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シミュレータ実験室

学習目標

発電プラントをフル稼働させ、プラント稼働時の発電所効率を計算する：

  • 通常状態、
  • 冷却水温度が非常に高い状態（湖水温度：35℃）、
  • 再生不能の状態。

水力発電所を除けば、ほとんどの発電所にはボイラーと蒸気タービンの一種が採用されている。 単純な蒸気発電の模式図を以下に示す。

Schematic diagram of a steam power plant
Schematic diagram of a steam power plant

高圧の蒸気はボイラーから出て、タービンに流入する。 タービンの中で蒸気が膨張して仕事をし、タービンが発電機を駆動することができる。 タービンを出た排気蒸気は復水器で蒸気の熱を冷却水に伝える。 復水器を出たドレンはポンプで圧力を上げ、ボイラーに流れ込む。 この熱力学的サイクルはランキンサイクルとして知られている。

ランキンサイクルの効率

前述のように、蒸気から冷却水への熱の移動は常に失われる。 また、給水ポンプはエネルギーを消費するため、正味の仕事量は少なくなります。 ランキンサイクル効率は、

\eta_{Rankine} = \frac{Net\ work\ output}{Heat\ supplied\ in\ the\ boiler}

または

\eta_{Rankine} = \frac{W_{Turbine}-W_{Pump}}{Q_{boiler}}

上図を参照して、ランキンサイクルのエンタルピー値を使って、次のように書くことができる。

\eta_{Rankine} = \frac{(h_{1}-h_{2})-(h_{4}-h_{3})}{(h_{1}-h_{4})}

ランキンサイクル効率の改善

ランキンサイクルにおける圧力と温度の影響

もし排気圧力がP4からP4’へ下がり、凝縮器で熱が奪われる温度がそれに対応して下がれば、純仕事は面積1-で増加します。4-4′-1′-2′-2-1 （下図参照）

排圧の影響
排圧の影響

同様に。 ボイラーで蒸気が過熱されると、面積3-3′-4′-4-3（下図参照）だけ仕事が増えることがわかる。

過熱の効果
過熱の効果

蒸気の過熱は、蒸気が排ガスにさらされる時間を長くすることによって行われます。

再熱サイクル

前述したようにランキンサイクルの効率は蒸気を過熱することにより向上する。 もし、より高温にできる金属が見つかれば、ランキンサイクルはより効率的になる。 この効率を上げるために、再熱サイクルが開発された。

Rankine Cycle with Reheat
Rankine Cycle with Reheat

このサイクルでは、蒸気はタービン内である中間圧力まで膨張し、ボイラー内で再熱した後、低圧タービン内で排気圧に膨張させる。 再熱の熱効率を考慮したランキンサイクルは次のように表される：

\eta_{thermal} = \frac{W_{12}+W_{67}-W_{43}}{Q_{41}+Q_{26}}

再生サイクル

ランキンサイクルのもう一つの変形は、給水加熱器を使用した再生サイクルである。 状態2と2′の間の工程では、給水が加熱され、この工程の平均温度は気化工程2′-3の時よりもはるかに低くなっている。 すなわち、ランキンサイクルにおいて熱が供給される平均温度は、カルノーサイクル1′-2′-3-4-1′よりも低く、その結果、ランキンサイクルの効率は、対応するカルノーサイクルの効率よりも低くなってしまうのである。 カルノーサイクルとランキンサイクルの関係を以下に示す。

カルノーサイクルとランキンサイクルの関係
カルノーサイクルとランキンサイクルの関係

再生サイクルでは、給水は2〜2′間のある点でボイラに流入する。 その結果、熱供給される平均温度が上昇する。 実用的なサイクルの概略を以下に示す。

Regenerative cycle
Regenerative cycle

The Plant Thermal Efficiency

プラント全体の熱効率を計算するには、ボイラの再熱部で加えられる熱を上記の式で修正する必要がある。

\eta_{thermal} = \frac{W_{Turbines}-W_{Pumps}}{Q_{boiler}+Q_{Reheat1}+Q_{Reheat2}}

Lab Instructions

初期条件I10 230 MW_oil_autoを実行します。

  • 再熱と再生を含むランキンサイクルのT-Sダイアグラムを描く（ノンスケール）
  • トレンドグループディレクトリを使って、関連するプロセス値を集める
  • プラント全体の熱効率を算出する。
    • 通常状態,
    • 冷却水温度が非常に高い場合 (Variable List Page 0100, tag#: T00305 to 35°C),
    • すべての蒸気抽出弁が閉じている場合 (i.),
      • すべての蒸気抽出弁が閉じている場合,
      • すべての蒸気抽出弁が閉じている場合 (i.),
      • すべての蒸気抽出弁が閉じている場合e.再生なし、T00305を10℃に設定）

ヒント & Tips

このラボでは、基本的にランキンサイクルの熱効率を計算しています。

  • Q02395 Reheater 1 transferred heat
  • Q02375 Reheater 2 transferred heat

For Boiler Feedwater Inlet Temperature, you may use the Startup Heat Exchanger Feedwater Outlet Temperature tag#: T02447.Of Boiler給水温度は、Startup熱交換器給水温度タグ#:T02447.For Boiler給水温度タグを使用してください。

2回目の計算では、以下のように変数リストページ0100を探します：

Lake water temperature setting
Lake water temperature setting

3回目の計算は、すべての蒸気抜き弁を閉め、T00305を10℃としたことを確認します。

蒸気抜きなし
蒸気抜きなし

エンタルピー値を計算するには、アプリや過熱蒸気表などのオンラインツールを使用するとよいでしょう。 https://goo.gl/GdVM4U

Deliverables

実験レポートには以下を含めること：

  • T-S diagram:
  • トレンドプロット：上記の指示に従って、トレンドプロット。 このラボのために取られるすべてのプロットを供給し、
  • 計算。 MATLABまたはMS Excelを使用して、ラボの指示に従って、プラントの全体的な熱効率を計算する.
  • 結論。 結果を比較し、さらなる研究のための提案を要約してください（最大500語、Excelを使用している場合はテキストボックス内）。 Steam Plant.
  • Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version by G. J. Van Wylen and R. E. Sonntag.（古典熱力学の基礎 SI バージョン）。 ベーパーパワーサイクル.
  • 熱力学とヒートパワー.I.グラネット.著: ベーパーパワーサイクル.

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