loji kuasa stim

BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)

Md Zin IbrahimJabatan Loji dan AutomotifKolej Universiti Teknologi Tun Hussein Onn


1.1 Kitar Carnot Salah satu jenis kitar bagi loji kuasa stim ialah kitar

Carnot. Kitar ini diambil atas nama perekanya iaitu Sida Carnot. Kitar ini merupakan kitar unggul (Proses boleh balik) yang paling cekap bagi pengendalian antara had suhu tertentu bagi kitar wap atau gas. Proses-proses itu ialah:1-2 Proses penambahan haba, Qin pada suhu malar

2-3 Proses pengembangan isentropik (S2 = S3)

3-4 Proses penyingkiran haba Qout pada suhu malar.

4-1 Proses pemampatan isentropik (S4 = S1)

Rajah 1.0 dan Rajah 1.2 menunjukkan proses-proses utama bagi kitar Carnot.

T °C

s

1 2

34


DANDANG (1-2)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, W ≈ 0Q12 – W12 = H12 + PE12 + KE12

Q12 = H12 = (H2 – H1)

TURBIN (2-3)

Anggapan PE ≈ 0, KE ≈ 0, Q ≈ 0Q23 – W23 = H23 + PE23 + KE23

-W23 = H23 = H3 - H2

Persamaan Keseimbangan Tenaga

T °C

s

1 2

34


PEMELUWAPAN (3-4)

Anggapan : PE = 0, KE = 0, W = 0

Q34 – W34 = H34 + PE34 + KE34

Q34 = H34 = (H4 – H3)

PAM AIR SUAPAN (4-1)

Anggapan PE = 0, KE = 0, Q = 0Q41 – W41 = H41 + PE41 + PE41

-W41 = H41 = H1 – H4

Persamaan Keseimbangan Tenaga

Kecekapan haba =

atau

Oleh kerana kitar Carnot mempunyai proses yang boleh balik, menurut skala suhu Kelvin:

in

net

QW

in

outth

in

outinth

QQ

QQQ

1

p

s

in

out

TT

QQ

di mana;

Ts= suhu takungan panas

Tp=suhu takungan sejuk


KECEKAPAN KITAR CARNOT

CONTOH 1.1Sebuah kitar Carnot beroperasi di antara tekanan 0.03 bar dan 70 bar masing-masing di dalam keadaan wap basah. Stim meninggalkan pam pada keadaan cecair tepu meninggalkan dandang di dalam keadaan wap tepu. Tentukan kecekapan haba loji.


Kitar Rankine Kitar Carnot Kecekapan Tinggi tetapi Nisbah Kerja

Adalah Rendah Proses Rumit untuk dilakukan-memberhentikan

penyejukan pada keadaan 3 (Stim basah, T2) kerana perlu melakukan proses mampatan secara seentropi kepada keadaan 4

Lebih mudah sekiranya pada keadaan 3 cecair sepenuhnya menerusi pemeluawapan kepada tekanan dandang (T1) pada keadaan 4.

Saiz pam adalah kecil dan kerja pam dapat dikurangkan.

Jumlah haba yang dibekalkan meningkat (Cecair ke wap) kerana T4 adalah lebih rendah daripada suhu tepu pada tekanan dandang.

Pengubahsuaian ini di panggil kitar Rankine seperti Dalam Rajah 1.3


BDA 3043: Termodinamik llBAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant

1

23

4

5

T(K)

S(kJ/kgK)

1

2

3

4

5

4

Turbine

Cooling Water

CondenserPump

Boi

ler

Fuel

Air

Boundary

Fuel GasW12

W34Q23

Q45

1

Rajah 1.3: Gambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine Unggul

Gambarajah T-s dan Skimatik Kitar Rankine Unggul

Proses 2-3:

Proses penyikiran haba di pemeluwap pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)

2323232323 KEPEhWQ

2323 hhQ

Proses 1-2:

Proses pengembangan secara seentropi di turbin dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0)

1212121212 KEPEhWQ

2112 hhW

PROSES KITAR RANKINE & IMBANGAN TENAGA



Proses 3-4:

Proses pemampatan secara seentropi di pam air suapan dari p1 ke p2. (PE=0,KE=0,Q=0)

Selain daripada itu kerja pam juga boleh dikira dengan menggunakan hubungan:

3434343434 KEPEhWQ

4334 hhW

4334 PPvW

BDA 3043: Termodinamik ll

BAB 1:LOJI KUASA STIM( Steam Power Plant)


Proses 4-5-1:

Proses penambahan haba di dandang pada tekanan malar (PE=0,KE=0,W=0)

4141414141 KEPEhWQ

)()( 141554451 hhhhhhQ


KECEKAPAN HABA RANKINE

in

net

QW

R

23

1243

hhhhhh

R

T

s

3

1 4T2

T1

2 dandang

pamturbinR W

WW

Kecekapan ini memberitahu kita, berapa banyak kerja bersih dapat ditukarkan daripada haba yang dibekalkan ke dalam sistem.

=

Kecekapan Haba Rankine,


Rajah 1.4: Gamabarajah T-s Kitar Rankine Ideal

Selain daripada kecekapan haba rankine, beberapa kriteria juga perlu dicari bagi menentukan prestasi sesebuah loji kuasa.

1. Penggunaan stim tentu (s.s.c)

Penggunaan stim tentu merupakan nisbah kadalir jisim (kadar penggunaan stim terhadap masa) dengan kuasa keluaran bersih yang dihasilkan

Ia memberitahu kita berapakah kadalir stim yang diperlukan untuk hasilkan 1 unit kuasa

KRITERIA PRESTASI LOJI KUASA


Kadalir jisim stim =

skg

ms

Kuasa keluaran =

kgkJ

skg

wm nets x x

Oleh itu, s.s.c=

kgkJ

skg

skg

wmm

nets

s

iaitu =kJkg

wnet

1

Selain daripada unit ini, unit lain yang biasa digunakan ialah:

jamkWkg

skWkg

kJkg

..3600

Maka s.s.c =

jamkW

kgwnet .

3600



2. Nisbah kerja

Nisbah ini menunjukkan berapa banyak kerja bersih dapat dihasilkan daripada keseluruhan kerja kasar yang dipunyai oleh sistem.

Nisbah kerja =turbin

pamturbin

W

WW

kasar keluaran kerjabersih keluaran kerja

3. Kecekapan isentropik (seentropi)

Kecekapan isentropik/seentropi terbahagi kepada dua iaitu:

kecekapan seentropi pam

kecekapan seentropi turbin



Wujudnya kecekapan ini kerana terdapat ketidakboleh balikan proses pada turbin dan pam air suapan. Ketidakbolehbalikan ini menyebabkan turbin dan pam air suapan tidak lagi beroperasi secara isentropik atau seentropi.

*proses pegembangan dan mampatan adalah sebenar.T

s

3

41

2’

4’

2



Rajah 1.5: Gambarajah T-s dengan Proses Tak Seentropi

Bagi pam: 12

12

hhhh

pams

'sebenar kerja

seentropi kerja

Bagi turbin: 34

34

hhhh

turbins

'

seentropi kerjasebenar kerja

4. Beban haba pemeluwap (Condenser heat load)

Digunakan untuk membandingkan penyingkiran haba di antara loji kuasa.

Beban haba pemeluwap = s.s.c x haba tersingkir di pemeluwap

kgkJ

xjamkW

kg.

jamkWkJ.



CONTOH 1.2Sebuah kitar loji kuasa stim bekerja dengan tekanan

dandang dan pemeluwap 30 bar dan 0.04 bar masing-masing. Kirakan kecekapan, nisbah kerja dan pengunaan stim tentu bagi:

a. Kitar Carnot menggunakan stim basah

b. Kitar Rankine dengan stim tepu kering masuk ke turbin.

c. Kitar Rankine di(b) dengan kecekapan seentropi turbin 80%

d. Sekiranya turbin di bekalkan dengan stim panas lampau pada suhu 450°C, tentukan pengunaan stim tentu (PST)

Bandingkan kecekapan terma, kerja bersih dan nisbah kerja bagi . kitaran (a),(b),© dan (d). Nyatakan ulasan anda


1. Salah satu cara untuk meningkatkan kecekapan haba ialah dengan cara meningkatkan Wnet.

2. Bagaimana meningkatkan Wnet?

a. Naikkan Wout

b. Kurangkan Win 3. Penggunaan pemanas lampau merupakan satu cara untuk menaikkan Wout.

4. Ia akan menyebabkan stim yang keluar dari dandang pada keadaan wap tepu dipanaskan di dalam pemanas lampau sehingga stim menjadi wap panas lampau.

5. Ini menyebabkan perbezaan entalpi yang tinggi di turbin dan ini meningkatkan Wout.

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS LAMPAU


SUSUNATUR LOJI DAN GAMBARAJAH T-s

KESEIMBANGAN TENAGA

'QQQQin 546516

)'45(561 hhhhhhQin

'43 hhQin

43 PPVWin

'21 hhWout

6

5

1

2

34

drumpump

Surge tank

receiver

Superheater Turbine

Condenser

6

1

2’23

5

T(K)

S(kJ/kgK)

4’

4


CONTOH 1.3

Sebuah janakuasa stim kitar Rankine berada diantara tekanan 40 bar dan 0.1 bar. Sekirannya suhu keluaran pemanas lampau ialah 520oC, dapatkan kecekapan terma, penggunaan stim tentu dan nisbah kerja. Bandingkan nilai yang diperolehi dengan jawapan daripada contoh sebelumnya. Dapatkan juga beban haba pemeluwap dan beri ulasan. Jika suhu air penyejuk bagi pemeluwap naik 22oC kepada 30oC, dapatkan berapakah jisim air penyejuk untuk satu kg stim


PENGARUH SUHU STIMLebih tinggi suhu stim yang keluar dari pemanas lampau, lebih kering stim yang memasuki pemeluwap.T °C

s

4

1'

32'

1

2x x '


PENGARUH TEKANAN STIMPada suhu yang malar, apabila tekanan dandang ditambah, stim akan menjadi lebih basah kerana x berkurang.

T °C

s

x x'

P1

P1'

P2



Kesan Tekanan Dandang Terhadap Kecekapan dan Kadar P.s.t

Kec

ekap

an K

itar

100%

Tekanan Dandang

Pen

guna

an S

tim t

entu

Kecekapan

s.s.c

Rajah : Kesan Tekanan Dandang Terhadap Kecekapan dan Kadar P.s.t


Kesan suhu stim panas Lampau terhadap kecekapan kitar dan p.s.t

Kec

ekap

an K

itar

100%

Suhu Stim °C

Pen

guna

an S

tim t

entu

Kecekapan

s.s.c

Rajah : Kesan suhu stim panas Lampau terhadap kecekapan kitar dan p.s.t

T °C

s

x x'

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA-TURBIN BERBILANG PERINGKAT

1. Kitar rankine dengan pemanas semula merupakan salah satu kitar modifikasi Rankine yang digunakan secara praktikal pada masa ini.

2. Apabila tekanan dandang ditingkatkan stim yang memasuki pemeluwap akan menjadi lebih basah dan akan merosakkan turbin


3. Untuk mengatasi masalah ini sistem pemanasan semula digunakan.

i. meningkatkan dan memastikan stim kering semasa keluar daripada turbin.

ii. Suhu purata haba yang dibekalkan kepada stim adalah tinggi

iii. Memerlukan dandang berfrenkuensi tinggi dengan pegembangan dalam satu peringkat menghasilkan stim ekzos yang basah (<10%)

iv. Memanas lampaukan stim supaya kebasahan stim <10%. Keadaan memanaskan semula stim dan pegembangan dilakukan dalam dua peringkat turbin.

4. Penggunan alat ini menyebabkan terdapat dua unit turbin digunakan: turbin tekanan tinggi dan rendah.

5. Penggunaan sistem pemanasan semula adalah untuk memanaskan semula stim yang keluar daripada turbin tekanan tinggi sebelum memasuki turbin tekanan rendah.

KITAR RANKINE DENGAN PEMANAS SEMULA-TURBIN BERBILANG PERINGKAT


T °C

s

5

6

1

2

3

4

2’

4’

SUSUNATUR LOJI & GAMBARAJAH T-S PEMANASAN SEMULA



Dandang

PemeluwapPam air suapan

4

TTRTTT

1

2 3

56

Pemanas semula

IMBANGAN TENAGA

1. Kerja TTT: (kJ/kg) '21 hhWTTT

2. Kerja TTR: (kJ/kg) '43 hhWTTR

Apabila wujudnya ketidakbolehbalikan:

1. Kerja TTT: (kJ/kg) '21 hhWTTT

2. Kerja TTR: (kJ/kg) '43 hhWTTR

3. Qout= '34'12 QQ = (kJ/kg) '' 4323 hhhh

3. Qin= '61 QQ = (kJ/kg)'61 hh

'16Q

WWW pamTTRTTTR

Kecekapan haba

rankine,



T °C

s

5

6 6’

1

2

3

4

2'

4'

CONTOH 1.4• Sebuah janakuasa stim bekerja dengan tekanan stim

30 bar dan 0.04 bar. Stim masuk ke turbin pada suhu 4500C dan berkembang sehingga tepu kering kepada tekanan 2 bar. Stim kemudian dipanaskan semula sehingga suhu mencapai 400°C sebelum ia masuk ke turbin tekanan rendah. Kecekapan seentropi kedua-dua turbin adalah 0.85%.

• Kirakan;

• i. Kecekapan termal

• Ii.Pengunaan stim tentu.


KITAR JANA SEMULA

Direkabentuk bertujuan mendapatkan kecekapan kitar CARNOT sambil mengekalkan nisbah kerja yang tinggi.Bagaimana?

Meninggikan suhu air suapan kepada suhu ketepuan sepadan dengan tekanan dandang sebelum ia memasuki dandang agar mendekati proses pembekalan haba suhu malar.

Jenis

Pemanas terbuka

Pemanas Tertutup



SUSUNATUR LOJI DENGAN PEMANAS AIR TERBUKA

Boiler

Condenser

Pump 1Feed

HeaterPump 2

5

1

(1-y)kg

2

3

478

(y)kg

6


oKitar Jana Semula Pemanas air suapan Jenis terbukaMeningkatkan kecekapan kitar Rankine dengan menjujuh sebahagian stimpada tekanan perantaraan semasa pegembangan dan mencampurkan stimdengan air suapan yang telah dipam pada tekanan yang sama di dalam pemanas air suapan terbuka.

PROSES-PROSES KITAR

Stim di dalam keadaan wap panas lampau dikembangkan di dalam turbin (1 kg)

Pada titik ini sebahagian stim pada suhu tinggi diekstrak ke dalam pemanas suapan sebanyak y kg. Baki (1-y) kg mengembang sehingga ke tekanan pemeluwap.

Stim memasuki pemeluwap

Stim keluar setelah haba disingkarkan dan memasuki pam air suapan tekanan rendah.

Stim masuk ke pemanas suapan dan stim ini dipanaskan secara semulajadi oleh stim . Sim pada titik 6 berubah fasa. Suhu titik 4 meningkat sehingga mencapai suhu tepu. Fasa berubah dari cecair termampat ke cecair tepu.

Jisim stim bercampur menjadi 1 kg semula dan masuk ke pam air suapan tekananan tinggi.

Stim keluar dari pam air suapan dan masuk ke dalam dandang.

Titik 1

Titik 6

Titik 2

Titik 3

Titik 4

Titik 7

Titik 8

Titik 5


4

8

1

1 kg

6

3

T

s

(1 – y) kg

1 kg

y kg

(1-y)kg

7

5

2

GAMBARAJAH T-S


ANALISIS TENAGA

87341 pamIIpamIpam WWyW

2661 1 hhyhhWturbin

81 hhQin

321 hhyQout

Bagaimana mendapatkan nilai suhu di titik 6 dan mendapatkan nilai y ?

2

256

TTT

Dari pemanas terbuka:

746 1 hhyyh

hmhm outoutinin

FHW

ykgh6

(1-y)kgh41kgh7


Kitar Rankine yang beroperasi di antara tekanan dandang 30 bar dan pemeluwap 0.04 bar. Stim pada keadaan suhu 450’C masuk ke turbin dan berkembang pada tekanan 3 bar. Sebahagian daripada stim di jujuhkan kepada pemanas air suapan terbuka(Open Feed water heater) dengan kecekapan isentropi turbin ialah 0.85%. Abaikan kerja pam dan kirakani. Kecekapan terma loji ( cycle efficiency)Ii. Pengunaan stim tentu (specific steam comsumtion)

CONTOH 1.5:

Kitar Rankine dengan pemanas air suapan terbuka


PEMANAS AIR SUAPAN JENIS TERTUTUP

Digunakan bagi mengelakkan penggunaan pam air suapan yang banyak.

Sistem ini menggunakan 1 pam air suapan sahaja.

Mengantikan sistem pemanas air suapan terbuka kepada jenis tertutup yang berfungsi sebagai perangkap stim. (Injap pendikit)


Boiler

8

1

(1-y1 – y2 )kg

2

3

456

y1 kg

7

FeedHeater 1

FeedHeater 2

FeedPump

Condenser

y2 kg

9

10

1211

(y1 + y2) kg

SUSUNATUR LOJI DENGAN DUA PEMANAS AIR TERTUTUP


• Pada 1, stim dalam keadaan wap panas lampau memasuki turbin (1 kg). Pada 7, sebanyak y1 kg diekstrak. Pada 8, sebanyak y2 kg stim pula diekstrak

• Pada 2, sebanyak (1-y1-y2) kg stim memasuki pemeluwap.

• Di pemanas suapan 1, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 7 sebanyak y1 kg digunakan untuk memanaskan stim pada titik 5 menyebabkan suhu meningkat sehingga titik 6. Stim pada 7 berubah fasa kepada cecair tepu pada titik 11.

• Pada titik 11 pula, stim (y1 kg) seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 12 dan memasuki pemanas suapan 2.

• Di pemanas suapan 2, proses pemindahan haba berlaku. Stim pada 8 sebanyak y2 kg dibantu pula dengan stim (y1 kg) yang masuk dari titik 12, digunakan untuk memanaskan stim pada titik 4 menyebabkan suhu meningkat ke titik 5. Stim di 8 dan 12 bergabung dan berubah fasa menjadi cecair tepu di titik 9 (y1+y2)

• Stim pada 9 ini seterusnya didikitkan di dalam injap sehingga titik 10 dan masuk kedalam pemeluwap. Di pemeluwap, stim ini bergabung dengan stim pada 2 dan keluar sebagai cecair tepu pada 3 ( 1 kg).

• Pemanas di dandang berlaku di titik 6 hingga titik 1.


RAJAH T-S

48

1

1 kg

6

3

T

s

(1 – y1) kg

1 kg

y1 kg

(1 – y1 – y2)kg

7

5

2

y2 kg

12

10

11

9


61 hhQin

282187171 11 hhyyhhyhhWout

• Bagaimana mendapatkan nilai y1 dan y2 ?

• Dari pemanas suapan 1:

6111571 hhyhhy

hmhm outoutinin

• Dari pemanas suapan 2:

921412182 5 hyyhhhyhy

hmhm outoutinin

ANALISIS KESEIMBANGAN TENAGA

1kgxh5FWH1

y1kgxh7

y1kgxh11

1kgxh6

FWH2

y2kgxh8

1kgxh4

(y1+y2)kgxh91kgxh12

1kgxh5


Sebuah kitaran kuasa stim janasemula yang menggunakan pemanas air tertutup bekerja dengan keadaan wap 40 bar dan 500oC. Tekanan pemeluwap ialah 0.035 bar. Stim dijujuh pada tekanan 10 bar dan 1.1 bar masing-masing. Tentukan –jisim jisim stim ekstrak yang diperlukan bagi pemanas air untuk tiap-tiap 1 kg stim yang keluar dari dandang. Kira juga kecekapan terma dan penggunaan stim tentu loji.Anggap proses adalah ideal.

CONTOH 1.6 : Pemanas air tertutup


loji kuasa stim

Documents