Влияние регенеративного нагрева воды на эффективность цикла Ранкина

Реализация: Открытые против закрытых водонагревателей

В системах регенеративного подогрева воды используются два основных типа обогревателей: открытые и закрытые. Каждый имеет свои термодинамические и механические характеристики.

Открытые нагреватели для воды (прямые контактные нагреватели)

В открытом подогревателе подачной воды экстракционный пар смешивается непосредственно с подачей воды, как правило, в камере, где пар конденсируется на капли воды. Этот прямой контакт позволяет очень эффективно передавать тепло, часто достигая почти равновесных температурных условий. Смешанный поток выходит из нагревателя при температуре насыщения, соответствующей давлению экстракции. Поскольку пар и вода объединяются, массовый расход через стадии турбины ниже по течению уменьшается, что также немного снижает выходную мощность турбины. Открытые нагреватели просты и недороги, но требуют, чтобы подачная вода находилась под более низким давлением, чем пар экстракции. Они часто используются в качестве деаэраторов, удаляющих растворенные газы из подачи.

Закрытые водонагреватели (Shell-and-Tube Heat Exchangers)

В закрытом нагревателе для подводящей воды экстракционный пар протекает через теплообменник, обычно устройство оболочки и трубки, где он конденсируется на стороне оболочки, в то время как подводящая вода течет внутри труб. Два потока не смешиваются. Конденсат из пара может быть либо слит обратно в нагреватель низкого давления, либо подается непосредственно в конденсатор. Закрытые нагреватели позволяют избежать загрязнения подводящей воды и позволяют конденсат возвращаться в цикл при более высоком давлении, но они более дороги и менее эффективны термодинамически, потому что должна поддерживаться конечная разница температур. Однако на крупных электростанциях закрытые нагреватели доминируют, потому что они изолируют паровые и водяные цепи, обеспечивая более высокие давления и лучшую общую эффективность цикла, когда расположены в серии.

Современные паровые циклы в масштабе полезности обычно используют комбинацию обоих типов: один или два открытых нагревателя (часто последняя стадия перед котлом и деаэрационный нагреватель) плюс несколько закрытых нагревателей, расположенных при постепенно более высоких давлениях извлечения.

Оптимальное количество и размещение этапов экстракции

При добавлении большего количества точек извлечения и обогревателей подачей воды обычно повышается эффективность цикла, применяется закон убывающей отдачи. Каждый дополнительный нагреватель повышает температуру подачи постепенно, но термодинамическое преимущество уменьшается. Кроме того, извлечение пара уменьшает массовый поток через более поздние ступени турбины, снижая выходную мощность с этих стадий. Поэтому существует экономический оптимум, который уравновешивает стоимость дополнительных теплообменников, трубопроводов и средств контроля экономии топлива.

Типичные электростанции на ископаемом топливе используют от 5 до 8 стадий нагрева подводящей воды, достигая температуры подводящей воды на входе котла 220-260 ° C (для подкритических циклов) и до 300 ° C для сверхкритических блоков. Дополнительные нагреватели за пределами восьми дают предельный прирост менее 0,2% на нагреватель. Давление экстракции выбирают для поддержания почти равномерного повышения температуры по каждому нагревателю - обычно называемый методом «равного повышения температуры», который минимизирует генерацию энтропии.

Экстракция под самым высоким давлением (ближайшая к входу турбины) обеспечивает самый высокий температурный пар, нагревая подачу воды до ее конечной температуры. Экстракция под самым низким давлением (около выхлопа турбины) обеспечивает самый маленький температурный подъем. Эта каскадная компоновка позволяет подачу воды нагреваться поэтапно, причем каждый нагреватель использует пар, который уже проделал некоторую работу в турбине, таким образом извлекая больше тепловой энергии из рабочей жидкости, прежде чем она будет отторгнута в конденсаторе.

Количественное влияние на эффективность цикла

Чтобы оценить величину улучшения, рассмотрим типичный субкритический цикл Ранкина с паровыми условиями 16,5 МПа и 565 °C и давлением конденсатора 0,01 МПа (соответствующий температуре насыщения около 46 °C). Простой цикл (без регенерации) имеет тепловую эффективность примерно 38-40%. Добавление семи стадий нагрева подводной воды может повысить эффективность до 44-46% - относительное увеличение 10-15%. В абсолютном выражении это приводит к примерно 4-6 процентным пунктам повышения эффективности. Для угольной электростанции мощностью 1000 МВт увеличение эффективности снижает годовой расход топлива на несколько сотен тысяч тонн угля и соответствующие выбросы CO2 более чем на миллион тонн в год.

Эти цифры согласуются с опубликованными данными из таких источников, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) , которая сообщает, что нагревание подводящей воды может повысить эффективность цикла Ранкина на 3-8 процентных пунктов в зависимости от количества нагревателей и параметров цикла.Другой термодинамический анализ, опубликованный в ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, подтверждает, что регенерация является одним из наиболее экономически эффективных методов повышения производительности цикла Ранкина, особенно в приложениях комбинированного цикла.

Практические соображения и компромиссы

Хотя повышение эффективности является существенным, внедрение регенеративного нагрева воды с подачей воды ставит несколько практических задач:

• Стоимость капитала: Каждый нагреватель для подачи воды, связанные трубопроводы, клапаны и системы управления добавляют к первоначальным инвестициям. Экономическое обоснование должно учитывать экономию топлива в течение срока службы завода.
• Падение давления: Протекание через нагреватели и взаимосвязанные трубопроводы приводит к потерям давления, которые отвлекают от работы насоса и немного снижают эффективность цикла.
• Переходный отклик: Во время изменений нагрузки (например, на установках, следующих за нагрузкой), потоки вытяжки пара должны тщательно контролироваться для поддержания стабильного нагрева подачной воды. Современные системы управления справляются с этой динамикой, но они добавляют сложности.
• Материальный отбор: Для высокотемпературного экстракционного пара (>400°С) требуются сплавы, которые противостоят ползучести и окислению.
• Техническое обслуживание: Нагрев теплообменников и коррозия снижают эффективность с течением времени. Для поддержания производительности необходимы периодическая очистка и осмотр.

Несмотря на эти проблемы, регенеративное нагревание подводной воды является стандартной практикой почти на всех крупных электростанциях. Атомные станции, работающие в условиях более низкого парового давления, также значительно выигрывают от регенерации, часто достигая эффективности выше 33% с несколькими нагревателями, несмотря на низкие пиковые температуры.

Сравнение с другими методами повышения эффективности

Регенеративное нагревание подводной воды часто дополняют другие улучшения цикла. Наиболее распространенными являются:

• Перегрев: После частичного расширения пар отправляется обратно в котел для повторного нагрева, затем расширяется дальше.Перегрев увеличивает среднюю температуру добавления тепла и повышает эффективность цикла на 4–5%.В сочетании с регенерацией общий прирост может составлять 8–12% относительно простого цикла.
• Сверхкритические и сверхкритические условия паровой среды: Работа при давлениях выше критической точки воды (22,1 МПа) устраняет изменение фазы кипения, снижая необратимость. При сопряжении с регенеративным нагревом эти циклы могут достигать эффективности выше 47%.
• Когенерация (комбинированная тепло- и энергоснабжение): Извлечение пара для централизованного отопления или промышленных процессов уменьшает количество тепла, отбрасываемого в конденсаторе, но компромисс заключается в меньшей выработке электроэнергии на единицу топлива.Регенеративное отопление остается важным даже на когенерационных установках.

Важно отметить, что регенеративное отопление и перегрев являются синергетическими. Повышение температуры от подогрева подачей воды снижает тепло, необходимое в теплоотводе, а процесс перегрева позволяет принимать пар при более высоких температурах, что еще больше улучшает регенерацию. Большинство современных электростанций используют обе технологии.

Экологические и экономические выгоды

Повышение эффективности цикла Ранкина напрямую снижает потребление топлива на мегаватт-час производимой электроэнергии. Для установок, работающих на ископаемом топливе, это означает снижение выбросов CO2, SOx, NOx и твердых частиц. По оценкам Управления энергетической информации США, повышение эффективности на 1% в угольном флоте США снижает выбросы CO2 примерно на 40 миллионов метрических тонн в год. Регенеративное нагревание подводящей воды является основным фактором этих достижений.

С экономической точки зрения экономия топлива в течение 30-40 лет эксплуатации завода намного перевешивает дополнительные капитальные затраты. Периоды окупаемости систем водонагревателей обычно составляют 2-5 лет, в зависимости от цен на топливо и факторов мощности установки. На заводах с комбинированным циклом природного газа, где затраты на топливо доминируют над эксплуатационными расходами, даже небольшие улучшения эффективности приносят существенную финансовую отдачу.

Шестой оценочный доклад МГЭИК подчеркивает важность повышения эффективности тепловых электростанций в качестве краткосрочной стратегии сокращения выбросов парниковых газов из энергетического сектора. Регенеративное нагревание исходной воды остается одной из самых надежных и проверенных технологий для достижения этих целей.

Будущие тенденции и инновации

Исследования продолжают продвигать оболочку эффективности. Одной из областей активной разработки является использование высокотемпературных водонагревателей для продвинутых сверхкритических циклов (A-USC), работающих при температурах пара до 760°C. Эти условия требуют суперсплавов на основе никеля для нагревателей и компонентов турбины. Еще одно новшество включает в себя гибкие системы извлечения , которые оптимизируют количество и расположение точек извлечения в режиме реального времени на основе спроса на нагрузку и условий окружающей среды.