Pengiraan Kecekapan Terma dalam Enjin Wap Moden
Enjin stim sering dianggap sebagai teknologi "klasik" daripada Revolusi Perindustrian. Walau bagaimanapun, prinsip dan perkembangannya kekal relevan hari ini, terutamanya dalam loji janakuasa arang batu (PLTU), pemasangan haba dan kuasa gabungan (CHP), dan sistem turbin stim dalam industri proses. "Enjin stim moden" merujuk kepada sistem penjanaan kuasa berasaskan kitaran Rankine, yang jauh lebih cekap daripada enjin stim salingan tradisional, menggunakan tekanan dan suhu tinggi, pemanas lampau, pemanas semula, dan pemanasan regeneratif melalui pemanas air suapan. Untuk memahami prestasi sistem ini, satu parameter utama yang sentiasa dikira ialah kecekapan terma.
1. Konsep Asas Kecekapan Terma
Kecekapan terma enjin stim menerangkan berapa banyak tenaga haba input (daripada pembakaran bahan api atau sumber haba) berjaya ditukar menjadi kerja yang berguna, biasanya dalam bentuk kuasa aci turbin atau kuasa elektrik penjana. Secara amnya, kecekapan terma ditakrifkan sebagai:
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Di mana:
– \( W_{net} \) ialah kerja bersih kitaran (kerja turbin tolak kerja pam).
– \( Q_{in} \) ialah input haba kepada kitaran, yang biasanya berlaku dalam dandang dan/atau pemanas lampau.
Dalam kitaran Rankine yang ideal, komponen utama termasuk pam, dandang, turbin dan kondenser. Wap dipam (air suapan) ke tekanan tinggi, dipanaskan kepada wap (tepu atau panas lampau), dikembangkan dalam turbin untuk menghasilkan kerja dan kemudian dikondensasikan semula menjadi cecair dalam kondenser sebelum memasuki semula pam. Kecekapan terma ialah ukuran utama sejauh mana enjin stim menggunakan tenaga haba dengan cekap.
2. Kitaran Rankine Ideal vs Sebenar
Dalam pengiraan awal, jurutera sering bermula daripada kitaran Rankine yang ideal untuk mendapatkan gambaran tentang had atas kecekapan. Andaian ideal biasanya:
1. Proses pam dan turbin isentropik (tanpa kehilangan).
2. Tiada penurunan tekanan dalam dandang, paip, pemanas lampau, pemanas semula dan kondenser.
3. Tiada kehilangan haba ke persekitaran.
4. Pemeluwapan dan pemanasan berlaku pada tekanan malar.
Dalam keadaan dunia sebenar, andaian ini tidak dipenuhi sepenuhnya. Kehilangan geseran, kehilangan tekanan dan kecekapan isentropik pam dan turbin adalah kurang daripada 100%. Oleh itu, kecekapan terma sebenar sentiasa lebih rendah daripada nilai ideal dan pengiraan mesti merangkumi parameter seperti:
– Kecekapan isentropik turbin (\(\eta_t\))
– Kecekapan isentropik pam (\(\eta_p\))
– Kehilangan haba (kehilangan haba)
– Penurunan tekanan
3. Langkah Pengiraan Kecekapan Terma (Rangka Kerja Umum)
Untuk mengira kecekapan terma enjin stim moden (berasaskan Rankine), langkah-langkah umum adalah:
a) Tentukan Titik Keadaan
Biasanya ditanda sebagai:
1. Saluran keluar kondenser / saluran masuk pam (cecair tepu pada tekanan kondenser)
2. Saluran keluar pam / saluran masuk dandang (air suapan tekanan tinggi)
3. Saluran keluar dandang/pemanas lampau/saluran masuk turbin (stim kering tepu atau lampau panas)
4. Saluran keluar turbin / saluran masuk kondenser (campuran wap-air atau kelembapan yang terlalu panas)
Dalam kitaran dengan pemanas semula dan penjanaan semula, bilangan titik keadaan meningkat. Enjin stim moden di loji janakuasa besar biasanya mempunyai berbilang peringkat pengekstrakan turbin dan pemanas air suapan, menjadikan analisis lebih kompleks, tetapi prinsipnya tetap sama: melakukan keseimbangan tenaga pada setiap komponen.
b) Ambil Data Sifat Termodinamik
Ciri-ciri utama yang diperlukan:
– Entalpi (\(h\)) pada setiap titik
– Entropi (\(s\)) untuk proses isentropik
– Tekanan (\(P\)) dan suhu (\(T\))
– Kualiti wap (\(x\)) apabila berada dalam kawasan dua fasa
Data ini biasanya diambil daripada jadual atau perisian stim (kalkulator hartanah EES, REFPROP, Aspen atau IAPWS/IF97).
c) Kira Kerja Pam
Kerja pam ideal boleh dianggarkan seperti berikut:
\[
W_p \anggaran v_f (P_2 – P_1)
\]
Di mana \(v_f\) ialah isipadu cecair tentu (m³/kg) di salur masuk pam. Untuk pam sebenar:
\[
W_{p,sebenar} = \frac{W_{p,ideal}}{\eta_p}
\]
Kemudian entalpi keluar dari pam:
\[
h_2 = h_1 + W_{p,sebenar}
\]
d) Kirakan Input Haba dalam Dandang
Input haba secara amnya:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]
Jika terdapat pemanas lampau, nilai \(h_3\) ialah entalpi stim lampau di salur masuk turbin. Jika terdapat pemanas semula, terdapat input haba tambahan kedua:
\[
Q_{dalam,jumlah} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(bergantung pada penomboran titik pada rajah).
e) Kira Kerja Turbin
Bagi turbin ideal (isentropik), \(s_3 = s_{4s}\) dan \(h_{4s}\) diperoleh daripada jadual. Bagi turbin sebenar:
\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,sebenar}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,sebenar} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]
Operasi turbin:
\[
W_t = h_3 – h_{4,sebenar}
\]
Jika terdapat berbilang peringkat pengembangan atau pemanasan semula, jumlah kerja turbin adalah jumlah setiap peringkat.
f) Kira Kerja Bersih dan Kecekapan Terma
\[
W_{bersih} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Ini adalah teras pengiraan kecekapan terma kitaran.
4. Contoh Ilustrasi (Mudah)
Katakan kitaran Rankine moden yang mudah mempunyai data (dalam bentuk entalpi) yang telah diperoleh daripada jadual stim dan mengambil kira kecekapan komponen:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (cecair tepu meninggalkan kondenser)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (keluaran pam, sebenar)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (stim panas lampau memasuki turbin)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (keluaran turbin, sebenar)
Jadi:
– Kerja turbin: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– Kerja pam: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– Kerja bersih: \(W_{bersih} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
– Input haba: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)
Kecekapan terma:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \approx 33.1\%
\]
Nilai ini munasabah untuk kitaran Rankine yang agak baik, tetapi loji janakuasa ultra-superkritikal moden boleh menjadi lebih tinggi apabila dilihat sebagai kecekapan bersih loji (walaupun masih terjejas oleh kehilangan beban dandang, kondenser dan tambahan).
5. Faktor-faktor yang Meningkatkan Kecekapan Enjin Wap Moden
a) Meningkatkan suhu dan tekanan wap yang memasuki turbin
Semakin tinggi suhu purata penambahan haba, semakin tinggi kecekapan (selaras dengan prinsip Carnot). Teknologi superkritikal dan ultra-superkritikal membolehkan operasi pada tekanan di atas titik kritikal air (22,1 MPa), mengurangkan kerugian yang berkaitan dengan perubahan fasa dan meningkatkan kecekapan.
b) Menurunkan Tekanan Kondenser (Vakum yang Lebih Baik)
Mengurangkan tekanan kondenser akan meningkatkan julat pengembangan turbin, sekali gus meningkatkan prestasi turbin. Walau bagaimanapun, ini dihadkan oleh suhu air penyejuk, saiz kondenser dan risiko tahap kelembapan yang tinggi pada peringkat akhir turbin.
c) Kitaran Pemanasan Semula
Pemanas semula memanaskan semula stim selepas pengembangan separa, kemudian mengembangkannya semula. Hasilnya ialah peningkatan kecekapan dan tahap kelembapan yang lebih rendah pada saluran keluar turbin (lebih selamat untuk bilah turbin).
d) Penjanaan Semula (Pemanasan Air Suapan)
Dengan mengambil sedikit stim dari turbin untuk memanaskan air suapan, dandang tidak perlu membekalkan haba yang banyak untuk mencapai takat didih. Penjanaan semula meningkatkan kecekapan kitaran, walaupun ia mengurangkan beban kerja turbin kerana sebahagian stim tidak menghasilkan kerja pada tekanan rendah.
6. Perbezaan antara Kecekapan Terma Kitaran vs. Kecekapan Penjanaan
Adalah penting untuk membezakan:
– Kecekapan terma kitaran Rankine: berdasarkan \(W_{net}/Q_{in}\) dalam komponen kitaran.
– Kecekapan penjanaan bersih: mengambil kira kehilangan pembakaran, kecekapan dandang, kehilangan penjana, beban tambahan (pam, kipas, penghantar), dan kehilangan penghantaran dalaman.
Dalam loji janakuasa arang batu, kecekapan dandang dan kehilangan sistem boleh menjadi ketara. Oleh itu, walaupun kecekapan terma kitaran kelihatan tinggi, kecekapan bersih keseluruhan mungkin lebih rendah.
7. Penutup
Pengiraan kecekapan terma dalam enjin stim moden pada asasnya berdasarkan imbangan tenaga kitaran Rankine: mengira kerja turbin, kerja pam dan input haba ke dandang (dan pemanas semula, jika ada). Kunci kepada ketepatan ialah penentuan tepat titik keadaan dan sifat termodinamik (entalpi, entropi, kualiti stim), serta kemasukan keadaan dunia sebenar seperti kecekapan isentropik dan penurunan tekanan. Kecekapan terma ialah penunjuk utama prestasi sistem dan asas untuk menilai pengoptimuman seperti peningkatan suhu/tekanan, pemanasan semula, penjanaan semula dan penambahbaikan kondenser.
Jika anda mahu, saya boleh menambah contoh pengiraan yang lebih "moden" (cth. kitaran pemanasan semula + 1–2 pemanas air suapan) lengkap dengan jadual titik keadaan dan gambar rajah Ts untuk menghampiri kajian kes PLTU sebenar.
