OBIEGI NADKRYTYCZNE SIŁOWNI CIEPLNYCH Z

BIULETYN
INFORMACYJNY
INSTYTUTU TECHNIKI
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
CIEPLNEJ
1972
Nr 33
mgr inż. Mirosław Archutowski
Instytut Techniki Cieplnej
OBIEGI NADKRYTYCZNE SIŁOWNI CIEPLNYCH
Z ZASTOSOWANIEM CZYNNIKÓW NISKOWRZĄCYCH
1 . y/stęp
Rosnące wciąż zapotrzebowanie energii elektrycznej wymaga
prowadzenia poszukiwań nowych, tańszych metod j e j wytwarzania.
Dąży się do zmniejszenia
zarówno kosztów eksploatacyjnych,
i inwestycyjnych elektrowni. Powszechnie panuje
jak
przekonanie,
że w elektrowniach parowych praktycznie wyczerpano możliwości
ulepszeń.
Wśród innych koncepcji,
duże nadzieje rokuje
zastosowanie
w obiegach cieplnych czynnika roboczego innego niż para wodna
(np. C0 2 )
obiegu
oraz dobranie dla tego czynnika
najkorzystniejszego
ternodynamicznego.
2 . Klasyfikacja
obiegów termodynamicznych
Odwracalne silnikowe obiegi termodynamiczne można podziel i ć na dwie grupy:
'
.
a) obiegi, w których czynnik roboczy podlega
przynajmniej
jednej przemianie izochorycznej lub izotermieznej,
b) o b i e g i , w których czynnik roboczy podlega wyłącznie
przemianom izobarycznym i
izentropowym.
Wszystkie obiegi rzeczywiste zbliżone do obiegów odwracalnych grupy a)
( m . i n . obieg D i e s e l a ) ,
charakteryzują się nie-
wielkimi prędkościami przepływu czynnika roboczego. W obiegach rzeczywistych zbliżonych do grupy b (obiegi Rankina
Braytona)
i
prędkości przepływu są znacznie większe. Z dużymi
prędkościami związane są duże natężenia przepływu czynnika ro-
Mirosław Archutowgki_
boce..
B ^
wynika wniosek
kiwania
—
»»7
£
SaJllElL
i Braytona
Π
i odprowadzenia c i e p ł a ) .
Obieg Rankina charakteryzuje się tym
ze-
_ izobary doprowadzenia i o ^ » » ^
graniczną
całkowicie lub częściowo w obszarz
pod krzywą g
(obszar współistnienia dwu f a z - cieczy i p a r y ) ,
1Ub
ciepła przebiega całkowicie lub częśд
_ izobara odprowadzenia ciepła ρ
doprowadzenia cieciowo pod krzywą graniczną, gdy ciśnienie do P
pła j e s t nadkrytyczne.
obszarze
dostatecznie od-
— —
ności gasu O
o
s
k
o
n
a
l
e
g
c
a
o
i a e a
ineg„
obiesu
Obieg »
Г о ъ С Т у * iżobary РОЗ W
β « * » »
Carnota,
" " ^ . ^ w n ,
tego obiegu á est mapokrywają się z izotermami. u i
,
spra,_
praca sprężania czynnika ,.pompie
^
ła
, , . „+. „™> q7 я od sprawności oDiegu oj. aj
nośc oest wyzsza ou of
^-no^tei
Eankina ^
- —
Ä
S
Ä
t
T
^
^
r
I
Т
Г
Г
Е
Г
Г
regeneracji
- c n i e
Г
А
Г
С
С
·
f
Г С
p^i :
—
i
współczynnika p r z e r w a n i a ciepła
Bankin», ponieważ w
się. c i e c z y .
Bkraplaiąceó
ais S a z u Si
^
„ J ^ i c h sprawności, 3 a k r6wDnże możliwości osiągnięcia w
temodynamiczznacznych mocy óednostkowycb, ^
^
nież
oblegów.
„
w y k o r z y s t u j e z a l e t y b» » y z ^ Ρ
^
^
Sprężanie odbywa się » nich » r
„korzystanie
miast w f a z i e gazowej umożliwiającej wy
rekuperacji.
4-g
Obiegi nadkrytyczne siłowni cieplnych.,.
Obiegi te można podzielić na dwie grupy:
1) obiegi pracujące całkowicie w obszarze nadkrytycznym
- obiegi nadkrytyczne
jednofazowe,
2) obiegi,, w których doprowadzenie ciepła, do układu odbywa
się przy ciśnieniach nadkrytycznych, a odprowadzenie ciepła w
skraplaczu - obiegi nadkrytyczne dwufazowe.
3 . Przegląd obiegów nadkrytycznych w siłowniach cieplnych
Wyżej wymienione obiegi można realizować w elektrowniach
cieplnych w najrozmaitszych wariantach, wykazujących różne
osiągnięcia. Niżej rozpatrzono kilka najbardziej typowych wariantów takich obiegów.
В
И
R y s . 1 . Schemat układu cieplnego i wykres T-S dla obiegu nadkrytycznego dwufazowego a
Na rys.1 pokazano obieg (a) należący do grupy 2 , zwany w"
literaturze technicznej obiegiem Gochsztejna. Czynnik roboczy
o ciśnieniu mniejszym od krytycznego zostaje sprężony w pompie
D wzdłuż adiabaty nieizentropowej 1-2. Następnie zostaje podgrzany izobarycznie najpierw, w rekuperatorze
G
(krzywa 2-7),
dzięki czemu odzyskuje się część ciepła zawartego w czynniku
niskoprężnym na wyjściu z turbiny, potem w reaktorze jądrowym
M I г о Sław
ад
л
Τ
Γ
'„
Ι
^
ъ
Ciepło odebrane przez wodę chłodzącą w
I
X
—
• — * ·
»
niskopreżnego o maled poóemnosor
a
R
^
r L L y temperatury na gorąoym ko.cu
czego średnia temperatura doprowadzeni ciepła
Ż
з
° I t
Л
а
0
n i e o ^ r a o a l n o i c i z po.odu przenoszenia
strumienia o g n i k a
Г
.
η - L . » Bit
> » • » *
« е о а ; 0
Y , , 7 ,„ .zd-fdu na możliwość uzyskania bardzo du-
,
S
г /ii
Archutowski
-
cieple
C
R
^
o b n l
β
zmnielszyć nieodwracalność obiegu a tym s a m y zwi t kв " о М ,
wprowadza s i « dodatkowe s p r ^ a n x e c z . s c ,
lub całego strumienia czynnika
Rys. 2 . —
Ä
y
C i e p g e
roboczego.
L
i
a
.
f
e
r
r
o
dla o-
.
4-g
Obiegi nadkrytyczne
siłowni cieplnych.,.
Na r y s . 2 pokazano obieg (b)
z dodatkowym sprężaniem częś-
ci strumienia czynnika. Po schłodzeniu w rekuperatorze
(punkt 6)
część
G
(<*<1) natężenia przepływu czynnika nisko-
prężnego zostaje schłodzona
i skroplona do osiągnięcia
stanu
określonego punktem 1 , następnie zostaje sprężona w pompie i
podgrzana w rekuperatorze niskotemperaturowym do temperatury
T 8 , pozostała zaś część
(1-«)
zostaje sprężona
nieizentropowej 6-8) w dodatkowej
(wg adiabaty
sprężarce J również do sta-
nu odpowiadającemu punktowi 3 . Połączone w punkcie 8 strumienie zostają podgrzane izobarycznie w rekuperatorze· wysokotemperaturowym I i reaktorze A do temperatury T 3 , po czym odbywa
się rozprężanie i schładzanie, najpierw w rekuperatorze wysokotemperaturowympotem w niskotemperaturowym do temperatury
Tě,
itd.
Dzięki dodatkowemu sprężaniu ilość czynnika wysokoprężne-
go w rekuperatorze niskotemperaturowym jest mniejsza niż niskoprężnego. Można więc tak podzielić całkowity strumień
(zrealizować takie <*), aby pojemności cieplne czynników wymieniających ciepło wyrównały s i ę , co można ująć równaniem
°c(i8 - i2)
= i9 - i6
.
W wymienniku wysokotemperaturowym różnice w pojemności
cieplnej obu strumieni są znacznie mniejsze ze ^-względu na to,
że. własności czynników w wyższych temperaturach są oddalone
od własności płynu
rzeczywistego.
Sprawność termiczna obiegu
obiegu
a,
b
jest większa od sprawności
jakkolwiek ze względu na bardziej
cieplny (dodatkowa sprężarka) moc graniczna
złożony układ
siłowni
zrealizo-
wanej w oparciu o ten obieg j e s t mniejsza.
Rys.3 pokazuje obieg (c)
z dodatkowym sprężaniem całego
strumienia czynnika roboczego. Czynnik niskoprężny
schłodzony
w rekuperatorze wysokotemperaturowym I do temperatury T9 zostaje sprężony w sprężarce
К
do ciśnienia p 1 J . Następnie
zostaje schłodzony w rekuperatorze niskotemperaturowym G oddając ciepło czynnikowi wysokoprężnemu. Entalpia
strumienia
czynnika niskoprężnego zostaje powiększona o wartość pracy
sprężania, 'dzięki czemu do podwyższenia temperatury czynnika
Mirosław Arołiutpwski
—
w-vsokonrežnego wykorzystana j e s t większa ilość c i e p ł a .
Ξ " a t i r w e L ę t r z n a
ność)
obiegu
с
nieodwracalność
w stosunku do Obiegu
a.
(a więc rośnie
Zmniejspraw-
Obiegi nadkrytyczne siłowni c i e p l n y c h . , .
4-g
Innym obiegiem ze zmniejszonym stopniem nieodwracalności
jest obieg
d
przedstawiony na r y s . 4 . Czynnik niskoprężny po
schłodzeniu w rekuperatorze niskotemperaturowym
datkowo schłodzony w chłodnicy
L do założonej
T 1 0 . Następnie zostaje sprężony w sprężarce
panującego w skraplaczu
na dwa strumienie,
żarce J ,
jest do-
temperatury
К
do ciśnienia
E . W punkcie 11 zostaje
z których jeden
drugi zaś w i l o ś c i
chłodnicy P ,
G
podzielony
(1-oc) j e s t sprężany w sprę-
<* zostaje kolejno schłodzony w
skroplony w skraplaczu E', sprężony w pompie D i
podgrzany w rekuperatorze niskotemperaturowym G, Połączone w
punkcie 8 strumienie są skierowane do rekuperatora wysokotemperaturowego I
itd.
Zmniejszenie nieodwracalności
jest tu możliwe dzięki sprę-
żarce J . Sprężarkę К stosuje się w celu uniezależnienia
ciśnie-
nia za turbiną od ciśnienia panującego w skraplaczu, co umożliwia powiększanie mocy turbozespołu.
Realizacja wyżej wymienionych obiegów, jako obiegów bezpośrednich w elektrowniach jądrowych jest możliwa jedynie w
przypadku, gdy czynnikami roboczymi są substancje o niewielkich ciśnieniach kiytycznych. Zbyt duże c i ś n i e n i a
krytyczne
powodują, że w obiegach nadkrytycznych - optymalne ze względu
na sprawność ciśnienie przed turbiną wykracza poza możliwości
Mirosław
44
Archutowski
wytrzymałościowe współczesnych k o n s t r u k c j i gazowych reaktorów
jądrowych. c i ś n i e n i a w n i c h n i e p r z e k r a c z a j ą obecni*
'
Obieg
( e ) , ,W którym c i ś n i e n i e panujące w reaktorze
wy* może być stosunkowo n i s k i e przedstawia
ZLprężny
rys.5.
jądro-
Czynnik wy-
opuszczający rekuperator wysokotemperaturowy I
s t a j e n a j p i e r w rozprężony w t u r b i n i e C do c i ś n i e n i a
dopiero potem podgrzany w reaktorze
puj
70 b a r .
jądrowym A ,
po czym nastę-
ponowne rozprężenie w t u r b i n i e B . D a l s z a droga
jak w obiegu
zo-
p12, a
cz^nika
b.
Rvs 6
Schemat układu cieplnego i wykres T-S dla óR y s . b . . ь с п ^ n a d k r y t y c z I i e s o dwufazowego
f
Na r y s . 6 p r z e d s t a w i o n o ' o b i e g
(f)
z dodatkowym " k l a s y c z -
nym" sposobem zmniejszania wewnętrznej nieodwracalności
mianowicie
z międzystopniowym przegrzewem czynnika
W s z y s t k i e wyżej scharakteryzowane
2
a'więc
o b i e g i n a l e ż ą do grupy
są to o b i e g i kondensacyjne, w których
ciepła odbywa się przy c i ś n i e n i a c h
a ^
roboczego.
doprowadzenie
niekrytycznych.
T a k i e same z a b i e g i poprawiające sprawność można
zastosować
również do obiegów grupy 1 , 1 * .
do
w i c i e w obszarze nadkrytycznym.
O b i e g i te ( a , b , d , e , f ) . przed-
stawiono na r y s . 7 .
obieg
a'
O b i e g i e m
o b i e g ó w
p r a c u j ą c y c h cał-ko-
wyjściowym dla t e j grupy j e s t
zwany w literaturze obiegiem Fehera..
4-g
Obiegi nadkrytyczne siłowni cieplnych.,.
W obiegach hadkrytycznych omawianego typu (dotyczy to zarówno grupy 1 jak i 2 ) ,
czynnikami roboczymi mogą być płyny o
umiarkowanych'temperaturach krytycznych,
peratury
zbyt duże bowiem tem-
krytiyczne mogłyby uniemożliwić wykorzystanie rekupe-
r a c j i lub poważnie zmniejszyć jej
efektywność.
Zbyt n i s k i e temperatury krytyczne powodują natomiast
zmniejszenie
(przy stałym poziomie chłodzenia 15-20°C)
gęstoś-
ci sprężanego płynu, a zatem zwiększenie pracy sprężania w
stosunku do pracy użytecznej turbozespołu. Ponadto może się
z d a r z y ć , . ż e parametry krytyczne czynnika uniemożliwiają real i z a c j ę obiegu przy założonych wartościach parametrów przed
turbiną i pompą, j e ż e l i np. czynnik, który ma pracować w obiegu
a (rys.1)
ma 'temperaturę krytyczną tak wysoką, że wartość
entalpii i 4 wypadnie mniejsza niż 1 6 ,
jest niemożliwa.
nieć,
to r e a l i z a c j a
obiegu
Oprócz tego obiegi dwufazowe nie mogą· ist-
gdy temperatura krytyczna czynnika roboczego jest niż-
sza od minimalnej temperatury obiegu.
Jednym z płynów niskowrzących, który ze względu na swoje
własności może być użyty w charakterze czynnika roboczego w
elektrowni,
zwłaszcza w elektrowni jądrowej, jest
dwutlenek
węgla. Jest on chemicznie obojętny i trwały w zakresie wymaganych temperatur, nietoksyczny,
ogólnie dostępny i stosunko-
wo t a n i . Jego temperatura krytyczna natomiast jest dosyć nis-
Mirosław Arcłmtowski
46
ka (304 K ) . Powoduje t o , że sprawność osiągana w obiegach na
00
zaledwie dorównuje sprawności siłowni parowych, pracują-
cych przy tych samych temperaturach na wejściu do
rzędu 600 - 6 5 0 ° C ,
tarbmy
jakkolwiek przy wyższych temperaturach
przewyższa j ą .
Obiegi z czynnikami niskowrzącymi charakteryzują sxę bardzo zwartą budową maszyn przepływowych, co umożliwia
cję turbozespołów o bardzo dużej mocy jednostkowej
realiza-
(odnosi
się to zwłaszcza do obiegów Gochsztejna -a i Fehera - a ) . Np.
rozmiary turbiny [2] na C 0 2 o mocy 1000 MW i o parametrach pary na wejściu do turbiny - 5 6 5 ° C , 300 atm wynoszą odpowiednio:
długość - 5 , 3 m, średnica - 3 , 4 m.
4
Wyniki obliczeń sprawności obiegów na C0 P
Obliczenia
sprawności obiegów .vykonáno w Instytucie Tech-
niki Cieplnej Politechniki Warszawskiej'\
Ze względu na brak
dokładnych wartości entalpii i entropii w całym rozważanym
zakresie temperatur i ciśnienia czynnika roboczego do obliczeń obiegów wykorzystano metodę stanów odpowiednich, która
dla C 0 2 daje dużą dokładność. Obliczenia wykonano na EMC-ODRA
1204 w Centrum Obliczeniowym PAN.
Założono:
dla wszystkich obiegów minimalną temperaturę obiegu
maksymalne ciśnienie obiegu
•
min
Ртах
dla obiegów jednofazowych ciśnienie przed pompą
dla obiegów e, e', f ,
= 295'K
= 200 bar
pi
= 75 bar
p3
=(Ртах+Р1)/2
f'-
ciśnienie przed turbiną В
dla obiegów c , d, d, minimalne ciśnienie obiegu
Pmin
sprawność wewnętrzną turbiny
4
sprawność wewnętrzną pompy
V
sprawność wewnętrzną sprężarki
= 30 bar
= 90%
= 85%
Pr
' s = 85%
W l i c z e n i a wykonano na zlecenie
pracy' "Studium termodynamiczne obiegów i układów na C 0 2 .
w
Obiegi nadkrytyczne siłowni cieplnych.,.
4-g
spiętrzenie temperatur w rekuperatorze:
niskotemperaturowym
ΔΤ1 = 15 С
ΔΤ2
wysokotemperaturowym
Sprawność obiegów
riancie zakładając
did'
= 30 С
obliczono również w drugim wa-
Pmj_n = P 1 ·
Ponadto założono, że wszystkimi stratami ciśnienia w obiegu obciążona j e s t bezpośrednio pompa. Współczynnik strat ciśnienia przyjęto jednolicie dla wszystkich obiegów
β=
0,15.
Współczynnik ten jest definiowany jako stosunek różnicy ciśnienia uzyskanego po sprężeniu w pompie i c i ś n i e n i a przed turbiną do różnicy ciśnienia przed i za turbiną*
dla obiegu
a
stosunek ten wynosi
fl= (p2 - p 3 ) / ( p 3 - P 4 ) .
Na r y s . 8 i 9 przedstawiono wpływ maksymalnej
temperatury
obiegu na sprawność-termiczną odpowiednio dla obiegów nadkrytycznych dwufazowych a , b , c , d , e , f
i jednofazowych a',b',d',e',f'.
Sprawność termiczną zdefiniowano jako stosunek pracy użytecznej turbozespołu do i l o ś c i ciepła doprowadzonego do obiegu;
dla obiegu
a
sprawność termiczna wynosi
,,
7=
( i 3 - i4) - ( i 2 - i1)
i3 - i7
'
Z przedstawionych wykresów wynikają następujące wnioski
(odnośnie obiegów na C O g ) :
- Obiegi nadkrytyczne dwufazowe osiągają o około 2% wyższą
sprawność termiczną od odpowiednich obiegów
jednofazowych.
- Wraz ze skomplikowaniem układów cieplnych sprawność obiegów
ro ś n i e .
- Najszybszy przyrost sprawności z temperaturą wykazują obiegi
d i d'
z przeciwciśnieniem obniżonym do około 30 bar
(dalsze obniżenie przeciwciśnienia powoduje pogorszenie się
sprawności). Jednakże realizacja elektrowni o bardzo dużych
mocach jednostkowych, według tych obiegów byłaby utrudniona
dużym poborem mocy przez dwie dodatkowe
sprężarki.
48
ун-опеЛгатп Archutowsbi
•α
<u
Чз
Н
И
М
g I - i I ^о »5
""
II ιΓ Ď " -О
ι-ί ч-ч
«Г
о
ł с ä
о
-i
Ό л t>
оТ υ
+
u
ö 3Cr*fc2
c^cí -S; i
-g R o
I ď
йЙ
CO O o
h
«
ri
P.
4-g
Obiegi nadkrytyczne siłowni cieplnych.,.
- N a j n i ż s z ą sprawność wykazują obiegi
a i a',
chociaż ze
względu na prostotę układu cieplnego moc graniczna dla tych
obiegów j e s t bardzo wysoka.
Bibliografia
1 . Feher E . G . :
"The supercritical thermodynamic power cycle"
Intersociety Energy Conversion Conference, 2nd. Miami
Beach 1 9 6 7 .
2 . Angelino G.s
"Carbon Dioxide Condensation Cycles For Po-
wer Production". Journal of Engineering f o r Power,
July,
1968.
3 . Angelino G . :
"Perspectives for the Liquid Phase Compre-
ssion Gas T u r b i n e " . Journal of Engineering f o r Power,
April,
1967.
4 . Gasparovic N . :
"Fluide und Kreisprozesse f ü r Wärmekraft-
anlagen mit grossen Einheitenleistungen".
5 . Schabert H . P . :
K r e i s l a u f von Kernkraftwerken".
6. Faltin K . :
BWK, nr 7 , 1 9 6 9 .
" C 0 2 - Turbinen im direkten und indirekten
BWK, nr 3 ,
"Entwicklungsmöglichkeiten
1969.
der Gasturbinen-
p r o z e s s e " , Wissenschaftliche Zeitschrifte der Technischen
Hochschule für Bauwesen L e i p z i g , nr 4 / 5 ,
7 . Gochsztejn D . P . , Werchiwker G . P . :
newodianych parów w energetike".
1969.
1952/53·
"Probleme
ispolzowanija
Tepłoenergetika, nr 1 ,
СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ЦИКЛИ ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
С ПРИМЕНЕНИЕМ НИЗКОКИПЯЩИХ ВЕЩЕСТВ
К р а т к о е
с о д е р - ж а н и е
Описано возможность применения низкокипящих веществ в
сверхкритических циклах тепловых или атомных электростанций
производящих электрическую энергию дешевле, чем в паросиловых 'установках. Для того, чтобы достигнуть высокое значание
к . п . д . установки, рабочее тело должно иметь соответственную
Mirosław Archutowski
50
критическуя температуру. Слишком высокая критическая температура рабочего.тела не дает эффективно использовать регенерации тепла в рекуператоре.
Зато вещества со слишком низкой
критической температурой, учитывая их небольшую плотность,
требуют большой работы сжатия, что вызывает падение
электростанции.
к.п.д.
Кроме того, рабочее тело должно быть хими-
чески нереактивные и прочные в повышенных температурах, нетоксические, выступающие в природе в большом количестве и относительно дешевые. Уменьшение необратимости термодинамических
циклов (увеличение их к . п . д . )
в сверхкритических циклах полу-
чается путем дополнительного сжатия части или всего потока
рабочего тела. Однако это вызывает уменьшение полезной мощности, что ограничивает возможность реализации электростанции
очень большой единичной мощности.
Представлено также результаты, вычисления к . п . д .
различ-
ных сверхкритических циклов с применением двуокиси углерода
з качестве рабочего тела.
LOT-BOILING FLUID SUPERCRITICAL CYCLES
FOR POWER GENERATION
S u m m a r y
The p o s s i b i l i t i e s of application of low-boiling f l u i d s
in supercritical cycles of power plants (conventional and
ruclear)
which generate cheap electrical energy are descri-
bed in this paper. Working f l u i d should have appropriate
t i c a l temperature in order to obtain high cycle
cri-
efficiency.
'Vhen the c r i t i c a l temperature of working f l u i d i n the superc r i t i c a l two-phase cycles i s too h i g h ,
there i s no possibili-
ty f o r u t i l i z a t i o n of heat regeneration in a simple recuperator
High c r i t i c a l temperature in one-phase cycles makes heat
regeneration i n e f f e c t i v e . When the c r i t i c a l temperature is
too low,
grea ! : compression work i s required due to the low
f l u i d density and the e f f i c i e n c y of power plant
Furthermore,
decreases.
the working f l u i d should have no corrosive
4-g
Obiegi nadkrytyczne siłowni cieplnych.,.
e f f e c t s and should be t h e r m a l ^ stable at high temperature,
nontoxic,
e a s i l y available in nature and r e l a t i v e l y cheap.
Reduction of internal i r r e v e r s i b i l i t y of thermodynamical
cycles
(i.e.,
increasing their efficiency)
at
supercritical
conditions can be obtained by additional compression of a
part or of entire flow of working f l u i d . I t causes a decrease
of useful power of turboset,
thus limiting the
of r e a l i z a t i o n of very large power-generating
In addition,
possibility
units.
the results of calculation of the
efficiency
of supercritical cycles employing CC>2 as working medium, are
given.
Rękopis dostarczono we wrześniu 1971 г.