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