ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY w SZCZECINIE Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki

KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ

Energetyka „konwencjonalna” Dr hab. inż. prof. ZUT

ZBIGNIEW ZAPAŁOWICZ

Ostoja 15.09.2014 Energetyka „konwencjonalna” – to energetyka wykorzystująca przede wszystkim paliwa kopalne. Zadaniem sektora energetycznego jest pokrycie zapotrzebowania gospodarki narodowej na energię elektryczną i ciepło (rzadziej chłód). Problem podstawowy energetyki – nie można przechowywać w dużych ilościach i w długim czasie zarówno energii elektrycznej jak i cieplnej.

Produkcja energii elektrycznej musi być dostosowana do bieżącego na nią zapotrzebowania.

Ostoja 15.09.2014

6000

6000

5000

5000

Dobowa ilość pary [t]

Dobowa ilość pary [t]

Przykładowe wykresy zapotrzebowania na energię

4000

3000

2000

1000

4000

3000

2000

1000

0

0

1

101 201 301 401 501 601 701 801 901 100111011201130114011501160117011801 Dzień

1

101 201 301 401 501 601 701 801 901 100111011201130114011501160117011801 Dzień

Wykresy zapotrzebowania na energię mogą być sporządzone dla dowolnego przedziału czasu (doby, tygodnia, miesiąca, sezonu lub roku)

Ostoja 15.09.2014 Podział elektrowni w systemie elektroenergetycznym

Siłownie szczytowe Siłownie podszczytowe

Siłownie podstawowe

Nantes - Francja

Zarządzanie mocą – Centralna Dyspozycja Mocy

Ostoja 15.09.2014

Para wodna

Siłownia parowa – elektrownia Clausiusa - Rankina

Energia elektryczna

Paliwo / / Spaliny

Woda

Ostoja 15.09.2014 Elektrownia zbudowana według tego schematu cieplnego pozwala na uzyskanie sprawności brutto około 22-28%. W celu zwiększenia sprawności obiegu należy: • podnieść parametry pary przed turbiną, • obniżyć ciśnienie w skraplaczu, • zastosować przegrzew międzystopniowy pary, • zastosować układ regeneracji (podgrzewanie wody zasilającej kocioł parą pobraną z upustów turbiny).

Zabiegi te pozwalają osiągnąć sprawność brutto elektrowni do 45-50%. Sprawność elektrowni netto – uwzględnienie potrzeb własnych siłowni, które mogą wynosić nawet 10% energii doprowadzonej z paliwem.

Ostoja 15.09.2014 Kocioł energetyczny – zadanie przetworzenie energii chemicznej paliwa na energię cieplną najpierw spalin, potem pary wodnej. Para wodna – temp ~570ºC Para wodna – temp 535ºC - 540ºC; ciśnienie około ~27MPa Paliwo Spaliny – temp ok. 800ºC

Utleniacz Paliwo: stałe (węgiel kamienny, brunatny), ciekłe (olej opałowy) lub gazowe (gaz ziemny)

Utleniacz: powietrze lub tlen (OXY)

Ostoja 15.09.2014 Kotły parowe pyłowe firmy Rafako WP-70

OP-650

Kocioł wodny pyłowy; tangencjalne ustawienie palników; dla elektrociepłowni

Kocioł parowy pyłowy; walczakowy; tangencjalne ustawienie palników; dla elektrowni

Produkt finalny: woda o temp. 155ºC i ciś. 2,5 MPa

Produkt finalny: para o temp. 540ºC i ciś. 13,5 MPa

BP-1150

Kocioł parowy pyłowy; przepływowy; tangencjalne ustawienie palników; dla bardzo dużych bloków w elektrowni Produkt finalny: para o temp. 540ºC i ciś. 18,3 MPa

Ostoja 15.09.2014 Blok energetyczny o mocy 200MW z kotłem OP-650 Czas

Godzina

Dzień

Miesiąc

Rok

Ilość spalanego węgla kamiennego

[Mg] – tony

95

2 280

68 400

832 200

Ilość wytworzonych produktów spalania SO2 [Mg]

1,57

37,68

1 130

13 753

NOx [Mg]

0,73

17,52

526

6 395

CO2 [Mg]

190

4 560

136 800

1 664 400

Pył [Mg]

0,25

6

180

2 190

Żużel [Mg]

3

72

2 160

26 280

Popiół [Mg]

16,5

396

11 880

144 540

Ostoja 15.09.2014 Kotły parowe fluidalne firmy Rafako AFK-c5 OFz-230 Kocioł parowy ze złożem fluidalnym

Odsiarczanie w komorze spalania; elektrownia nie potrzebuje drogiego układu odsiarczania spalin, niska temperatura spalania powoduje, że nie występują tlenki azotu wysokotemperaturowe.

Ostoja 15.09.2014 Max. temperatura pary wodnej wytworzonej w kotle – 570ºC Barierą jest żarowytrzymałość materiałów konstrukcyjnych kotła. Nie ma ograniczeń ze względu na ciśnienie. Ochrona środowiska: W każdej siłowni wymagany jest: • układ oczyszczania spalin z pyłu (elektrofiltry), • układ usuwania tlenków siarki i azotów (metody suche i mokre), • w przyszłości układ usuwania dwutlenku azotu.

Ostoja 15.09.2014 Skraplacz to wymiennik ciepła zadaniem którego jest skroplenie pary wodnej i wytworzenie próżni.

Do chłodzenia skraplacza stosuje się wodę pochodzącą z rzek, jezior, mórz. Gdy na danym terenie występuje deficyt wody woda chłodząca skraplacz kierowana jest do otwartych lub zamkniętych chłodni kominowych. ok. 50% Chłodnia kominowa typu otwartego

Rostok, Niemcy -1996

Ostoja 15.09.2014 Im niższe są parametry wody chłodzącej skraplacz tym niższe ciśnienie można wytworzyć wewnątrz skraplacza. W celu schłodzenia 1kg pary potrzeba od 60 do 80 kg wody. Elektrownia Dolna Odra Odra Kanał dopływowy Kanał odpływowy

Strata energii ok. 50% http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_Dolna_Odra#m ediaviewer/Plik:PGE_ZEDO_02.jpg

Np. blok z kotłem OP-650 o wydatku pary 182 kg/s potrzebuje min. 10 920kg/s wody chłodzącej (tj. 39 312 Mg/h)

Ostoja 15.09.2014 Zastosowanie regeneracyjnego podgrzewu wody zasilającej Schemat układu cieplnego bloku energetycznego 360 MW na parametry podkrytyczne

> 36% Wymiennik regeneracyjny ciepła

W układach cieplnych stosuje się max 10 - 12 wymienników regeneracyjnych ciepła

< 50%

Portacha J.: Badania energetyczne ...

Ostoja 15.09.2014 Turbina parowa – zadanie przetworzenie energii cieplnej pary wodnej na energię kinetyczną a potem na pracę mechaniczną; maszyna wirnikowa.

Fot. Jeliński

Ostoja 15.09.2014 Moc jednostkowa turbin jest ograniczona: • liczbą obrotów wału turbiny, która z kolei zależy od częstotliwości sieci elektroenergetycznej, • wytrzymałością materiałów, z których wykonana jest turbina, • ilością pary, która może Typ 13K215 • przepłynąć przez turbinę. Moc maksymalna turbiny to około 1000 MW.

http://www.zedolnaodra.pgegiek.pl/index.php/technika-i-technologia/

Ostoja 15.09.2014 Generator – zadanie przetworzenie pracy mechanicznej na energię elektryczną; w elektrowniach stosuje się maszyny synchroniczne trójfazowe, najczęściej obcowzbudne; generator wytwarza prąd o częstotliwości 50Hz ± 0,5Hz i posiada jedną parę biegunów. Generator elektryczny Turbina

Wzbudnica Układ wymienników regeneracyjnych

Główna pompa zasilająca – zadanie podniesienie ciśnienia; niezawodność pracy elektrowni wymaga zastosowania przynajmniej 2 pomp o niezależnym napędzie. http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_Dolna_Odra#mediaviewer/Plik:PGE_ZEDO_09.jpg

Ostoja 15.09.2014 Elektrociepłownia z turbiną przeciwprężną Temperatura pary wylotowej z turbiny powinna być wyższa niż 100ºC

Energia cieplna

Wymiennik ciepła 0,2 – 1 MPa

Elektrociepłownia z turbiną kondensacyjno-upustową

Ostoja 15.09.2014 Kierunki rozwoju elektrowni konwencjonalnych:

Zwiększenie sprawności elektrowni poprzez wprowadzenie parametrów nadkrytycznych i ultra nadkrytycznych, Optymalizacja obiegów cieplnych, Obniżenie ciśnienia w skraplaczu (chłodzenie wodą morską),

Zastosowanie drugiego stopnia przegrzewacza międzystopniowego, Lepsze wykorzystanie energii spalin,

Doskonalenie konstrukcji kotła i turbiny, Zwiększenie udziału skojarzenia w produkcji ciepła.

Ostoja 15.09.2014 Turbina gazowa typ GT24 firmy Alstom Turbina

Sprężarka

Schemat cieplny siłowni gazowej z układem regeneracji Palniki

http://www.alstom.com/power/fossil/gas/turnkey-powerplants/combined-cycle/ka26/

Chłodzenie łopatek turbin gazowych Moc siłowni energetycznej do 150 MW

Ostoja 15.09.2014 Porównanie turbina gazowa – turbina parowa Parametr

Turbina gazowa

Turbina parowa

Ciśnienie czynnika roboczego

< 25 bar

< 250 bar

Temperatura czynnika roboczego Ciśnienie wylotowe

< 1200°C

< 550 °C

≥ 1 bar

≥ 0,02 bar

> 400°C

> 20°C

500 kJ/kg

1500 kJ/kg

4 do 8

20 do 40

Temperatura wylotowa Spadek entalpii Liczba stopni

Ostoja 15.09.2014 Układ kombinowany: turbina gazowa – kocioł odzyskowy – turbina parowa – generator

Rostok, Niemcy -1996

Komora spalania

Dodatkowa komora spalania

3x24 MW 3x13 MW 110 MW Zespół 3 bloków złożony z turbin gazowych i parowych Woda sieciowa powrót AHK kocioł odzyskowy

Pompa obiegowa

GT turbina gazowa Chłodnica

DT turbina parowa G

generator

WT wymiennik ciepła GK sprężarka gazu LK

sprężarka powietrza

ηbrutto  75 - 88% s

120 MW Woda sieciowa zasilanie

Siłownia parowo-gazowa CCTG (Combined Cycle Turbine Generator)

Ostoja 15.09.2014 Siłownia wielopaliwowa 30 MPa, 580oC 600oC 575 MW

450 MW

2,2 kPa

570 MW

40 MW

320oC

150 MW

η

brutto s

 48,3%

Avedore 2, Dania - 2001

Ostoja 15.09.2014

Avedore 2, Dania - 2001

Ostoja 15.09.2014 Siłownia szczytowo - pompowa Zbiornik górny

Zbiornik dolny Budynek elektrowni

Żydowo

Dziękuję Państwu za uwagę

www.power-technology.com