Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet

Transkript

1 Med ångcykler menas att arbetsmediet byter fas under cykeln Den vanligaste typen av ångcykler är med vatten som medium. Vatten är billigt, allmänt tillgängligt och har hög ångbildningsentalpi. Elproducerande kraftverk är oftast kondenskraftverk, dvs utnyttjar vatten som arbetsmedium. Detta är gemensamt för kärnkraftverk, kolkraftverk, gaskraftverk och oljekraftverk. Ett kondenskraftverk har bara ångturbin! Gaskombiverk (kombikraftverk) tar också till vara värmen i rökgaserna (från förbränning av kol, olja, sopor) mha en gasturbin! Ett sådant kraftverk har både gas- och ångturbin. Ett gaskombiverk kan ha hög systemverkningsgrad! 1

2 Med ångcykler menas att arbetsmediet byter fas under cykeln Värmekraftverk är ett samlingsnamn för kraftverk som omvandlar värme till arbete (el). Hit hör alla eldade kraftverk, dvs all kondenskraft och gaskombikraft. Exempel på kraftverk som ej är värmekraftverk är vindkraftverk och vattenkraftverk. Kraftvärmeverk ett kraftverk som producerar både värme och el, t.ex. Uppsala Energi som producerar fjärrvärme och el. 2

3 Väldigt gamla turbiner redan de gamla grekerna De här turbinerna beskrevs av Hero av Alexandria ca 50 e. Kr. Men han byggde sitt verk på ett tidigare arbete om gas av Ctesibius som levde ca 250 f. Kr! 3

4 Värmemotor ångkraftverk Q in = den värme som tillförs mediet i kokaren. Q ut = den värme som bortförs ångan i kondensorn och tillförs lågtemperatursänkan. W ut = det arbete som levereras ut från turbinen då ångan expanderar. W in = det arbete som behöver tillföras för att pumpa vattnet in i kokaren (dvs mot koktryck). W net = W ut W in 4

5 Vilken eller vilka av ångcykelns komponenter är idealt isentropa (process med s=0) A. Turbin B. Kondensor C. Pump D. Ångpanna E. A och B F. A och C G. B och D H. Alla 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% Turbin Kondensor Pump Ångpanna A och B A och C B och D Alla 5

6 Turbinen och pumpen arbetar idealt isentropt! 6

7 Kondenskraftverk ger el Verkningsgrad ca % Mättad ånga Lågt ångtryck, hög fukthalt Mättad ånga 286 C 7 MPa Ca 200 C > 7 MPa 30 C 30 C 4 kpa (lågt tryck dvs stor volym!) Kondensorn, mättad gas -> mättad vätska minskar volymen 7

8 Gaskombiverk ger el. Mycket vanligt när man eldar med olja, kol, gas! Verkningsgrad upp till 60 % 8

9 Cooling tower kyltorn Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet 9

10 Vad är den vita röken på bilden? A. Rökgaser (CO 2 mm) B. Vattenånga C. Vattendroppar som kondenserat på partiklar 0% 0% 0% A. B. C. 10

11 Kraftvärmeverk ger både el och värme Främst för produktion av fjärrvärme som genom att bränna sopor! T.ex. Vattenfall Värme i Uppsal Ett kraftvärmeverk med gaskombicykel tar till vara både energin i rökgaserna och i spillvattnet och kan ha en systemverkningsgrad på 90 % 11

12 Kraftvärmeverk ger både el och värme Vattenfall Värme i Uppsal: Kraftvärmeverk 245 MW värme och 120 MW el 75 C Luftförvärmare Förbränningsluft Elfilter Rökgaskylare Svavelreaktor Textilt spärrfilter Rökgaser Ammoniak Rökgasfläkt Bränsle Kalk 1300 C 535 C Urea 33 bar Generator 70 C 192 bar 70 kv Fjärrvärme Ångpanna Asksilo Matarvattenpump Askutmatning Hetvattenackumulator Återkylare (uteluft) 12

13 Ångcykler i 2-fas-området Carnotcykeln är den teoretiskt bästa cykeln! Panna Pump Kondensor Turbin Carnot: 1-2 isoterm: värme tillförs i panna 2-3 isentrop: expansion i turbinen 3-4 isoterm: värme bortförs i kondensorn 4-1 isentrop: kompression i kompressorn (pumpen) Carnot i 2-fas-området: olika möjligheter 13

14 Trycksättning (pump) vätska 2-fasområde Expansion Turbin Överhettad ånga Kräver trycksättning i 2- fasområdet = svårt, ej lämpligt för pumpar. Medför expansion i 2- fasområdet, ej lämpligt för turbiner (erosionskador) s 14

15 Trycksättning (pump) vätska Expansion Turbin Överhettad ånga Kräver extrem trycksättning vid höga temperaturer: olämpligt för pumpar. Expansion i gasområdet lämpligt för turbiner; inga problem med korrosion. 2-fasområde s Slutsats: Carnotcykeln är ej lämplig som ideal modellprocess för ångcykler! 15

16 Rankinecykeln ideala cykeln för ångprocesser Undviker Carnotcykelns problem genom att överhetta ångan i kokaren och kondensera den helt i kondensorn. 1-2: Isentrop kompression i pump 2-3: Isobar: tillförsel av värme i kokare 3-4: Isentrop expansion i turbin 4-1: Isobar: bortförsel av värme i kondensor 16

17 Energianalys av Rankine-cykeln Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet Här måste vi utgå från formlerna för tekniskt arbete! w t = q + h 1 h 2 + w w g ( z z )

18 Energianalys av Rankine-cykeln Turbinen producerar arbete, pumpen kostar arbete: Termisk verkningsgrad: Kom ihåg: för pumpen gäller också: Nettoarbetet = innesluten area i Ts-diagrammet 18

19 Avvikelser från ideala Rankinecykeln De två största bidragen till irreversibiliteter: 1: Friktion som sänker trycket => måste pumpa till högre tryck i pumpen. 2: Värmeförluster i hela cykeln => måste tillsätta mer värme i kokaren Irreversibeliteter i pump och kompressor beskrivs med isentropa verkningsgrader: Kommentar: i 2-fas-området har 4s och 4a både samma tryck och temperatur! 19

20 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen Verkningsgraden motsvarar inneslutna arean delat med arean under q in -linjen. η th = w q net in = innesluten q in _ area Generellt gäller att verkningsgraden ökar om temperaturskillnaden i cykeln ökar. 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low ) 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high ) 3. Öka koktrycket (ökar T high ) 20

21 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low,avg ) Vid lägre tryck är också mättnadstemperaturen (alltså där ångan kondenserar) lägre. Kondensortrycket i verkliga ångcykler är långt under atmosfärstryck. Kylflödets mättnadstemperatur sätter en gräns; man kan inte kyla till lägre temperatur än vad man har på kylflödet. Negativ bieffekt: lägre kvalitet på ångan i turbinens slutskede. (Vattendroppar kan skada turbinbladen) 21

22 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high,avg ) Att överhetta ångan ger både bättre termisk effekt och minskad fuktighet (högre kvalitet) på ångan i turbinen. Medeltemperaturen vid vilken värme tillsätts är direkt kopplad till verkningsgraden Materialet i turbininloppet sätter en gräns för hur hög temperatur som kan tillåtas. Om T 3 > ca 600 C kan allvarliga materialskador uppstå. Att överhetta ångan vore bäst och enklast om det fanns material som klarade påfrestningarna! 22

23 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen 3. Öka koktrycket (ökar T high,avg ) Om man ökar koktrycket kommer vattnet att koka vid en högre temperatur. För en given högsta tillåten temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning av diagrammet tillvänster. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning). 23

24 Sätt att öka effektiviteten i Rankine-cyklen 3. Öka koktrycket (ökar T high,avg ) Om man ökar koktrycket kommer vattnet att koka vid en högre temperatur. För en given högsta tillåten temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning av diagrammet tillvänster. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating, mellanöverhettning eller återvärmning). 24

25 Återvärmd (mellanöverhettad) Rankinecykel (matlabuppgift 3) Återvärmning innebär att ångan expanderas i två steg och återvärms mellan, dvs man har två turbiner. 1. Turbin 1 (högtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett medelhögt tryck. 2. Ångan går tillbaka till kokaren och återvärms vid konstant tryck. 3. Turbin 2 (lågtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett lågt tryck. Höjer ofta cykelns verkningsgrad men ger framför allt lägre fukthalt i turbinen! 25

26 Återvärmd (mellanöverhettad) Rankinecykel Om man återvärmer flera gånger höjer man medeltemperaturen för återvärmningsprocessen. Men det blir det opraktiskt och vinsten blir mindre för varje extra steg. Man vill heller inte ha alltför överhettad ånga ut ur turbinen. 2 återvärmningssteg = max i praktiken! 26

27 Hur många turbiner finns det i kretsen? A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 0% 0% 0% 0%

28 Innan turbiner 286 C 7 MPa Efter turbiner 29 C 4 kpa 28

29 Innan HT-turbin 286 C 7 MPa Efter HT-turbin 160 C 0.6 MPa Efter mellanöverhettare, innan LT-turbin 260 C 0.6 MPa Efter turbin 29 C 4 kpa 29

30 Fuktavskiljare och mellanöverhettare Kylflöde (havsvatten) 30

31 Fuktavskiljaren består av stålull där vattendropparna fastnar. Vattnet leds sedan tillbaka till matarvattnet (som går in i reaktortanken). Där bidrar det varma vattnet till uppvärmningen av matarvattnet som kommer från kondensorn! 31

32 Mellanöverhettad kärnkraftsprocess påverkar inte verkningsgraden så mycket. Obs man snarast sänker medeltemperaturen för värmetillförsel! I boken: Här höjer man medeltemperaturen för värmetillförse vilket i allmänhet höjer verkningsgraden! 32

33 Vattenfall Värme kör också med mellanöverhettning och två turbinsteg! Kraftvärmeverket: 33

34 286 C 7 MPa Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Ett bra sätt att förbättra verkningsgraden i en Rankincykel är att förvärma matarvattnet, dvs det vatten som pumpas tillbaka in i kokaren. 30 C 4 kpa Om matarvattnet går in med låg temperatur kommer det att sänka temperaturen i kokaren => inte bra för verkningsgraden! 34

35 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Inte bra: Förvärmning av matarvattnet Enligt Carnot får man högst verkningsgrad i en cykel där värme tillförs isotermt! Man vill alltså bara förånga vattnet, inte öka temperaturen! Matarvatten kommer in i pannan vi låg temperatur I Rankinecykeln har man stor temperaturgradient mellan matarvattnet och mättnadstemperaturen i pannan. INTE BRA, sänker verkningsgraden. Lösningen är att först förvärma matarvattnet, med ånga från cykeln. Värmen stannar då internt i cykeln istället för att gå genom turbin och till kondensor. 35

36 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel Inte bra: Förvärmning sker genom att en liten del av ångflödet från turbinen tas undan för att värma matarvattnet. bättre: Mindre T-skillnad ånga från turbinen Matarvatten kommer in i pannan vi låg temperatur 36

37 Regenerativ (matarvattenförvärmd) Rankinecykel ånga från turbinen 1. Öppen matarvattenförvärmning innebär att ånga blandas med vattnet från pumpen. 2. Sluten matarvattenförvärmning; där ångan ej blandas med vattnet utan värmer det via en värmeväxlare. matarvattenförvärmning 37

38 Regenerativ Rankinecykel med öppen matarvattenförvärmning 38

39 Regenerativ Rankinecykel med sluten matarvattenförvärmning När strömmarna inte blandas kan man ha olika tryck i ångan (från turbinen) och vätskan (från pumpen). Sluten matarvattenvärmning är det vanligaste i verkliga kraftverk. Ånga matarvattenförvärmning Matarvattnet värms 2 -> 9. 3 och 9 samma T, olika P. 3 pumpas till tryck 4, blandas med 9 vilket ger sluttillstånd 5. 39

40 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas nettouttaget från turbinen? 0% 1. Ökar 0% 2. Minskar 3. Förblir samma 0% 40

41 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas fukthalten i turbinen? 0% 1. Ökar 0% 2. Minskar 3. Förblir samma 0% 41

42 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_in i kokaren? 0% 1. Ökar 0% 2. Minskar 3. Förblir samma 0% 42

43 Antag att en ideal Rankinecykel utrustas med öppen matarvatten-förvärmning. Hur påverkas Q_ut i kondensorn? 0% 1. Ökar 0% 2. Minskar 3. Förblir samma 0% 43

44 Superkritisk Rankine-cykel Kap 10 ångcykler: processer i 2-fasområdet Många kondenskraftverk har idag överkritiska tryck (P > MPa) i kokaren. Detta ger en bättre termisk verkningsgrad och bra kvalitet på ångan i turbinens slutsteg. Dock ställer det krav på material pga de höga trycken. Dessutom är överkritiskt vatten mer korrosivt än vanligt vatten. 44