නවීන වාෂ්ප එන්ජින්වල තාප කාර්යක්ෂමතාව ගණනය කිරීම
වාෂ්ප එන්ජින් බොහෝ විට කාර්මික විප්ලවයේ "සම්භාව්ය" තාක්ෂණයක් ලෙස සැලකේ. කෙසේ වෙතත්, ඒවායේ මූලධර්ම සහ වර්ධනයන් අදටත් අදාළ වේ, විශේෂයෙන් ගල් අඟුරු බලාගාර (PLTU), ඒකාබද්ධ තාපය සහ බල (CHP) ස්ථාපනයන් සහ ක්රියාවලි කර්මාන්තයේ වාෂ්ප ටර්බයින පද්ධතිවල. "නවීන වාෂ්ප එන්ජින්" යනු රැන්කයින් චක්ර පාදක බල උත්පාදන පද්ධති වන අතර ඒවා සාම්ප්රදායික ප්රත්යාවර්තක වාෂ්ප එන්ජින් වලට වඩා බෙහෙවින් කාර්යක්ෂම වන අතර ඉහළ පීඩනය සහ උෂ්ණත්වය, සුපිරි තාපක, නැවත රත් කරන්නන් සහ පෝෂක ජල තාපක හරහා පුනර්ජනනීය උණුසුම භාවිතා කරයි. මෙම පද්ධතිවල ක්රියාකාරිත්වය තේරුම් ගැනීම සඳහා, සෑම විටම ගණනය කරනු ලබන එක් ප්රධාන පරාමිතියක් වන්නේ තාප කාර්යක්ෂමතාවයි.
1. තාප කාර්යක්ෂමතාව පිළිබඳ මූලික සංකල්පය
වාෂ්ප එන්ජිමක තාප කාර්යක්ෂමතාවය මගින් (ඉන්ධන හෝ තාප ප්රභවයක් දහනය කිරීමෙන් ලැබෙන) ආදාන තාප ශක්තියෙන් කොපමණ ප්රමාණයක් ප්රයෝජනවත් කාර්යයක් බවට සාර්ථකව පරිවර්තනය වේද යන්න විස්තර කරයි, සාමාන්යයෙන් ටර්බයින් පතුවළ බලය හෝ උත්පාදක විදුලි බලය ලෙස. සාමාන්යයෙන්, තාප කාර්යක්ෂමතාව පහත පරිදි අර්ථ දැක්වේ:
\[
\eta_{th} = \frac{W_{ශුද්ධ}}{Q_{in}}
\]
මා:
– \( W_{ශුද්ධ} \) යනු චක්රයේ ශුද්ධ කාර්යයයි (ටර්බයින ක්රියාකාරිත්වය අඩු කිරීමෙන් පොම්ප ක්රියාකාරිත්වය).
– \( Q_{in} \) යනු චක්රයට තාප ආදානය වන අතර එය සාමාන්යයෙන් බොයිලේරුවේ සහ/හෝ සුපිරි තාපකයේ සිදු වේ.
පරමාදර්ශී රැන්කයින් චක්රයක, ප්රධාන සංරචක අතර පොම්පයක්, බොයිලේරුවක්, ටර්බයිනයක් සහ කන්ඩෙන්සරයක් ඇතුළත් වේ. වාෂ්ප ඉහළ පීඩනයකට (පෝෂක ජලය) පොම්ප කර, වාෂ්පයට (සංතෘප්ත හෝ අධි රත් කර) රත් කර, ටර්බයිනය තුළ ප්රසාරණය කර, වැඩ නිපදවීමට සහ පසුව පොම්පයට නැවත ඇතුළු වීමට පෙර කන්ඩෙන්සරයේ ද්රවයට නැවත ඝනීභවනය වේ. තාප කාර්යක්ෂමතාව යනු වාෂ්ප එන්ජිමක් තාප ශක්තිය කෙතරම් කාර්යක්ෂමව භාවිතා කරනවාද යන්න පිළිබඳ මූලික මිනුමයි.
2. අයිඩියල් එදිරිව සැබෑ රැන්කයින් චක්රය
මූලික ගණනය කිරීම් වලදී, ඉංජිනේරුවන් බොහෝ විට කාර්යක්ෂමතාවයේ ඉහළ සීමාව පිළිබඳ අදහසක් ලබා ගැනීම සඳහා පරමාදර්ශී රැන්කයින් චක්රයෙන් ආරම්භ කරයි. පරමාදර්ශී උපකල්පන සාමාන්යයෙන්:
1. සම-උෂ්ණත්ව (පාඩු රහිත) පොම්පය සහ ටර්බයින ක්රියාවලිය.
2. බොයිලේරු, පයිප්ප, සුපිරි තාපකය, නැවත රත් කරන්නා සහ කන්ඩෙන්සර් තුළ පීඩන පහත වැටීමක් නොමැත.
3. පරිසරයට තාප හානියක් සිදු නොවේ.
4. ඝනීභවනය සහ උණුසුම නියත පීඩනයකදී සිදු වේ.
සැබෑ ලෝක තත්වයන් තුළ, මෙම උපකල්පන සම්පූර්ණයෙන්ම සපුරා නොමැත. පොම්ප සහ ටර්බයිනවල ඝර්ෂණ පාඩු, පීඩන පාඩු සහ සමන්ත්රොපික කාර්යක්ෂමතාව 100% ට වඩා අඩුය. එබැවින්, සැබෑ තාප කාර්යක්ෂමතාව සෑම විටම පරමාදර්ශී අගයට වඩා අඩු වන අතර, ගණනය කිරීම්වලට පහත සඳහන් පරාමිතීන් ඇතුළත් විය යුතුය:
– ටර්බයින සම එන්ට්රොපික කාර්යක්ෂමතාව (\(\eta_t\))
– පොම්පයේ සම-නිර්මාණ කාර්යක්ෂමතාව (\(\eta_p\))
- තාප අලාභය (තාප අලාභය)
- පීඩන පහත වැටීම
3. තාප කාර්යක්ෂමතා ගණනය කිරීමේ පියවර (සාමාන්ය රාමුව)
නවීන වාෂ්ප එන්ජිමක (රැන්කයින් පාදක කරගත්) තාප කාර්යක්ෂමතාව ගණනය කිරීම සඳහා සාමාන්ය පියවර වන්නේ:
අ) රාජ්ය ලකුණු තීරණය කරන්න
සාමාන්යයෙන් සලකුණු කර ඇත්තේ:
1. කන්ඩෙන්සර් පිටවීම / පොම්ප ඇතුල්වීම (කන්ඩෙන්සර් පීඩනයේදී සංතෘප්ත ද්රවය)
2. පොම්ප පිටවීම / බොයිලේරු ඇතුල්වීම (අධි පීඩන පෝෂක ජලය)
3. බොයිලේරු/සුපිරි තාපක පිටවීම/ටර්බයින ඇතුල්වීම (සංතෘප්ත හෝ අධි රත් වූ වියළි වාෂ්ප)
4. ටර්බයින පිටවීම / කන්ඩෙන්සර් ඇතුල්වීම (වාෂ්ප-ජල මිශ්රණය හෝ අධික රත් වූ තෙතමනය)
නැවත තාපක සහ පුනර්ජනනය සහිත චක්ර වලදී, තත්ව ලක්ෂ්ය ගණන වැඩි වේ. විශාල බලාගාරවල නවීන වාෂ්ප එන්ජින් සාමාන්යයෙන් බහු ටර්බයින නිස්සාරණ අදියර සහ පෝෂක ජල තාපක ඇති අතර, විශ්ලේෂණය වඩාත් සංකීර්ණ කරයි, නමුත් මූලධර්මය එලෙසම පවතී: එක් එක් සංරචකය මත ශක්ති සමතුලිතතාවයක් සිදු කිරීම.
ආ) තාප ගතික ගුණාංග දත්ත ලබා ගන්න
අවශ්ය ප්රධාන ගුණාංග:
– එක් එක් ලක්ෂ්යයේදී එන්තැල්පිය (\(h\))
– සම එන්ට්රොපික ක්රියාවලීන් සඳහා එන්ට්රොපි (\(s\))
– පීඩනය (\(P\)) සහ උෂ්ණත්වය (\(T\))
– ද්වි-අදියර කලාපයේ සිටින විට වාෂ්ප ගුණාත්මකභාවය (\(x\))
මෙම දත්ත සාමාන්යයෙන් වාෂ්ප වගු හෝ මෘදුකාංග (EES, REFPROP, Aspen, හෝ IAPWS/IF97 දේපල ගණක යන්ත්ර) වලින් ලබා ගනී.
ඇ) පොම්ප වැඩ ගණනය කරන්න
පරිපූර්ණ පොම්ප ක්රියාකාරිත්වය පහත පරිදි ඇස්තමේන්තු කළ හැකිය:
\[
W_p \ආසන්න වශයෙන් v_f (P_2 – P_1)
\]
මෙහි \(v_f\) යනු පොම්ප ඇතුල්වීමේදී ද්රවයේ නිශ්චිත පරිමාව (m³/kg) වේ. සැබෑ පොම්පයක් සඳහා:
\[
W_{p,ඇත්ත} = \frac{W_{p,පරමාදර්ශී}}{\eta_p}
\]
එවිට පොම්පයෙන් පිටවන එන්තැල්පිය:
\[
h_2 = h_1 + W_{p,සත්ය}
\]
ඈ) බොයිලේරුවේ තාප ආදානය ගණනය කරන්න
සාමාන්යයෙන් තාප ආදානය:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]
සුපිරි තාපකයක් තිබේ නම්, \(h_3\) හි අගය ටර්බයින ඇතුල්වීමේදී අධි රත් වූ වාෂ්පයේ එන්තැල්පිය වේ. නැවත තාපකයක් තිබේ නම්, දෙවන අතිරේක තාප ආදානයක් ඇත:
\[
Q_{in,total} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(රූප සටහනේ ලකුණු ගණන අනුව).
e) ටර්බයින් වැඩ ගණනය කරන්න
පරිපූර්ණ (අයිසෙන්ට්රොපික්) ටර්බයිනයක් සඳහා, \(s_3 = s_{4s}\) සහ \(h_{4s}\) වගුවෙන් ලබා ගනී. සැබෑ ටර්බයිනයක් සඳහා:
\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,ඇත්ත}}{h_3 – h_{4s}}
\දකුණු ඊතලය h_{4,ඇත්ත} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]
ටර්බයින ක්රියාකාරිත්වය:
\[
W_t = h_3 – h_{4,සැබෑ}
\]
බහු ප්රසාරණ හෝ නැවත රත් කිරීමේ අදියර තිබේ නම්, මුළු ටර්බයින කාර්යය එක් එක් අදියරෙහි එකතුව වේ.
f) ශුද්ධ වැඩ සහ තාප කාර්යක්ෂමතාව ගණනය කරන්න
\[
W_{ශුද්ධ} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{ශුද්ධ}}{Q_{in}}
\]
චක්ර තාප කාර්යක්ෂමතා ගණනය කිරීමේ හරය මෙයයි.
4. නිදර්ශන උදාහරණය (සරල)
සරල නූතන රැන්කයින් චක්රයක වාෂ්ප වගු වලින් දැනටමත් ලබාගත් දත්ත (එන්තැල්පි ආකාරයෙන්) ඇති බවත් සංරචක කාර්යක්ෂමතාව සැලකිල්ලට ගන්නා බවත් සිතමු:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (කන්ඩෙන්සරයෙන් පිටවන සංතෘප්ත ද්රවය)
– \(h_2 = 200 \, \පෙළ{kJ/kg}\) (පොම්ප ප්රතිදානය, සත්ය)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (අධික රත් වූ වාෂ්ප ටර්බයිනයට ඇතුළු වේ)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (ටර්බයින ප්රතිදානය, සත්ය)
ඒ නිසා:
– ටර්බයින ක්රියාකාරිත්වය: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– පොම්ප ක්රියාකාරිත්වය: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– ශුද්ධ කාර්යය: \(W_{ශුද්ධ} = 1100 – 9 = 1091 \, \පෙළ{kJ/kg}\)
– තාප ආදානය: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)
තාප කාර්යක්ෂමතාව:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \ආසන්න වශයෙන් 33.1\%
\]
මෙම අගය තරමක් හොඳ රැන්කයින් චක්රයක් සඳහා සාධාරණ වේ, නමුත් නවීන අතිශය සුපිරි අවධි බලාගාර ශුද්ධ බලාගාර කාර්යක්ෂමතාවයක් ලෙස සලකන විට ඉහළ විය හැකිය (බොයිලේරු, කන්ඩෙන්සර් සහ සහායක බර පාඩු තවමත් බලපාන නමුත්).
5. නවීන වාෂ්ප එන්ජින්වල කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරන සාධක
a) ටර්බයිනයට ඇතුළු වන වාෂ්පයේ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය වැඩි කරන්න.
තාප එකතු කිරීමේ සාමාන්ය උෂ්ණත්වය වැඩි වන තරමට කාර්යක්ෂමතාව වැඩි වේ (කාර්නොට්ගේ මූලධර්මයට අනුකූලව). සුපිරි ක්රිටිකල් සහ අතිශය ක්රිටිකල් තාක්ෂණයන් ජලයේ තීරණාත්මක ලක්ෂ්යයට (22,1 MPa) ඉහළින් ඇති පීඩනවලදී ක්රියා කිරීමට ඉඩ සලසයි, අදියර වෙනස්වීම් හා සම්බන්ධ පාඩු අඩු කර කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරයි.
b) කන්ඩෙන්සර් පීඩනය අඩු කිරීම (වඩා හොඳ රික්තකය)
කන්ඩෙන්සර් පීඩනය අඩු කිරීමෙන් ටර්බයිනයේ ප්රසාරණ පරාසය වැඩි වන අතර එමඟින් ටර්බයින ක්රියාකාරිත්වය වැඩි වේ. කෙසේ වෙතත්, සිසිලන ජල උෂ්ණත්වය, කන්ඩෙන්සර් ප්රමාණය සහ ටර්බයිනයේ අවසාන අදියරවලදී ඉහළ ආර්ද්රතා මට්ටම් අවදානම මගින් මෙය සීමා වේ.
c) නැවත රත් කිරීමේ චක්රය
අර්ධ වශයෙන් ප්රසාරණය වීමෙන් පසු නැවත රත් කරන්නා වාෂ්පය නැවත රත් කරයි, පසුව එය නැවත ප්රසාරණය කරයි. ප්රතිඵලය වන්නේ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි වීම සහ ටර්බයින පිටවන ස්ථානයේ අඩු ආර්ද්රතා මට්ටමක් (ටර්බයින තල සඳහා ආරක්ෂිතයි).
ඈ) පුනර්ජනනය (පෝෂක ජල උණුසුම)
ටර්බයිනයෙන් වාෂ්පයෙන් කොටසක් ලබා ගැනීමෙන්, පෝෂක ජලය රත් කිරීමෙන්, බොයිලේරු තාපාංකයට ළඟා වීමට එතරම් තාපයක් සැපයීමට අවශ්ය නොවේ. පුනර්ජනනය චක්ර කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කරයි, නමුත් සමහර වාෂ්ප අඩු පීඩනයකදී වැඩ නිපදවන්නේ නැති නිසා එය ටර්බයින කාර්ය භාරය අඩු කරයි.
6. චක්ර තාප කාර්යක්ෂමතාව සහ උත්පාදන කාර්යක්ෂමතාව අතර වෙනස
වෙන්කර හඳුනා ගැනීම වැදගත් ය:
– රැන්කයින් චක්ර තාප කාර්යක්ෂමතාව: චක්ර සංරචකවල \(W_{ශුද්ධ}/Q_{in}}) මත පදනම්ව.
– ශුද්ධ උත්පාදන කාර්යක්ෂමතාව: දහන පාඩු, බොයිලේරු කාර්යක්ෂමතාව, උත්පාදක පාඩු, සහායක බර (පොම්ප, විදුලි පංකා, වාහක) සහ අභ්යන්තර සම්ප්රේෂණ පාඩු සැලකිල්ලට ගනී.
ගල් අඟුරු බලාගාරවල, බොයිලේරු කාර්යක්ෂමතාව සහ පද්ධති පාඩු සැලකිය යුතු විය හැකිය. එබැවින්, චක්රයේ තාප කාර්යක්ෂමතාව ඉහළ මට්ටමක පවතින බව පෙනුනද, සමස්ත ශුද්ධ කාර්යක්ෂමතාව අඩු විය හැකිය.
7. නිගමනය
නවීන වාෂ්ප එන්ජින්වල තාප කාර්යක්ෂමතා ගණනය කිරීම් මූලික වශයෙන් රැන්කයින් චක්ර ශක්ති සමතුලිතතාවය මත පදනම් වේ: ටර්බයින ක්රියාකාරිත්වය, පොම්ප ක්රියාකාරිත්වය සහ බොයිලේරුවට තාප ආදානය ගණනය කිරීම (සහ නැවත රත් කරන්නා, ඇත්නම්). නිරවද්යතාවයට යතුර වන්නේ තත්ව ලක්ෂ්ය සහ තාප ගතික ගුණාංග (එන්තැල්පි, එන්ට්රොපි, වාෂ්ප ගුණාත්මකභාවය) නිවැරදිව තීරණය කිරීම මෙන්ම සමස්ථානික කාර්යක්ෂමතාව සහ පීඩන පහත වැටීම වැනි සැබෑ ලෝක තත්වයන් ඇතුළත් කිරීමයි. තාප කාර්යක්ෂමතාව යනු පද්ධති ක්රියාකාරිත්වයේ ප්රාථමික දර්ශකය වන අතර උෂ්ණත්වය/පීඩනය වැඩි වීම, නැවත රත් කිරීම, පුනර්ජනනය සහ කන්ඩෙන්සර් වැඩිදියුණු කිරීම් වැනි ප්රශස්තිකරණයන් ඇගයීම සඳහා පදනම වේ.
ඔබට අවශ්ය නම්, සත්ය PLTU සිද්ධි අධ්යයනය ආසන්න කිරීම සඳහා, මට වඩාත් “නවීන” ගණනය කිරීමේ උදාහරණයක් (උදා: නැවත රත් කිරීමේ චක්රය + 1-2 පෝෂක ජල තාපක) තත්ව ලක්ෂ්ය වගු සහ Ts රූප සටහන් සමඟ එකතු කළ හැකිය.
