Was ist Turbine Generator – Power Conversion System – Definition

Funktionsprinzip des Turbinengenerators – Stromerzeugung

Die meisten Kernkraftwerke betreiben einen einwelligen Turbinengenerator , der aus einer mehrstufigen Hochdruckturbine und drei parallelen mehrstufigen LP-Turbinen , einem Hauptgenerator und einem Erreger besteht.  Die HP-Turbine ist normalerweise eine Doppelstrom-Impulsturbine (oder ein Reaktionstyp) mit etwa 10 Stufen mit ummantelten Schaufeln und erzeugt etwa 30-40% der Bruttoleistung der Kraftwerkseinheit. LP-Turbinen sind normalerweise Doppelstrom-Reaktionsturbinen mit etwa 5 bis 8 Stufen (mit ummantelten Schaufeln und mit freistehenden Schaufeln der letzten 3 Stufen). LP-Turbinen produzieren ungefähr 60-70% der Bruttoleistung der Kraftwerkseinheit. Jeder Turbinenrotor ist auf zwei Lagern montiert, dh zwischen jedem Turbinenmodul befinden sich Doppellager.

Vom Dampferzeuger zu den Hauptdampfleitungen – Verdunstung

Das Leistungsumwandlungssystem eines typischen PWR  beginnt in den Dampferzeugern an ihren Mantelseiten. Dampferzeuger sind Wärmetauscher , mit denen Speisewasser aus Wärme, die in einem Kern eines Kernreaktors erzeugt wird, in Dampf umgewandelt wird . Das Speisewasser (Sekundärkreislauf) wird von ~ 230 ° C 500 ° F (durch Regeneratoren vorgewärmtes Fluid) auf den Siedepunkt dieses Fluids (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) erhitzt . Die Wärme wird durch die Wände dieser Rohre auf das Sekundärkühlmittel mit niedrigerem Druck auf der Sekundärseite des Wärmetauschers übertragen, wo das Kühlmittel zu Druckdampf verdampft ( Sattdampf 280 ° C; 6,5 MPa).. Der gesättigte Dampf verlässt den Dampferzeuger durch einen Dampfauslass und gelangt zu den Hauptdampfleitungen und weiter zur Dampfturbine .

Diese Hauptdampfleitungen sind in der Nähe der Turbine miteinander verbunden (z. B. über ein Dampferzeugerrohr), um sicherzustellen, dass die Druckdifferenz zwischen den Dampferzeugern den spezifischen Wert nicht überschreitet, wodurch das Systemgleichgewicht aufrechterhalten und eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus dem Reaktorkühlmittelsystem sichergestellt wird ( RCS). Der Dampf strömt durch die aus Sicherheitsgründen sehr wichtigen Hauptdampfleitungs-Absperrventile (MSIV) zur Hochdruckturbine. Direkt am Einlass der Dampfturbine befinden sich Drosselklappen und Regelventile . Die Turbinensteuerung wird durch Variieren dieser Turbinenventilöffnungen erreicht. Im Falle einer Turbinenauslösungmuss die Dampfzufuhr sehr schnell, normalerweise im Bruchteil einer Sekunde, getrennt werden, damit die Absperrventile schnell und zuverlässig arbeiten müssen.

Vom Turbinenventil zum Kondensator – Expansion

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung; 6 MPa ; 275,6 ° C) von einem Dampferzeuger und gibt ihn an den Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (MSR – ab). Punkt D). Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten. Ein hoher Gehalt an Wassertropfen kann das schnelle Auftreffen und die Erosion der Schaufeln verursachen, die auftreten, wenn kondensiertes Wasser auf die Schaufeln gestrahlt wird. Um dies zu verhindern, sind Kondensatabläufe in der zur Turbine führenden Dampfleitung installiert. Der feuchtigkeitsfreie Dampf wird durch Absaugdampf aus der Hochdruckstufe der Turbine und durch Dampf direkt aus den Hauptdampfleitungen überhitzt.

Der Heizdampf wird in den Rohren kondensiert und in das Speisewassersystem abgelassen. Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck weit unter dem atmosphärischen (absoluter Druck von 0,008 MPa ) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%. Hochdruck- und Niederdruckstufen der Turbine befinden sich normalerweise auf derselben Welle, um einen gemeinsamen Generator anzutreiben, sie haben jedoch separate Gehäuse. Der Hauptgenerator erzeugt elektrischen Strom, der dem Stromnetz zugeführt wird.

Vom Kondensator zur Kondensatpumpe – Kondensation

Der Hauptkondensator kondensiert den Abgasdampf aus den Niederdruckstufen der Hauptturbine und auch aus dem Dampfablasssystem. Der ausgestoßene Dampf wird kondensiert, indem über Rohre geleitet wird, die Wasser aus dem Kühlsystem enthalten.

Der Druck im Inneren des Kondensators wird durch die Umgebungslufttemperatur (dh die Wassertemperatur im Kühlsystem) und durch Dampfausstoßer oder Vakuumpumpen angegeben , die die Gase (nicht kondensierbare Stoffe) aus dem Oberflächenkondensator ziehen und in die Atmosphäre ausstoßen.

Der niedrigste realisierbare Kondensatordruck ist der Sättigungsdruck, der der Umgebungstemperatur entspricht (z. B. ein absoluter Druck von 0,008 MPa, was 41,5 ° C entspricht ). Es ist zu beachten, dass es immer einen Temperaturunterschied zwischen (um ΔT = 14 ° C ) der Kondensatortemperatur und der Umgebungstemperatur gibt, der sich aus der endlichen Größe und Effizienz der Kondensatoren ergibt. Da weder der Kondensator ein 100% effizienter Wärmetauscher ist, besteht immer ein Temperaturunterschied zwischen der Sättigungstemperatur (Sekundärseite) und der Temperatur des Kühlmittels im Kühlsystem. Darüber hinaus gibt es eine Konstruktionsineffizienz, die den Gesamtwirkungsgrad der Turbine verringert. Idealerweise würde der in den Kondensator abgegebene Dampf keine Unterkühlung aufweisen. Echte Kondensatoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie die Flüssigkeit um einige Grad Celsius unterkühlen, um die Saugkavitation in den Kondensatpumpen zu vermeiden . Diese Unterkühlung erhöht jedoch die Ineffizienz des Kreislaufs, da mehr Energie zum Wiedererhitzen des Wassers benötigt wird.

Das Ziel, den niedrigsten praktischen Turbinenabgasdruck aufrechtzuerhalten, ist ein Hauptgrund für den Einbau des Kondensators in ein Wärmekraftwerk. Der Kondensator liefert ein Vakuum, das die dem Dampf entzogene Energie maximiert, was zu einer signifikanten Steigerung des Netzes und des thermischen Wirkungsgrads führt. Aber auch dieser Parameter (Kondensatordruck) hat seine technischen Grenzen:

• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird die Dampfqualität (oder der Trockenheitsanteil) verringert. Irgendwann muss die Expansion beendet werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten .
• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird das spezifische Abgasdampfvolumen erheblich erhöht, was große Schaufeln in den letzten Reihen der Niederdruckstufe der Dampfturbine erfordert.

In einer typischen Nassdampfturbine kondensiert der Abgasdampf im Kondensator und es liegt ein Druck weit unter dem Atmosphärendruck (absoluter Druck von 0,008 MPa, was 41,5 ° C entspricht). Dieser Dampf befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%. Beachten Sie, dass der Druck im Kondensator auch von den atmosphärischen Umgebungsbedingungen abhängt:

• Lufttemperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit bei Abkühlung in die Atmosphäre
• Wassertemperatur und Durchfluss bei Abkühlung in einen Fluss oder ein Meer

Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur bewirkt eine proportionale Erhöhung des Drucks des Abgases ( ΔT = 14 ° C ist normalerweise eine Konstante), daher nimmt der thermische Wirkungsgrad des Leistungsumwandlungssystems ab. Mit anderen Worten kann die elektrische Leistung eines Kraftwerks mit den Umgebungsbedingungen variieren , während die Wärmeleistung konstant bleibt.

Der kondensierte Dampf (jetzt Kondensat genannt) wird im Hotwell des Kondensators gesammelt. Der Hotwell des Kondensators bietet auch eine Wasserspeicherkapazität, die für betriebliche Zwecke wie die Aufbereitung von Speisewasser erforderlich ist. Das Kondensat (gesättigte oder leicht unterkühlte Flüssigkeit) wird der Kondensatpumpe zugeführt und dann von Kondensatpumpen über das Speisewasserheizsystem zum Entlüfter gepumpt. Die Kondensatpumpen erhöhen den Druck üblicherweise auf etwa p = 1-2 MPa. Normalerweise gibt es vier Kreiselkondensatpumpen mit einem Fassungsvermögen von einem Drittel und gemeinsamen Ansaug- und Druckköpfen. Normalerweise sind drei Pumpen in Betrieb, eine im Backup.

Von Kondensatpumpen zu Speisewasserpumpen – Wärmerückgewinnung

Das Kondensat von Kondensatpumpen durchläuft dann mehrere Stufen von Niederdruck-Speisewassererhitzern , in denen die Temperatur des Kondensats durch Wärmeübertragung von Dampf erhöht wird, der aus den Niederdruckturbinen extrahiert wird. In der Kaskade sind normalerweise drei oder vier Stufen von Niederdruck-Speisewassererhitzern angeschlossen. Das Kondensat tritt mit ca. p = 1 MPa, t = 150 ° C aus den Niederdruck-Speisewassererhitzern aus und tritt in den Entlüfter ein. Das Hauptkondensatsystem enthält auch ein mechanisches Kondensatreinigungssystem zum Entfernen von Verunreinigungen. Die Speisewassererhitzer sind selbstregulierend. Dies bedeutet, dass je größer der Speisewasserfluss ist, desto größer ist die Wärmeabsorptionsrate des Dampfes und desto größer der Extraktionsdampfstrom.

In den Absaugdampfleitungen zwischen den Speisewassererhitzern und der Turbine befinden sich Rückschlagventile. Diese Rückschlagventile verhindern den Rückfluss von Dampf oder Wasser im Falle einer Turbinenauslösung, wodurch der Druck in der Turbine schnell abnimmt. Auf diese Weise in die Turbine eindringendes Wasser kann die Turbinenschaufel schwer beschädigen.

Entlüfter

Im Allgemeinen ist ein Entlüfter eine Vorrichtung, die zum Entfernen von Sauerstoff und anderen gelösten Gasen aus dem Speisewasser zu Dampferzeugern verwendet wird. Der Entlüfter ist Teil des Speisewasserheizungssystems. Es befindet sich normalerweise zwischen dem letzten Niederdruckheizgerät und den Speisewasser-Druckerhöhungspumpen. Insbesondere gelöster Sauerstoff im Dampferzeuger kann ernsthafte Korrosionsschäden verursachen, indem er an den Wänden von Metallrohren und anderen metallischen Geräten angebracht wird und Oxide (Rost) bildet. Darüber hinaus verbindet sich gelöstes Kohlendioxid mit Wasser zu Kohlensäure, die weitere Korrosion verursacht.

Im Entlüfter wird das Kondensat üblicherweise durch den aus der Dampfturbine extrahierten Dampf auf gesättigte Bedingungen erhitzt. Der Extraktionsdampf wird im Entlüfter durch ein System von Sprühdüsen und Kaskadenschalen gemischt, zwischen denen der Dampf versickert. Im Kondensat gelöste Gase werden dabei freigesetzt und durch Entlüften in die Atmosphäre oder in den Hauptkondensator aus dem Entlüfter entfernt. Direkt unter dem Entlüfter befindet sich der Speisewasserspeicher, in dem eine große Menge Speisewasser bei nahezu Sättigungsbedingungen gespeichert wird. Im Falle einer Turbinenauslösung kann dieses Speisewasser Dampferzeugern zugeführt werden, um den erforderlichen Wasserbestand während des Übergangs aufrechtzuerhalten. Der Entlüfter und der Speichertank befinden sich normalerweise in großer Höhe in der Turbinenhalle, um eine ausreichende positive Nettosaughöhe (NPSH) am Einlass der Speisewasserpumpen sicherzustellen . NPSH wird verwendet, um zu messen, wie nahe eine Flüssigkeit an gesättigten Bedingungen ist. Das Absenken des Drucks auf der Saugseite kann zu Kavitation führen . Diese Anordnung minimiert das Risiko von Kavitation in der Pumpe.

Von den Speisewasserpumpen zum Dampferzeuger

Das System der Speisewasserpumpen enthält normalerweise drei parallele Leitungen ( 3 × 50% ) von Speisewasserpumpen mit gemeinsamen Saug- und Druckköpfen. Jede Speisewasserpumpe besteht aus dem Booster und der Hauptspeisewasserpumpe . Die Speisewasserpumpen (normalerweise von Dampfturbinen angetrieben) erhöhen den Druck des Kondensats (~ 1 MPa) auf den Druck im Dampferzeuger (~ 6,5 MPa).

Die Druckerhöhungspumpen bieten die Hauptspeisewasserpumpe Saugdruck erforderlich. Diese Pumpen (beide Speisewasserpumpen) sind normalerweise Hochdruckpumpen (normalerweise vom Typ Kreiselpumpe ), die aus dem Entlüftungswasserspeicher, der direkt unter dem Entlüfter montiert ist, saugen und die Hauptspeisewasserpumpen versorgen. Der Wasseraustrag aus den Speisewasserpumpen fließt durch die Hochdruck-Speisewassererhitzer , tritt in den Sicherheitsbehälter ein und fließt dann in die Dampferzeuger .

Der Speisewasserfluss zu jedem Dampferzeuger wird durch Speisewasserregelventile ( FRVs ) in jeder Speisewasserleitung gesteuert . Der Regler wird automatisch durch Dampferzeugerfüllstand, Dampfstrom und Speisewasserstrom gesteuert.

Die Hochdruck-Speisewassererhitzer werden durch Absaugdampf aus der Hochdruckturbine HP Turbine erwärmt. Abflüsse aus den Hochdruck-Speisewassererhitzern werden normalerweise zum Entlüfter geleitet.

Das Speisewasser ( Wasser 230 ° C; 446 ° F; 6,5 MPa ) wird durch den Speisewassereinlass in den Dampferzeuger gepumpt . Im Dampferzeuger wird das Speisewasser (Sekundärkreislauf) von ~ 230 ° C bis zum Siedepunkt dieser Flüssigkeit (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) erwärmt . Das Speisewasser wird dann verdampft und der unter Druck stehende Dampf ( Sattdampf 280 ° C; 6,5 MPa) verlässt den Dampferzeuger durch den Dampfauslass und gelangt zur Dampfturbine, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird.

Wärmewirkungsgrad von Dampfturbinen

Im allgemeinen wird die thermischen Wirkungsgrad , η _th , ein Wärmekraftmaschine ist als das Verhältnis der definierten Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q _H .

Der thermische Wirkungsgrad , η _th , stellt den Anteil an Wärme , Q _H , die konvertiert wird , zu arbeiten . Da Energie nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik eingespart wird und Energie nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann , muss der Wärmeeintrag Q _H gleich der geleisteten Arbeit W plus der Wärme sein, die als Abwärme Q _C an die abgegeben werden muss Umgebung. Daher können wir die Formel für den thermischen Wirkungsgrad wie folgt umschreiben:

Dies ist eine sehr nützliche Formel, aber hier drücken wir den thermischen Wirkungsgrad unter Verwendung des ersten Gesetzes in Bezug auf die Enthalpie aus .

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung; 6 MPa ; 275,6 ° C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn zum Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) ab ). Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten . Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem atmosphärischen Druck (absoluter Druck von0,008 MPa ) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%.

In diesem Fall bilden Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine Wärmekraftmaschine, die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Effizienzbeschränkungen unterliegt . Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) hätte diese Wärmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von

= 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 315/549 = 42,6%

Wenn die Temperatur des heißen Reservoirs 275,6 ° C (548,7 K) beträgt, beträgt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 ° C (314,7 K). Das Kernkraftwerk ist jedoch die eigentliche Wärmekraftmaschine , in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und Wärmeverluste weitere Wirkungsgradverluste.

Um den thermischen Wirkungsgrad des einfachsten Rankine-Zyklus (ohne Wiedererwärmung) zu berechnen, verwenden Ingenieure den ersten Hauptsatz der Thermodynamik eher in Bezug auf die Enthalpie als in Bezug auf die innere Energie.

Das erste Gesetz in Bezug auf die Enthalpie lautet:

dH = dQ + Vdp

In dieser Gleichung ist der Begriff Vdp eine Flussprozessarbeit. Diese Arbeit,   Vdp , wird für Open-Flow-Systeme wie eine Turbine oder eine Pumpe verwendet, bei denen ein „dp“ vorliegt , dh eine Druckänderung. Es gibt keine Änderungen in der Lautstärke . Wie zu sehen ist, vereinfacht diese Form des Gesetzes die Beschreibung der Energieübertragung . Bei konstantem Druck entspricht die Enthalpieänderung der Energie , die durch Erhitzen aus der Umgebung übertragen wird:

Isobarer Prozess (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Bei konstanter Entropie , dh im isentropischen Prozess, entspricht die Enthalpieänderung der am oder vom System durchgeführten Flussprozessarbeit :

Isentropischer Prozess (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es ist offensichtlich, dass es bei der Analyse sowohl der in der Energietechnik verwendeten thermodynamischen Kreisprozessen, dh des Brayton-Zyklus als auch des Rankine-Zyklus, sehr nützlich sein wird.

Die Enthalpie kann durch Teilen durch die Masse zu einer intensiven oder spezifischen Variablen gemacht werden . Ingenieure verwenden die spezifische Enthalpie in der thermodynamischen Analyse mehr als die Enthalpie selbst. Es ist in den Dampftabellen zusammen mit dem spezifischen Volumen und der spezifischen inneren Energie aufgeführt . Der thermische Wirkungsgrad eines solchen einfachen Rankine-Zyklus und in Bezug auf spezifische Enthalpien wäre:

Es ist eine sehr einfache Gleichung und zur Bestimmung des thermischen Wirkungsgrads können Sie Daten aus Dampftabellen verwenden .

In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen . Der Grund liegt in der relativ niedrigen Dampftemperatur ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Höhere Wirkungsgrade können durch Erhöhen der Temperatur erreicht werdendes Dampfes. Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Im Vergleich zu anderen Energiequellen ist der thermische Wirkungsgrad von 33% nicht viel. Es ist jedoch zu beachten, dass Kernkraftwerke viel komplexer sind als Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen und es viel einfacher ist, fossile Brennstoffe zu verbrennen, als Energie aus Kernbrennstoffen zu erzeugen. Unterkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die unter kritischem Druck (dh unter 22,1 MPa) betrieben werden, können einen Wirkungsgrad von 36–40% erreichen.

Ursachen für Ineffizienz

Wie bereits erwähnt, kann ein Wirkungsgrad zwischen 0 und 1 liegen. Jede Wärmekraftmaschine ist irgendwie ineffizient. Diese Ineffizienz kann auf drei Ursachen zurückgeführt werden.

• Irreversibilität von Prozessen . Es gibt eine theoretische Obergrenze für die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Arbeit in jeder Wärmekraftmaschine. Diese Obergrenze wird als Carnot-Effizienz bezeichnet . Nach dem Carnot-Prinzip kann kein Motor effizienter sein als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern arbeitet. Wenn beispielsweise der heiße Vorratsbehälter T _heiß von 400 ° C (673 K) und T _kalt von etwa 20 ° C (293 K) aufweist, beträgt der maximale (ideale) Wirkungsgrad: = 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 293 / 673 = 56%. Aber alle realen thermodynamischen Prozesse sind irgendwie irreversibel. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. Daher müssen Wärmekraftmaschinen aufgrund der inhärenten Irreversibilität des von ihnen verwendeten Wärmekraftmaschinenzyklus niedrigere Wirkungsgrade als Grenzwerte für ihren Wirkungsgrad aufweisen.
• Vorhandensein von Reibung und Wärmeverlusten. In realen thermodynamischen Systemen oder in realen Wärmekraftmaschinen ist ein Teil der Ineffizienz des Gesamtzyklus auf die Verluste der einzelnen Komponenten zurückzuführen. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung , Wärmeverluste und Verluste im Verbrennungsprozess weitere Effizienzverluste.
• Design-Ineffizienz . Die letzte und auch wichtige Ursache für Ineffizienzen sind die Kompromisse, die Ingenieure bei der Konstruktion einer Wärmekraftmaschine (z. B. eines Kraftwerks) eingegangen sind. Sie müssen Kosten und andere Faktoren bei der Auslegung und dem Betrieb des Zyklus berücksichtigen. Betrachten Sie als Beispiel eine Auslegung des Kondensators in den Wärmekraftwerken. Idealerweise würde der in den Kondensator abgegebene Dampf keine Unterkühlung aufweisen . Echte Kondensatoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie die Flüssigkeit um einige Grad Celsius unterkühlen, um die Saugkavitation in den Kondensatpumpen zu vermeiden . Diese Unterkühlung erhöht jedoch die Ineffizienz des Kreislaufs, da mehr Energie zum Wiedererhitzen des Wassers benötigt wird.

Verbesserung der thermischen Effizienz – Rankine-Zyklus

Es gibt verschiedene Methoden, wie der thermische Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus verbessert werden kann. Unter der Annahme, dass die maximale Temperatur durch den Druck im Reaktordruckbehälter begrenzt ist, sind diese Methoden:

Rankine-Zyklus – Problem mit der Lösung

Nehmen wir den Rankine-Zyklus an , der einer der häufigsten thermodynamischen Kreisprozessen in Wärmekraftwerken ist. In diesem Fall wird ein einfacher Zyklus ohne Wiedererwärmung und ohne Kondensationsdampfturbine mit Sattdampf  (Trockendampf) angenommen. In diesem Fall arbeitet die Turbine im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (Punkt 3). Dampf verlässt diese Turbinenstufe mit einem Druck von 0,008 MPa, 41,5 ° C und x = ??? (Punkt 4).

Berechnung:

1. die Dampfqualität des Auslassdampfes
2. die Enthalpiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen (3 → 4), die der Arbeit des Dampfes W _{T entspricht} .
3. die Enthalpie – Differenz zwischen diesen beiden Zuständen (1 → 2), das entspricht die Arbeit von Pumpen erfolgen, W _P .
4. die Enthalpiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen (2 → 3), die der im Dampferzeuger zugeführten Nettowärme entspricht
5. den thermodynamischen Wirkungsgrad dieses Zyklus und vergleichen Sie diesen Wert mit dem Wirkungsgrad des Carnot

1)

Da wir die genaue Dampfqualität des Auslassdampfes nicht kennen, müssen wir diesen Parameter bestimmen. Der Zustand 4 wird durch den Druck p ₄ = 0,008 MPa und die Tatsache festgelegt, dass die spezifische Entropie für die isentrope Expansion konstant ist (s ₃ = s ₄ = 5,89 kJ / kgK für 6 MPa ). Die spezifische Entropie von gesättigtem flüssigem Wasser (x = 0) und trockenem Dampf (x = 1) kann aus Dampftabellen entnommen werden . Bei feuchtem Dampf kann die tatsächliche Entropie mit der Dampfqualität x und den spezifischen Entropien von gesättigtem flüssigem Wasser und trockenem Dampf berechnet werden:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l              

wo

s ₄ = Entropie des feuchten Dampfes (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

s _v = Entropie von “trockenem” Dampf (J / kg K) = 8,227 kJ / kg K (für 0,008 MPa)

s _l = Entropie von gesättigtem flüssigem Wasser (J / kg K) = 0,592 kJ / kg K (für 0,008 MPa)

Aus dieser Gleichung ergibt sich folgende Dampfqualität:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

Die Enthalpie für den Zustand 3 kann direkt aus den Dampftabellen entnommen werden, während die Enthalpie für den Zustand 4 anhand der Dampfqualität berechnet werden muss:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, nass} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l}  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Dann wird die Arbeit durch den Dampf gemacht, W _T, ist

W _T = Δh = 945 kJ / kg

3)

Die Enthalpie für Zustand 1 kann direkt aus den Dampftabellen entnommen werden:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

Der Zustand 2 wird durch den Druck p ₂ = 6,0 MPa und die Tatsache festgelegt, dass die spezifische Entropie für die isentrope Kompression konstant ist (s ₁ = s ₂ = 0,592 kJ / kgK für 0,008 MPa ). Für diese Entropie s ₂ = 0,592 kJ / kgK und p ₂ = 6,0 MPa finden wir h _{2, unterkühlt} in Dampftabellen für Druckwasser (unter Verwendung der Interpolation zwischen zwei Zuständen).

h _{2, unterkühlt} = 179,7 kJ / kg

Dann erfolgt die Arbeit der Pumpen, W _P, ist

W _P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

Die Enthalpiedifferenz zwischen (2 → 3), die der im Dampferzeuger zugeführten Nettowärme entspricht, beträgt einfach:

Q _add = h _{3, v}  – h _{2, unterkühlt} = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Beachten Sie, dass in diesem Zyklus keine Wärmerückgewinnung stattfindet. Andererseits ist der größte Teil der zugeführten Wärme für die Verdampfungsenthalpie (dh für den Phasenwechsel) bestimmt.

5)

In diesem Fall bilden Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine Wärmekraftmaschine, die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Effizienzbeschränkungen unterliegt . Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) hätte diese Wärmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von

η _Carnot = 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 315/549 = 42,6%

Wenn die Temperatur des heißen Reservoirs 275,6 ° C (548,7 K) beträgt, beträgt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 ° C (314,7 K).

Der thermodynamische Wirkungsgrad dieses Zyklus kann nach folgender Formel berechnet werden:

somit ist
η _th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%