جدید بھاپ کے انجنوں میں تھرمل کارکردگی کا حساب

جدید بھاپ کے انجنوں میں تھرمل کارکردگی کا حساب

بھاپ کے انجنوں کو اکثر صنعتی انقلاب کی "کلاسک" ٹیکنالوجی سمجھا جاتا ہے۔ تاہم، ان کے اصول اور پیشرفت آج بھی متعلقہ ہیں، خاص طور پر کوئلے سے چلنے والے پاور پلانٹس (PLTU)، کمبائنڈ ہیٹ اینڈ پاور (CHP) کی تنصیبات، اور پراسیس انڈسٹری میں سٹیم ٹربائن سسٹمز۔ "جدید بھاپ کے انجن" رینکائن سائیکل پر مبنی پاور جنریشن سسٹمز کا حوالہ دیتے ہیں، جو روایتی باہم چلنے والے بھاپ کے انجنوں سے کہیں زیادہ موثر ہوتے ہیں، ہائی پریشر اور درجہ حرارت، سپر ہیٹرز، ری ہیٹرز، اور فیڈ واٹر ہیٹر کے ذریعے دوبارہ پیدا کرنے والی حرارتی نظام کو استعمال کرتے ہیں۔ ان سسٹمز کی کارکردگی کو سمجھنے کے لیے، ایک کلیدی پیرامیٹر جو ہمیشہ شمار کیا جاتا ہے وہ ہے تھرمل کارکردگی۔

1. تھرمل کارکردگی کا بنیادی تصور

بھاپ کے انجن کی تھرمل کارکردگی یہ بتاتی ہے کہ کتنی ان پٹ حرارتی توانائی (ایندھن یا حرارت کے ذریعہ کے دہن سے) کامیابی کے ساتھ مفید کام میں تبدیل ہوتی ہے، عام طور پر ٹربائن شافٹ پاور یا جنریٹر برقی طاقت کی شکل میں۔ عام طور پر، تھرمل کارکردگی کی تعریف اس طرح کی جاتی ہے:

\[
\eta_{th} = frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

کہاں:
- \( W_{net} \) سائیکل کا خالص کام ہے (ٹربائن کا کام مائنس پمپ کا کام)۔
- \( Q_{in} \) سائیکل میں گرمی کا ان پٹ ہے، جو عام طور پر بوائلر اور/یا سپر ہیٹر میں ہوتا ہے۔

ایک مثالی رینکائن سائیکل میں، اہم اجزاء میں پمپ، بوائلر، ٹربائن، اور کنڈینسر شامل ہیں۔ بھاپ (فیڈ واٹر) کو ہائی پریشر پر پمپ کیا جاتا ہے، بھاپ پر گرم کیا جاتا ہے (سیچوریٹڈ یا سپر ہیٹڈ)، کام پیدا کرنے کے لیے ٹربائن میں پھیلایا جاتا ہے، اور پھر پمپ میں دوبارہ داخل ہونے سے پہلے کنڈینسر میں مائع میں گاڑھا جاتا ہے۔ حرارتی کارکردگی اس بات کا بنیادی پیمانہ ہے کہ بھاپ کا انجن حرارت کی توانائی کو کس حد تک موثر طریقے سے استعمال کرتا ہے۔

2. مثالی بمقابلہ اصلی رینکائن سائیکل

ابتدائی حسابات میں، انجینئر اکثر کارکردگی کی بالائی حد کا اندازہ حاصل کرنے کے لیے مثالی رینکائن سائیکل سے شروع کرتے ہیں۔ مثالی مفروضے عام طور پر ہیں:
1. Isentropic (نقصان کے بغیر) پمپ اور ٹربائن کا عمل۔
2. بوائلر، پائپ، سپر ہیٹر، ری ہیٹر، اور کنڈینسر میں کوئی پریشر ڈراپ نہیں ہے۔
3. ماحول کو گرمی کا کوئی نقصان نہیں۔
4. گاڑھا ہونا اور حرارت مستقل دباؤ پر ہوتی ہے۔

حقیقی دنیا کے حالات میں، یہ مفروضے پوری طرح پورے نہیں ہوتے ہیں۔ رگڑ کے نقصانات، دباؤ کے نقصانات، اور پمپوں اور ٹربائنز کی آئیزنٹروپک افادیت 100% سے کم ہے۔ لہذا، اصل تھرمل کارکردگی ہمیشہ مثالی قدر سے کم ہوتی ہے، اور حسابات میں پیرامیٹرز شامل ہونے چاہئیں جیسے:
- ٹربائن آئی اینٹروپک کارکردگی (\(\eta_t\))
- پمپ کی اسینٹروپک کارکردگی (\(\eta_p\))
گرمی کا نقصان (گرمی کا نقصان)
- پریشر ڈراپ

3. حرارتی کارکردگی کے حساب کے مراحل (جنرل فریم ورک)

جدید بھاپ کے انجن (رینکائن پر مبنی) کی تھرمل کارکردگی کا حساب لگانے کے لیے، عمومی اقدامات یہ ہیں:

a) ریاستی نکات کا تعین کریں۔
عام طور پر نشان زد کیا جاتا ہے:
1. کنڈینسر آؤٹ لیٹ / پمپ انلیٹ (کنڈینسر پریشر پر سیر شدہ مائع)
2. پمپ آؤٹ لیٹ / بوائلر انلیٹ (ہائی پریشر فیڈ واٹر)
3. بوائلر/سپر ہیٹر آؤٹ لیٹ/ٹربائن انلیٹ (سیچوریٹڈ یا سپر ہیٹیڈ خشک بھاپ)
4. ٹربائن آؤٹ لیٹ / کنڈینسر انلیٹ (بھاپ کے پانی کا مرکب یا زیادہ گرم نمی)

reheaters اور دوبارہ تخلیق کے ساتھ سائیکلوں میں، ریاستی پوائنٹس کی تعداد میں اضافہ ہوتا ہے. بڑے پاور پلانٹس میں جدید بھاپ کے انجنوں میں عام طور پر متعدد ٹربائن نکالنے کے مراحل اور فیڈ واٹر ہیٹر ہوتے ہیں، جو تجزیہ کو مزید پیچیدہ بناتے ہیں، لیکن اصول وہی رہتا ہے: ہر جزو پر توانائی کا توازن انجام دیں۔

ب) تھرموڈینامک پراپرٹی ڈیٹا لیں۔
اہم خصوصیات کی ضرورت ہے:
- ہر نقطہ پر اینتھالپی (\(h\))
- اینٹروپی (\(s\)) isentropic عمل کے لیے
- پریشر (\(P\)) اور درجہ حرارت (\(T\))
- بھاپ کا معیار (\(x\)) جب دو فیز والے علاقے میں ہو۔

یہ ڈیٹا عام طور پر سٹیم ٹیبلز یا سافٹ ویئر (EES، REFPROP، Aspen، یا IAPWS/IF97 پراپرٹی کیلکولیٹر) سے لیا جاتا ہے۔

c) پمپ کے کام کا حساب لگائیں۔
مثالی پمپ کے کام کا اندازہ اس طرح لگایا جا سکتا ہے:

\[
W_p \ تقریبا v_f (P_2 - P_1)
\]

جہاں \(v_f\) پمپ انلیٹ پر مائع (m³/kg) کا مخصوص حجم ہے۔ ایک حقیقی پمپ کے لئے:

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

پھر پمپ سے باہر نکلنے والی اینتھالپی:
\[
h_2 = h_1 + W_{p، اصل}
\]

d) بوائلر میں ہیٹ ان پٹ کا حساب لگائیں۔
ہیٹ ان پٹ عام طور پر:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]

اگر ایک سپر ہیٹر موجود ہے تو، \(h_3\) کی قدر ٹربائن انلیٹ پر سپر ہیٹیڈ بھاپ کی اینتھالپی ہے۔ اگر ری ہیٹر موجود ہے تو، دوسرا اضافی ہیٹ ان پٹ ہے:
\[
Q_{میں، کل} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(ڈائیگرام پر پوائنٹس کی تعداد پر منحصر ہے)۔

e) ٹربائن کے کام کا حساب لگائیں۔
ایک مثالی (isentropic) ٹربائن کے لیے، \(s_3 = s_{4s}\) اور \(h_{4s}\) ٹیبل سے حاصل کیے جاتے ہیں۔ ایک حقیقی ٹربائن کے لیے:

\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,اصل}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,actual} = h_3 - \eta_t (h_3 - h_{4s})
\]

ٹربائن آپریشن:
\[
W_t = h_3 – h_{4، اصل}
\]

اگر ایک سے زیادہ توسیع یا ری ہیٹر کے مراحل ہیں، تو کل ٹربائن کا کام ہر مرحلے کا مجموعہ ہے۔

f) نیٹ ورک اور تھرمل کارکردگی کا حساب لگائیں۔
\[
W_{net} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]

یہ سائیکل تھرمل کارکردگی کے حساب کتاب کا بنیادی حصہ ہے۔

4. مثالی مثال (سادہ)

فرض کریں کہ ایک سادہ جدید رینکائن سائیکل میں ڈیٹا (انتھالپیز کی شکل میں) پہلے سے ہی بھاپ کی میزوں سے حاصل کیا گیا ہے اور اجزاء کی افادیت کو مدنظر رکھتا ہے:
- \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (سنترپت مائع کنڈینسر کو چھوڑتا ہے)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (پمپ آؤٹ پٹ، اصل)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (سپر گرم بھاپ ٹربائن میں داخل ہوتی ہے)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (ٹربائن آؤٹ پٹ، اصل)

تو:
- ٹربائن کا کام: \(W_t = 3500 - 2400 = 1100 \، \text{kJ/kg}\)
- پمپ کا کام: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– نیٹ ورک: \(W_{net} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
- ہیٹ ان پٹ: \(Q_{in} = 3500 - 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)

تھرمل کارکردگی:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \تقریباً 33.1\%
\]

یہ قدر کافی اچھے رینکائن سائیکل کے لیے مناسب ہے، لیکن جدید الٹرا سپر کریٹیکل پاور پلانٹس کو خالص پلانٹ کی کارکردگی کے طور پر دیکھا جائے تو زیادہ ہو سکتا ہے (حالانکہ یہ اب بھی بوائلر، کنڈینسر اور معاون بوجھ کے نقصانات سے متاثر ہے)۔

5. وہ عوامل جو جدید بھاپ کے انجنوں کی کارکردگی میں اضافہ کرتے ہیں۔

a) ٹربائن میں داخل ہونے والی بھاپ کے درجہ حرارت اور دباؤ میں اضافہ کریں۔
گرمی کے اضافے کا اوسط درجہ حرارت جتنا زیادہ ہوگا، کارکردگی اتنی ہی زیادہ ہوگی (کارنوٹ کے اصول کے مطابق)۔ سپر کریٹیکل اور الٹرا سپر کریٹیکل ٹیکنالوجیز پانی کے اہم مقام (22,1 ایم پی اے) سے اوپر کے دباؤ پر آپریشن کی اجازت دیتی ہیں، مرحلے کی تبدیلیوں سے وابستہ نقصانات کو کم کرتی ہیں اور کارکردگی میں اضافہ کرتی ہیں۔

ب) کمڈینسر پریشر (بہتر ویکیوم)
کنڈینسر پریشر کو کم کرنے سے ٹربائن کی توسیع کی حد بڑھ جاتی ہے، اس طرح ٹربائن کی کارکردگی میں اضافہ ہوتا ہے۔ تاہم، یہ ٹھنڈے پانی کے درجہ حرارت، کنڈینسر کے سائز، اور ٹربائن کے آخری مراحل میں زیادہ نمی کے خطرے سے محدود ہے۔

c) دوبارہ گرم کرنے والی سائیکل
ری ہیٹر جزوی توسیع کے بعد بھاپ کو دوبارہ گرم کرتا ہے، پھر اسے دوبارہ پھیلاتا ہے۔ نتیجہ ٹربائن آؤٹ لیٹ پر کارکردگی میں اضافہ اور نمی کی کم سطح ہے (ٹربائن بلیڈ کے لیے زیادہ محفوظ)۔

ڈی) تخلیق نو (فیڈ واٹر ہیٹنگ)
فیڈ واٹر کو گرم کرنے کے لیے ٹربائن سے کچھ بھاپ لے کر، بوائلر کو ابلتے ہوئے مقام تک پہنچنے کے لیے اتنی گرمی فراہم کرنے کی ضرورت نہیں ہے۔ تخلیق نو سے سائیکل کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے، حالانکہ یہ ٹربائن کے کام کا بوجھ کم کر دیتا ہے کیونکہ کچھ بھاپ کم دباؤ پر کام نہیں کر رہی ہے۔

6. سائیکل تھرمل ایفیشنسی بمقابلہ جنریشن ایفیشنسی کے درمیان فرق

یہ فرق کرنا ضروری ہے:
– رینکائن سائیکل تھرمل کارکردگی: سائیکل کے اجزاء میں \(W_{net}/Q_{in}\) کی بنیاد پر۔
- خالص پیدا کرنے کی کارکردگی: دہن کے نقصانات، بوائلر کی کارکردگی، جنریٹر کے نقصانات، معاون بوجھ (پمپ، پنکھے، کنویئرز) اور اندرونی ترسیل کے نقصانات کو مدنظر رکھا جاتا ہے۔

کوئلے سے چلنے والے پاور پلانٹس میں، بوائلر کی کارکردگی اور سسٹم کے نقصانات نمایاں ہو سکتے ہیں۔ لہذا، یہاں تک کہ اگر سائیکل کی تھرمل کارکردگی زیادہ دکھائی دیتی ہے، مجموعی طور پر خالص کارکردگی کم ہو سکتی ہے۔

7. نتیجہ

جدید بھاپ کے انجنوں میں تھرمل کارکردگی کے حسابات بنیادی طور پر رینکائن سائیکل توانائی کے توازن پر مبنی ہوتے ہیں: ٹربائن کے کام، پمپ کے کام، اور بوائلر کو گرمی کے ان پٹ کا حساب لگانا (اور ری ہیٹر، اگر کوئی ہے)۔ درستگی کی کلید ریاستی نکات اور تھرموڈینامک خصوصیات (اینتھالپی، اینٹروپی، بھاپ کے معیار) کا قطعی تعین ہے، ساتھ ہی ساتھ حقیقی دنیا کے حالات جیسے کہ isentropic کارکردگی اور دباؤ میں کمی کو شامل کرنا ہے۔ حرارتی کارکردگی نظام کی کارکردگی کا بنیادی اشاریہ ہے اور درجہ حرارت/دباؤ میں اضافہ، دوبارہ گرم کرنا، دوبارہ تخلیق کرنا، اور کنڈینسر کی بہتری جیسی اصلاح کا جائزہ لینے کی بنیاد ہے۔

اگر آپ چاہیں تو، میں اصل PLTU کیس اسٹڈی کا تخمینہ لگانے کے لیے ایک مزید "جدید" حساب کی مثال (جیسے ری ہیٹ سائیکل + 1–2 فیڈ واٹر ہیٹر) کو اسٹیٹ پوائنٹ ٹیبلز اور Ts ڈایاگرام کے ساتھ مکمل کر سکتا ہوں۔