7 termoenergetska postrojenja.ppt

ANALIZA TOPLOTNIH SHEMA ENERGETSKIH POSTROJENJA

Tip i vrste termoelektrana

• Vrsta proizvodnje energije: Razlikuju se termoelektrane koje odaju samo električnu energiju i termoelektrane-toplane, koje pored električne odaju i toplotnu energiju putem nosilaca toplote (pare ili vrele vode).

• Vrsta korištenog goriva: Razlikuju se termoelektrane na čvrsto, tečno i plinovito gorivo i na kombinaciju dva ili tri goriva.


• Tip osnovne turbine: Razlikuju se termoelektrane sa parnim ili plinskim turbinama, odnosno kombinovani proces kada su primenjene i parna i plinska turbina.

• Nivo parametara pare: U zavisnosti od nivoa početnog pritiska svježe pare razlikuju se termoelektrane sa pokritičnim (obično niže od 160 ÷ 170 bar) i natkritičnim pritiskom (više od 220 bar).


• Instalisana snaga: Uslovno se termoelektrane dijele na termoelektrane velike snage (preko 1000 MW), srednje (100 do 1000 MW) i male (manje od 100 MW) snage.

• Šema veza termičkog dijela elektrane: Po tipu primijenjene osnovne tehnološke šeme termoelektrane se dele na blok i neblok šemu (šema sa sabirnicama pare).


• Stepen opterećenja i korištenja snage: U zavisnosti od vremena rada termoelektrane se dijele na

- bazne (više od 6000 sati rada godišnje u elektroenergetskom sistemu),

- polubazične (od 4000 do 6000 sati rada), - poluvršne (2000 do 4000 sati rada) i - vršne (manje od 2000 sati rada).


• Vrsta hlađenja: Protočno i povratno hlađenje. Kod protočnog hlađenja voda za hlađenje kondenzatora uzima se iz prirodnog izvora (rijeke, jezera) propušta kroz kondenzator i vraća natrag. Kad ne postoji prirodni izvor vode za hlađenje ista voda se stalno propušta kroz kondenzator i stalno se hladi u posebnim hladnjacima što predstavlja protočno ili vještačko hlađenje. Izbor sistema hlađenja vezan je za osnovnu dilemu oko izbora lokacije termoelektrane - blizu rijeke ili blizu rudnika uglja

•


• Maksimalna snaga je najveća snaga koju elektrana kao cjelina može proizvesti, uz pretpostavku da su svi dijelovi elektrane sposobni za pogon.

• Raspoloživa snaga elektrane je najveća snaga koju elektrana može da proizvede u nekom trenutku, uvažavajući stvarno stanje u elektrani (kvarovi, remonti i sl.) i uz pretpostavku da nema ograničenja zbog proizvodnje reaktivne energije.

• U osnovne elemente termoelektrana spadaju turbine: parna i gasna (plinska) kao i kotlovi.


• Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira isključivo parna turbina. Njene su prednosti: velika jedinična snaga, uz visoke parametre svježe pare (170 bar i 565°C), te visoka sigurnost pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom u trajanju od nekoliko hiljada sati.

• Za pogon termoelektrane sa parnim turbinama mogu se koristiti čvrsta goriva i nižih toplotnih moći ili neko drugo raspoloživo energetsko gorivo za sagorijevanje u parnim kotlovima.


• U nedostatke termoelektrane sa parnom turbinom spada relativno dugo trajanje stavljanja turbine u pogon (nakon stajanja zbog remonta ili sl.), te velike količine vode potrebne za hlađenje kondenzatora.

• U termoelektranama se kao pogonski stroj susreće i plinska turbina. Takve su naročito pogodne za pogon vršnih i rezervnih elektrana, jer mogu biti stavljene u pogon za 15 ÷ 20 min. Maksimalna jedinična snaga gasne turbine kod ulazne temperature gasova od 650°C iznosi 27 [MW], a kod ulazne temperature gasova od 750°C oko 15 [MW].


• Parni kotlovi su toplinski uređaji koji služe za proizvodnju pare pritiska većeg od atmosferskog. Para se proizvodi pomoću topline izgaranjem goriva. Parni kotao sastoji se od sljedećih osnovnih elemenata:

• isparivača ili kotla u užem smislu, u kojem prijemnik toplote (voda) isparava,

• pregrijača pare u kojem se para isparena u isparivaču pregrijava,• zagrijača vode u kojem se prijemnik toplote zagrijava do

temperature bliske temperaturi zasićenja i • zagrijača zraka u kojem se zrak zagrijava prije ulaska u ložište.


• Dosta visok stepen iskorištenja savremenih parnih kotlova (87 ÷ 90%, odnosno 91 ÷ 93%) omogućava postizanje relativno povoljnijeg ukupnog termičkog stepena iskorištenja termoelektrane:

• što u kondenzacionom pogonu dostiže 35 ÷ 41%, • u toplanama sa čisto protutlačnim pogonom 75 ÷

85%, • a u kombinovanom protutlačno-kondenzacionom

pogonu 40 ÷ 60%.•

Uticaj osnovnih termičkih faktora na ekonomičnost rada termoenergetskih postrojenja

Ekonomičnost rada jednog termoenergetskog postrojenja ovisi uglavnom od sljedećih faktora:

• pritiska i temperature svježe pare na ulazu u turbinu,• toplinskog radnog ciklusa sa pregrijanom parom,• međupregrijavanja pare između visokotlačnog i

niskotlačnog dijela turbine,• visine vakuuma na izlazu pare iz turbine i• regenerativnog zagrijavanja napojne vode parom

oduzetom turbini.


• Kada se uzme u obzir samo potreba za povišenjem pritiska i temperature svježe pare, jasno je da se time smanjuje specifična potrošnja topline uz istovremeno povećanje investicija potrebnih za izgradnju potrebnih elemenata opreme.

• Tako se optimalno rješenje postiže kao kompromis ovih relativno divergentno djelujućih faktora, koji ovise kako od cijena goriva, s jedne strane, tako i od visine kamata, amortizacije i ostalih troškova, ovisnih od visine investicija potrebnih za izgradnju dotičnog energetskog postrojenja, s druge strane.


Uticaj ovih faktora posmatrajmo kroz analizu toplotnih shema. Razmatrajmo idealni ciklus za jednostavno energetsko postrojenje na vodenu paru – Rankineov ciklus. Ovaj ciklus se sastoji iz sljedećih procesa:

• 1-2: povratna adijabatska kompresija vode u napojnoj pumpi,• 2-3: dovođenje toplote u parnom kotlu pri konstantnom

pritisku,• 3-4: povratna adijabatska ekspanzija pare u parnoj turbini,• 4-1: odvođenje toplote u kondenzatoru pri konstantnom

pritisku.


Slika 1. Jednostavno energetsko postrojenje na vodenu paru koje radi po Rankineovom ciklusu


• Ako se zanemari kinetička i potencijalna energija, prenesena toplota i rad se mogu predstaviti odgovarajućim površinama u T – s dijagramu. Toplota dovedena radnom fluidu predstavljena je površinom a-2-2'-3-b-a,

• a toplota odvedena od radnog fluida površinom a-1-4-b-a.

• Iz prvog zakona termodinamike može se zaključiti da je površina koja predstavlja rad razlika ovih dviju površina tj. 1-2-2'-3-4-1.


• Evidentno je da Rankineov ciklus ima manji termodinamički stepen iskorištenja od Carnotovog ciklusa sa istom maksimalnom i minimalnom temperaturom ali se bira iz najmanje dva razloga.

• Prvi razlog tiče se procesa kompresije jer stanje 1' je smjesa tečnosti i pare, tako da bi veoma teško bilo napraviti pumpu koja će tu smjesu komprimovati od stanja 1' do stanja 2'.


• Drugi razlog tiče se pregrijavanja pare. U Rankineovom ciklusu para se pregrijava pri konstantnom pritisku (3-3') dok se u Carnotovom ciklusu sav prenos toplote odvija pri konstantnoj temperaturi (3-3'').

• Tokom ovog procesa dolazi do pada pritiska, što znači da se toplota mora dovoditi pari dok ona obavlja proces ekspanzije pri kojem se vrši rad što je veoma teško izvesti u praksi.


Razmotrimo efekat pritiska i temperature u kondenzatoru

na Rankineov ciklus

Slika 2. Uticaj pritiska i temperature u kondenzatoru na termodinamički stepen iskorištenja Rankineovog ciklusa


• Neka pritisak kondenzacije opadne sa P4 na P4', sa odgovarajućim padom temperature pri kojoj se toplota odvodi što će dovesti do porasta neto rada za osjenčenu površinu. Toplota dovedena pari poveća se za površinu a'-2'-2-a-a'.

• Kako su ove dvije površine približno jednake, neto rezultat je porast termodinamičkog stepena iskorištenja ciklusa.

• Ovo je takođe evidentno i iz činjenice da je prosječna temperatura pri kojoj se toplota odvodi opala.

• Međutim, smanjenjem pritiska kondenzacije povećava se sadržaj vlage u pari koja napušta turbinu što može dovesti do pada efikasnosti turbine kao i erozije lopatica turbine.


• Na slici 3 je prikazan efekat pregrijavanja pare u kotlu. To dovodi do povećanja rada za površinu 3-3'-4'-4, dok se toplota dovedena u kotlu poveća za površinu 3-3'-b'-b-3.

• Kako je odnos ovih površina veći od odnosa neto rada i dovedene toplote za ostatak procesa evidentno je da će se sa pregrijavanjem pare povećati termodinamički stepen korisnosti Rankineovog ciklusa.

• Kod pregrijavanja dolazi do povećanja sadržaja pare u vlažnoj pari koja napušta turbinu.


Slika 3. Uticaj pregrijavanja na termodinamički stepen iskorištenja Rankineovog ciklusa


• Razmotrimo i uticaj maksimalnog pritiska pare (slika 4). Odvedena toplota smanjuje se za površinu b'-4'-4-b-b'.

• Neto rad se povećava za lijevu osjenčenu površinu a smanjuje za desnu osjenčenu površinu.

• Neto rad ima tendenciju da ostane isti , ali odvedena toplota opada pa se zbog toga termodinamički stepen iskorištenja Rankineovog ciklusa povećava sa porastom maksimalnog pritiska (sadržaj pare u vlažnoj pari na izlazu iz turbine opada).


Slika 4. Uticaj pritiska u kotlu na termodinamički stepen iskorištenja Rankineovog ciklusa


• Razmotrimo uticaj sa međupregrijavanjem pare (slika 5). Kod ovog ciklusa para ekspandira do nekog međupritiska u turbini, a zatim se ponovo pregrijava u kotlu, nakon čega ekspandira u turbini do pritiska u kondenzatoru.

• Sa međupregrijavanjem pare se veoma malo povećava termodinamički stepen korisnosti jer se prosječna temperatura pri kojoj se toplota dovodi ne mijenja mnogo.


• Osnovna prednost je u smanjenju sadržaja vlage u stepenima turbine niskog pritiska do sigurne vrijednosti.

• Kad bi se pronašao metal koji bi mogao izdržati pregrijavanje pare do 3', tad bi prosti Rankineov ciklus bio efikasniji od ciklusa sa međupregrijavanjem.


Slika 5. Ciklus sa međupregrijavanjem pare


• Treba napomenuti da se pregrijavanje može izvršiti, osim pregrijačem smještenim u kotlu i sa posebnim izmjenjvačima topline svježom parom ili parom oduzetom od odgovarajućeg stepena turbine.

• Međupregrijanje može biti jednostruko, kada se vrši jednokratno između VT i ST dijela turbine, ili dvostruko, ako se uz prvo međupregrijavanje vrši još i drugo između ST i NT dijela turbine.

• Kod turbina velikih snaga i visokih parametara pare vrši se čak i trostruko međupregrijavanje.


• Posmatrajmo sada ciklus sa regenerativnim zagrijavanjem napojne vode i to prvo idealni regenerativni ciklus (slika 6). Kod ovog ciklusa, nakon izlaska iz pumpe tečnost cirkuliše oko kućišta turbine, krećući se suprotno od smjera proticanja pare u turbini. Tako se omogućava prenos topline sa pare koja protiče kroz turbinu na tečnost koja protiče oko turbine. Ako se na trenutak pretpostavi da je to povratni prenos topline, onda je u svakoj tački temperatura pare diferencijalno viša od temperature tečnosti.

• U tom slučaju je linija 4-5 na T – s dijagramu potpuno paralelna sa linijom 1-2-3, koja predstavlja proces kompresije tečnosti u pumpi i stanja tečnosti koja protiče oko turbine.


• Kao posljedica toga površine 2-3-b-a-2 i 5-4-d-c-5 ne samo da su jednake već se i podudaraju a predstavljaju toplotu dovedenu tečnosti odnosno odvedenu od pare.

• Toplota se dovodi radnom fluidu pri konstantnoj temperaturi u procesu 3-4, a površina a-2-3-4-5-c-a predstavlja tu toplotu.

• Toplota se odvodi radnom fluidu u procesu 5-1 a površina 1-5-c-a-1predstavlja tu toplotu.

• Ta površina potpuno je jednaka površini 1'-5'-d-b-1', što odgovara toplini koja se odvede u odgovarajućem Carnotovom ciklusu što znači da ova dva ciklusa imaju isti termodinamički stepen iskorištenja.

•


Slika 6. Idelni regenerativni ciklus


• Praktični regenerativni ciklus uključuje oduzimanje jednog dijela pare nakon što je ona djelimično ekspandirala u turbini uz upotrebu grijača napojne vode, što je prikazano na slici 7.

Slika 7. Regenerativni ciklus sa otvorenim grijačem napojne vode


• Para ulazi u turbinu u stanju 5. Nakon ekspanzije u turbini do stanja 6, jedan dio pare se oduzima i uvodi u predgrijač napojne vode. Para koja nije oduzeta ekspandira u turbini do stanja 7, a zatim se kondenzuje u kondenzatoru.

• Ovaj kondenzat se pumpom ubacuje u grijač napojne vode gdje se miješa sa parom oduzetom iz turbine. Udio oduzete pare je upravo dovoljan da se tečnost koja napušta grijač napojne vode prevede u stanje 3.

• Tečnost se nije komprimirala do pritiska u kotlu, već samo do međupritiska koji odgovara stanju 6. Potrebna je još jedna pumpa da bi se tečnost koja napušta grijač napojne vode komprimovala do pritiska u kotlu.


• Znači pri ovom procesu povećana je temperatura pri kojoj se toplota dovodi. Treba napomenuti da je ovaj ciklus teško prikazati u T – s dijagramu i na slici 7 samo su prikazana stanja fluida u različitim tačkama.

• Osim otvorenih grijača napojne vode kod kojih dolazi do miješanja tečnosti sa oduzetom parom treba napomenuti da postoje i zatvoreni grijači napojne vode kod kojih se razmjena topline između oduzete pare i napojne vode vrši preko odgovarajućih površina.


Slika 8. Aranžman grijača u stvarnom energetskom postrojenju koje koristi regenerativne grijače napojne vode


• Tipičan aranžman glavnih komponenti u stvarnom energetskom postrojenju prikazan je na slici 8.

• Jedan otvoreni zagrijač napojne vode (deaeracioni) ima dvostruku ulogu – zagrijavanje i uklanjanje vazduha iz zagrijača vode.

• Trap predstavlja uređaj koji dozvaljava samo tečnosti da teče u područje nižeg pritiska. Pri ključanju vode se izdvajaju gasovi koji su rastvoreni u vodi, i to prije svega kiseonik i ugljen-dioksid. Ako se voda ne očisti od kiseonika i ugljen-dioksida u deareatoru, što je njegova osnovna uloga, tada njihovo naknadno izdvajanje dovodi do brze korozije metala, u parnom kotlu i na svim putevima vode kotlu.

Zaključak• Prema dosadašnjem razvoju iskorištenja oblika energije,

iskorištenje električne energije brže raste nego ukupno iskorištenje svih ostalih oblika. To znači da se sve više oblika energije transformiše u električnu energiju. Poboljšanje stepena iskorištenja u termoelektranama ima veliki uticaj na stepen iskorištenja cijele energetske privrede.

• Prosječni stepen iskorištenja termoelektrana danas se kreće oko 40%, a maksimalni se postiže 42 ÷ 43%. Osnovni način za njegovo poboljšanje je zamjena starih termoelektrana novim agregatima veće snage. No, i u tome ima objektivnih prepreka, pa nije realno očekivati znatnije povećanje stepena djelovanja termoelektrana u bližoj budućnosti.

Zaključak

• Gubici električne energije, pri transportu i distribuciji, nastaju u vodovima, transformatorima i brojilima, a stepen iskorištenja po tom osnovu iznosi danas 92 ÷ 94%, a moguće ga je povećati uz pomoć još većih napona, boljom izolacijom, povećanom upotrebom prenosa istosmjernom strujom, te optimizacijom eksploatacije prenosnih mreža.

• Međutim, tome se, na izvjestan način, suprotstavljaju određeni ekonomski i ekološki razlozi.

Zaključak

Povećanje ukupnog energetskog stepena iskorištenja (ide max do 20%) moguće je:

• poboljšanjem eksploatacije nalazišta primarnih oblika energije,

• poboljšanjem termičke izolacije i sprečavanjem nepotrebnog odvođenja topline,

• ponovnim iskorištavanjem otpadne topline i otpadnih gasova, korištenjem otpadaka metala i plastičnih masa, poljoprivrednih otpadaka i smeća,

Zaključak

• poboljšanjem energetskog stepena iskorištenja aparata, uređaja i postrojenja kod potrošača,

• izgradnjom kompleksnih energetskih sistema (kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije, centralizovano grijanje gradova, djelimična integracija nuklearnih elektrana i čeličana itd.),

Zaključak

• djelovanjem na potražnju energije (prilagođavanje potražnje stvarnim potrebama, unapređenje načina transporta, poboljšanje urbanističkih rješenja, koncipiranje zgrada u smislu smanjenja energetskih potreba itd.),

• primjenom novih tehničkih rješenja (novi elektrohemijski ciklusi u industriji aluminijuma, primjena toplotnih pumpi, korištenje sunčeve energije, primjena malih (magneto) hidrodinamičkih generatora i sl.).

7 termoenergetska postrojenja.ppt

Documents