Simulatorlaboratorium

Med undantag för vattenkraftverk använder de flesta kraftverk en typ av panna och ångturbin. Ett schematiskt diagram över ett enkelt ångkraftverk visas nedan:

Högtrycksånga lämnar pannan och går in i turbinen. Ångan expanderar i turbinen och utför arbete som gör att turbinen kan driva elgeneratorn. Avgasångan lämnar turbinen och går in i kondensorn där värme överförs från ångan till kylvatten. Trycket på kondensatet som lämnar kondensatorn höjs i pumpen så att kondensatet kan strömma in i pannan. Denna termodynamiska cykel är känd som Rankinecykeln.

Rankinecykelns verkningsgrad

Som nämnts ovan förloras alltid en del värme från ångan till kylvattnet. Dessutom förbrukar matningspumparna energi, vilket minskar nettoeffekten. Rankinecykelns verkningsgrad kan då uttryckas som:

eller

Med hänvisning till diagrammet ovan och med hjälp av enthalpivärdena i Rankinecykeln kan vi skriva:

Förbättringar av Rankine-cykelns verkningsgrad

Tryckets och temperaturens inverkan på Rankine-cykeln

Om avgastrycket sjunker från P4 till P4′ med motsvarande sänkning av den temperatur vid vilken värmen avvisas i kondensatorn, ökas nettoarbetet med ytan 1-4-4′-1′-2′-2-1 (se diagrammet nedan)

På ett liknande sätt, Om ångan överhettas i pannan är det uppenbart att arbetet ökar med 3-3′-4′-4-3 (se diagrammet nedan):

Överhettning av ångan sker genom att öka tiden då ångan utsätts för rökgaserna. Resultatet av överhettning är att för en given effekt kommer anläggningen som använder överhettad ånga att vara mindre än den som använder torr mättad ånga.

Rewärmecykeln

Ovan noterade vi att Rankine-cykelns verkningsgrad ökas genom att ångan överhettas. Om man kunde hitta metaller som gör det möjligt att nå högre temperaturer skulle Rankinecykeln kunna bli effektivare. För att förbättra verkningsgraden har man utvecklat återuppvärmningscykeln som visas schematiskt nedan:

I denna cykel expanderas ångan till ett visst mellantryck i turbinen och återuppvärms sedan i pannan, varefter den expanderar i lågtrycksturbinen till avgassystemets tryck. Rankinecykeln med återuppvärmnings termisk verkningsgrad kan uttryckas som:

Den regenerativa cykeln

En annan variant av Rankinecykeln är den regenerativa cykeln, som innebär att man använder sig av matarvattenvärmare. Under processen mellan tillstånd 2 och 2′ värms matarvattnet upp och medeltemperaturen är mycket lägre under denna process än under förångningsprocessen 2′-3. Med andra ord är medeltemperaturen för värmetillförseln i Rankinecykeln lägre än i Carnotcykeln 1′-2′-3-4-1′, och följaktligen är Rankinecykelns verkningsgrad lägre än motsvarande Carnotcykel. Förhållandet mellan Carnot-cykeln och Rankine-cykeln visas nedan.

I den regenerativa cykeln kommer matarvattnet in i pannan vid någon punkt mellan 2 och 2′. Detta leder till att den genomsnittliga temperaturen vid vilken värmen tillförs höjs. En schematisk bild av den praktiska cykeln visas nedan:

Anläggningens termiska verkningsgrad

För att beräkna anläggningens totala termiska verkningsgrad måste vi justera formlerna ovan för att införliva den värme som tillförs i pannans återuppvärmningssektioner:

Hänvisningar & Tips

I den här laborationen ska du i huvudsak beräkna Rankinecykelns termiska effektivitet. Du måste dock ta hänsyn till återuppvärmningscykeln och logga följande taggar i dina trender:

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

För Pannans matningsvatteninloppstemperatur kan du använda taggen för startvärmeväxlaren Feedwater Outlet Temperature (temperatur vid utlopp av matningsvatten) med nummer: T02447.

För den andra beräkningen hittar du Variable List Page 0100 enligt nedan:

För den tredje beräkningen ska du se till att du har stängt alla ångutsugningsventiler och ställt in T00305 på 10 °C:

För att beräkna entalpivärdena kan du använda en app eller ett onlineverktyg, till exempel Superheated Steam Table: https://goo.gl/GdVM4U