Oppimistavoitteet
Käyttäkää voimalaitosta täydellä tuotantokapasiteetilla ja laskekaa voimalaitoksen hyötysuhde voimalaitoksen toimiessa:
- Normaalitilanteessa,
- Jäähdytysveden lämpötilalla, joka on hyvin korkea (järviveden lämpötila: 35°C),
- Ilman regenerointia.
Vesivoimalaitoksia lukuun ottamatta useimmissa sähköntuotantolaitoksissa käytetään jonkinlaista kattilaa ja höyryturbiinia. Alla on esitetty kaaviokuva yksinkertaisesta höyryvoimalaitoksesta:
Korkeapaineinen höyry poistuu kattilasta ja tulee turbiiniin. Höyry laajenee turbiinissa ja tekee työtä, jonka avulla turbiini voi pyörittää sähkögeneraattoria. Poistohöyry poistuu turbiinista ja menee lauhduttimeen, jossa lämpö siirtyy höyrystä jäähdytysveteen. Lauhduttimesta lähtevän lauhteen painetta nostetaan pumpussa, jolloin lauhde pääsee virtaamaan kattilaan. Tämä termodynaaminen kierto tunnetaan nimellä Rankine-kierto.
Rankine-kierron hyötysuhde
Kuten edellä todettiin, höyrystä menetetään aina jonkin verran lämpöä jäähdytysveteen. Lisäksi syöttöpumput kuluttavat energiaa, mikä vähentää nettotehoa. Rankine-syklin hyötysuhde voidaan tällöin ilmaista seuraavasti:
tai
Viitaten yllä olevaan kaavioon ja käyttäen Rankine-syklin entalpia-arvoja voidaan kirjoittaa:
Rankine-syklin hyötysuhteen parantaminen
Paineen ja lämpötilan vaikutus Rankine-sykliin
Jos pakokaasun paine laskee P4:stä P4′:een, jolloin lämpötila, jolla lämpö hylätään lauhduttimessa, laskee vastaavasti, nettotyö kasvaa pinta-alalla 1-4-4′-1′-2′-2-1 (ks. alla oleva kaavio)
Samalla tavalla, jos höyryä ylikuumennetaan kattilassa, on selvää, että työ lisääntyy pinta-alalla 3-3′-4′-4-3 (ks. kaavio alla):
Höyryn ylikuumeneminen tapahtuu lisäämällä aikaa, jonka höyry on alttiina savukaasuille. Ylikuumenemisen seurauksena on, että tiettyä tehoa varten ylikuumennettua höyryä käyttävä laitos on kooltaan pienempi kuin kuivaa kyllästettyä höyryä käyttävä laitos.
Takaisinlämmityskierto
Edellä todettiin, että Rankine-kierron hyötysuhde paranee höyryn ylikuumenemisen avulla. Jos löydettäisiin metalleja, joiden avulla päästäisiin korkeampiin lämpötiloihin, Rankinen sykli voisi olla tehokkaampi. Hyötysuhteen parantamiseksi on kehitetty uudelleenlämmityssykli, joka on esitetty kaavamaisesti alla:
Tässä syklissä höyry paisutetaan turbiinissa johonkin välipaineeseen, minkä jälkeen höyryä lämmitetään uudelleen kattilassa, minkä jälkeen se paisuu matalapaineisessa turbiinissa pakokaasupaineeseen. Rankine-kierto uudelleenlämmityksen lämpöhyötysuhteella voidaan ilmaista seuraavasti:
Regeneratiivinen kierto
Toinen muunnelma Rankine-kierrosta on regeneratiivinen kierto, jossa käytetään syöttöveden lämmittimiä. Tilojen 2 ja 2′ välisen prosessin aikana syöttövettä lämmitetään, ja keskimääräinen lämpötila on tämän prosessin aikana paljon alhaisempi kuin höyrystymisprosessin 2′-3 aikana. Toisin sanoen keskimääräinen lämpötila, jossa lämpöä syötetään Rankinen kierrossa, on alhaisempi kuin Carnot’n kierrossa 1′-2′-3-4-1′, ja näin ollen Rankinen kierron hyötysuhde on pienempi kuin vastaavan Carnot’n kierron. Carnot-kierron ja Rankine-kierron välinen suhde on esitetty alla.
Regeneratiivisessa kierrossa syöttövesi tulee kattilaan jossakin pisteessä, joka on välillä 2-2′. Tämän seurauksena keskimääräinen lämpötila, jossa lämpöä syötetään, nousee. Alla on esitetty kaaviokuva käytännön syklistä:
Voimalaitoksen lämpöhyötysuhde
Voimalaitoksen kokonaislämpöhyötysuhteen laskemiseksi on mukautettava edellä esitettyjä kaavoja siten, että niihin sisällytetään lämpö, joka lisätään kattilan jälkilämmitinosissa:
Laboratorio-ohjeet
Ajetaan alkuehto I10 230 MW_oil_auto:
- Piirrä Rankine-kierron T-S-kaavio (ei mittakaavassa) mukaan lukien jälkilämmitys ja regenerointi,
- Kerää trendiryhmähakemiston avulla asiaankuuluvat prosessiarvot,
- Laskekaa laitoksen kokonaislämpötehokkuus:
- Normaaliolosuhteissa,
- Kun jäähdytysveden lämpötila on hyvin korkea (Aseta Variable List Page 0100, tag#: T00305 arvoksi 35°C),
- Kun kaikki höyrynpoistoventtiilit ovat kiinni (i.eli ei regenerointia ja T00305 on asetettu 10°C:een).
Vihjeitä & Vinkkejä
Tässä laboratoriossa lasket lähinnä Rankine-syklin lämpöhyötysuhteen. Sinun on kuitenkin otettava uudelleenlämmityskierto huomioon ja kirjattava seuraavat tunnisteet trendeihisi:
- Q02395 Reheater 1 transferred heat
- Q02375 Reheater 2 transferred heat
Kattilan syöttöveden sisääntulolämpötilaa varten voit käyttää Käynnistyslämmönvaihtimen syöttöveden ulostulolämpötilan tunnisteen numero: T02447.
Kakkoslaskelmaa varten etsi muuttujaluettelon sivu 0100 alla esitetyllä tavalla:
Kolmoslaskelmaa varten varmista, että olet sulkenut kaikki höyrynpoistoventtiilit ja asettanut T00305:n arvoksi 10 °C:
Entalpia-arvojen laskemiseen voit käyttää sovellusta tai online-työkalua, kuten Superheated Steam Table: https://goo.gl/GdVM4U
Suoritukset
Laboratorioraporttisi tulee sisältää seuraavat tiedot:
- T-S-kaavio: Yllä olevien ohjeiden mukaisesti,
- Trendikaaviot: Toimita kaikki tätä laboratoriota varten otetut kuvaajat,
- Laskelma: Käytä MATLABia tai MS Exceliä ja laske laitoksen kokonaislämpöhyötysuhde laboratorio-ohjeiden mukaisesti.
- Johtopäätös: Kirjoita yhteenveto (max. 500 sanaa, tekstikenttään, jos käytät Exceliä), jossa vertaat tuloksiasi ja ehdotat jatkotutkimuksia.
Lisälukemista:
- Applied Thermodynamics for Engineering Technologists by T. D. Eastop and A. McConkey: Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version by G. J. Van Wylen and R. E. Sonntag: Vapor power cycles.
- Thermodynamics and Heat Power by I. Granet:
Vapor power cycles.