การคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนในเครื่องจักรไอน้ำสมัยใหม่

การคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนในเครื่องจักรไอน้ำสมัยใหม่

เครื่องจักรไอน้ำมักถูกมองว่าเป็นเทคโนโลยี "คลาสสิก" จากยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม หลักการและการพัฒนาของเครื่องจักรไอน้ำยังคงมีความสำคัญในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโรงไฟฟ้าพลังงานถ่านหิน (PLTU) โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนและไฟฟ้าแบบผสมผสาน (CHP) และระบบกังหันไอน้ำในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิต "เครื่องจักรไอน้ำสมัยใหม่" หมายถึงระบบผลิตไฟฟ้าที่ใช้หลักการวัฏจักรแรงไคน์ ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องจักรไอน้ำแบบลูกสูบแบบดั้งเดิมมาก โดยใช้แรงดันและอุณหภูมิสูง เครื่องทำความร้อนยิ่งยวด เครื่องทำความร้อนซ้ำ และการให้ความร้อนแบบหมุนเวียนผ่านเครื่องทำความร้อนน้ำป้อน เพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพของระบบเหล่านี้ พารามิเตอร์สำคัญอย่างหนึ่งที่คำนวณอยู่เสมอคือประสิทธิภาพเชิงความร้อน

1. แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับประสิทธิภาพเชิงความร้อน

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องจักรไอน้ำอธิบายถึงปริมาณพลังงานความร้อนที่ป้อนเข้าไป (จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงหรือแหล่งความร้อน) ที่ถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ได้มากน้อยเพียงใด โดยปกติจะอยู่ในรูปของกำลังเพลาของกังหันหรือกำลังไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยทั่วไปแล้ว ประสิทธิภาพเชิงความร้อนจะถูกกำหนดดังนี้:

\[
η_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

ดี มานา:
– \( W_{net} \) คือ งานสุทธิของวัฏจักร (งานของกังหันลบด้วยงานของปั๊ม)
– \( Q_{in} \) คือปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าสู่ระบบ ซึ่งโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นในหม้อไอน้ำและ/หรือซูเปอร์ฮีตเตอร์

ในวัฏจักรแรงไคน์ในอุดมคติ ส่วนประกอบหลักได้แก่ ปั๊ม หม้อไอน้ำ กังหัน และคอนเดนเซอร์ ไอน้ำจะถูกสูบ (น้ำป้อน) ไปจนถึงความดันสูง ถูกทำให้ร้อนจนกลายเป็นไอน้ำ (อิ่มตัวหรือไอน้ำร้อนยวดยิ่ง) ขยายตัวในกังหันเพื่อผลิตงาน แล้วควบแน่นกลับเป็นของเหลวในคอนเดนเซอร์ก่อนที่จะกลับเข้าสู่ปั๊ม ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเป็นตัววัดหลักว่าเครื่องยนต์ไอน้ำใช้พลังงานความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด

2. วัฏจักรแรงไคน์ในอุดมคติเทียบกับวัฏจักรแรงไคน์จริง

ในการคำนวณเบื้องต้น วิศวกรมักจะเริ่มต้นจากวัฏจักรแรงไคน์ในอุดมคติ เพื่อให้ได้แนวคิดเกี่ยวกับขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพ โดยทั่วไปแล้ว ข้อสมมติฐานในอุดมคติมีดังนี้:
1. กระบวนการปั๊มและกังหันแบบไอเซนโทรปิก (ไม่สูญเสียพลังงาน)
2. ไม่มีแรงดันตกในหม้อไอน้ำ ท่อ ซูเปอร์ฮีตเตอร์ รีฮีตเตอร์ และคอนเดนเซอร์
3. ไม่มีการสูญเสียความร้อนสู่สิ่งแวดล้อม
4. การควบแน่นและความร้อนเกิดขึ้นที่ความดันคงที่

ในสภาพการใช้งานจริง ข้อสมมติเหล่านี้ไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ทั้งหมด การสูญเสียจากแรงเสียดทาน การสูญเสียจากแรงดัน และประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของปั๊มและกังหันมีค่าน้อยกว่า 100% ดังนั้น ประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่แท้จริงจึงต่ำกว่าค่าในอุดมคติเสมอ และการคำนวณต้องรวมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น:
– ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของกังหัน (\(\eta_t\))
– ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของปั๊ม (\(\eta_p\))
– การสูญเสียความร้อน (heat loss)
– การลดลงของความดัน

3. ขั้นตอนการคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อน (กรอบทั่วไป)

ขั้นตอนทั่วไปในการคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์ไอน้ำสมัยใหม่ (ตามทฤษฎีของแรงไคน์) มีดังนี้:

ก) กำหนดจุดสถานะ
โดยปกติจะระบุไว้ดังนี้:
1. ทางออกของคอนเดนเซอร์ / ทางเข้าของปั๊ม (ของเหลวอิ่มตัวที่ความดันคอนเดนเซอร์)
2. ทางออกของปั๊ม / ทางเข้าหม้อไอน้ำ (น้ำป้อนแรงดันสูง)
3. ทางออกของหม้อไอน้ำ/ซูเปอร์ฮีตเตอร์/ทางเข้าของกังหัน (ไอน้ำอิ่มตัวหรือไอน้ำแห้งร้อนยวดยิ่ง)
4. ทางออกของกังหัน / ทางเข้าของคอนเดนเซอร์ (ส่วนผสมไอน้ำ-น้ำ หรือความชื้นร้อนยวดยิ่ง)

ในวงจรที่มีเครื่องทำความร้อนซ้ำและเครื่องสร้างใหม่ จำนวนจุดสถานะจะเพิ่มขึ้น เครื่องยนต์ไอน้ำสมัยใหม่ในโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่มักจะมีขั้นตอนการสกัดไอน้ำจากกังหันหลายขั้นตอนและเครื่องทำความร้อนน้ำป้อนหลายตัว ทำให้การวิเคราะห์ซับซ้อนมากขึ้น แต่หลักการยังคงเหมือนเดิม คือ ทำการสมดุลพลังงานในแต่ละส่วนประกอบ

ข) นำข้อมูลคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์มาใช้
คุณสมบัติหลักที่ต้องการ:
– เอนทาลปี (\(h\)) ณ แต่ละจุด
– เอนโทรปี (\(s\)) สำหรับกระบวนการไอเซนโทรปิก
– ความดัน (\(P\)) และอุณหภูมิ (\(T\))
– คุณภาพไอน้ำ (\(x\)) เมื่ออยู่ในบริเวณสองเฟส

โดยปกติแล้ว ข้อมูลเหล่านี้ได้มาจากตารางไอน้ำหรือซอฟต์แวร์ (EES, REFPROP, Aspen หรือเครื่องคำนวณคุณสมบัติ IAPWS/IF97)

ค) คำนวณงานของปั๊ม
ประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มในอุดมคติสามารถประมาณได้ดังนี้:

\[
W_p \approx v_f (P_2 – P_1)
\]

โดยที่ \(v_f\) คือปริมาตรจำเพาะของของเหลว (m³/kg) ที่ทางเข้าของปั๊ม สำหรับปั๊มจริง:

\[
W_{p,actual} = \frac{W_{p,ideal}}{\eta_p}
\]

จากนั้นค่าเอนทาลปีที่ออกจากปั๊ม:
\[
h_2 = h_1 + W_{p,actual}
\]

d) คำนวณปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าหม้อไอน้ำ
โดยทั่วไปแล้ว การป้อนความร้อน:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]

หากมีซูเปอร์ฮีตเตอร์ ค่าของ \(h_3\) คือเอนทาลปีของไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่ทางเข้าของกังหัน หากมีรีฮีตเตอร์ จะมีการป้อนความร้อนเพิ่มเติมครั้งที่สอง:
\[
Q_{in,total} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(ขึ้นอยู่กับการกำหนดหมายเลขจุดในแผนภาพ)

e) คำนวณงานของกังหัน
สำหรับกังหันในอุดมคติ (ไอเซนโทรปิก) \(s_3 = s_{4s}\) และ \(h_{4s}\) ได้มาจากตาราง สำหรับกังหันจริง:

\[
η_t = Σh_3 – h_{4,actual}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,actual} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]

การทำงานของกังหัน:
\[
W_t = h_3 – h_{4,actual}
\]

หากมีขั้นตอนการขยายตัวหรือการให้ความร้อนซ้ำหลายขั้นตอน งานทั้งหมดของกังหันจะเป็นผลรวมของงานในแต่ละขั้นตอน

ฉ) คำนวณงานสุทธิและประสิทธิภาพเชิงความร้อน
\[
W_{net} = W_t – W_p
\]
\[
η_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

นี่คือหัวใจสำคัญของการคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจร

4. ตัวอย่างประกอบ (แบบง่าย)

สมมติว่าวัฏจักรแรงไคน์สมัยใหม่แบบง่ายๆ มีข้อมูล (ในรูปของเอนทาลปี) ที่ได้มาจากตารางไอน้ำแล้ว และคำนึงถึงประสิทธิภาพของส่วนประกอบต่างๆ ด้วย:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (ของเหลวอิ่มตัวที่ออกจากคอนเดนเซอร์)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (กำลังส่งออกของปั๊ม, ค่าจริง)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (ไอน้ำร้อนยวดยิ่งเข้าสู่กังหัน)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (กำลังส่งออกของกังหัน, ค่าจริง)

ดังนั้น:
– งานของกังหัน: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– งานของปั๊ม: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– งานสุทธิ: \(W_{net} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
– ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน:
\[
η_{th} = 1091}{3300} = 0.331 ≈ 33.1%
\]

ค่านี้ถือว่าสมเหตุสมผลสำหรับวัฏจักรแรงไคน์ที่ดีพอสมควร แต่โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนสูงพิเศษสมัยใหม่สามารถมีค่าสูงกว่านี้ได้เมื่อพิจารณาในแง่ของประสิทธิภาพโดยรวมของโรงไฟฟ้า (แม้ว่าจะยังคงได้รับผลกระทบจากการสูญเสียในหม้อไอน้ำ คอนเดนเซอร์ และโหลดเสริมก็ตาม)

5. ปัจจัยที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องจักรไอน้ำสมัยใหม่

ก) เพิ่มอุณหภูมิและความดันของไอน้ำที่เข้าสู่กังหัน
ยิ่งอุณหภูมิเฉลี่ยของการเพิ่มความร้อนสูงขึ้นเท่าใด ประสิทธิภาพก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น (สอดคล้องกับหลักการของคาร์โนต์) เทคโนโลยีซูเปอร์คริติคอลและอัลตร้าซูเปอร์คริติคอลช่วยให้สามารถทำงานที่ความดันสูงกว่าจุดวิกฤตของน้ำ (22,1 MPa) ซึ่งช่วยลดการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสถานะและเพิ่มประสิทธิภาพ

b) ลดแรงดันในคอนเดนเซอร์ (เพื่อให้ได้สุญญากาศที่ดีขึ้น)
การลดความดันในคอนเดนเซอร์จะเพิ่มช่วงการขยายตัวของกังหัน ทำให้ประสิทธิภาพของกังหันเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของเรื่องนี้อยู่ที่อุณหภูมิของน้ำหล่อเย็น ขนาดของคอนเดนเซอร์ และความเสี่ยงจากระดับความชื้นสูงในขั้นตอนสุดท้ายของกังหัน

ค) รอบการอุ่นซ้ำ
เครื่องทำความร้อนซ้ำจะให้ความร้อนแก่ไอน้ำอีกครั้งหลังจากที่ไอน้ำขยายตัวไปบางส่วน แล้วจึงทำให้ไอน้ำขยายตัวอีกครั้ง ผลที่ได้คือประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นและระดับความชื้นที่ทางออกของกังหันลดลง (ปลอดภัยกว่าสำหรับใบพัดกังหัน)

d) การฟื้นฟูสภาพ (การให้ความร้อนแก่น้ำป้อน)
โดยการนำไอน้ำบางส่วนจากกังหันมาใช้ในการให้ความร้อนแก่น้ำป้อน หม้อไอน้ำจึงไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนมากเท่าเดิมเพื่อให้ถึงจุดเดือด การฟื้นฟูพลังงานช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวงจร แม้ว่าจะลดภาระการทำงานของกังหันลง เนื่องจากไอน้ำบางส่วนไม่ได้ทำงานที่ความดันต่ำ

6. ความแตกต่างระหว่างประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรกับประสิทธิภาพการผลิตกระแสไฟฟ้า

สิ่งสำคัญคือต้องแยกแยะความแตกต่างดังนี้:
– ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรแรงไคน์: คำนวณจาก \(W_{net}/Q_{in}\) ในส่วนประกอบของวัฏจักร
– ประสิทธิภาพการผลิตพลังงานสุทธิ: คำนึงถึงการสูญเสียจากการเผาไหม้ ประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำ การสูญเสียจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โหลดเสริม (ปั๊ม พัดลม สายพานลำเลียง) และการสูญเสียจากการส่งกำลังภายใน

ในโรงไฟฟ้าพลังงานถ่านหิน ประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำและการสูญเสียในระบบอาจมีนัยสำคัญ ดังนั้น แม้ว่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรจะดูสูง แต่ประสิทธิภาพสุทธิโดยรวมอาจต่ำกว่าที่คาดไว้

7. เพนนูอัพ

การคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อนในเครื่องยนต์ไอน้ำสมัยใหม่นั้นโดยพื้นฐานแล้วอิงตามสมดุลพลังงานของวัฏจักรแรงไคน์: การคำนวณงานของกังหัน งานของปั๊ม และความร้อนที่ป้อนเข้าสู่หม้อไอน้ำ (และเครื่องทำความร้อนซ้ำ หากมี) กุญแจสำคัญของความแม่นยำอยู่ที่การกำหนดจุดสถานะและคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิก (เอนทาลปี เอนโทรปี คุณภาพไอน้ำ) อย่างแม่นยำ รวมถึงการรวมเงื่อนไขในโลกแห่งความเป็นจริง เช่น ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกและการลดลงของความดัน ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเป็นตัวบ่งชี้หลักของประสิทธิภาพของระบบและเป็นพื้นฐานสำหรับการประเมินการปรับปรุงให้เหมาะสม เช่น การเพิ่มอุณหภูมิ/ความดัน การทำความร้อนซ้ำ การสร้างใหม่ และการปรับปรุงคอนเดนเซอร์

หากคุณต้องการ ฉันสามารถเพิ่มตัวอย่างการคำนวณที่ "ทันสมัย" มากขึ้น (เช่น วงจรการทำความร้อนซ้ำ + เครื่องทำความร้อนน้ำป้อน 1-2 เครื่อง) พร้อมด้วยตารางจุดสถานะและแผนภาพ Ts เพื่อให้ใกล้เคียงกับกรณีศึกษา PLTU จริงได้