UNIVERZA V MARIBORU FAKULEA ZA SROJNIŠVO OPLONI SROJI (zapiski predavanj) Aleš Hribernik 007
Vsebina stran. Primarni energetski viri. Rankine-ov krožni proces 4. Idealni Rankine-ov krožni proces 4. Realni Rankine-ov krožni proces 6.3 Ukrepi za izboljšanje termičnega izkoristka Rankine-ovega ciklusa 7.3. Znižanje tlaka (temperature) v kondenzatorju 8.3. Vpliv temperature pare na vstopu v turbino 8.3.3 Vpliv tlaka pare na vstopu v turbino 9.3.4 Idealno regenerativno gretje napajalne vode 0.3.5 Praktične izvedbe regenerativnega gretja napajalne vode.3.6 Optimalni potek regenerativnega gretja s končnim številom grelnikov 9.4 Ponovno pregrevanje pare 0.5 So-proizvodnja elektrike in toplote (kogeneracija) 3. Braytonov ciklus plinski krožni proces 5 3. Idealni Braytonov ciklus 5 3. Realni Braytonov ciklus 9 3.3 Primerjava Braytonovega in Rankinovega ciklusa 3 3.4 Ukrepi za izboljšanje izkoristka 33 3.4. Regeneracija 33 3.4. Vmesno hlajenje komprimiranega zraka 34 3.4.3 Ekspanzija z vmesnim gretjem 36 3.4.4 Kombiniran plinsko parni proces 37 3.5 Izvedbe PP-jev 38 3.5. Izvedbe z več rotorji 38 3.5. Zaprti postroj 39 3.5.3 Polzaprti postroj 40 3.5.4 Postroj s kurjenjem za turbino 4 3.6 Letalski potisnik 4 3.6. urboventilatorski motor 44 3.6. urbopropelerski motor 46 3.6.3 Klasični potisnik 46 3.7 Zgradba gorilnika 48 4. Osnove delovanja parnih in plinskih turbin 5 4. Razmere v stopnji aksialne enakotlačne turbine 53 4.. Hitrosti, moč, delo na obodu in izkoristek na obodu 54 4.. Izgube na obodu 57 4. Večstopenjske enakotlačne turbine 59 4.. urbina s hitrostnimi stopnjami 59 4.. urbina s tlačnimi stopnjami (Rateaujeva turbina) 60 4.3 Razmere v stopnji aksialne nadtlačne turbine 6 4.4 Primerjava zmogljivosti enakotlačne in nadtlačne stopnje 64 4.5 Izvedbe turbin in regulacija moči 65
3 5. Aksialni kompresor 69 5. Razmere v stopnji aksialnega kompresorja 69 5.. rikotniki hitrosti 70 5.. Delo, izkoristek in izgube kompresorske stopnje 70 5..3 Povišanje tlaka v stopnji 74 5..4 Stopnja reaktivnosti 75 6. oplotni batni stroji 76 6. Idealni krožni procesi 76 6. Krožni procesi realnih motorjev 8 6.3 Procesi v motorju z notranjim zgorevanjem 83 6.3. Zgorevanje 83 6.3. Motor s prisilnim vžigom Otto motor 83 6.3.. Priprava delovne zmesi 84 6.3.. Vžig 85 6.3..3 Proces zgorevanja 85 6.3..4 Problemi in omejitve 87 6.3.3 Dizelski motor 89 6.3.3. vorba zmesi zrak-gorivo 89 6.3.3. Direktno vbrizgavanje goriva 9 6.3.3.3 Indirektno vbrizgavanje goriva deljen zgorevalni prostor 9 6.3.3.4 Potek zgorevanja 93 6.3.3.5 Problemi in omejitve 94 6.3.4 Primerjava značilnosti Otto in dizelskega motorja 95 6.3.5 Izmenjava delovne snovi 95 6.3.4. Izmenjava delovne snovi v 4-taktnem motorju 95 6.3.4. Izmenjava delovne snovi v -taktnem motorju 96 6.3.4.3 Parametri za oceno procesa izmenjave delovne snovi 98
4. Primarni energetski viri Primarni energetski viri so nosilci energije, kot se pojavljajo v naravi. Pojavljajo se v naslednjih glavnih primarnih energetskih oblikah: - kemična energija (trda, kapljevita, plinasta fosilna ali bio goriva), - jedrska energija, - potencialna in kinetična energija (voda, veter, ), - sevalna energija (sonce), - geotermalna energija. Energetske vire delimo na obnovljive in neobnovljive. K obnovljivim spadajo kemična energija iz biomase, potencialna energija rek in jezer, kinetična energija vetra, potencialna in kinetična energija morij, sevalna energija sonca in geotermalna energija. Korista energija (sekundarna energija) je energija pridobljena iz primarnih energetskih virov s preobrazbo ene oblike energije v drugo (slika.). Zaradi nepopolnosti postrojev in narave preobrazbe same se le del primarne energije pretvori v koristno energijo, ostanek imenujemo izguba koristne energije (največkrat je toplota). Preobrazba je zvezana z določenim energetskim izkoristkom procesa. a je visok pri pretvorbi potencialne energije vode v koristno energijo in precej nižji pri pretvorbi kemijsko vezane energije. Najpopolnejša oblika koristne energije je elektrika, ki jo z visokim izkoristkom brez težav pretvorimo v ostale energije. PRIMARNI ENERGESKI VIRI 00 % % 99 % NEPOSREDNO IZKORIŠČANJE POSREDNO IZKORIŠČANJE mlini na vodo, veter,.. < 50 % INDIREKNA PORABA ENERGIJE DIREKNA PORABA ENERGIJE OPLOA termoelektrarne, hidroelektrarne motorji z notr. zgorevanjem, PP (letala, ladje), ladijske parne turbine ogrevanje, industrijska raba Slika.: Prikaz pretvorbe primarne energije v koristno sekundarno energijo Koristno energijo se v največji meri porablja za delo in toploto, v manjši meri za svetlobo in zvok. Medsebojno razmerje delo/toplota je odvisno od industrializacije neke dežele in zemljepisne lege. Danes pridobivamo koristno energijo v glavnem iz neobnovljivih energetskih virov. udi v bližnji prihodnosti bo delež obnovljivih virov skromen (8 do 0 % - sliki. in.3). Osnovni razlog je neekonomičnost pogonov z malo gostoto proizvodnje take vrste energije.
5 Slika.: Dolgoročna ocena svetovnih potreb po primarnih energetskih virih Slika.3: Struktura primarnih energetskih virov v Sloveniji v letu 000 Možne preobrazbe primarne energije v obliki neobnovljivih virov (razen biomase) v sekundarno energijo prikazuje slika.4. Energija iz primarnih neobnovljivih energetskih virov se danes v veliki meri pretvarja v koristno energijo s krožnimi procesi. 70 % vse na svetu proizvedene električne energije (elektrarne na fosilna goriva in jedrske elektrarne) je iz parnih postrojenj (Rankine-ov krožni proces) in vse kaže, da bo enako tudi v prihodnosti. Postrojenja imajo dober izkoristek in primerna so za vse tudi najslabše vrste goriv.
6 GORIVA parni kotel, jedrski reaktor, gorilnik delo mišic gorilni člen OPLOA toplotni stroji MHD generator elektromotor MEHANSKO DELO elektr. generator ELEKRIČNO DELO Slika.4: Možne poti preobrazbe primarne energije v obliki neobnovljivih virov (razen biomase) v sekundarno energijo
7. Rankine-ov krožni proces Delovanje parnih postrojev temelji na Rankinovem krožnem procesu (slika.). Črpalka tlači vodo na visok tlak in jo poganja skozi parni kotel. V parnem kotlu se voda upari in nato ekspandira v turbini. Pri tem se toplotna energija pare pretvarja v mehansko delo. Le-to se porablja za pogon črpalke in ostalih prigrajenih agregatov, preostalo neto delo pa največkrat poganja električni generator. Za turbino je kondenzator, v katerem para kondenzira. Uparjalna toplota pa se pri tem odvaja v okolico.. Idealni Rankine-ov krožni proces Poteka brez vseh izgub. Od porabnikov dela, ki ga proizvede turbina, je upoštevana le napajalna črpalka. urbina Kotel Kondenzator P 4 * 4 U 4 U * 4 3 3 * 3 * Črpalka V S Slika.: Shematski prikaz ter p-v, -s in h-s diagrami Rankineovega ciklusa Posamezne preobrazbe: - - izentropna ekspanzija v turbini delo turbine: w h h (.) -3 - izobarna (izotermna) kondenzacija pare v kondenzatorju odvedena toplota: q odv h h3 (.) 3-4 - izentropna kompresija vode v črpalki delo črpalke: h h v dp v ( p ) 4- - izobaren dovod toplote 4-U gretje napajalne vode, U- izobarno (izotermno) uparjanje, -* - pregrevanje pare 4 w Č (.3) 4 3 3 4 p3 3 dovedena toplota: q dov h h4 (.4) Neto pridobljeno delo je: w N w w (.5) Č
8 ermični izkoristek procesa je: w h h w q h N Č odv 3 η t (.6) qdov h h4 qdov h h4 h Če delo črpalke zanemarimo, lahko pišemo h h w h h Č η t (.7) h ( h3 + w ) h h Č 3 ermični izkoristek lahko ob uporabi. glavnega zakona termodinamike tudi zapišemo: ( s s3 ) odv ( s s4 ) dov q η (.8) odv odv t qdov dov Pri čemer sta dov in odv srednji temperaturi dovoda, oz. odvoda toplote: dov 4 s ds s 4 h s h s 4 4 in odv 3 s ds s 3 h s h s 3 3 (.9) Izkoristek je torej tem boljši čim višja je srednja temperatura dovoda toplote in čim nižja je srednja temperatura odvoda toplote. Energetski izkoristek celotnega postrojenja na sponkah generatorja je manjši od termičnega izkoristka idealnega krožnega procesa in je v splošnem zmnožek več izkoristkov: η η η, η η η η (η0,35-0,4) (.0) t s kjer je: η t termični izkoristek (η t 0,48-0,57), η s, izentropski izkoristek turbine (η s, 0,8-0,90), η m mehanski izkoristek turbine (η m 0,98-0,99), η G izkoristek generatorja (η G 0,98-0,99), η K izkoristek kotla (η K 0,88-0,94), η P zmanjšanje izkoristka zaradi lastne rabe (η P 0,9-0,97), m G K Ob izkoristku se v praksi pogosto uporablja izraz specifična poraba toplote, ki je recipročna vrednost izkoristka: J / s t W (.0a) η in je razmerje med dovedeno toploto (toplotnim tokom) in koristnim delom (električno močjo). P
9. Realni Rankine-ov krožni proces Omejili se bomo zgolj na notranje procese na strani delovnega medija. Notranje trenje, dušenje in mešanje tekočine povzroča nepovračljivosti procesa (slika.). Med njimi so najpomembnejše nepovračljivosti v turbinah in črpalkah ter tlačne izgube v toplotnih prenosnikih, cevovodih, spojih, ventilih in podobno. Slika.: -s diagram notranje nepovračljivega Rankine-ovega krožnega procesa V primeru turbine in črpalke še vedno velja predpostavka o adiabatnem toku, saj so pretoki tako veliki, da so izgube toplote na enoto mase zanemarljivi. Seveda pa pretok ni povračljiv, zato pride v obeh primerih do porasta entropije. o povzroči povečanje entalpije na izstopu, torej zmanjša entalpijski padec oz. delo turbine. Izgube zaradi nepovračljivosti v turbini popišemo z izentropskim izkoristkom turbine: h h η s, (.) h h, s η s, 0,8-0,90, običajno raste z velikostjo turbine in pada s povečanjem vlage v pari. Zato imajo začetne stopnje višji izentropski izkoristek od končnih. V procesu kondenzacije tlačnih izgub ni, saj je -3 dvofazni kondenzacijski proces, ki poteka izobarno. udi v črpalki pride zaradi nepovračljivosti do povečanja entropije. Zato je entalpija na izstopu h 4 višja od h 4s, torej porablja črpalka več dela. Ponovno izrazimo izgube s pomočjo izentropskega izkoristka: h4 s h3 η (.) s, Č h h ako je dejansko delo potrebno za pogon črpalke w Č Č 4 3 ( p p ) h4s h3 v3 4 3 (.3) η η Č
0 lak napajalne vode za črpalko p 4 je višji od tlaka pred turbino, da pokrije tlačne izgube v kotlu (p 4 -p 5 ; p 5 tlak na izstopu iz kotla) in tlačne izgube med kotlom in turbino (p 5 -p 5' ). Med kotlom in turbino nastajajo tudi toplotne izgube zaradi hlajenja sveže pare (h 5 -h h 5' -h ). Proces pri pretoku pare med kotlom in turbino je na sliki. poenostavljeno prikazan kot kombinacija dušenja (padec tlaka Δpp 5 -p 5' pri konstantni entalpiji h 5 h 5' ) in izobarnega ohlajanja pare h 5' -h. lačne izgube med 4 in znašajo do 0 bar..3 Ukrepi za izboljšanje termičnega izkoristka Rankine-ovega krožnega procesa Izraz (.8) odv η t (.8) dov nam pokaže, da je mogoče termični izkoristek povečati z zvišanjem srednje temperature dovoda toplote in znižanjem srednje temperature odvoda toplote. Vpetost Rankine-ovega procesa v toplotno stanje dimnih plinov in toplotno stanje okolice je prikazana na sliki.3. Potenciali za povečanje termičnega izkoristka so kot vidimo s slike.3 precejšnji. Slika.3: oplotno stanje dimnih plinov, krožni parni proces in toplotno stanje okolice
.3. Znižanje tlaka (temperature) v kondenzatorju Slika.4: Znižanje tlaka (temperature) v kondenzatorju h-s diagram Vakuum v kondenzatorju je posledica kondenzacije vodne pare pri kateri se zmanjša specifični volumen za faktor 000. Znižanje tlaka v kondenzatorju poveča specifično delo turbine, saj se poveča entalpijski padec na turbini (Δh > Δh 0 ). S tem se povečuje tudi termični izkoristek procesa, kar lahko ugotovimo tudi z opazovanjem srednjih temperatur dovoda in odvoda toplote. Srednja temperatura odvoda toplote se niža z nižanjem tlaka v kondenzatorju (sovpadanje izobar in izoterm v področju mokre pare), pri tem pa je znižanje srednje temperature dovoda toplote le minimalno (spremeni se le v fazi gretja kondenzata; 4-u). Omejitve: - temperatura hladilnega medija v kondenzatorju je pogojena s temperaturo okolice (okoliškega zraka, rečne vode, morja,.) in površino ter učinkovitostjo prenosnikov toplote. - velika specifična prostornina par pri nizkih tlakih zahteva velike dimenzije zadnjih turbinskih stopenj in kondenzatorja. - Večja vlažnost na izstopu iz turbine povzroča poškodbe lopatic zadnjih turbinskih stopenj in tudi nižanje izentropskega izkoristka turbine. Velja priporočilo, da naj minimalna suhost pare na izstopu iz turbine ne bo nižja od 0,85..3. Vpliv temperature pare na vstopu v turbino Povečanje temperature na vstopu v turbino (slika.5) povzroči: - povečanje entalpijskega padca v turbini, - povečanje termičnega izkoristka turbine (srednja temperatura dovoda toplote se poveča, srednja temperatura odvoda toplote pa ostane nespremenjena), - zmanjšanje vlažnosti na izstopu iz turbine in s tem: o boljši izentropski izkoristek turbine, o manjšo erozijo lopatic turbine.
Slika.5: Vpliv temperature pare na vstopu v turbino Omejitev: maksimalna temperatura je omejena s trdnostjo materialov iz katerih so prenosniki toplote v kotlu, parovodi, ventili, itd. in ne sme preseči 565 do 600 0 C. Pri višjih temperaturah je potrebno uporabiti draga austenitna jekla, kar pa ni ekonomično..3.3 Vpliv tlaka pare na vstopu v turbino Slika.6: Vpliv tlaka pare na vstopu v turbino Povečanje tlaka poveča srednjo temperaturo dovoda toplote. Pri nespremenjeni temperaturi odvoda toplote se zato poveča termični izkoristek proces. Dokaz je enostaven. Naj velja, da je v obeh primerih s slike.6 (ciklus I: --3-, ciklus II: '-'-3-') dovedena toplota enaka. edaj bo: qdov qdov dov, I < dov, II s s s s 3 Omejitev: pri konstantni temperaturi dovoda toplote se s povečevanjem tlaka na vstopu v turbino povečuje vlažnost pare na izstopu iz nje, kar kot smo že dejali negativno vpliva na ' 3
3 izentropski izkoristek turbine in poveča erozijo turbinskih lopatic v zadnjih stopnjah turbine. Zato je zviševanje tlaka na vstopu v turbino smiselno le ob hkratnem višanju temperature sveže pare. Kot vidimo na sliki.7 je mogoče povečati tlak sveže pare s 95 bar na 60 bar pri konstantni suhosti pare na izstopu, le če pri tem povečamo temperaturo sveže pare s 50 na 600 0 C. Povečanje termičnega izkoristka je pri tem kar 9 procentnih točk. Slika.7: Vpliv hkratnega povečanja temperature in tlaka sveže pare (temperature in tlaka na vstopu v turbino sp, p p sp ) na termični izkoristek Rankinovega krožnega procesa.3.4 Idealno regenerativno gretje napajalne vode* Eden osnovnih vzrokov za nizko srednjo temperaturo dovoda toplote je nizka temperatura kondenzata, ki prihaja iz kondenzatorja. Z regenerativnim gretjem segrejemo kondenzat s paro, ki ekspandira v turbini. Zato vstopa v kotel kondenzat pri višji temperaturi in je srednja temperatura dovoda toplote višja z njo pa tudi termični izkoristek procesa. V idealnem primeru je regenerativno gretje napajalne vode povračljiv proces, ki je le teoretično izvedljiv. V nadaljevanju si oglejmo regenerativno gretje kondenzata v Rankinovem ciklusu z zasičeno paro. Med točkama in 3* teče proces po stopničasti preobrazbi. Para kondenzira pri konstantni temperaturi odda toploto kondenzatu in nato izentropno ekspandira na nižji tlak, kjer se proces ponovi. Pogoj povračljivosti je izpolnjen, če je temperaturna razlika para kondenzat ves čas neskončno majhna, kar je mogoče le kadar je število»stopnic«v -s diagramu tudi neskončno. akrat je tudi krivulja 3* popolnoma gladka in vzporedna s 5 6, saj velja v vsakem koraku δq δsw δs s Zato velja tudi s s3 s6 s4 s7 s4 (.4) In s s s (.5) 3 4 s7 oplota, ki jo je potrebno v kotlu dovesti delovnemu mediju je torej q dov h h 7 (.6)
4 turbina kotel gretje kondenzata 5 3 kond. 7 črpalka 6 4 črpalka 5 4 7 6 3* 3 U K Q odv Slika.8: eoretična izvedba postroja in -s diagram regenerativnega gretja kondenzata v Rankine-ovem ciklusu z zasičeno paro Odvedena toplota v kondenzatorju pa q odv ( s ) h (.7) 3 h4 k 3 s4 Zato je termični izkoristek q q h h ( s s ) dov odv 7 k 3 4 η t (.8) qdov h h7
5 Z gretjem napajalne vode lahko zvišamo temperaturo kondenzata pred vstopom v kotel vse do temperature vrelišča pri delovnem tlaku p. V tem primeru je dovedena toplota: q dov ( s ) h (.9) h7 u s7 Izraz za termični izkoristek pa se izenači z z izrazom za izkoristek Carnotovega procesa u k k odv η t (.0) u u dov eoretično je izvedljivo tudi idealno (povračljivo) gretje kondenzata v Rankinovem procesu s pregreto paro, ki pa zahteva ob neskončnem številu korakov gretja še uporabo hlajenih kompresorjev pare z neskončno stopnjami za regenerativno gretje v področju pregrete pare. Kar je praktično popolnoma neizvedljivo, zato razlago izpuščamo..3.5 Praktične izvedbe regenerativnega gretja napajalne vode V praksi ima regenerativno gretje napajalne vode le nekaj enostavnih stopenj (4 do 8), saj porast termičnega izkoristka ne zagotavlja pokritja naložbe v večje število stopenj. Iz istega razloga so tudi izvedbe precej enostavnejše, kot opisane v poglavju o idealnem regenerativnem gretju. Uporabljajo se trije tipi grelnikov napajalne vode. a) Odprto gretje z neposrednim stikom Na sliki (.9) je poenostavljen sistem z dvema grelnikoma. V praksi se običajno uporablja le en grelnik tega tipa, ki je nameščen v sredini sistema regenerativnega gretja. V primeru s slike (.9) se izobarno meša parni tok m i z napajalno vodo. Pri tem se napajalna voda greje do temperature vretja pri tlaku mešanja, t.j. tlak odvzema pare iz turbine. Pravilno delovanje obeh grelnikov je pogojeno s točno določenim masnim pretokom pare, ki v grelniku odda uparjalno toploto in s segreto napajalno vodo izteka pri temperaturi vretja. Potrebna masna tokova za poenostavljeni primer s slike sledita iz energijskih enačb mešanja: in m& h h ) ( m& m& )( h ) (.) ( 9 9 h8 m& h h ) ( m& m& m& )( h ) (.3) ( 3 7 7 h6 Pri tem so entalpije v izbranih točkah poznane. Potek računanja potrebnih masni tokov m i v primeru z več grelniki bi bil enak. Ostali parametri procesa so: - v kotlu dovedeni toplotni tok Q& dov ( h h0) m& (.4) - moč turbine P h h ) m& + ( h h )( m& m& ) + ( h h )( m& m& & ) (.5) ( 3 3 4 m - poraba moči za pogon črpalk P Č v p p v p p v p p m m m 5( 6 5) m m 7( 8 7) m 9( 0 9) ( & & & ) + ( & & ) + & (.6) η η η s, Č s, Č s, Č
6 kotel m m kondenzator U m m Slika.9: Odprto gretje z neposrednim stikom - koristna moč - termični izkoristek P N P PČ (.7) P η N t Q& (.8) dov Odprto gretje zahteva za vsako stopnjo gretja dodatno črpalko napajalne vode. Masni pretoki skozi te črpalke so skoraj enaki m, zato so črpalke precej velikih dimenzij, njihovo obratovanje pa je hrupno in povezano z visokimi stroški servisa in obratovanja. Zato se v sodobnih postrojenjih največkrat uporablja samo en grelnik tega tipa, medtem ko so ostali zaprtega tipa.
7 b) grelnik zaprtega tipa s kaskadnim povratnim tokom kondenzata kotel m m kondenzator U Slika.0: Regenerativno gretje zaprtega tipa s kaskadnim povratnim tokom kondenzata Grelnik zaprtega tipa s kaskadnim povratnim tokom kondenzata je najenostavnejši in zato kljub nekoliko večjim nepovračljivostim najpogosteje uporabljen grelnik napajalne vode. Izveden je kot prenosnik toplote. Voda teče skozi cevi prenosnika, para odvzeta turbini pa skozi okrov in obteka cevi (slika.0). Pri tem pride do prenosa toplote s pare na vodo, para kondenzira in skozi nižje stopnje gretja odteka v kondenzator. Dejansko so grelniki tega tipa majhni kondenzatorji pare odvzete turbini. Ker teče napajalna voda v ceveh zadošča le ena črpalka takoj za kondenzatorjem, ki dvigne tlak napajalne vode do končnega tlaka napajanja kotla. Na sliki.0 sta kot primer podana dva karakteristična grelnika. Prvi nizkotlačni obratuje z mokro paro. Visokotlačni pa s pregreto paro. Potek temperature v nizkotlačnem prenosniku toplote prikazuje slika..
8 KR l l l l Slika.: Potek temperatur v N prenosniku toplote (C kondenzacija, DC hlajenje kondenzata) emperaturna razlika na strani izstopa napajalne vode je definirana kot KR temperatura zasičenja pare temperatura izstopa napajalne vode V primeru nizkotlačnega prenosnika je KR pozitivna in velikostnega reda 5 0 C. Kondenzacijski sekciji lahko sledi še sekcija za ohlajanje kondenzata (primer b), ki omogoči še prenos toplote s kondenzata na napajalno vodo in nekoliko zmanjša nepovračljivosti. e so v največji meri posledica dušenja kondenzata (izentalpa 9 0) na izstopu iz prenosnika do tlaka v kondenzatorju, kjer mokra para stanja 0 dokončno kondenzira. Iz nizkotlačnega grelnika teče napajalna voda v visokotlačni grelnik (slika.). a je sestavljen iz treh sekcij: - hlajenje pregrete pare - kondenzator - hlajenje kondenzata KR Slika.: Potek temperatur v V prenosniku toplote (C kondenzacija, DC hlajenje kondenzata, DS hlajenje pregrete pare) Zadnja sekcija lahko zaradi enostavnosti tudi odpade. KR visokotlačnega grelnika je do 5 0 C, kar pomeni, da se napajalna voda greje nad temperaturo zasičenja odvzete pare. Kondenzat na izstopu ponovno dušimo (izentalpa ) na tlak nizkotlačnega prenosnika, pridušena mokra para pa vstopa v nizkotlačni grelnik, kjer se pomeša z nizkotlačno paro in greje napajalno vodo. Potrebna masna tokova pare ponovno sledita iz energijske bilance visokotlačnega: m& h h ) m& ( h ) (.9) ( 8 h7 l
9 in nizkotlačnega grelnika m& h h ) + m& ( h h ) m& ( h ) (.30) ( 3 9 9 7 h6 Pri tem so entalpije za izbrane tlake procesa in KR poznane, oz. velja za dušenje h h in 0 h9 h (.3) Ko določimo oba neznana masna pretoka m in m, izračunamo še ostale parametre procesa: - v kotlu dovedeni toplotni tok Q& dov ( h h8 ) m& (.3) - moč turbine P h h ) m& + ( h h )( m& m& ) + ( h h )( m& m& & ) (.33) ( 3 3 4 m - poraba moči za pogon črpalke v p p PČ m 5 ( 6 5) & (.34) ηs, Č - odvedeni toplotni tok v kondenzatorju: - koristna moč - termični izkoristek & h h )( m& m& m& ) + ( h h )( m& + & ) (.35) Q odv ( 4 5 0 5 m PN P PČ (.7) P η N t Q& (.8) dov c) grelnik zaprtega tipa s prečrpavanjem kondenzata v napajalno vodo Odvzeti tok pare se po kondenzaciji ne duši na nižji tlak in postopoma vrača v kondenzator, ampak se s črpalko stiska na delovni tlak in meša z napajalno vodo (slika.3). oplotni prenosniki so pri tem enaki kot v primeru b, za razliko pa zahteva primer c ob glavni črpalki še postavitev črpalke za vsako stopnjo gretja. e črpalke tlačijo kondenzat na tlak napajalne vode. Po velikosti so precej manjše kot v primeru odprtega gretja, saj tlačijo le parcialne pretoke m i. Kondenzata pare v tem primeru v prenosniku ne podhladimo, saj bi ga morali kasneje pomešanega z napajalno vodo ponovno greti. Ker se s prečrpavanjem kondenzata na višji tlak izognemo dušenju je stopnja nepovračljivosti regeneracije nižja kot v primeru b. Da bi izračunali masna tokova m in m in entalpijo napajalne vode v točkah 0 in 8, moramo rešiti sistem 4 enačb, ki ga sestavljata energijski bilanci obeh grelnikov, visokotlačnega in nizkotlačnega m& h h ) ( m& m& )( h ) (.36) ( 9 h8 m& h h ) ( m& m& m& )( h ) (.37) ( 3 3 7 h6 ter bilanci mešanja za visokotlačno m & h & ( & & h (.38a) 0 mh + m m ) 9
0 kotel m m kondenzator Slika.3: Regenerativno gretje zaprtega tipa s prečrpavanjem kondenzata v napajalno vodo in nizkotlačno črpalko. ( m & m& & & & & h (.38b) ) h8 mh4 + ( m m m) Ostale entalpije pa določimo v odvisnosti od izbranih tlakov procesa in končnih temperaturnih razlik (KR) grelnikov, saj velja: 7 in t t 7 ts p3) KRN t3 ( KR (.39a) 9 ts p) KRV t N ( KR (.39b) V
Preostale parametre procesa pa določimo z naslednjimi izrazi: - v kotlu dovedeni toplotni tok Q& dov ( h h0) m& (.40) - moč turbine P h h ) m& + ( h h )( m& m& ) + ( h h )( m& m& & ) (.33) ( 3 3 4 m - poraba moči za pogon črpalke P Č v p p v p p v p p m m m 5( 6 5) m ( ) m 3( 4 3) ( & & & ) + & + & (.4) η η η s, Č s, ČV s, ČN - odvedeni toplotni tok v kondenzatorju: - koristna moč - termični izkoristek & Q odv h h )( m& m& & ) (.4) ( 4 5 m PN P PČ (.7) P η N t Q& (.8) dov Izbira postopka za regenerativno gretje je odvisna od mnogih faktorjev. Veljajo pa naslednja priporočila pri sestavi posameznih stopenj: - en grelnik odprtega tipa, ki je hkrati odplinjevalnik, se uporabi v elektrarnah na fosilna goriva in je postavljen v sredino sistema gretja napajalne vode, kjer je temperatura najprimernejša za izločanje nekondenzatov (plinov). - zaprti tip grelnika s povratnim kaskadnim tokom kondenzata je najpogostejši. Visokotlačni je običajno sestavljen hladilnika pregrete pare, kondenzatorja in hladilnika kondenzata, nizkotlačni pa običajno le iz kondenzatorja. - Zaprti tip grelnika s prečrpavanjem kondenzata pa se običajno uporabi kot grelnik na spodnjem tlaku pare (kot prvi grelnik). a hkrati akumulira kondenzat, ki priteka iz gornjih grelnikov s povratnim tokom in ga prečrpava v napajalno vodo. Z enakim namenom je včasih postavljen tudi kot visokotlačna stopnja. Dodatni prednosti, ki jih ima regenerativno gretje sta: - v procesu z regeneracijo masni tok skozi turbino upada. Skupni odvzem pare za regeneracijo je do 40% pretoka na vstopu v turbino. Za to je v primerjavi s procesom brez regeneracije pri enaki moči turbine višina lopatic začetnih stopenj višja (manjši vpliv mejnega sloja), lopatice kondenzacijskih stopenj pa so precej nižje (manjši trdnostni problemi, dimenzije in cena). - Odvzem pare pri nižjih tlakih nizkotlačne turbine deluje kot vodna drenaža in zmanjšuje problem erozije lopatic. Pomanjkljivost pa lahko predstavlja visoka temperatura dimnih plinov, ki se v ekonomizerju (grelnik napajalne vode) ne ohladijo dovolj. Zato pade izkoristek kotla. Rešitev je predgretje zraka, ki ga dovajamo v kurišče kotla.
.3.6 Optimalni potek regenerativnega gretja s končnim številom grelnikov Ugotovili smo, da z regenerativnim gretjem napajalne vode povišamo srednjo temperaturo dovoda toplote in s tem termični izkoristek procesa. Upoštevati pa moramo, da je v primeru dejanske regeneracije temperatura turbini odvzete pare višja od temperature regenerativnega gretja, kar povzroči nepovračljivosti in znižuje termični izkoristek. Pri izbranem številu grelnikov bo za višjo končno temperaturo gretja potrebna tudi višja temperaturna razlika, t.j. nepovračljivosti. Zato se postavi vprašanje katera je tista končna temperatura regenerativnega gretja kondenzata, pri kateri je termični izkoristek najvišji in koliki naj bodo deleži gretja posameznih grelnikov. Postopek optimizacije je iterativen, zato se bomo v splošnem omejili le na približno rešitev problema, ki pa je hkrati zelo dober približek. Δh i Slika.4: Regenerativno gretje s končnim številom grelnikov h-s diagram Z obravnavanjem odprtega sistema regenerativnega gretja (slika.4) lahko ugotovimo, da naj bodo deleži gretja posameznih grelnikov med seboj enaki: h h h N Δ KOND i (.43) n in da je optimalni delež regenerativnega gretja z n toplotnimi prenosniki enak: h h n x N KOND n (.44) h h n + U KOND Kar pomeni, da regenerativno grejemo vodo le do neke optimalne temperature n (h n ), ki je nižja od temperature uparjanja u (h u ) pri napajalnem tlaku turbine. Optimalni delež regenerativnega gretja x n bo toliko večji, kolikor več stopenj bo gretje imelo in bo teoretično enak, ko bo število stopenj neskončno. Z večanjem x n pa se bo končna temperatura gretja bližala temperaturi vretja napajalne vode, srednja temperatura dovoda toplote in termični izkoristek pa bosta rasla. Za neskončno število stopenj bo termični izkoristek največji specifična poraba toplote: Q& t dov (.0a) η P N
3 pa najmanjša. Relativni prihranek specifične porabe toplote zaradi povečanja števila stopenj lahko torej zapišemo: t t y 0, (.45) t0 t kjer je: t 0 specifična poraba toplote v procesu brez regeneracije t - specifična poraba toplote v procesu z neskončno stopnjami regeneracije Pri tem je y odvisen tako od števila stopenj gretja kot tudi od deleža regenerativnega gretja x (glej sliko.5), ki je lahko optimalen (enak x n ) ali tudi ne. y število grelnikov x Slika.5: Relativni prihranek y v odvisnosti od deleža regenerativnega gretja x Za izbrano število stopenj gretja n bo pri optimalnem deležu regenerativnega gretja x n relativni prihranek največji in bo veljalo n y n (.46) n + Siceršnji prihranek y pri ne-optimalnih vrednostih x pa načelno prikazuje slika (.5). Ugodno je, da je upadanje prihranka v relativno široki okolici optimuma počasno, kar dopušča določene tolerance parametrov optimalnega procesa..4 Ponovno pregrevanje pare ermični izkoristek Rankinovega krožnega procesa je mogoče povečati tudi s ponovnim pregrevanjem pare, s čemer dosežemo višjo srednjo temperaturo dovoda toplote. Pri tem paro po delni ekspanziji v turbini pri določenem tlaku ponovno vodimo v kotel in jo pregrejemo (glej sliko.6). emperatura pregretja pare je lahko zaradi nižjega tlaka (manjše mehanske obremenitve) tudi nekoliko višja od temperature na vstopu v turbino.
4 Povečanje termičnega izkoristka pri pregrevanju pare je odvisno od tlaka pregrevanja. Za enostaven primer s slike (enkratno pregrevanje brez regeneracije) lahko poiščemo optimalni tlak pregrevanja p, tako da primerjamo termični izkoristek procesa s pregrevanjem (I+II): q56 + q45 t, I + II q7 + q3 z izkoristkom enostavnega Rankinovega ciklusa (I): η (.47) q η, 56 t I (.48) q 7 Slika.6: ponovno pregrevanje pare Če njuno razliko pomnožimo z razmerjem q 7 + q3 q3 dobimo q ( ) 7 + q3 q56 q45 q45 q56 ηt, I + II ηt, I ηt, II ηt, I q3 q7 q3 q3 q 7 oziroma ηt, II ηt, I η t, I + II t, I (.49) q7 + q ( η ) 3 Enačba (.49) nam sicer ne da končnega odgovora o optimalnem tlaku ponovnega pregrevanja pare p, ki ga lahko poiščemo le z iterativnim postopkom, omogoča pa diskusijo o njegovem vplivu. Ugotovimo lahko, da bo povečanje termičnega izkoristka pozitivno, le kadar bo termični izkoristek krožnega procesa II (-3-4-5) višji od izkoristka enostavnega Rankinovega ciklusa I
5 η t, I + II ηt, I (.50) Ker sta srednji temperaturi odvoda toplote v obeh krožnih procesih enaki, bo gornji pogoj izpolnjen le, ko bo srednja temperatura dovoda toplote med in 3 višja od srednje temperature dovoda toplote med 7 in. Kar bo veljalo le pri dovolj visokih tlakih pregrevanja p. Zato lahko izbira prenizkega tlaka p povzroči celo znižanje izkoristka (primer '-3'-4'-5). Seveda pa to ne pomeni, da je mogoče izkoristek večati enostavno višanjem tlaka p,ker v tem primeru raste tudi vrednost imenovalca v izrazu (.49), saj se zmanjšuje delež toplote q 3 dovedene med ponovnim pregrevanjem. Optimalni tlak pri katerem bo izkoristek η t,i+ii največji je zato nekje med p in p 4. Za primer enkratnega pregrevanja pare v idealnem povračljivem Rankinovem ciklusu brez regeneracije je optimalni tlak pregrevanja p enak približno ¼ tlaka na vstopu v turbino p. Če pa upoštevamo nepovračljivosti in dejstvo, da ob pregrevanju pare raste suhost pare na izstopu iz turbine in zato η s,, pa je optimalni tlak p precej nižji; približno /0 p. V procesu z regenerativnim gretjem vode pa optimalni tlak p ponovno višji; približno ¼ p. V tem primeru zahteva višji termični izkoristek osnovnega procesa z regeneracijo tudi višji termični izkoristek procesa II, ki ga dosežemo le z dvigom p. Hkrati pa dvig p v toliki meri ne zveča imenovalca enačbe (.49), saj je dovedena toplota q 7 zaradi regeneracije nižja. Izboljšanje izkoristka z enkratnim ponovnim pregrevanjem je do 4 procentne točke. V praksi se uporablja največ dvakratno ponovno pregrevanje pare. ri in večkratno pregrevanje pregrevanje ne povrne investicijskih stroškov. Optimalni tlak ponovnega pregrevanja v drugi stopnji je od /5 do /4 tlaka ponovnega pregrevanja v prvi stopnji. Prednost ponovnega pregrevanja pare pa ni le zvečanje termičnega izkoristka, ampak tudi zvečanje suhosti pare, kar omogoča nadaljnje zvečanje tlaka pred turbino, ki je bilo sicer omejeno z mejno suhostjo pare (x0,85) na izstopu iz turbine. ako je praktično izvedljiv tudi Rankinov ciklus z nad kritičnim tlakom (p kr, bar) in dvakratnim ponovnim pregrevanje pare..5 So-proizvodnja elektrike in toplote (kogeneracija) Razmerje med entalpijsko razliko, ki je na razpolago za ekspanzijo pare v turbini in kondenzacijsko toploto, ki jo odvedemo skozi kondenzator v okolico je zelo neugodno (: do :,5 s ponovnim pregrevanjem in regeneracijo) Ekonomičnost procesa lahko izboljšamo tako, da para v turbini ne ekspandira do temperature okolice (tlaka zasičenja pri tej temperaturi) ampak le do neke višje temperature pri kateri turbinska para kondenzira in odda toploto, ki jo lahko koristno uporabimo za daljinsko ogrevanje stanovanjskega naselja ali v industriji. Nosilec toplote je pri tem voda (Evropa) ali para (ZDA). ak kombiniran način proizvodnje toplote in elektrike ima naslednje velike prednosti: - v primerjavi z ločeno proizvodnjo elektrike in toplote znaša prihranek goriva 5% in več, - možna je uporaba najslabših vrst goriva (premog z veliko jalovine, odpadki, ), kar v individualnih kuriščih ne pride upoštev, - večja čistoča zraka na račun toplarniške čistilne naprave, ki je od individualnih potrošnikov ne moremo zahtevati, - razbremenitev prometa (transport goriva in pepela). Pomanjkljivost pa predstavljajo visoki investicijski stroški povezani z izgradnjo toplovodnega omrežja in dodatnimi posegi v sami elektrarni. Ločimo dva osnovna principa daljinskega ogrevanja.
6 a) daljinsko ogrevanje s protitlačnim pogonom kotel. grelnik kondenzata kond. odjem toplote Slika.7: Daljinsko ogrevanje s protitlačnim pogonom Daljinsko ogrevanje s protitlačnim pogonom (slika.7) je primerno predvsem tam, kjer je velika potreba po toploti ter manjša po električni energiji. ake vrste toplarn obratujejo samo v hladnejšem letnem času (okoli 600 h/leto). Količino sveže pare in s tem moč turbine narekuje temperatura ogrevalne vode, ki je seveda odvisna od temperature okolice. Zato se tlak v protitlačnem kondenzatorju nekoliko spreminja. Pri višji temperaturi okolice je nižji in obratno. Proizvodnja toplote je povsem odvisna od potrošnikov toplote. Izkoristek kombiniranega postrojenja je P + Q& E η t (.5) Q& dov kjer je: Q dov toplotni tok, ki se ustvari v kurišču kotla Q toplotni tok, ki se preko toplarne posreduje porabnikom P E neto pridobljene energija (elektrika) Na sliki.8 je prikazana odvisnost izkoristka od Q dov, Q in P E.
7 Slika.8: ermični izkoristek so-proizvodnje energije v odvisnosti od Q dov, Q in P E b) odjemno kondenzacijski pogon kotel grelnik kondenzata grelnik kondenzata odjem toplote kondenzator priključen na hladilni stolp Slika.9: Odjemno kondenzacijski pogon Odjemno kondenzacijski pogon (slika.9) je precej bolj prilagodljiv. Razmerje med proizvodnjo električne in toplotne energije je mogoče izbirati skoraj poljubno. Zato je elektrarna v pogonu skozi vse leto (primer: ljubljanska termoelektrarna-toplarna).
8 3. Braytonov ciklus plinski krožni proces Najpogostejšo izvedbo plinskega krožnega procesa prikazuje slika 3.. Kompresor sesa zrak iz okolice in ga stiska v gorilniku. V gorilniku zgoreva gorivo z zrakom in rezultat so produkti zgorevanja visoke temperature, ki ekspandirajo v turbini. oplotna energija produktov zgorevanja se v turbini pretvarja v mehansko delo, ki služi za pogon kompresorja in priključenih agregatov, preostalo delo - neto razlika pa se porabi za pogon generatorja, ladijskega vijaka, letalske elise ali ventilatorja letalskega potisnika. Opisani sistem imenuje plinsko turbinski postroj (PP), v praksi pa je udomačen tudi izraz plinska turbina. 3. Idealni Braytonov ciklus Zanemarjene so vsakršne izgube, plin je obravnavan kot idealen plin konstantne sestave in specifične toplote neodvisne od temperature. Slika 3.: Shematski prikaz in -s ter p-v diagram Braytonovega ciklusa Posamezne preobrazbe: - izentropna kompresija v kompresorju: π p p (3.) izentropno specifično delo kompresorja: w h h c ( ) K, s p, s (3.) temperatura za kompresorjem:, s π κ κ (3.3) 3 - izobarni dovod toplote zgorevanje v gorilniku: p 3 p specifična dovedena toplota: c ( ) q dov p 3, s (3.4) (3.5) p 3 4 - izentropna ekspanzija v turbini: δ 3 p π p p 4 (3.6)
9 izentropno specifično delo turbine: ( ) s p s c h h w, 4 3 4 3, (3.7) temperatura za turbino: κ κ δ 3 4, s (3.8) 4 - izobarni odvod toplote izpuh: 4 p p (3.9) specifična odvedena toplota: ( ), 4 c q s p odv (3.0) Neto pridobljeno specifično delo: ( ) + κ κ κ κ κ κ π π δ, 3,, 3 3,,, s p s s p s K s s N c c w w w (3.) ermični izkoristek procesa: κ κ π η, dov s N t q w (3.) Iz izraza (3.) torej sledi, da termični izkoristek narašča z večanjem stopnje kompresije π. Pri obravnavanju realnega ciklusa pa moramo upoštevati, da je temperatura na vstopu v turbino 3 omejena. orej sta v praksi robna pogoja ( ok ) in 3 ( max ). Med obema izotermama pa lahko sedaj poiščemo Braytonov krožni proces, ki oklepa največjo površino, t.j. največje neto specifično delo.
Slika 3.: Maksimalno delo Braytonovega ciklusa 30
3 Izraz za neto specifično delo (3.) lahko z uporabo (3.3) prevedemo v obliko: 3, κ κ κ κ π π c w p s N (3.3) in poiščemo ekstrem: κ κ κ κ π κ κ π π κ κ π 3, 0 c d dw p s N (3.4) torej 3 κ κ π od koder sledi optimalna stopnja kompresije ( ) 3 κ κ π opt (3.5a) Rešitev izraza (3.4) lahko zapišemo tudi kot: κ κ κ κ π π 3 kar je enako tudi s s,, 4 (3.5b) in pomeni, da bo idealni Braytonov ciklus omejen med in 3 opravil največje specifično delo, ko bosta temperaturi za turbino in kompresorjem enaki. Načelno odvisnost termičnega izkoristka in specifičnega dela od stopnje kompresije idealnega Braytonovega ciklusa, ki obratuje med temperaturama in 3, prikazuje diagram. Slika 3.3: Izkoristek in delo idealnega Braytonovega ciklusa v odvisnosti od stopnje kompresije w N π zrak η t
3 3. Realni Braytonov ciklus Nepovračljivosti, ki spremljajo realni ciklus, se pojavljajo v vseh štirih fazah obratovanja. Pri tem pa imajo odločilno vlogo predvsem med kompresijo v kompresorju in ekspanzijo v turbini. Prve povečujejo potrebno delo za pogon kompresorja. Zato je izentropski izkoristek kompresorja definiran kot: s, K Nasprotno pa je izentropski izkoristek turbine: idealno delo hs h dejansko delo h h η (3.6) dejansko delo h3 h η s, (3.7) idealno delo h h 3 4 4s Slika 3.4: Braytonov ciklus z izgubami v turbini in kompresorju Če predpostavimo, da je specifična toplota delovnega plina konstantna, lahko oba izkoristka zapišemo tudi kot: s η s, K (3.6a) 3 4 s, 3 4s Za konstantno specifično toploto je neto delo ciklusa: η (3.7a) w N c p ( ) 3 4s s η s, (3.8) ηs, K Če uporabimo izraza (3.3) in (3.5) ter zanemarimo padec tlaka v gorilniku in v izpušnem sistemu (πδ), lahko neto delo zapišemo:
33 κ π κ η 3 w N c p s, (3.9) η κ s, K π κ Pri tem je izraz v drugem okroglem oklepaju izkoristek idealnega Braytonovega ciklusa. Ker je dovedena toplota enaka: q dov c p ( ) 3 c p 3 κ π κ η s, K, (3.0) je termični izkoristek realnega ciklusa κ π κ η 3 s, w η η N s, K t q κ κ dov π κ π κ 3 η s, K (3.) Medtem ko je bil termični izkoristek idealnega ciklusa neodvisen od temperatur 3 in, pa za realni ciklus to ne velja. Načelno odvisnost termičnega izkoristka in specifičnega dela od stopnje kompresije realnega Braytonovega ciklusa prikazuje diagram. specifično delo (kj/kg) 600 500 400 300 00 00 π opt,delo π opt,izk 3 400 K 300 K 00 K 400 K 300 K 00 K 0,4 0,36 0,3 0,4 0,8 0, 0 0 0 30 stopnja kompresije izkoristek Slika 3.5: Specifično delo in izkoristek realnega Braytonovega ciklusa v odvisnosti od stopnje kompresije Potek termičnega izkoristka v odvisnosti od π pri danem razmerju temperatur 3 / ima maksimalno vrednost pri nekem π opt, ki pa se razlikuje od stopnje kompresije pri kateri je največje specifično delo. Zato je v praksi potrebno najti kompromisno rešitev (dimenzije izkoristek).
34 Slika 3.6: Realni Braytonov ciklus Preostale nepovračljivosti so povezane s padcem tlaka na sesalni strani, v gorilniku, prenosnikih toplote in v izpuhu. Posledica teh je povečanje stopnje kompresije kompresorja in zmanjšanje stopnje ekspanzije v turbini. o poveča potrebno delo kompresorja in zmanjša delo turbine in neto delo ciklusa. Dodatne izgube so še posledica trenja v ležajih, v gorilniku zaradi prenosa toplote na okolico in nepopolnega zgorevanja, odvzema zraka za hlajenje turbinskih lopatic in ne nazadnje odvzema energije za pogon pomožnih agregatov. 3.3 Primerjava Braytonovega in Rankinovega ciklusa Oba obratujeta med dvema izobarama. Njuna osnovna razlika pa izhaja iz dejstva, da v Rankinovem ciklusu delovni medij kondenzira in je kondenzat v toku procesa kompresije. Ker je delo kompresije sorazmerno vdp, je potrebno delo kompresorja v Braytonovem ciklusu neprimerno večje, saj je specifična prostornina plina nekaj 00 krat večja od specifične prostornine kondenzata. Potrebno delo za pogon kompresorja ima še posebno velik vpliv, če upoštevamo tudi nepovračljivosti kompresije. Razmere najbolje prikazuje primerjalna preglednica. Braytonov ciklus t 5 0 C, t 3 800 0 C, π,3 η s,t η s,k η s,t η s,k 0,8 η s,t η s,k 0,6 w 00 80 60 w K 53,7 67, 89,5 w N 46,3,9 (-9,5) Rankinov ciklus t 350 0 C, p 0 bar, p k 70 mbar η s,t η s,k η s,t η s,k 0,8 η s,t η s,k 0,6 w 00 80 60 w K 0, 0,5 0,33 w N 99,8 79,8 59,7
35 Vpliv izkoristka kompresorja in omejene temperature pred turbino sta bila osnovna vzroka za pozen razvoj PP-ja. 35
36 3.4 Ukrepi za izboljšanje izkoristka Že v primeru Rankinovega ciklusa smo pokazali, da je mogoče izkoristek povečati z znižanjem srednje temperature odvoda toplote in povišanjem srednje temperature dovoda toplote: odv η t Povsem enako velja tudi v primeru Braytonovega ciklusa. O enostavnih posegih, kot sta dvig temperature in tlaka pred turbino, lahko sklepamo iz diagrama na sliki 3.5. Vidimo, da se z večanjem temperature viša termični izkoristek, medtem ko višanje tlaka pred turbino, t.j. kar višanje stopnje kompresije (saj je p p 4 p ok ), izkoristek narašča le do neke optimalne stopnje kompresije nato pa začne upadati. V nadaljevanju si oglejmo še nekatere druge ukrepe. 3.4. Regeneracija Regeneracija je izmenjava toplote znotraj ciklusa. V Braytonovem ciklusu je temperatura izpušnih plinov 4 pogosto višja od temperature za kompresorjem. orej je izpušne pline mogoče uporabiti za regenerativno gretje komprimiranega zraka pred vstopom v gorilnik (slika 3.7). Pri tem ostane neto delo ciklusa nespremenjeno (tlačne izgube v prenosniku toplote so majhne) dovedena toplota (poraba goriva) pa se zaradi višje vstopne temperature v gorilnik zniža, kar poveča termični izkoristek procesa. Komprimiran zrak se lahko regenerativno segreje največ do temperature 4. Učinkovitost regeneracije pa je nižja, tako da se zrak segreje le do neke temperature '. Pri tem je učinkovitost regeneracije definirana kot: " dov ' ' σ (3.) 4 Slika 3.7: Regeneracija shematski prikaz in -s diagram Za idealni Braytonov ciklus s 00% učinkovitostjo bi veljalo: 36
37 qdov c p ( 3 " ) c p ( 3 4 ) c p3, (3.3) κ π κ Zato je izkoristek: κ q ( ) ( ) κ odv c p 4" c p c p π (3.4) κ q odv π κ ηt qdov 3 (3.5) izkoristek 0,4 0,36 0,3 0,4 0,8 3400 K 3 400 K 300 K 300 K 00 K z regeneracijo 00 K π a nastop negativne regeneracije brez regeneracije 0, 0 5 0 5 0 5 30 stopnja kompresije Slika 3.8: Odvisnost izkoristka Braytonovega ciklusa z in brez regeneracije od stopnje kompresije in definicija negativne regeneracije Primer povečanja izkoristka z uvedbo regeneracije v odvisnosti od stopnje kompresije in vstopne temperature v turbino načelno prikazuje diagram (slika 3.8). opazimo lahko, da je regeneracija učinkovit ukrep le pri nižjih stopnjah kompresije, t.j. vse dokler velja 4 >. Mejna stopnja kompresije π a za katero je izkoristek z regeneracijo nižji kot brez nje (t.i. negativna regeneracija), je tem višja, čim višja je temperatura na vstopu v turbino. 3.4. Vmesno hlajenje komprimiranega zraka Delo, ki ga porablja kompresor je podano z enačbo: W Vdp (3.6) Ker za idealne pline velja: lahko izraz (3.6) tudi zapišemo mr V p 37
38 dp W mr (3.7) p Za dan dp/p je delo torej proporcionalno temperaturi plina, kar torej pomeni, da delo kompresorja med kompresijo od do vse bolj narašča. Ker kompresor delo porablja, je pomembno, da je čim nižje. Zato je priporočljivo ohraniti temperaturo plina čim nižjo, medtem ko ga komprimiramo na tlak p. S kontinuiranim hlajenjem bi bilo teoretično mogoče obdržati temperaturo plina konstantno. V praksi pa se uporabi več stopenjska kompresija z vmesnim hlajenjem (slika 3.9). Za idealni primer s slike ' '' in ' '' je delo vsakega od treh kompresorjev enako in znaša: Wi ( ) mc p (3.8) Slika 3.9: Kompresija z vmesnim hlajenjem in ekspanzija z vmesnim gretjem 38
39 Stopnja kompresije posameznega kompresorja je Medtem ko je skupna stopnja kompresije: κ κ πi (3.9) N π π π π N π i (3.30) Pri tem je N število kompresorjev; v našem primeru s slike 3.9 velja N3. Vmesno hlajenje zraka je lahko z zrakom še pogosteje pa z vodo. Vmesno hlajenje zraka samo po sebi ne izboljša izkoristka ampak poveča le neto delo PP-ja (hkrati se poveča tudi dovedena toplota). Izkoristek se izboljša šele v kombinaciji z regeneracijo, ki ima pozitiven učinek že pri nižjih stopnjah kompresije (primerjaj temperaturi y in x enostavnega ciklusa ( x 3 y) ter temperaturi y in '' ciklusa z vmesnim hlajenjem ( '' 3 y ) na sliki 3.9). 3.4.3 Ekspanzija z vmesnim gretjem udi za turbino velja enako kot za kompresor: 4 3 dp W mr (3.7a) p Sledi torej enaka ugotovitev. Višja kot je temperatura plina, ki ekspandira v turbini, večje je pri danem dp/p delo, ki ga turbina opravi. Ker želimo, da je le-to čim večje, poizkušamo obdržati temperaturo plina med ekspanzijo čim višjo. o lahko praktično izvedemo z večstopenjsko ekspanzijo in vmesnim izobarnim gretjem (zgorevanje v drugem gorilniku je mogoče zaradi obratovanja PP-ja z visokim presežkom zraka). Za idealni primer s slike 3 3' in 4 4' velja, da je π i π (3.3) Pri tem je N število turbin; v našem primeru s slike 3.9 velja N. Povečanje dela med ekspanzijo predstavlja površina 4-3'-4'-y. Sprememba izkoristka pa je lahko tudi negativna vendar le v primeru procesa brez regeneracije, ko velja: π N 4 3' 4' y π x 3 y in je zato izkoristek krožnega procesa 4-3'-4'-y (glej enačbo (3.)) nižji od izkoristka osnovnega Braytonovega ciklusa x-3-y-, kar zniža skupni termični izkoristek procesa z vmesnim gretjem med ekspanzijo. V procesu z regeneracijo pa se termični izkoristek poveča, hkrati pa se meja pozitivne regeneracije ponovno pomakne k višjim stopnjam kompresije (primerjaj temperaturi y in x enostavnega ciklusa ( x 3 y ) ter temperaturi x in 4' ciklusa z vmesnim gretjem ( x 3 4') na sliki 3.9). S stopnjevanjem postopne kompresije z vmesnim hlajenjem in postopne ekspanzije z vmesnim gretjem z vse več in čim krajšimi koraki in ob 00 % učinkovitosti regeneracije preide Braytonov krožni proces v Carnotovega ( * 3 3*). 39
40 3.4.4 Kombiniran plinsko parni proces Ker je pozitivna regeneracija omejena le na nizke stopnje kompresije π, pri katerih je specifično delo Braytonovega ciklusa majhno, so za doseganje čim višjih moči pri čim višjem izkoristku potrebna velika in draga postrojenja. V primeru kombiniranega ciklusa pa je povečanje izkoristka združeno s povečanjem specifičnega dela. Regenerativni del Braytonovega ciklusa nadomesti kotel parnega postrojenja, tako da vroči plini, ki zapuščajo PP grejejo paro v kotelskih prenosnikih toplote in se ohladijo na nižje temperature kot pri regeneraciji. Povprečna temperatura odvoda toplote je pri tem nižja kot pri Braytnovem ciklusa, medtem ko je povprečna temperatura dovoda toplote precej višja kot pri Rankinovem ciklusu. Zato je višji tudi termični izkoristek procesa (tudi nad 50 %) ob hkratnem povečanju specifičnega dela procesa, ki ga ne omejuje nizka stopnja kompresije π. Praviloma je neto moč parne turbine precej višja od moči PP-ja, zato je v primeru kombiniranega procesa posebna pozornost posvečena parnemu ciklusu, ki se zato izvaja z vsemi ukrepi za izboljšanje termičnega izkoristka. Primer preprostega kombiniranega postroja z dodatnim gorilnikom prikazuje slika 3.0. Slika 3.0: Primer preprostega kombiniranega plinsko-parnega postroja emperatura izpušnih plinov na vstopu v dimnik je v kombiniranem plinsko parnem procesu višja kot pri klasičnem parnem procesu, saj izpušnih plinov ne moremo uporabiti za predgrevanje zraka pred gorilnikom, kot to počnemo pri klasičnem parnem procesu, napajalna voda pa je zaradi regenerativnega gretja visoke temperature in tudi ne more ohladiti izpušnih plinov. Da bi temperaturo izpušnih plinov znižali se parni del pogosto izvaja z dvema uparjalnikoma, ki dajeta paro pri visokem in nizkem tlaku. Prav uporaba nizkotlačnega uparjalnika je tista, ki omogoča dodatno znižanje temperature izpušnih plinov. V njem se odvija povečan prenos toplote (uparjanje) pri znatno nižjih temperaturah kot v visokotlačnem uparjalnik, kar dodatno ohladi izpušne pline pred vstopom v dimnik. urbinski del je pri tem sestavljen iz visokotlačnega in nizkotalčnega. Para visokega tlaka ekspandira najprej v visokotlačni turbini, nato pa se združi s paro iz nizkotlačnega sistema in ekspandira še v nizkotlačni turbini. H (potek temperature v odvisnosti od entalpije) diagram takšnega 40
4 procesa prikazuje slika 3.. Linija 5 6' 6 prikazuje toplotno stanje izpušnih plinov. V primeru procesa samo z visokotlačnim uparjalnikom (0' 4 5 6 7), se izpušni plini ohladijo le do 6'. Z dodatnim nizkotlačnim uparjalnikom (0 3) pa je temperatura izpušnih plinov 6 ; torej nižja. Pri tem se napajalna voda najprej ogreje do, nato je del vstopi v nizkotlačni uparjalnik, medtem ko se drugi del stisne na višji tlak in greje naprej do 5 in šele takrat vstopi v visokotlačni uparjalnik. 5 7 6 5 3 6' 4 6 0 0' Slika 3.: H diagram uparjanja v visoko- in nizkotlačnem uparjalniku parnega dela kombiniranega procesa 3.5 Izvedbe PP-jev Obravnavani Brytonov ciklus je mogoče tehnično uresničiti na različne načine. Razpon izvedb sega od enojnih strojev do izvedb sestavljenih iz več kompresorjev, turbin, prenosnikov toplote, itd. 3.5. Izvedbe z več rotorji Osnovni razlog za izvedbo z več rotorji je ločiti pogon kompresorja od pogona priključenega delovnega stroja (električni generator, ladijski vijak, letalski propeler). Prednosti si naslednje: - če ima kompresor svojo turbino, lahko teče ta dvojica z vrtilno frekvenco, pri kateri je izkoristek najvišji, - dvojica kompresor-turbina ima lahko zelo visoko vrtilno frekvenco, tako da se pri enaki moči zmanjša njena velikost in teža, - zagon postroja je lažji, ker je pogonski motor razbremenjen vrtenja delovnega stroja. Primer izvedbe postroja z ločeno delovno turbino je prikazan na sliki 3.. H 4