणुभट्टीच्या उष्णतेसारख्या इतर स्रोतांमधून. पारंपरिक कोळशावर चालणाऱ्या ऊर्जा प्रकल्पांमध्ये, बॉयलरमध्ये अनेक विभाग असतात: इकॉनोमायझर (पूर्व-तापमान), इव्हॅपोरेटर (बाष्पीभवन) आणि सुपरहीटर (अति-तापमान).

१. स्टीम टर्बाइन
टर्बाइन औष्णिक ऊर्जा आणि वाफेचा दाब यांचे प्रसरणाद्वारे यांत्रिक कार्यात रूपांतर करतात. वीज निर्मितीसाठी टर्बाइनचा शाफ्ट जनरेटरला जोडलेला असतो. प्रसरणाची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी टर्बाइनमध्ये सामान्यतः अनेक टप्पे असतात.

४. कंडेन्सर
कंडेन्सर टर्बाइनमधून बाहेर पडणाऱ्या वाफेला थंड करून तिचे पुन्हा पाण्यात रूपांतर करतो. कमी दाब (सापेक्ष निर्वात) निर्माण करून, कंडेन्सर टर्बाइनची कार्यक्षमता आणि एकूण परिणामकारकता सुधारण्यास मदत करतो. थंड करण्याची प्रक्रिया सामान्यतः समुद्राचे पाणी, नदीचे पाणी किंवा कूलिंग टॉवर प्रणालीचा वापर करून केली जाते.

वाफेच्या ऊर्जा प्रकल्पामधील रँकाइन चक्र प्रक्रिया क्रम

रँकिन सायकलचा वापर खालील चार प्रक्रिया टप्प्यांद्वारे स्पष्ट केला जाऊ शकतो:

१) पंपिंग प्रक्रिया (१ → २)
कंडेन्सरमधील संघनित पाणी कमी दाबावर आणि तुलनेने कमी तापमानावर असते. पंप दाब वाढवून बॉयलरच्या कार्यकारी दाबापर्यंत आणतो. या टप्प्यावर, तापमान किंचित वाढते, परंतु मुख्य बदल म्हणजे दाबातील वाढ होय. पंपाला लागणारी ऊर्जा जनरेटरच्या अंतर्गत शक्तीतून मिळते, परंतु टर्बाइनद्वारे निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेच्या तुलनेत त्याचे योगदान तुलनेने कमी असते.

२) बॉयलरमधील उष्णता देण्याची प्रक्रिया (२ → ३)
उच्च दाबाचे पाणी बॉयलरमध्ये प्रवेश करते आणि तापवले जाते. प्रथम, पाणी उकळत्या बिंदूपर्यंत तापवले जाते (संवेद्य उष्णता), नंतर त्याची अवस्था बदलून संतृप्त वाफेत रूपांतर होते (सुप्त उष्णता), आणि कोळशावर चालणाऱ्या अनेक ऊर्जा प्रकल्पांच्या रचनेत, या वाफेला आणखी तापवून अतिउष्ण वाफेत रूपांतरित केले जाते. अतिउष्णता महत्त्वाची आहे, कारण टर्बाइनमध्ये प्रवेश करणारी कोरडी वाफ पाण्याच्या थेंबांमुळे टर्बाइनच्या पात्यांची होणारी झीज कमी करते.

येथेच इंधनाची रासायनिक ऊर्जा कार्यकारी द्रवामध्ये औष्णिक ऊर्जेत रूपांतरित होते. ज्वलन कार्यक्षमता, उष्णता हस्तांतरण आणि बॉयलरची रचना यांचा संयंत्राच्या कामगिरीवर लक्षणीय परिणाम होतो.

३) टर्बाइनमधील प्रसरण प्रक्रिया (३ → ४)
उच्च दाबाची वाफ टर्बाइनमध्ये प्रवेश करते आणि प्रसरण पावते, ज्यामुळे तिचा दाब आणि तापमान कमी होते आणि त्याच वेळी शाफ्टवर यांत्रिक कार्य निर्माण होते. हे कार्य नंतर जनरेटरला चालवते. आदर्श परिस्थितीत, हे प्रसरण आयसेन्ट्रॉपिक (स्थिर एन्ट्रॉपी) मानले जाते, परंतु वास्तविक परिस्थितीत, अपरिवर्तनीयतेमुळे टर्बाइनचे कार्य कमी होते.

टर्बाइनच्या टोकाकडील वाफेची गुणवत्ता ही एक अत्यंत महत्त्वाची बाब आहे. जर वाफेत जास्त ओलावा असेल, तर पाण्याचे थेंब टर्बाइनच्या पात्यांवर आदळून क्षरण/झिज निर्माण करू शकतात. त्यामुळे, वीज प्रकल्प सामान्यतः टर्बाइनच्या आउटलेटवर कमी आर्द्रतेची वाफेची पातळी राखण्याचा प्रयत्न करतात.

४) संघनित्रातील संघनन प्रक्रिया (४ → १)
टर्बाइनमधून बाहेर पडणारी वाफ कंडेनसरमध्ये प्रवेश करते आणि शीतकरण माध्यमाला उष्णता देऊन त्याचे पाण्यात रूपांतर करते. ही प्रक्रिया कमी दाबावर घडते. ऊर्जेच्या दृष्टीने, कंडेनसरमध्ये बाहेर टाकली जाणारी उष्णता ही एक औष्णिक "हानी" असते, जिचे कार्यात रूपांतर करता येत नाही. परंतु, हे चक्र पुन्हा सुरू ठेवण्यासाठी आणि बाहेर पडणाऱ्या वाफेचा कमी दाब कायम राखण्यासाठी ती आवश्यक असते, ज्यामुळे टर्बाइनची कार्यक्षमता वाढते.

सांद्रित झालेले पाणी नंतर हे चक्र पुन्हा सुरू करण्यासाठी पंपाकडे परत जाते.

वाफेच्या ऊर्जा प्रकल्पांसाठी रँकाइन चक्र प्रभावी असण्याची कारणे

रँकाइन चक्र खूप प्रभावी आहे कारण:
– कार्यकारी द्रव म्हणून पाण्याचा वापर करणे, जे स्वस्त, सुरक्षित आहे आणि त्याचे औष्णिक गुणधर्म चांगले आहेत.
– द्रव-वायू अवस्थांतराचा उपयोग करते, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणात उष्णता शोषून घेता येते.
टर्बाइनमध्ये प्रवेश करणाऱ्या वाफेचे तापमान आणि दाब वाढवून, तसेच कंडेन्सरचा दाब कमी करून अनुकूलन साधता येते.
– रिहीट आणि रिजनरेटिव्ह हीटिंग यांसारख्या कार्यक्षमता वाढवणाऱ्या तंत्रज्ञानाच्या अंमलबजावणीस समर्थन देते.

कार्यक्षमता सुधारणा: सुधारित रँकाइन चक्र

व्यवहारात, कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांमध्ये साध्या रँकिन चक्राचा वापर क्वचितच केला जातो. कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी आणि उपकरणांची विश्वसनीयता टिकवून ठेवण्यासाठी अनेक सुधारणा सामान्यतः वापरल्या जातात:

१) सुपरहीटर आणि अल्ट्रा-सुपरक्रिटिकल
टर्बाइनच्या आधी वाफेचे तापमान वाढवल्याने (सुपरहीट) वाढते औष्णिक कार्यक्षमता कारण त्यामुळे टर्बाइनमधून काढता येणाऱ्या ऊर्जेतील फरक वाढतो. काही आधुनिक कोळशावर चालणारे वीज प्रकल्प सुपरक्रिटिकल किंवा अल्ट्रा-सुपरक्रिटिकल परिस्थितीत काम करतात, जिथे बॉयलरमध्ये द्रव आणि बाष्प अवस्थेची स्पष्ट सीमा नसते. हे तंत्रज्ञान कार्यक्षमता वाढवू शकते, परंतु त्यासाठी उच्च तापमान आणि दाब सहन करू शकणाऱ्या सामग्रीची आवश्यकता असते.

२) पुन्हा गरम करा
पुनर्तापन चक्रात, उच्च-दाब टर्बाइनमधील अंशतः विस्तारित वाफ पुन्हा गरम करण्यासाठी बॉयलरमध्ये परत पाठवली जाते, आणि नंतर मध्यम/कमी-दाब टर्बाइनमध्ये सोडली जाते. याचा उद्देश खालीलप्रमाणे आहे:
टर्बाइनचे एकूण कार्य वाढवणे,
– टर्बाइनच्या अंतिम टप्प्यात वाफेतील आर्द्रता कमी करणे,
– चक्राची कार्यक्षमता सुधारा.

३) पुनरुत्पादक फीडवॉटर हीटिंग
फीडवॉटर हीटरमधून बॉयलरमध्ये प्रवेश करण्यापूर्वी फीडवॉटर गरम करण्यासाठी, टर्बाइनच्या काही टप्प्यांमधून थोडी वाफ (ब्लीडिंग स्टीम) घेतली जाते. फीडवॉटरचे तापमान वाढवल्याने, बॉयलरची उष्णतेची गरज कमी होते आणि कार्यक्षमता वाढते. या प्रणालीमध्ये ओपन हीटर (डीएरेटर) किंवा क्लोज्ड हीटर (क्लोज्ड हीटर) वापरला जाऊ शकतो.

४) कंडेन्सर दुरुस्ती आणि शीतकरण प्रणाली
कंडेन्सरचा दाब कमी केल्याने (व्हॅक्यूम वाढवल्याने) टर्बाइनमधील एन्थाल्पी घट वाढेल आणि पॉवर आउटपुट वाढेल. तथापि, हे यावर अवलंबून असते शीतकरण प्रणालीच्या उष्णता बाहेर टाकण्याच्या क्षमतेवरत्यामुळे, कार्यक्षमतेसाठी कंडेन्सरची गुणवत्ता, ट्यूबची स्वच्छता आणि शीतलक पाण्याचे तापमान हे अत्यंत महत्त्वाचे आहेत.

रँकाइन सायकल अंमलबजावणीमधील कार्यान्वयन आव्हाने

फायद्यांव्यतिरिक्त, PLTU मध्ये रँकाइन सायकलच्या वापरामध्ये आव्हाने देखील आहेत:
– घर्षण प्रवाह, गळती आणि अ-आदर्श उष्णता हस्तांतरणामुळे होणारे ऊर्जेचे नुकसान.
– पाण्याची गुणवत्ता आणि क्षरण: बॉयलर आणि टर्बाइनमधील क्षार आणि क्षरण टाळण्यासाठी फीड वॉटरवर कठोरपणे प्रक्रिया करणे आवश्यक आहे.
– उत्सर्जन आणि पर्यावरण: कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांमध्ये, ज्वलनामुळे CO₂, SOx, NOx आणि सूक्ष्म कण तयार होतात, त्यामुळे उत्सर्जन नियंत्रण उपकरणांची आवश्यकता असते.
– सामग्रीच्या मर्यादा: वाढलेले तापमान आणि दाब यासाठी विशेष सामग्रीची आवश्यकता असते, जी महाग असते आणि तिची देखभाल करणे गुंतागुंतीचे असते.

निष्कर्ष

रँकिन चक्र हे कोळशावर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांच्या (PLTU) कार्याचा गाभा आहे, कारण ते पंपिंग, तापवणे, प्रसरण आणि संघनन या चार मुख्य प्रक्रियांद्वारे औष्णिक ऊर्जेचे यांत्रिक आणि विद्युत ऊर्जेमध्ये वारंवार रूपांतर करण्यास अनुमती देते . प्रत्यक्ष अंमलबजावणीमध्ये, कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी आणि टर्बाइनची विश्वसनीयता टिकवून ठेवण्यासाठी सुपरहीटर, रिहीटर, रिजनरेटिव्ह हीटिंग आणि कंडेन्सर ऑप्टिमायझेशन यांसारख्या तंत्रज्ञानाद्वारे या चक्रात बदल केले जातात. ऊर्जेची हानी, पाण्याची गुणवत्ता आणि पर्यावरणीय परिणामांशी संबंधित आव्हाने असूनही, रँकिन चक्राची लवचिकता, तांत्रिक परिपक्वता आणि गरजेनुसार कार्यक्षमता वाढवण्याच्या क्षमतेमुळे वाफेवर चालणाऱ्या वीज प्रकल्पांसाठी त्याची अंमलबजावणी हाच प्रमुख पर्याय राहिला आहे.

तुमची इच्छा असल्यास, हे चक्र अधिक दृश्यमान आणि तांत्रिक बनवण्यासाठी मी प्रक्रिया प्रवाह आकृती किंवा टी-एस (तापमान-एन्ट्रॉपी) वक्रावर आधारित स्पष्टीकरण देखील जोडू शकेन.