Las plantas de energía de vapor siguen siendo la columna vertebral del total generación de energía en el Pacífico asiático. Por lo tanto, incluso una pequeña mejora en la forma de aumentar la eficiencia tiene un tremendo efecto en el ahorro de combustible y también en la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, no se debe perder ninguna oportunidad de averiguar las formas y medios de aumentar la eficiencia del ciclo de energía de vapor.
El ideal detrás de cualquier mejora o modificación es aumentar la eficiencia térmica de la planta de energía. Por lo tanto, las técnicas de mejora de la eficiencia térmica son:
- Al disminuir la temperatura media a la que se rechaza el calor del fluido de trabajo (vapor) en el condensador. (Bajando la presión del condensador)
- Al aumentar la temperatura del vapor que entra en la turbina
Bajar la presión del condensador
El vapor sale de la turbina y entra en el condensador como mezcla saturada en línea con la correspondiente presión de vapor en el condensador. Bajando el condensador La presión siempre ayuda a entregar más trabajo neto en la turbina, ya que es posible una mayor expansión del vapor en la turbina.
Con la ayuda del diagrama T-s se puede ver y comprender el efecto de la disminución de la presión del condensador en el rendimiento del ciclo.
Efectos positivos de la reducción de la presión del condensador
Para ordeñar la ventaja de una mayor eficiencia Ciclo de Rankine tiene que funcionar con una presión de condensador más baja, normalmente por debajo de la atmosférica. Pero el límite de la presión inferior del condensador está definido por la temperatura del agua de refrigeración correspondiente a la presión de saturación de la zona.
En el anterior diagrama T-s puede verse fácilmente que la zona coloreada es el aumento de la producción neta debido a la reducción de la presión del condensador de P4 a P4’.
Efectos negativos de la reducción de la presión del condensador
El efecto de bajar la presión del condensador no viene sin ningún efecto secundario. Así pues, a continuación se presentan los efectos adversos de la reducción de la presión del condensador:
- La entrada de calor adicional en el caldera a causa de la disminución de la temperatura de recirculación del condensado (efecto de la menor presión del condensador)
- Con una menor presión del condensador, la posibilidad de aumentar el contenido de humedad en vapor en la etapa final de expansión de la turbina aumenta. La disminución de la fracción seca del vapor en las últimas etapas de la turbina no es deseable, ya que provoca una ligera disminución de la eficiencia y la erosión de los álabes de la turbina.
Efectos netos de la reducción de la presión del condensador
El efecto neto general es más bien positivo, ya que el aumento de la necesidad de calor en la caldera es marginal, pero el aumento de la producción neta se debe más bien a la disminución de la producción de calor. condensador presión. Además, no se permite que la fracción de sequedad del vapor en las últimas etapas de la turbina baje más allá del 10-12%.
Súper calentar el vapor a una temperatura más alta
El recalentamiento del vapor es el fenómeno en el que se transfiere calor al vapor para recalentarlo a una temperatura más alta manteniendo la presión constante en la caldera.
La zona sombreada del diagrama T-s anterior muestra claramente el aumento del trabajo neto (3-3-4-4) debido al aumento de temperatura de sobrecalentamiento del vapor.
La entrada de calor adicional en forma de energía, deja el ciclo como trabajo, es decir, el aumento de la salida de trabajo supera la entrada de calor adicional y el rechazo de calor. La eficiencia térmica del ciclo de Rankine aumenta debido al aumento de la temperatura del vapor.
Efectos positivos del aumento de la temperatura del vapor
Un efecto deseable del aumento de la temperatura del vapor es que no permite que en la última etapa aumente el porcentaje de vapor. Este efecto puede verse fácilmente en el diagrama T-s (Fig:2) anterior.
Efectos negativos del aumento de la temperatura del vapor
El aumento de la temperatura del vapor resulta en un pequeño aumento de la entrada de calor. Hay un límite al que el vapor puede ser sobrecalentado y usado en el ciclo de energía. Estos factores limitantes se relacionan con la probidad metalúrgica a alta temperatura y la viabilidad económica.
Actualmente en las unidades de generación de energía supercrítica, la temperatura del vapor en la entrada de la turbina es de alrededor de 620oC. La decisión de cualquier nuevo aumento de la temperatura del vapor sólo puede tomarse juiciosamente después de hacer la debida diligencia metalúrgica y la evaluación de las consecuencias en materia de costos.
Efectos netos del aumento de la temperatura del vapor
A partir del diagrama T-s (Fig:2) el efecto neto del aumento de la temperatura es más hacia el lado positivo, porque la ganancia de la salida de la red supera el aumento de la entrada de calor y el ligero aumento del rechazo de calor. Por lo tanto, siempre es beneficioso aumentar la temperatura del vapor después de acceder a la fiabilidad y la viabilidad económica.
Aumentar la presión de la caldera con parámetros subcríticos
Una forma alternativa de aumentar la Eficiencia del ciclo de Rankine es aumentando la presión de funcionamiento de la caldera y, por lo tanto, de manera relacionada con la temperatura a la que se produce la ebullición en la caldera. Así, la eficiencia térmica del ciclo aumenta.
Con la ayuda del diagrama T-s se puede ver y comprender claramente el efecto del aumento de la presión de la caldera en el rendimiento del ciclo.
Debido al aumento de la presión de la caldera, el ciclo de Rankine se desplaza ligeramente hacia la izquierda, como se muestra en la Fig:3 del diagrama T-s, y por lo tanto se puede deducir lo siguiente:
- Aumento sostenido de la red, como se muestra en el área sombreada de color rosa de la figura anterior.
- A medida que el ciclo se desplaza ligeramente hacia la izquierda, se produce una disminución del trabajo neto durante la expansión del vapor en la turbina. (como se muestra en la figura anterior: 3 en color gris.
- Reducción del rechazo de calor al agua de refrigeración en el condensador.
Así pues, el efecto neto es un marcado aumento de la eficiencia térmica del ciclo debido a estas medidas.
Aumentar la presión de la caldera con parámetros supercríticos
Para aumentar la eficiencia térmica del ciclo de Rankine, se utiliza la presión supercrítica en los generadores de vapor utilizados en la actualidad. Cuando los generadores de vapor funcionan por encima de 22,06Mpa, entonces los generadores de vapor se denominan generadores de vapor supercríticos y la planta se denomina planta de generación de energía supercrítica. Debido a las presiones de operación más altas, estas plantas son conocidas por dar eficiencias más altas.
Recalentar el ciclo de Rankine
Recalentar el ciclo de Rankine es para aprovechar la ventaja de la mayor eficiencia del ciclo a una mayor presión de la caldera sin comprometer el contenido de humedad de la vapor en las últimas etapas de la turbina.
Una mayor eficiencia del ciclo es posible con el ciclo de recalentamiento que también, sin comprometer la fracción de sequedad, es posible mediante la expansión del vapor en la turbina en dos etapas, recalentándolo entre ellas. El recalentamiento es una forma prácticamente aceptable de abordar el problema de la humedad excesiva en las últimas etapas de la turbina.
La manera teórica de reducir la humedad de la última etapa
Teóricamente una forma es sobrecalentar el vapor a una temperatura más alta antes de que el vapor entre en la turbina, pero hay un límite por encima del cual las limitaciones metalúrgicas para manejar la alta temperatura del vapor impiden que aumente más allá de 620oC. Las plantas de energía supercríticas que funcionan en la India están funcionando con una temperatura de vapor de entrada de alrededor de 593oC.
Ciclo de Rankine modificado
La forma práctica de reducir con éxito la humedad de la última etapa en una turbina grande (200 MW y más) es modificando ligeramente el ciclo simple de Rankine con un ciclo de recalentamiento como se muestra a continuación en la Figura:5
El ciclo de recalentamiento difiere del ciclo de Rankine en los siguientes aspectos
La expansión del vapor en el ciclo de recalentamiento ocurre en dos etapas. En la primera etapa vapor se expande en la turbina de alta presión (turbina HP) y los gases de escape de la turbina HP se envían de vuelta al generador de vapor para recalentarlo. La salida de vapor del recalentador en la segunda etapa de recalentamiento del generador de vapor se dirige a la turbina de baja presión (turbina LP) para su expansión final en las últimas etapas de la turbina con la fracción de alta sequedad y luego los gases de escape a la condensador.
El análisis del ciclo de recalentamiento es el siguiente
La entrada de calor durante el ciclo (2-3-4-5) es
La salida de trabajo de la turbina para el ciclo es
Así, al adoptar un único ciclo de recalentamiento en un planta de energía térmica La eficiencia del ciclo puede fácilmente aumentar en otro 4 ó 5 por ciento.
¿Cuál es el límite práctico del recalentamiento?
Teóricamente, si aumentamos el número de etapas de recalentamiento, también se puede aumentar el número de expansión de la turbina para obtener una mayor producción de la misma y, por lo tanto, una mayor eficiencia del ciclo.
Pero prácticamente más de dos etapas de recalentamiento no es práctico. Se ha visto y experimentado que la mejora teórica de la eficiencia del ciclo de 1er a 2º recalentamiento se reduce del 5 por ciento a menos del 2,5 por ciento.
También se observa que con una presión subcrítica el ciclo de doble recalentamiento tiene una pérdida de gases de escape más sobrecalentada en el condensador que con parámetros de ciclos supercríticos. Así que se evitan los ciclos de doble calentamiento con parámetros subcríticos.
A partir del tercer ciclo de recalentamiento, la ganancia de eficiencia del ciclo comienza a disminuir, por lo que no se justifica incurrir en costos y complejidades adicionales.
