Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 LUKU 10 HÖYRY- JA YHDISTETYT KIERTOPROSESSIT Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Tavoitteet Arvioidaan sellaisten kaasukiertoprosessien toimintaa, joissa työväliaine säilyy kaasuna koko prosessin ajan. Analysoidaan höyrykiertoprosesseja, joissa työväliaine on joko höyrynä tai kondensoituneena nesteeksi. Analysoidaan voiman yhteistuotantoa, jossa energian tuotto on yhdistetty lämpöenergian tuottamiseen. Tutkitaan mahdollisuuksia nostaa perus-rankine höyrykiertoprosessin termistä hyötysuhdetta. Analysoidaan tulistuksen ja regeneroinnin vaikutuksia höyrykiertoprosesseihin. Analysoidaan kieroprosesseja, joissa on yhdistetty kaksi erillistä kiertoprosessia, joita nimitetään yhdistetyiksi kiertoprosesseiksi tai binäärikiertoprosesseiksi. 2 1
CARNOT-höyrykiertoprosessi Carnot-kiertoprosessi on tehokkain kiertoprosessi, joka toimii kahden tunnetun lämpötilan välillä, mutta ei ole sopiva malli voimantuottokiertoprosesseille. Koska: Prosessi 1-2 Rajoittuminen lämmönsiirtoprosesseissa kaksifaassysteemeihin pienentää kiertoprosessissa käytettävissä olevaa maksimilämpötilaa (374 C vedellä) Prosessi 2-3 Turbiinit eivät voi toimia korkeassa kosteuspitoisuudessa, koska vesipisaroiden iskut turbiinin siipiin aiheutavat eroosiota ja kulumista. Prosessi 4-1 Käytännössä ei ole mahdollista suunitella kompressoria, joka toimii kaksifaasi väliaineella. Kiertoprosessi (b) ei ole käypä, koska se vaatii isentrooppisen puristuksen äärimmäisen korkeaan paineeseen ja isotermisen lämmönsiirron paineen muuttuessa. 1-2 isoterminen lämmöntuonti kattilassa 2-3 isentrooppinen paisunta turbiinissa 3-4 isoterminen lämmönluovutus lauhdutimessa 4-1 isentrooppinen puristus kompressorissa Carnot-kiertoprosessin T-s kaavio. 3 RANKINE-KIERTOPROSESSI: IDEAALINEN KIERTOPROSESSI HÖYRYKIERTOPROSESSEILLE Monet Carnot-kiertoprosessin haitoista voidaan eliminoida tulistamalla höyry kattilassa lauhduttamalla se täysin lauhduttimesssa. Kiertoprosessiksi jää Rankine-prosessi, joka on ideaalinen kiertoprosessi höyryvoimalaitoksille. Ideaalisessa Rankine-kiertoprosessissa ei ole palautumattomuuksia. 1-2 Isentrooppinen puristus pumpussa 2-3 Lämmöntuonti vakio paineessa kattilassa 3-4 Isentrooppinen paisunta turbiinissa 4-1 Lämmönluovutus vakio paineessa lauhduttimessa Yksinkertainen ideaalinen Rankine-kiertoprosessi. 4 2
Ideaalisen Rankine-prosessin energia-analyysi Jatkuvuustilan energiayhtälö equation Voimalaitosten hyötysuhde US:ssa ilmaistaan usein lämpösuhteen, joka on tuodun lämmönmäärä Btu ina, joka tuottaa 1 kwh sähköä. Terminen hyötysuhde voidaan tulkita T-skaavion kiertoprosessin pinta-alan suhteena lämmöntuontiprosessin pintaalaan. 5 TODELLISEN HÖYRYKIERTOPROSESSIN POIKKEAMAT IDEAALISESTA PROSESSISTA Todellisen höyryprosessin erot ideaalisesta Rankine-kiertoprosessista johtuvat palautumattomuuksista eri komponenteissa. Nestekitka ja lämpöhäviöt ympäristöön ovat yleisimmät syyt palautumattomuuksiin. Isentrooppiset hyötysuhteet (a) Todellisen höyryprosessin erot ideaalisesta Rankine-kiertoprosessista. (b) Pumpun ja turbiinin palautumattomuuksien vaikutukset ideaaliseen Rankine-kiertoprosessiin. 6 3
MITEN RANKINE KIERTOPROSESSIN HYÖTYSUHDETTA VOIDAAN NOSTAA? Perusideat kiertoprosessin hyötysuhteen nostamiseen ovat kaikille kiertoprosesseille samat: Kohota lämmöntuonnin keskilämpötilaa työväliaineeseen kattilassa tai laske lämmönluovutuksen keskilämpötilaa lauhduttimessa. Lauhduttimen paineen alentaminen (alentaa T low,avg ) Hyödyntääkseen alhaisen lauhdutuspaineen tuomaa hyötysuhteen paranemista, höyryvoimalaitosten lauhduttimet toimivat yleensä ilman painetta alhaisemmassa paineessa. Tälle paineelle on olemassa alaraja, joka riippuu jäähdytävän väliaineen lämpötilasta Sivuvaikutukset: Lauhdutinpaineen alentaminen johtaa turbiinin loppuvyöhykkeiden kosteuspitoisuudeen kasvuun. Lauhdutin paineen alentamisn vaikutus ideaaliseen Rankine-prosessiin. 7 Höyryn tulistaminen korkeaan lämpötilaan (Iisää T high,avg ) Sekä nettotyö että lämmöntuonti kasvavat höyryn korkeampaan lämpötilaan tulistamisen seurauksena. Kokonaisvaikutuksena terminen hyötysuhde kasvaa, koska lämmöntuonnin keskilämpötila kasvaa. Höyryn tulistuksen vaikutus ideaaliseen Rankine-prosessiin. Tulistus laskee myös höyryn kosteuspitoisuutta turbiinin ulostulossa, mikä on toivottavaa. Lämpötilaa rajoittaa metallurgiset syyt. Tällä hetkellä korkein höyryn lämpötila turbiinin sisäänmenossa on noin 620 C. 8 4
Kattilan paineen nostaminen (kasvattaa T high,avg ) Jos turbiinin sisäänmenolämpötila pidetään vakiona, kiertoprosessi siirtyy vasemmalle ja höyryn kosteuspitoisuus turbiinin lopussa kasvaa. Tämä sivuvaikutus voidaan korjata välitulistamalla höyry. Nykyään monet modernit höyryvoimalaitokset toimivat ylikriittisillä paineilla (P > 22.06 MPa) ja niiden terminen hyötysuhde noin 40% fossiilisiä polttoaineita käytettäessä ja 34% ydinvoimalaitoksille. Kattilan paineen noston vaikutus ideaaliseen Rankine-kiertoprosessiin. Ylikriittinen Rankine-kiertoprosessi. 9 IDEAALINEN VÄLITULISTETTU RANKINE-PROSESSI Miten voimme hyötyä korkeammasta kattilan paineesta kasvattamatta turbiinin loppuvyöhykkeiden kosteuspitoisuutta ylimäärin? 1. Tulista höyry mahdollisimman korkeaan lämpötilaan. Rajoituksena metallurgiset syyt. 2. Anna höyryn paisua turbiinissa kahdessa vaiheessa ja välitulista höyry niiden välillä Ideaalinen välitulistettu Rankine-prosessi. 10 5
Yksi välitulistus modernissa voimalaitoksessa parantaa hyötysuhdetta 4-5% nostamalla lämmöntuonnin keskilämpötilaa. Keskimääräistä lämpötilaa välitulistuksessa voidaan nostaa lisäämällä paisuntojen ja välitulistusten lukumäärää. Kun vyöhykkeiden lukumäärää kasvatetaan, paisunta- ja välitulistusprosessit lähestyvät isotermistä prosessia maksimilämpötilassa. Useamman kuin kahden välitulistusjakson käyttäminen ei ole käytännöllistä. Hyötysuhteen teoreettinen paraneminen toisen välitulistuksen seurauksena on noin puolet yhden välitulistuksen hyödystä. Välitulistuslämpötilat ovat hyvin lähellä tai yhtäsuuria kuin turbiinin sisäänmenolämpötila. Optimaalinen välitulistuspaine on noin neljäsosa kiertoprosessin maksimipaineesta. Lämmönsiirron keskilämpötila kasvaa välitulistuksessa kun välitulistusjaksojen lukumäärää kasvatetaan. 11 IDEAALINEN REGENERATIIVINEN RANKINE-PROSESSI Lämmöntuonnin alkuosa kattilassa tapahtuu melko alhaisessa lämpötilassa. Lämpöä siirretään työväliaineeseen 2-2 prosessissa melko alhaisessa lämpötilassa. Tämä alentaa lämmön tuonnin keskimääräistä lämpötilaa ja siten myös prosessin hyötysuhdetta. Höyryvoimalaitoksissa, höyryä poistetaan turbiinista eri kohdissa. Tämä höyry, joka olisi voinut tuottaa lisää työtä paisuessaan turbiinissa, käytetään lämmittämään sen sijaan syöttövettä. Laitetta, jossa syöttövesi lämmitetään regeneraatiolla, kutsutaan regeneraattoriksi tai syöttöveden esilämmittimeksi. Syöttövedenlämmitin on lämmönsiirrin, jossa lämpöä siirretään höyrystä syöttöveteen, joko sekoittamalla kaksi nestevirtaa (avoin syöttövedenlämmitin) tai sekoittamatta (suljettu syöttöveden lämmitin). 12 6
Avoimet syöttöveden lämmittimet Avoin (tai suora kontakti) syöttöveden lämmitin on periaatteessa sekoituskammio, jossa turbiinista otettu höyry sekoittuu pumpulle johdettuun syöttöveteen. Ideaali tapauksessa, seos lähtee lämmittimestä kylläisenä nesteenä lämmittimen paineessa. Ideaalinen regeneratiivinen Rankine-prosessi avoimella syöttöveden lämmittimellä. 13 Suljetut syöttövedenlämmittimet Toinen usein käytetty syöttövedenlämmitin tyyppi on suljettu syöttövedenlämmitin, jossa lämpö siirretään höyrystä sekoittamatta nestevirtoja keskenään. Nyt kaksi nestevirtaa voivat olla eri paineissa, koska ne eivät sekoitu keskenään. Ideaalinen regeneratiivinen Rankine-prosessi, jossa on suljettu syöttöveden lämmitin. 14 7
Suljetut syöttöveden lämmönsiirtimet ovat monimutkaisempia rakenteeltaan, koska niissä on sisäinen kanavisto ja ovat siksi kalliimpia. Lämmönsiirtyminen on heikompaa suljetussa syöttöveden lämmittimessä, koska kahden nestevirtauksien ei sallita olla suorassa kosketuksessa. Toisaalta, suljetut syöttöveden lämmittimet eivät vaadi erillistä pumppua joka lämmönsiirtimelle, koska höyry ja syöttövesi voivat olla eri paineissa. Höyryvoimalaitos, josa on yksi avoin ja kolme suljettua syöttöveden lämmönsiirrintä. Avoimet syöttövedenlämmittimet ovat yksinkertaisia ja halpoja ja niillä on hyvät lämmönsiirtoominaisuudet. Jokaiselle lämmönsiirtimelle tarvitaan kuitenkin pumppu syöttöveden paineistamiseen. Useimmissa höyryvoimalaitoksissa on avoimien ja suljettujen syöttöveden lämmönsiirtimien yhdistelmiä. 15 HÖYRYPROSESSIEN TOISEN PÄÄSÄÄNNÖN MUKAINEN ANALYYSI Eksergian väheneminen vakiovirtaustilassa olevalle systeemille Systeemin rajapinnalla Jatkuvuustila, yksi sisääntulo, yksi ulosmeno Eksergian väheneminen kiertoprosessissa Kiertoprosessille, jossa lämmönsiirtoon on vain lähde ja nielu Virtauseksergia Höyryprosessin toisen päsäännön mukainen analyysi paljastaa missä suurimmat palautumattomuudet ovat ja mistä aloittaa prosessin parannukset. 16 8
Yhdistetty voiman tuotanto Monet teollisuuden prosesit vaativat energian tuontia lämmön muodossa, jota kutsutaan prosessilämmöksi. Prosessilämpö näissä prosesseissa tuotetaan höyrynä 5-7 bar ja 150-200 C. Höyryn kehitetään polttamalla hiiltä, öljyä, maakaasua tai jotain muuta polttoainetta. Yksinkertainen prosessilämpölaitos. Prosessit, jotka käyttävät suuria määriä prosessilämpöä, käyttävät myös suuria määriä sähkövoimaa. On järkevää käyttää olemassa olevaa työpotentiaalian tehoa voimantuotantoon sen sijaan, että se menisi hukkaan. Lopputuloksena on laitos joka tuottaa sähköä samalla kun se tuottaa prosessin lämmöntarpeen tietyissä teollisissa prosesseissa (yhdistetty voimantuotanto) Yhdistetty voiman tuotanto: Useamman kuin yhden hyödyllisen energiamuodon tuottaminen (kuten prosessilämmön ja sähkön) samasta energialähtestä. 17 Käyttösuhde Ideaalinen yhdistetty laitos. Ideaalisen yhdistetyn höyry-turbiini laitoksen käyttösuhde on 100%. Todellisten yhdistettyjen laitosten käyttösuhteet ovat jopa 80%. Muutamat viime aikoina rakennetut yhdistetyt laitokset omaavat jopa korkeampia rakennusasteita. 18 9
Yhdistetty laitos, jossa on säädettävä kuormitus. Suuren prosessilämmöntarpeen aikana, kaikki höyry johdetaan prosessin lämmittämisyksiköihin ja ei mitään lauhduttimeen (m 7 = 0). Hukkaan menevä lämpö on tässä tapauksessa nolla. Jos tämä ei riitä, osa kattilasta lähtevästä höyrystä kuristetaan paisunnan väliotosta tai paineen alennusventtiilissä paineeseen P 5 ja johdetaan prosessin lämmitysyksikköön. Maksimi prosessilämmitys saavutetaan, kun kaikki höyry johdetaan paineenalennusventtiilin läpi (m 5 = m 4 ). Tässä moodissa ei tuoteta sähköä. Kun prosessissa ei tarvita lämpöä, kaikki höyry johdetaan turbiinin läpi lauhduttimeen (m 5 =m 6 =0) ja yhdistetty laitos toimii tavallisena höyryvoimalaitoksena. 19 20 10
Esimerkki 10-8 Tarkastellaan kuvan yhdistettyä voimalitosta. Höyryn massavirta on 15 kg/s. Jättämällä kaikki painehäviöt huomiotta ja olettamalla, että turbiini ja pumppu toimivat isentrooppisesti laske: a) Prosessilämmön maksimi teho, b) Tuotetteu sähköteho ja käyttösuhde, kun prosessilämpöä ei tuoteta, c) Prosessin lämmön teho kun 10% höyrystä kuristetaan suoraan ja 70% välioton jälkeen. 21 YHDISTETYT KAASU HÖYRYKIERTOPROSESSIT Termisten hyötysuhteiden jatkuva kasvatustarve on johtanut innovatiivisiin muutoksiin tavanomaisissa höyryvoimalaitoksissa. Suosittu parannus on lisätä kaasuprosessi höyryprosessin eteen, jota kutsutaan yhdistetyksi kaasu höyrykiertoprosessiksi, tai vain yhdistetyksi prosessiksi. Kiinnostavin yhdistetty prosessi on kaasu-turbiini (Brayton) kiertoprosessi lisättynä höyryturbiini (Rankine) kiertoprosessiin, jolla on korkeampi terminen hyötysuhde kuin kummallakaan kiertoprosessilla yksistään. On järkevää hyödyntää kaasu-turbiiniprosessin korkeanlämpötilan hyvät ominaisuudet ja käyttää korkean lämpötilan pakokaasut energian lähteenä höyryprosessissa. Lopputuloksena on yhdistetty kaasu-höyryprosessi. Kaasuturbiinien viimeaikainen kehitys on tehnyt yhdistetyn kaasuhöyryprosessin taloudellisesti hyvin kiinnostavaksi. Yhdistetty prosessi lisää hyötysuhdetta lisäämättä hankintakustannuksia oleellisesti. Siksi monet uudet voimalaitokset toimivat yhdistetyillä prosesseilla ja monia muita olemassa olevia höyry- tai kaasuvoimalaitoksia on muutettu yhdistetyn kiertoprosessin voimalaitoksiksi. Yli 50% termisiä hyötysuhteita on saavutettu. 22 11
Yhdistetty kaasu höyryvoimalaitos. 23 Yhteenveto Carnot-höyrykiertoprosessi Rankine-kiertoprosessi: Höyryprosessien ideaalinen kiertoprosessi Ideaalisen Rankine-prosessin energia-analyysi Todellisten höyryprosessien eroavuudet ideaalisista Miten Rankine prosessin hyötysuhdetta voidaan nostaa? Alentamalla lauhduttimen painetta (alentaa T low,avg ) Höyryn tulistus korkeampaan lämpötilaan (nostaa T high,avg ) Kattilapaineen nostaminen (kasvattaa T high,avg ) Ideaalinen välitulistettu Rankine-prosessi Ideaalinen regeneratiivinen Rankine -prosessi Avoimet syöttövedenlämmittimet Suljetut syöttövedenlämmittimet Höyrykiertoprosessien toisen pääsäännön mukainen analyysi Yhdistetty prosessi Yhdistetyt kaasu höyryprosessit 24 12