ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Προσομοίωση ΑΗΣ Αμυνταίου με χρήση του λογισμικού GateCycle

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Προσομοίωση ΑΗΣ Αμυνταίου με χρήση του λογισμικού GateCycle Επιβλέπων: Αν. Καθηγητής Β. Χατζηαθανασίου ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015 ΚΟΝΤΟΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΑΕΜ: 6858 ΜΠΑΡΟΥΤΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ-ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΑΕΜ: 6980 ΠΑΥΛΟΥ ΜΙΧΑΗΛ ΑΕΜ: 7385

2 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την προσομοίωση του Ατμοηλεκτρικού Σταθμού Αμυνταίου Φιλώτα με την χρήση του λογισμικού GateCycle της εταιρίας General Electric. Τα επιμέρους κεφάλαια της εργασίας πραγματεύονται τα ακόλουθα: Στο Κεφάλαιο 1 αναφέρονται γενικές πληροφορίες για τους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς και τη λειτουργία τους. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται ο ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα, αναλύεται η λειτουργία των βασικών μονάδων που τον απαρτίζουν και δίνονται σε πίνακες τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά Στο Κεφάλαιο 3 αναλύεται η απόδοση ενός ατμοηλεκτρικού σταθμού, αναφέρονται οι βαθμοί απόδοσης που χρησιμοποιήθηκαν στο κομμάτι της προσομοίωσης και οι τρόποι με τους οποίους βελτιώνονται. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται αναφορά στην τηλεθέρμανση. Περιγράφεται σε γενικές γραμμές η λειτουργίας της τηλεθέρμανσης. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η εφαρμογή της και παρουσιάζεται η εγκατάσταση της τηλεθέρμανσης στον ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται το λογισμικό προσομοίωσης GateCycle. Περιγράφεται αναλυτικά το περιβάλλον λειτουργίας του και αναφέρονται πληροφορίες που διευκολύνουν το χρήστη στη χρήση του λογισμικού. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται το μοντέλο του ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα όπως προσομοιώθηκε στο λογισμικό GateCycle και περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή του. Γίνεται η προσομοίωση του μοντέλου της τηλεθέρμανσης και της κατάργησης των απομαστεύσεων. Μελετάται η μεταβολή του βαθμού απόδοσης σε σχέση με την μεταβολή διάφορων παραμέτρων του μοντέλου και δίνονται συνοπτικά όλα τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις της προσομοίωσης. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον επιβλέποντα αναπληρωτή καθηγητή κ. Χατζηαθανασίου Βασίλειο για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας όπως επίσης και για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μας. Επίσης θα θέλαμε να εκφράσουμε και την ευγνωμοσύνη μας στον υποψήφιο διδάκτορα Χατζηπαναγιώτου Παναγιώτη για την πολύτιμη συνεισφορά του στην εργασία. 1

3 Περιεχόμενα 1.ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Γενικά Λειτουργία ατμοηλεκτρικού σταθμού ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΑΜΥΝΤΑΙΟΥ ΦΙΛΩΤΑ Γενικές Πληροφορίες Βασικές μονάδες ΑΗΣ Αμυνταίου - Φιλώτα Λέβητας Στρόβιλοι Γεννήτρια Συμπυκνωτής Πύργοι ψύξης Αντλίες συμπυκνώματος Σύστημα λιγνίτη και τέφρας Συστήματα επεξεργασίας νερού ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Βελτίωση βαθμού απόδοσης θερμοδυναμικού κύκλου ΤΗΛΕΘΕΡΜΑΝΣΗ Γενικά Εγκαταστάσεις Παρουσίαση τηλεθέρμανσης Αμυνταίου ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ GATECYCLE Εισαγωγή στο λογισμικό Ανάλυση κώδικα εκτέλεσης του GateCycle ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Παρουσίαση προσομοίωσης Τηλεθέρμανση Απομαστεύσεις και βαθμός απόδοσης Διερεύνηση παραμέτρων για βελτίωση βαθμού απόδοσης Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της θερμοκρασίας του Υπέρθερμου Ατμού Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της πίεσης του Λέβητα Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της πίεσης του συμπυκνωτή Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της θερμοκρασίας του Ανάθερμου Ατμού

4 7. ΣΥΝΟΨΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βιβλιογραφία

5 1.ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ 1.1 Γενικά Μέθοδοι παραγωγής ισχύος Πρακτικά το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ισχύος παράγεται από θερμικούς και υδροηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής όπως απεικονίζεται στο Σχ Περίπου το 90 % της ηλεκτρικής ισχύος παράγεται από αυτό που ονομάζεται θερμομηχανικός τρόπος παραγωγής. Στην διαδικασία αυτή, θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική η οποία στην συνέχεια χρησιμοποιείται για την κίνηση μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Η πλειοψηφία των εγκαταστάσεων αυτών υλοποιεί το κύκλο Rankine για τη μετατροπή της θερμικής ισχύος σε μηχανική. Οι εγκαταστάσεις συμβατικών καυσίμων αντιπροσωπεύουν την πιο κοινή εφαρμογή του θερμομηχανικού τρόπου παραγωγής. Καύσιμο αναμιγνύεται με αέρα και εισάγεται σε λέβητα μέσα στον οποίο γίνεται η καύση. Στις περισσότερες εγκαταστάσεις, η από τη καύση παραγόμενη θερμότητα χρησιμοποιείται για την μετατροπή νερού σε ατμό. Ο ατμός στην συνέχεια, ρέει σε στρόβιλο πολλών βαθμίδων. Σε εγκαταστάσεις καύσης πετρελαίου ή αερίου τα προϊόντα της καύσης ρέουν κατευθείαν στο στρόβιλο. Καθώς ο ατμός ή τα καυσαέρια περνούν μέσα από το στρόβιλο, κινούν τον στρόβιλο, μετατρέποντας έτσι μέρος της ενέργειας τους σε κινητική. Ο στρόβιλος είναι συνδεμένος μηχανικά με τη γεννήτρια, οπότε αυτή περιστρέφεται μαζί του, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σχ.1.1 Μέθοδοι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 4

6 Θερμικοί σταθμοί παραγωγής Οι θερμικοί σταθμοί παραγωγής διακρίνονται: ανάλογα με το καύσιμο σε α) συμβατικούς (καύσιμο: τύρφη, λιγνίτης, λιθάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) β) πυρηνικούς ανάλογα με το μέσο και τις μηχανές που χρησιμοποιούν για το θερμοδυναμικό τους κύκλο σε α) ατμοηλεκτρικούς (ατμός- ατμοστρόβιλος) β) αεριοστροβιλικούς (καυσαέρια-αεριοστρόβιλος) γ) ντηζελοηλεκτρικούς (εμβολοφόρες μηχανές ντήζελ) 1.2 Λειτουργία ατμοηλεκτρικού σταθμού Απλοποιημένο τυπικό θερμικό κύκλο σύγχρονης εγκατάστασης στερεού καυσίμου με κύκλο Rankine φαίνεται στο Σχ. 1.2 Σχ

7 Το καύσιμο (κονιορτοποιημένος λιγνίτης) οδηγείται στον λέβητα, στον οποίο οδηγείται επίσης και ατμοσφαιρικός αέρας που έχει προηγουμένως προθερμανθεί και πραγματοποιείται η καύση. Η θερμική ενέργεια της καύσης μεταφέρεται σε υγρό νερό που ρέει εντός σωλήνων στο λέβητα, με αποτέλεσμα την ατμοποίηση του μεγαλύτερου μέρους του νερού. Η ατμοποίηση αυτή αποτελεί την βασική λειτουργία του λέβητα. Στην έξοδο του λέβητα λόγω της μη ολικής ατμοποίησης του νερού, υπάρχει ο διαχωριστής ατμού, όπου διαχωρίζεται η υγρή από την αέρια φάση του νερού. Από την έξοδο του διαχωριστή ατμού, ο ατμός οδηγείται σε σωληνώσεις εντός του λέβητα (στον υπερθερμαντή), προκειμένου να παραχθεί υπέρθερμος ατμός υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Ο υπέρθερμος ατμός οδηγείται στη βαθμίδα υψηλής πίεσης (Υ.Π.) του στροβίλου όπου κινεί το στρόβιλο και μετατρέπεται έτσι μέρος της ενέργειάς του σε μηχανική (κινητική) ενέργεια. Από την έξοδο της βαθμίδας του στροβίλου υψηλής πίεσης ο ατμός οδηγείται, στις περισσότερες εγκαταστάσεις, πάλι σε σωληνώσεις εντός του λέβητα, τον αναθερμαντή. Από την έξοδο του αναθερμαντή οδηγείται στη βαθμίδα μέσης πίεσης (Μ.Π.) του στροβίλου, όπου και εκεί με την ίδια διαδικασία μετατρέπεται ένα μέρος της ενέργειας σε μηχανική. Από την έξοδο της μέσης πίεσης οδηγείται στη βαθμίδα χαμηλής πίεσης (Χ.Π.). Από την έξοδο της βαθμίδας χαμηλής πίεσης ο ατμός οδηγείται στον συμπυκνωτή, έναν εναλλάκτη θερμότητας, στο δευτερεύον του οποίου ρέει εντός σωλήνων ψυχρό νερό, με αποτέλεσμα την συμπύκνωση του ατμού σε κορεσμένο νερό. Το ψυκτικό νερό του συμπυκνωτή προέρχεται είτε από ποτάμι ή θάλασσα αν υπάρχουν κοντά στο σταθμό. Αν δεν υπάρχει ποτάμι ή θάλασσα το ψυκτικό νερό ρέει σε κλειστό κύκλωμα, ψυχόμενο σε πύργους ψύξης, οι οποίοι είναι και αυτοί εναλλάκτες θερμότητας με ψυκτικό μέσον τον αέρα του περιβάλλοντος. Το κορεσμένο υγρό νερό από το συμπυκνωτή συμπιέζεται από τις αντλίες τροφοδοσίας λέβητα, θερμαίνεται σε βοηθητικούς θερμαντές και οδηγείται στο λέβητα. Έτσι, κλείνει το κύκλο του νερού. 6

8 2.ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΑΜΥΝΤΑΙΟΥ ΦΙΛΩΤΑ 2.1 Γενικές Πληροφορίες Ο Ατμοηλεκτρικός σταθμός Αμυνταίου-Φιλώτα είναι εγκατεστημένος στη Βόρεια Ελλάδα, στην περιοχή της Δυτικής Μακεδονίας στο 12 ο χιλιόμετρο της εθνικής οδού Πτολεμαΐδας - Φλώρινας. Το υψόμετρο της περιοχής του σταθμού είναι 600 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Ο Σταθμός έχει δύο μονάδες συνολικής ισχύος 600 MW (2*300MW). Η πρώτη μονάδα τέθηκε σε λειτουργία τον Ιανουάριο του 1987, ενώ η δεύτερη μονάδα τον Αύγουστο του Η εγκατάσταση του σταθμού σ αυτή την περιοχή οφείλεται στην γειτνίαση με το ορυχείο. 2.2 Βασικές μονάδες ΑΗΣ Αμυνταίου - Φιλώτα Οι βασικές μονάδες που συγκροτούν τον ατμοηλεκτρικό σταθμό του Αμυνταίου-Φιλώτα είναι οι ακόλουθες: Λέβητας Στρόβιλοι Γεννήτρια Συμπυκνωτής Πύργοι ψύξης Αντλίες συμπυκνώματος Σύστημα λιγνίτη και τέφρας Συστήματα επεξεργασίας νερού Τα τεχνικά χαρακτηριστικά και η λειτουργία των οποίων περιγράφονται αναλυτικά παρακάτω Λέβητας Οι λέβητες είναι τύπου SULZER βεβιασμένης ροής, εφαπτομενικής καύσης κονιορτοποιημένου λιγνίτη, με τον θάλαμο καύσης σε υποπίεση. Συμμετρικά γύρω από κάθε λέβητα είναι εγκατεστημένοι 8 μύλοι με τους αντίστοιχους τροφοδότες λιγνίτη, αγωγούς θερμών καυσαερίων και καυστήρες. Για πλήρες φορτίο λειτουργούν 6 μύλοι ενώ οι υπόλοιποι 2 είναι σε εφεδρεία. Ο αέρας καύσης παρέχεται με 2 ανεμιστήρες αξονικής ροής ισχύος 3444 KW και παροχής αέρα 343 m 3 /sec ο καθένας. Για την απορρόφηση των καυσαερίων υπάρχουν 2 ανεμιστήρες ελκυσμού ισχύος 4365 KW και παροχής 620 m 3 /sec ο καθένας. Η τροφοδότηση του λέβητα με νερό επιτυγχάνεται με 3 αντλίες ισχύος 6250 KW και παροχής 640 tn/h κάθε μία. Για υψηλά φορτία είναι σε λειτουργία οι 2 αντλίες και η τρίτη σε εφεδρεία. Για τη βεβιασμένη κυκλοφορία του νερού στο λέβητα υπάρχουν 2 αντλίες ισχύος 533 KW και παροχής 1980 m 3 /h. Μια αντλία είναι σε λειτουργία και η δεύτερη είναι σε εφεδρεία. 7

9 2.2.2 Στρόβιλοι Κύρια Τεχνικά Χαρακτηριστικά Οι στρόβιλοι κατασκευάστηκαν από την LENINGRAD METAL WORKS. Αποτελούνται από τρεις βαθμίδες (Υ.Π.-Μ.Π.-Χ.Π). Οι βαθμίδες Υ.Π.-Μ.Π. έχουν διπλά κελύφη. Ισχύς Ταχύτητα περιστροφής 300 MW 3000 στρ./1 Πίεση ατμού εισόδου Υ.Π. 170 kg/cm 2 Πίεση ατμού εξόδου Υ.Π. 41 kg/cm 2 Πίεση ατμού εισόδου Μ.Π. 37,4 kg/cm 2 Θερμοκρασία ατμού εισόδου Υ.Π. Μ.Π. Πίεση εξόδου Χ.Π C 0,063 kg/cm 2 abs Πίν Τεχνικά χαρακτηριστικά στροβίλων Γεννήτρια Κύρια Τεχνικά χαρακτηριστικά Φαινόμενη Ισχύς 333 MVA Συντελεστής Ισχύος 0,9 Ονομαστική ένταση Τάση Ταχύτητα περιστροφής 9620 Α 20KV 3000 RPM Ψύξη στάτη και δρομέα με H2 Ψύξη Περιέλιξης στάτη με αφαλατωμένο νερό Πίν Τεχνικά χαρακτηριστικά γεννήτριας Συμπυκνωτής Ο ατμός μετά την έξοδο από τον κύλινδρο χαμηλής πίεσης του στροβίλου, συμπυκνώνεται στο κύριο ψυγείο, στους αυλούς του οποίου κυκλοφορεί κρύο νερό που έρχεται από τον πύργο ψύξης. Κάθε μονάδα είναι εξοπλισμένη με δύο αντλίες κυκλοφορίας που αναρροφούν αποσκληρυμένο νερό από τη λεκάνη του πύργου ψύξης και τα καταθλίβουν μέσω των αυλών του συμπυκνωτή πίσω στον πύργο ψύξης. Κάθε αντλία καταθλίβει στο μισό ψυγείο που έχει ψυκτική επιφάνεια m 2. Οι κινητήρες των αντλιών έχουν 8

10 ονομαστική τάση 6 KV και ισχύ 1100 ΚW. Κάθε αντλία έχει ταχύτητα περιστροφής 740 r.p.m.και παροχή m 3 /hr Πύργοι ψύξης Κάθε μονάδα είναι εξοπλισμένη με ένα πύργο ψύξης η λειτουργία του οποίου στηρίζεται σε φυσικό ελκυσμό. Σκοπός του πύργου ψύξης είναι να απάγει τη θερμότητα από το ψυκτικό νερό του συμπυκνωτή της μονάδας Αντλίες συμπυκνώματος Ο ατμός που συμπυκνώνεται στο κύριο ψυγείο, εξάγεται με τις αντλίες συμπυκνώματος πρώτου και δεύτερου σταδίου. Κάθε μονάδα είναι εξοπλισμένη με δύο αντλίες πρώτου σταδίου και δύο αντλίες δεύτερου σταδίου. Σε κάθε στάδιο μόνο μία αντλία είναι σε λειτουργία ενώ η άλλη είναι εφεδρική. Η αντλία συμπυκνώματος πρώτου σταδίου αναρροφάει το συμπύκνωμα από το κύριο ψυγείο και το καταθλίβει μέσω του συστήματος κατεργασίας (εξευγενισμού), στην αναρρόφηση της αντλίας δεύτερου σταδίου η οποία το καταθλίβει μέσω των προθερμαντών χαμηλής πίεσης στην τροφοδοτική δεξαμενή. Κάθε αντλία πρώτου σταδίου έχει παροχή 800 m 3 /hr, πίεση κατάθλιψης 317 mwc και κινείται από κινητήρα 6 KV ισχύος 690 KW και ταχύτητας περιστροφής 2980 r.p.m Σύστημα λιγνίτη και τέφρας Ο λιγνίτης μεταφέρεται από το ορυχείο στον ΑΗΣ με ταινιοδρόμους. Με τη βοήθεια ειδικών μηχανημάτων (αποθετών αποληπτών) και συστήματος ταινιών, ο λιγνίτης αποθηκεύεται στο χώρο της αυλής λιγνίτη και στη συνέχεια τροφοδοτεί τους λέβητες αφού περάσει από τους σπαστήρες όπου θρυμματίζεται. Η μέση ημερήσια κατανάλωση λιγνίτη με τις δύο Μονάδες σε πλήρες φορτίο είναι τόνοι περίπου, με αντίστοιχη ηλεκτροπαραγωγή MWh. Τα κατάλοιπα της καύσης του λιγνίτη (τέφρα) που είναι περίπου 5000 τόνοι ανά 24ωρο προβλέπεται να μεταφέρονται με ταινιόδρομους στο ορυχείο για εναπόθεση μαζί με τα υπερκείμενα άγονα στρώματα από την εξόρυξη του λιγνίτη Συστήματα επεξεργασίας νερού Η κατεργασία του νερού γίνεται με δύο συστήματα που λειτουργούν σε σειρά. Το πρώτο σύστημα παράγει το αποσκληρυμένο νερό που χρησιμοποιείται στα κύρια ψυγεία για τη συμπύκνωση του ατμού και για την ψύξη των βοηθητικών μηχανημάτων των Μονάδων. Απαιτούμενη συμπλήρωση περίπου 1000 τόνοι ανά ώρα. Το αφαλατωμένο νερό παράγεται από το δεύτερο σύστημα και χρησιμοποιείται στους λέβητες για την παραγωγή του ατμού. Απαιτούμενη συμπλήρωση κατά την κανονική λειτουργία περίπου 1,5 % της ατμοπαραγωγής. 9

11 3.ΒΑΘΜΟΙ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Οι βαθμοί απόδοσης σε έναν ατμοηλεκτρικό σταθμό κατηγοριοποιούνται ως εξής. Βαθμός απόδοσης λέβητα: Όπου: n Β = Q in Q ΚΑΥΣ 100 Q in = η συνολική ωφέλιμη θερμική ενέργεια που αποδίδει ο λέβητας, MW Q ΚΑΥΣ = η θερμική ενέργεια που προσδίδεται στο λέβητα, MW Με τις παροχές καυσίμου, του τροφοδοτικού νερού και του ατμού που αναθερμαίνεται, ο βαθμός απόδοσης του λέβητα υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: Όπου: n B = m s (h 2 h 1 ) + m rh (h 4 h 3 ) m B H u 100 h1 = ειδική ενθαλπία του εισερχόμενου νερού τροφοδοσίας του λέβητα, kj/kg h2 = ειδική ενθαλπία του εξερχόμενου ατμού από τον υπερθερμαντή, kj/kg h1 = ειδική ενθαλπία του εισερχόμενου ατμού στον αναθερμαντή, kj/kg h1 = ειδική ενθαλπία του εξερχόμενου ατμού από τον αναθερμαντή, kj/kg Ηu = κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου, kj/kg mb = παροχή καυσίμου, kg/h ms = παροχή ατμού στον υπερθερμαντή, kg/h mrh = παροχή ατμού που αναθερμαίνεται, kg/h Βαθμός απόδοσης θερμοδυναμικού κύκλου: n th = παραγόμενο έργο εισερχόμενη θερμότητα 100 = W net Q in 100 Βαθμός απόδοσης εγκατάστασης: n εγκ = W net Q ΚΑΥΣ

12 3.1 Βελτίωση βαθμού απόδοσης θερμοδυναμικού κύκλου Με την βελτίωση του βαθμού απόδοσης επιτυγχάνεται εξοικονόμηση καυσίμου. Κρίνεται λοιπόν απαραίτητο, να γίνει προσέγγιση βελτίωσης του βαθμού απόδοσης. Η βασική ιδέα για την πραγματοποίηση αυτού του στόχου είναι: Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας στην οποία η θερμότητα μεταφέρεται από το λέβητα στο εργαζόμενο μέσο. Η μείωση της μέσης θερμοκρασίας στην οποία η θερμότητα απορρίπτεται από το εργαζόμενο μέσο στον συμπυκνωτή. Η υλοποίηση της ιδέας αυτής, επιτυγχάνεται με τους ακόλουθους τρόπους: α) Μείωση της πίεσης του συμπυκνωτή β) Υπερθέρμανση του ατμού σε υψηλές θερμοκρασίες γ) Αύξηση της πίεσης του λέβητα δ) Αναθέρμανση ατμού ε) Προθέρμανση νερού τροφοδοσίας με απομάστευση ατμού 11

13 4.ΤΗΛΕΘΕΡΜΑΝΣΗ 4.1 Γενικά Τηλεθέρμανση είναι η θέρμανση των κτιρίων μιας πόλης ή ενός τμήματος μιας πόλης από κεντρικό σύστημα θέρμανσης και όχι από ατομικό. Το ζεστό νερό το οποίο παρέχει την απαραίτητη θερμότητα για τη θέρμανση της πόλης μεταφέρεται μέσω ειδικών μονωμένων αγωγών. Μέσω της καύσης γαιανθράκων (λιγνιτών), αερίου ή πετρελαίου στον λέβητα του εργοστασίου, μεγάλα ποσά θερμότητας μεταφέρονται στο νερό του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέποντας το σε ατμό υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Ο ατμός, λοιπόν, που χρησιμοποιείται για την θέρμανση του νερού μίας πόλης απομαστεύεται είτε από το τέλος της διαδικασίας του κύκλου νερού του εργοστασίου είτε ενδιάμεσα από κάποια βαθμίδα στροβίλου. Ο ατμός, που απομαστεύεται για αυτή την διαδικασία έχει μια θερμοκρασία C C. Στην συνέχεια οδηγείται σε έναν κεντρικό εναλλάκτη, όπου πραγματοποιείται η συναλλαγή θερμότητας μεταξύ του ατμού και του νερού πόλης (που φυσικά οδεύει σε ξεχωριστό δίκτυο αγωγών). Ο ατμός της απομάστευσης επιστρέφει στο εργοστάσιο σε υγρή μορφή θερμοκρασίας 20 0 C-40 0 C. Σχ Γραφική απεικόνιση τηλεθέρμανσης Εγκαταστάσεις H πρώτη μικρού μεγέθους εγκατάσταση Τ/Θ (τηλεθέρμανσης) στην Ελλάδα ξεκίνησε στην Πτολεμαΐδα το 1960, θερμαίνοντας τον οικισμό της ΔΕΗ στο Προάστιο Εορδαίας από τον ΑΗΣ Πτολεμαΐδας. Σήμερα εγκαταστάσεις Τ/Θ διαθέτουν η Κοζάνη, η Πτολεμαΐδα, το Αμύνταιο, ο Φιλώτας και η Μεγαλόπολη που αξιοποιούν το θερμικό φορτίο των γειτονικών θερμοηλεκτρικών σταθμών. 12

14 Η τηλεθέρμανση παρουσιάζει μεγάλη ανάπτυξη σε πολλές χώρες, όπως στην Πολωνία, την Ισλανδία, τη Δανία, τη Σουηδία, τη Γερμανία, την Φινλανδία. ΧΩΡΑ ΠΟΣΟΣΤΟ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗΣ ΙΣΛΑΝΔΙΑ 95 % ΠΟΛΩΝΙΑ 52 % ΣΟΥΗΔΙΑ 50 % ΦΙΝΛΑΝΔΙΑ 49 % ΑΥΣΤΡΙΑ 12.5 % ΟΛΛΑΝΔΙΑ 0.3 % ΔΑΝΙΑ 51 % ΓΕΡΜΑΝΙΑ 12 % ΗΝΩΜΕΝΟ ΒΑΣΙΛΕΙΟ 0.1 % Πίν Ποσοστά διείσδυσης τηλεθέρμανσης ανά χώρα Η τηλεθέρμανση παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, τα κυριότερα των οποίων είναι τα εξής: Περιορισμός της ρύπανσης του περιβάλλοντος Αδιαμφισβήτητα αποτελεί μία ιδιαιτέρως σημαντική παράμετρο καθώς επιτυγχάνεται περιορισμός της ρύπανσης αφού αντί για πληθώρα διασκορπισμένων καπνοδόχων σε κάθε κτήριο, εγκαθίσταται ένας κεντρικός σταθμός. Οικονομία και μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης Λόγω της κατασκευής ενός κεντρικού σταθμού ελέγχου και όχι πολλών διασκορπισμένων στα κτήρια της πόλης, η συντήρηση του συστήματος είναι ευκολότερη. Μείωση οικονομικών εξόδων καταναλωτών Λόγω του γεγονότος ότι η τηλεθέρμανση καταργεί τους λέβητες των καλοριφέρ και τις δεξαμενές πετρελαίου, απαλλάσσει τους καταναλωτές από τον καθαρισμό και την συντήρηση των καυστήρων, στοιχείο άμεσης οικονομικής ελάφρυνσης των καταναλωτών. Με την τηλεθέρμανση, παρέχεται πρώτα το αγαθό και τουλάχιστον ένα μήνα μετά πληρώνεται η κατανάλωση, σε αντιδιαστολή με την προπληρωμή του πετρελαίου. 13

15 4.2 Παρουσίαση τηλεθέρμανσης Αμυνταίου Σχ Τηλεθέρμανση Αμυνταίου Το έργο της τηλεθέρμανσης Αμυνταίου περιλαμβάνει τις εγκαταστάσεις για την τηλεθέρμανση του οικισμού Αμυνταίου (6500 κάτοικοι), Φιλώτα (2200 κάτοικοι) και του οικισμού Λεβαίας (1100 κάτοικοι) με θερμική ενέργεια που παράγεται στον ΑΗΣ Αμυνταίου. Το δίκτυο διανομής του θερμού νερού αποτελείται από υπόγειους μονωμένους σωλήνες. Σχ Υπόγειες σωληνώσεις τηλεθέρμανσης Το θερμικό φορτίο που εξυπηρετείται γίνεται μέσω ανάκτησης θερμότητας, η οποία με τη σειρά της πραγματοποιείται μέσω διβάθμιας απομάστευσης ατμού από τον στρόβιλο της κάθε μονάδας. Το δίκτυο των υπόγειων αγωγών μεταφοράς διαθέτει κατάλληλο σχεδιασμένο σύστημα ανίχνευσης σφαλμάτων. Έτσι, σε περίπτωση εμφάνισης υγρασίας 14

16 στη μόνωση των σωλήνων ή σε πιθανή εισροή-διαρροή υγρασίας εμφανίζει σφάλμα. Η κυκλοφορία του υπέρθερμου νερού γίνεται με κατάλληλα σχεδιασμένα αντλιοστάσια. Οι αντλίες είναι ρυθμιζόμενου αριθμού στροφών ανάλογα με το εποχιακό θερμικό φορτίο. Τέλος, μέσω κατάλληλου συστήματος το οποίο αναλαμβάνει την προσθήκη κατάλληλου χημικού διαλύματος γίνεται η σταθεροποίηση και ρύθμιση του ph του νερού στα επίπεδα του ph=9. Επίσης, ο καθαρισμός του νερού πραγματοποιείται μέσω ειδικά σχεδιασμένων φίλτρων. 15

17 5.ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ GATECYCLE 5.1 Εισαγωγή στο λογισμικό Το GateCycle είναι ένα λογισμικό το οποίο αναλύει και προσομοιώνει μοντέλα σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Με τη βοήθεια του GateCycle δίνεται η δυνατότητα ανάλυσης της λειτουργίας ποικίλων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είτε πρόκειται για έναν ατμοηλεκτρικό σταθμό παραγωγής είτε για μία μονάδα συνδυασμένου κύκλου. Με αυτό το λογισμικό, δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να μελετήσει τα θερμικά κύκλα και να πειραματιστεί πάνω σε μοντέλα θεωρητικών αλλά κα υπαρκτών σταθμών παραγωγής. Επιτυγχάνονται ταχείς προσεγγίσεις, λεπτομερείς εκτιμήσεις και αναλυτικός σχεδιασμός των μοντέλων. Σε αυτό το σημείο, είναι καλό να αναφερθεί πως το λογισμικό αυτό είναι προϊόν της General Electric. Συνδυάζει ένα καλαίσθητο γραφικό περιβάλλον και αναλυτικούς αλγόριθμους πάνω στη θερμοδυναμική, στη μετάδοση θερμότητας και στη μηχανική ρευστών, που επιτρέπουν στο χρήστη να προσομοιώνει και να αναλύει μοντέλα με μεγάλη πολυπλοκότητα. Πιο αναλυτικά, οι εφαρμογές του λογισμικού αυτού είναι οι εξής: Ανάλυση συνολικού κύκλου για ένα θεωρητικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής ή σταθμό συμπαραγωγής, παρέχοντας συμπεριφορά. πληροφορίες για τη λειτουργική τους Υπολογισμός συνολικού βαθμoύ απόδοσης και υπολογισμός παραγόμενης ισχύος. Έλεγχος τήρησης των κατασκευαστικών προδιαγραφών κατά τη λειτουργία συνολικά του σταθμού ή στα επιμέρους στοιχεία του. Προσομοίωση της συμπεριφοράς υπαρκτών συστημάτων σε διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες. Πρόβλεψη των επιδράσεων των αλλαγών ή των κατασκευαστικών προσθηκών στα υπάρχοντα συστήματα. Ένα μοντέλο του GateCycle απεικονίζει ένα κύκλο ισχύος σε ένα σχηματικό διάγραμμα που δημιουργεί ο χρήστης. Ο σχεδιασμός γίνεται επιλέγοντας τα κατάλληλα στοιχεία από τη βιβλιοθήκη στοιχείων εξοπλισμού του λογισμικού και συνδέοντάς τα μεταξύ τους. Ο χρήστης επιλέγει και διαχειρίζεται τη σύνδεση των στοιχείων εξοπλισμού που επιθυμεί αρκεί να μην υπάρχουν συνδέσεις που έρχονται σε αντίθεση με βασικούς νόμους της θερμοδυναμικής. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το λογισμικό προειδοποιεί τον χρήστη και ουσιαστικά δεν του επιτρέπει να κάνει λάθος συνδέσεις. Για παράδειγμα δεν είναι δυνατό να συνδεθεί θύρα εξόδου καυσαερίων σε θύρα εισόδου νερού. 16

18 Όλα τα στοιχεία εξοπλισμού του GateCycle βρίσκονται στην βιβλιοθήκη του λογισμικού Toolbox Equipment και απεικονίζονται στο σχήμα 5.1. Σχ. 5.1 Equipment Toolbox Μία βασική διευκρίνιση για το πρόγραμμα είναι ο διαχωρισμός δύο βασικών εννοιών. Η επιλογή design-mode και η επιλογή off design- mode. Το GateCycle παρέχει τις δύο προαναφερόμενες επιλογές για τη μελέτη των μοντέλων, το design και το off design. Το μοντέλο σχεδιάζεται αποκλειστικά στο design, όπου προσδιορίζουμε λειτουργικά χαρακτηριστικά (π.χ. ονομαστικός βαθμός απόδοσης ατμοστροβίλου) και τεχνικές προδιαγραφές των στοιχείων εξοπλισμού του μοντέλου (π.χ επιφάνεια συναλλαγής εναλλάκτη θερμότητας). Τα off design μοντέλα είναι προσαρμοσμένα στα design μοντέλα αναφοράς. Στο off design ο χρήστης δεν μπορεί να αλλάξει το σχεδιάγραμμα του μοντέλου καθώς και τις κατασκευαστικές προδιαγραφές των στοιχείων εξοπλισμού. Ο χρήστης μπορεί να μεταβάλει στοιχεία που αφορούν τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, τη 17

19 σύσταση και την παροχή του καυσίμου και τις συνθήκες καύσης. Επίσης, μπορούμε να συνδυάσουμε design και off design στοιχεία εξοπλισμού στο σχεδιασμό του μοντέλου, π.χ. στην περίπτωση εναλλάκτη θερμότητας στο design μπορούμε να προσδιορίσουμε τη συμπεριφορά του από διάφορα μενού και ταυτόχρονα να μεταβάλλεται το μέγεθός του ανάλογα με τα δεδομένα. Αντίθετα, αν τρέξουμε τον ίδιο εναλλάκτη στο off design το GateCycle αναλύει τη συμπεριφορά του, βασιζόμενο σε μια σταθερή επιφάνεια συναλλαγής η οποία προκύπτει από τη design ανάλυση. Στη συνέχεια, αναφέρονται κάποιες βοηθητικές πληροφορίες που θεωρήθηκαν σημαντικές κυρίως για την καλύτερη πλοήγηση του αναγνώστη στο λογισμικό. Είναι κάποια σημαντικά σημεία που εμφανίζονται συνεχώς κατά την ενασχόληση του χρήστη με το λογισμικό αυτό. Επίσης να τονιστεί πως επειδή το περιβάλλον εργασίας του λογισμικού δεν είναι στα ελληνικά, οι ορολογίες του αναφέρονται σε παρενθέσεις. Έχοντας επιλέξει ο χρήστης να δουλέψει σε off design case δεν μπορεί να σύρει στοιχεία από το Εquipment Τoolbox στην περιοχή σχεδίασης. Σε κάποια στοιχεία του εξοπλισμού, τα δεδομένα εισάγονται από το χρήστη, ενώ σε κάποια άλλα υπάρχουν ήδη by default. Κάθε στοιχείο εξοπλισμού στον χώρο σχεδίασης εμφανίζει κάποιες κουκίδες στα σημεία σύνδεσης, είτε πρόκειται για είσοδο ή έξοδο κάποιας ροής. Οι κόκκινες αφορούν αέριες μάζες ή καυσαέριο καθώς και καύσιμο. Οι μπλε κουκίδες αφορούν το νερό ή τον ατμό και οι μαύρες είναι για μηχανικές συνδέσεις. Για παράδειγμα ένας ατμοστρόβιλος και μία πηγή καυσαερίου Στην επιλογή Tools > Options ο χρήστης μπορεί να βρεί επιλογές για τη μορφοποίηση του περιβάλλοντος εργασίας καθώς και αλλαγή χρωμάτων στις ροές του νερού ή του ατμού. 18

20 Στην επιλογή Main Menu > Analysis > Build Review ο χρήστης μπορεί να πληροφορηθεί για όλες τις συνδέσεις των στοιχείων και για τυχόν πρόσθετα δεδομένα που πρέπει να εισάγουμε ώστε να τρέξει το μοντέλο. Στο μοντέλο που έχει σχεδιάσει ο χρήστης, μπορεί να εμφανίσει σε κάθε σύνδεση όλα τα δεδομένα των ροών. Αυτό γίνεται κάνοντας δεξί κλικ σε κάθε αγωγό και επιλέγοντας Show Data Component. Τα δεδομένα εμφανίζονται με την μορφή ενός σταυρού όπως φαίνεται και παρακάτω στην εικόνα. Δίνεται η πίεση, η θερμοκρασία, η μάζα και η ενθαλπία στο συγκεκριμένο σημείο. 19

21 Αξίζει να αναφερθεί και η δυνατότητα που έχει ο χρήστης μέσω του CycleLink (Tools > CycleLink) να εξάγει τα δεδομένα του μοντέλου στο Excel Στις ιδιότητες (Properties) κάθε στοιχείου εξοπλισμού (equipment icon) ο χρήστης επιλέγει Flows > Flows grid και εμφανίζονται η σύσταση και οι συνθήκες ροών. Για παράδειγμα, στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η σύσταση και οι συνθήκες ροών (Flows Grid) ενός ατμοστρόβιλου στην υψηλή πίεση. 20

22 Κάνοντας δεξί κλικ πάνω σε κάθε εικονίδιο της σχεδίασης, μπορεί ο χρήστης να επιλέξει την επιλογή Report και να δει αναλυτικά όλες τις πληροφορίες και τα δεδομένα που αφορούν το συγκεκριμένο εικονίδιο. Για συγκεντρωτικές πληροφορίες για ολόκληρο το μοντέλο υπάρχει η επιλογή Main Menu > Outputs και από εκεί ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να επιλέξει όλα τα Reports που επιθυμεί. Τέλος, αξίζει να γίνει μία αναφορά στο Cycle Mass Balancing. Σε κάθε μοντέλο που σχεδιάζεται, πρέπει να υπάρχει ισοζύγιο μάζας. Με απλά λόγια, όση μάζα (αέρας, νερό) μπαίνει στο κύκλο από κάποια πηγή, τόση πρέπει να βγαίνει από αυτό. Για την επίτευξη αυτού του ισοζυγίου χρησιμοποιούνται στοιχεία όπως Sources, Sinks όπως επίσης και το Make up. Στη συνέχεια, αναφέρονται όλα τα στοιχεία εξοπλισμού τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις συνοδευόμενα από τις κωδικές τους ονομασίες. Auxiliary Boiler (AUXBLR) : Λέβητας Steam Turbine (ST) : Ατμοστρόβιλος 21

23 Pump (PUMP) : Αντλία Condenser (CONDSR) : Συμπυκνωτής Feedwater Heater (FWH) : Προθερμαντής νερού Valve (PIPVLV) : Βαλβίδα Flow-Pressure-Temperature Modifier (FPTMOD) : Τροποποιητής θερμοκρασίας και πίεσης για την προσομοίωση σωληνώσεων. Mixer (MIXER) : Μείκτης ροών ατμού, νερού και καυσαερίων Splitter (SPLITR) : Διαχωριστής ροών ατμού, νερού και καυσαερίων Source (SOURSE) : Πηγή νερού ή ατμού Sink (SINK) : Έξοδος νερού ή ατμού 22

24 Generator (GENRTR) : Γεννήτρια Τα δεδομένα του συστήματος εισάγονται στις ιδιότητες (Properties) του συστήματος και τα δεδομένα κάθε στοιχείου εξοπλισμού εισάγονται αντίστοιχα στις ιδιότητες (Properties) κάθε στοιχείου εξοπλισμού. Η επιλογή Properties εμφανίζεται με απλό κλικ πάνω σε κάθε στοιχείο εξοπλισμού, ενώ για το σύστημα, ένα απλό κλικ στο κενό πάνω στην σχεδίαση του μοντέλου. Με τα δεδομένα του συστήματος μπορεί ο χρήστης να ελέγξει μεταβλητές που αναφέρονται στη συνολική συμπεριφορά του μοντέλου όπως για παράδειγμα το ανώτερο και το κατώτερο όριο επαναλήψεων που εκτελεί το πρόγραμμα για να συγκλίνει σε αποτέλεσμα, τις περιβαλλοντολογικές συνθήκες, το βαθμό απόδοσης της ηλεκτρογεννήτριας και τις απώλειες ενέργειας του συστήματος. Αντίστοιχα σε κάθε στοιχείο εξοπλισμού π.χ. ατμοστρόβιλος Υ.Π., προθερμαντής νερού ο χρήστης εισάγει τα δεδομένα στοιχείου εξοπλισμού, όπως πιέσεις λειτουργίας, θερμοκρασίες κ.α. Επίσης, να αναφερθεί πως το λογισμικό χρωματίζει τα δεδομένα εισαγωγής με τρία χρώματα (κόκκινο, πράσινο, μπλε). Με κόκκινο χρώμα εμφανίζονται τα δεδομένα που είναι υποχρεωτικό να εισαχθούν από τον χρήστη για να τρέξει το εκάστοτε μοντέλο. Με πράσινο χρώμα εμφανίζονται τα δεδομένα που εισάγει το λογισμικό by default. Τέλος, στην περίπτωση που ο χρήστης μεταβάλει τις by default τιμές που εισάγει το λογισμικό, το πράσινο χρώμα γίνεται πλέον μπλε. Ως παράδειγμα, στις εικόνες παρακάτω φαίνεται η εισαγωγή δεδομένων στο σύστημα και σε έναν ατμοστρόβιλο 23

25 24

26 5.2 Ανάλυση κώδικα εκτέλεσης του GateCycle Αφού γίνει ο σχεδιασμός, οι συνδέσεις και η εισαγωγή δεδομένων σε ένα μοντέλο, το μοντέλο είναι έτοιμο να «τρέξει» είτε από την επιλογή Analysis-Run ή πατώντας το run στη μπάρα εργαλείων. Αρχικά ο κώδικας του λογισμικού, διαβάζει τις συνδέσεις και τα δεδομένα των στοιχείων εξοπλισμού από το σχεδιάγραμμα και τη βάση δεδομένων. Στη συνέχεια το GateCycle αναλύει τις πληροφορίες για τις συνδέσεις για να καθορίσει με ποια σειρά μετέχουν στους υπολογισμούς τα στοιχεία εξοπλισμού. Έπειτα ο κώδικας βρίσκει τα κρίσιμα σημεία ελέγχου των πιέσεων και ροών του συστήματος και ελέγχει αν ταιριάζουν στην ανάλυση του κύκλου. Το λογισμικό προχωρεί στην ανάλυση της λειτουργίας του κάθε στοιχείου εξοπλισμού. Ύστερα από την ανάλυση του κάθε στοιχείου εξοπλισμού, τα αποτελέσματα περνούν σε όλα τα συνδεμένα στοιχεία εξοπλισμού με αυτό. Μια επανάληψη για το σύστημα ολοκληρώνεται όταν όλα τα στοιχεία εξοπλισμού έχουν αναλυθεί. Τα αποτελέσματα από κάθε στοιχείο εξοπλισμού πρέπει να προσεγγίζουν τα αποτελέσματα της προηγούμενης επανάληψης με κάποια ανοχή που επιλέγεται από το χρήστη. Αφού ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία, εμφανίζεται το παράθυρο που φαίνεται και παρακάτω, το οποίο ενημερώνει το χρήστη για την κατάσταση της εκτέλεσης του μοντέλου. Σε αυτό το παράθυρο μπορεί ο χρήστης να δει στοιχεία που αφορούν την εκτέλεσή του, όπως τις επαναλήψεις που εκτέλεσε το λογισμικό, την παραγόμενη ισχύ και το συντελεστή απόδοσης του κύκλου. Είναι σημαντικό να αναφερθεί, πως σε αυτό το παράθυρο εμφανίζεται ο αριθμός τυχόν σφαλμάτων (errors) που έχει το σύστημα ή κάποια στοιχεία εξοπλισμού, αλλά και ο αριθμός προειδοποιήσεων (warnings) για κάτι τέτοιο. 25

27 Τέλος, αφού ο χρήστης έχει ήδη τρέξει το μοντέλο και έχει εξάγει τα αποτελέσματα της εκτέλεσης, έχει τη δυνατότητα να δει αναλυτικότερα όλα τα σφάλματα και τις προειδοποιήσεις της προσομοίωσης. Επιλέγει Menu > Analysis > Show Error File Έτσι εμφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, όπου δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να δει λεπτομερώς τις επαναλήψεις της εκτέλεσης του μοντέλου και αναλυτικότερα κάθε error και κάθε warning της προσομοίωσης. 26

28 6.ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ 6.1 Παρουσίαση προσομοίωσης Στο κεφάλαιο αυτό υλοποιείται η προσομοίωση του ατμοηλεκτρικού σταθμού του Αμυνταίου με το λογισμικό GateCycle. Αφού ολοκληρωθεί η σχεδίαση του μοντέλου, προσομοιώνεται η τηλεθέρμανση και στη συνέχεια αναλύονται οι απομαστεύσεις και η βελτίωση του βαθμού απόδοσης του κύκλου. Αρχικά, η προσομοίωση βασίστηκε σε ένα διάγραμμα ροής, σχεδιασμένο από μηχανικό του ΑΗΣ Αμυνταίου, το οποίο αποτέλεσε και το βασικό οδηγό για την πορεία της εργασίας. Με βάση αυτό το διάγραμμα, σχεδιάστηκε το μοντέλο προσομοίωσης. Το διάγραμμα ροής που παρουσιάζεται και παρακάτω αναφέρεται στην ονομαστική λειτουργία του σταθμού και αυτή είναι και η λειτουργία που προσομοιώνεται στο λογισμικό. Η παραγόμενη ισχύς του σταθμού σε αυτή την περίπτωση, αγγίζει τα 300 ΜW και όπως φαίνεται και στο διάγραμμα, υπάρχουν αναλυτικά όλα τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά του κύκλου σε όλα τα σημεία. Με οδηγό λοιπόν αυτά τα δεδομένα, σχεδιάστηκε το βασικό μοντέλο προσομοίωσης. Παρακάτω (Σχ ) παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του Σταθμού όπως αποτυπώνεται από τους μηχανικούς του σταθμού και στη συνέχεια παρατίθεται το μοντέλο προσομοίωσης (Σχ ) που σχεδιάστηκε με το λογισμικό GateCycle. 27

29 Σχ Διάγραμμα ροής ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα 28

30 Σχ Μοντέλο προσομοίωσης ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα στο GateCycle 29

31 Σε προηγούμενα κεφάλαια έχουν εξηγηθεί τα βασικά σημεία του λογισμικού GateCycle, οπότε στο συγκεκριμένο μοντέλο χρησιμοποιούνται όσα αναφέρθηκαν παραπάνω. Αφού τρέξει το μοντέλο, εξάγονται τα εξής αποτελέσματα (Σχ ), τα οποία παρουσιάζονται και σε μορφή Case Report. Σχ Αποτελέσματα εκτέλεσης ΑΗΣ Αμυνταίου Φιλώτα 30

32 Στη συνέχεια, εξηγείται αναλυτικά η επιλογή όλων των στοιχείων του μοντέλου. Λέβητας Στον Πίν φαίνονται όλα τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά των ροών του λέβητα: BOILER REHEATER ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ P(bar) T( 0 C) h(kj/kg) m(kg/sec) Πιν Θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά στις εισόδους και εξόδους του λέβητα Τα δεδομένα που εισάγονται στο λέβητα όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Δεδομένα εισαγωγής (inputs) λέβητα και αποτελέσματα (results) 31

33 Σχ Ο λέβητας στο διάγραμμα ροής Στρόβιλος Για την προσομοίωση και των τριών βαθμίδων (ΥΠ-ΜΠ-ΧΠ ), εισήχθησαν οι ενθαλπίες, οι πιέσεις και οι παροχές εισόδου και εξόδου για κάθε απομάστευση και σε κάθε βαθμίδα στροβίλου. Ενδεικτικά, παρουσιάζεται (Σχ ), η σχεδίαση του στροβίλου Μέσης Πίεσης και η εισαγωγή των δεδομένων σε αυτόν (Σχ ). Σχ Στρόβιλος Μέσης Πίεσης 32

34 Σχ Εισαγωγή δεδομένων στροβίλου Μέσης Πίεσης Συμπυκνωτής Η πίεση λειτουργίας του Συμπυκνωτή είναι 0.07 bar και η θερμοκρασία του ψυκτικού νερού 22 ο C. ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ ΕΙΣΟΔΟΣ(ΧΠ) ΕΙΣΟΔΟΣ(ΠΡΟΘΕΡΜΑΝΤΗ) ΕΙΣΟΔΟΣ(VENT) ΕΞΟΔΟΣ P(bar) T( 0 C) H(kJ/kg) m(kg/sec) Πιν Θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά ροών Συμπυκνωτή Παρακάτω (Σχ ) παρουσιάζεται τόσο η σχεδίαση, όσο και η εισαγωγή των απαραίτητων δεδομένων για την επίτευξη της προσομοίωσης. 33

35 Σχ Ο συμπυκνωτής στο διάγραμμα ροής Τα δεδομένα για την λειτουργία του συμπυκνωτή που εισάγαμε φαίνονται στο Σχ Σχ Δεδομένα εισαγωγής (inputs) συμπυκνωτή και αποτελέσματα (results) 34

36 Αντλία-Βαλβίδα-Ανοιχτός, Κλειστός προθερμαντής Τα στοιχεία αυτά φαίνονται στo Σχ Σχ Ανοιχτός κλειστός προθερμαντής, αντλία και βαλβίδα Κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία εξοπλισμού απαιτεί την εισαγωγή των κατάλληλων δεδομένων έτσι ώστε να τρέξει σωστά το μοντέλο. Στις εικόνες παρακάτω, φαίνονται ξεχωριστά για το κάθε στοιχείο εξοπλισμού τα δεδομένα αυτά. Παρουσιάζονται αντίστοιχα, ο ανοιχτός προθερμαντής (FWH 5), η αντλία (PUMP 3), ο κλειστός προθερμαντής (FWH 6) και η βαλβίδα (V6). 35

37 36

38 Προσομοίωση διαρροών- σωληνώσεων Η προσομοίωση των διαρροών στο μοντέλο όπως και οι μεταβολές πιέσεων και θερμοκρασιών στις σωληνώσεις πραγματοποιήθηκαν με τα παρακάτω στοιχεία εξοπλισμού που φαίνονται στο Σχ και εξηγούνται παρακάτω. Σχ Προσομοίωση των Διαρροών 37

39 Με το στοιχείο εξοπλισμού source προσομοιώνεται η είσοδος ατμού/νερού στο κύκλο, στα διάφορα σημεία της εγκατάστασης σύμφωνα με το διάγραμμα ροής. Με το στοιχείο εξοπλισμού mixer(μίκτης) ενώνονται τα δύο εισερχόμενα ρεύματα. 38

40 Με το στοιχείο εξοπλισμού splitter γίνεται ο διαχωρισμός ενός εισερχόμενου ρεύματος σε περισσότερα. To στοιχείο εξοπλισμού sink χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση των διαρροών στα κανάλια του διαγράμματος που υπάρχει απώλεια μάζας. 39

41 Με όλα τα παραπάνω βήματα και την σωστή συνδεσμολογία όλων των στοιχείων εξοπλισμού προκύπτει το τελικό μοντέλο προσομοίωσης. 6.2 Τηλεθέρμανση Το διάγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της τηλεθέρμανσης φαίνεται στο Σχ Σχ Διάγραμμα ροής στο οποίο φαίνεται η προσομοίωση της τηλεθέρμανσης 40

42 Η απομάστευση 4, με την χρήση ενός splitter, χωρίζεται σε δύο κανάλια. Από το πρώτο οδηγείται μια ποσότητα υπέρθερμου ατμού στον εναλλάκτη της τηλεθέρμανσης. Η ροή αυτή μεταβάλλεται ανάλογα με την στιγμιαία θερμική ισχύ που ζητείται από το φορτίο της τηλεθέρμανσης. Στην προσομοίωση χρησιμοποιούνται 5.68 kg/sec ατμού της απομάστευσης 4 για την προθέρμανση του νερού της πόλης στους 120 o C. Το δεύτερο κανάλι παρέχει ατμό στον εναλλάκτη 4 για προθέρμανση του νερού τροφοδοσίας του λέβητα. Τα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά των ροών σε κάθε είσοδο και έξοδο του εναλλάκτη της τηλεθέρμανσης παρατίθενται στον Πίν : ΕΝΑΛΛΑΚΤΗΣ ΤΗΛΕΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΝΕΡΟ ΠΟΛΗΣ ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗ ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ ΕΙΣΟΔΟΣ ΕΞΟΔΟΣ P(bar) T( 0 C) h(kj/kg) m(kg/sec) Πιν Ροές στον εναλλάκτη της τηλεθέρμανσης H συναλλαγή θερμότητας υπολογίζεται ως εξής: Qth1= ma*(h4-h3) = 5.68(kg/sec) * ( )(kJ/kg)= MW Όπου: Qth1: το ποσό θερμότητας που αποβάλλει ο ατμός ma : η παροχή του υπέρθερμου ατμού h4 : η ενθαλπία εισόδου υπέρθερμου ατμού στον εναλλάκτη h3 : η ενθαλπία εξόδου του νερού της απομάστευσης Qth2= mt*(h2-h1) = 65 (kg/sec) * ( )(kJ/kg)= MW Όπου: Qth2: το ποσό θερμότητας που απορροφά το νερό της πόλης mt : η παροχή του νερού της πόλης h2 : η ενθαλπία εξόδου (παροχή) του νερού της πόλης h1 : η ενθαλπία εισόδου (επιστροφή) του νερού της πόλης 41

43 Οι θερμικές απώλειες στον εναλλάκτη τηλεθέρμανσης είναι: Qαπωλ= Qth1- Qth2 = = 126 KW Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την προσομοίωση της τηλεθέρμανσης με το λογισμικό GateCycle είναι τα εξής: Παρατηρείται πτώση του βαθμού απόδοσης, η οποία ήταν αναμενόμενη καθώς το νερό τροφοδοσίας του λέβητα έχει προθερμανθεί λιγότερο σε σχέση με την περίπτωση χωρίς τηλεθέρμανση. Το πλεονέκτημα της τηλεθέρμανσης είναι ότι η θερμική ισχύς ( MW) που προσδίδεται στο νερό της πόλης, στην πραγματικότητα αυξάνει το βαθμό απόδοσης, ο οποίος υπολογίζεται παρακάτω στις περιπτώσεις με ή χωρίς τηλεθέρμανση. Ο νέος βαθμός απόδοσης με την εγκατάσταση της τηλεθέρμανσης είναι: n = Pωφελ Qin = = % 42

44 Βαθμός απόδοσης χωρίς τηλεθέρμανση: n = Qωφελ Qin = = % 6.3 Απομαστεύσεις και βαθμός απόδοσης Σε αυτή την ενότητα μελετήθηκε η χρησιμότητα των απομαστεύσεων για την βελτίωση του βαθμού απόδοσης στο σταθμό. Έχοντας το μοντέλο που σχεδιάστηκε αρχικά, γίνεται διερεύνηση καταργώντας κάποιες απομαστεύσεις. Για την μελέτη των απομαστεύσεων, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο στο οποίο καταργείται ο συνολικός αριθμός των απομαστεύσεων. Το μοντέλο και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης φαίνονται στα Σχ και Σχ αντίστοιχα. Σχ Κατάργηση όλων των απομαστεύσεων 43

45 Σχ Αποτελέσματα προσομοίωσης καταργώντας τις απομαστεύσεις Η παραγόμενη ισχύς αυξήθηκε στα ΜW και ο βαθμός απόδοσής μειώθηκε στο % από το %. Αυτό συμβαίνει γιατί καταργώντας τις απομαστεύσεις, η παροχή του ατμού στην είσοδο κάθε βαθμίδας του στροβίλου είναι μεγαλύτερη αλλά ταυτόχρονα, με την κατάργηση των προθερμάνσεων, χρειάζεται πλέον περισσότερο καύσιμο για να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία υπέρθερμου ατμού. Παρακάτω σχεδιάζονται και αναλύονται άλλες δύο περιπτώσεις. Αρχικά αφαιρείται μόνο μία απομάστευση από το αρχικό μοντέλο και στη συνέχεια επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία καταργώντας άλλη μία απομάστευση. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μοντέλο καταργείται η πρώτη απομάστευση και στο δεύτερο μοντέλο καταργούνται η πρώτη και η τέταρτη απομάστευση. 44

46 Καταργώντας την πρώτη απομάστευση : 45

47 Καταργώντας την πρώτη και την τέταρτη απομάστευση. 46

48 Συγκεντρωτικά παρουσιάζονται στον Πίν τα αποτελέσματα από τα παραπάνω μοντέλα. Παραγόμενη ισχύς (MW) Βαθμός απόδοσης (%) Όλες οι απομαστεύσεις Κατάργηση 1 ης απομάστευσης Κατάργηση 1 ης και 4 ης απομάστευσης Κατάργηση όλων των απομαστεύσεων Πίν Συγκεντρωτικά αποτελέσματα Η παροχή του καυσίμου για κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες: Παροχή καυσίμου (Fuel Flow) με όλες τις απομαστεύσεις 47

49 Παροχή καυσίμου (Fuel Flow) καταργώντας την πρώτη απομάστευση Παροχή καυσίμου (Fuel Flow) καταργώντας την πρώτη και την τέταρτη απομάστευση Παροχή καυσίμου (Fuel Flow) καταργώντας όλες τις απομαστεύσεις 48

50 Από τα παραπάνω αποτελέσματα, παρατηρείται πως με τη χρήση των απομαστεύσεων απαιτείται λιγότερο καύσιμο. Σε αυτό το σημείο, είναι σημαντικό να αναφερθεί πως σε πραγματικές συνθήκες, η κατάργηση των απομαστεύσεων αποτελεί ένα θεωρητικό σενάριο. Στην πραγματικότητα, καταργώντας κάποια απομάστευση, δημιουργούνται τεχνικά προβλήματα. 6.4 Διερεύνηση παραμέτρων για βελτίωση βαθμού απόδοσης Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της θερμοκρασίας του Υπέρθερμου Ατμού Η διερεύνηση στην προσομοίωση αυτή πραγματοποιείται μεταβάλλοντας την επιθυμητή θερμοκρασία εξόδου (Desired Exit Temperature) του λέβητα όπως φαίνεται στο Σχ

51 Σχ Θερμοκρασία εξόδου λέβητα Οι διάφορες θερμοκρασίες που εισάγονται στην προσομοίωση, καθώς και η τιμή του βαθμού απόδοσης που προκύπτει σε κάθε εκτέλεση, φαίνονται στον Πίν Θερμοκρασία εξόδου λέβητα Απόδοση , , , , , ,705 Πίν Θερμοκρασίες εξόδου του λέβητα και η απόδοση που προκύπτει Στο Σχ , φαίνεται γραφικά, πως η αύξηση της θερμοκρασίας του Υπέρθερμου Ατμού προκαλεί αύξηση του βαθμού απόδοσης 50

52 Aπόδοση(%) Σχ Μεταβολή Απόδοσης σε σχέση με Θερμοκρασία Υπέρθερμου Ατμού Απόδοση Θερμοκρασία Τ Υπέρθερμου Ατμού ( C) Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της πίεσης του Λέβητα Η διερεύνηση στην προσομοίωση αυτή πραγματοποιείται μεταβάλλοντας την επιθυμητή πίεση εξόδου του λέβητα, η τιμή της οποία ρυθμίζεται από την αντλία τροφοδοσίας λέβητα, όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Επιθυμητή πίεση εξόδου αντλίας τροφοδοσίας λέβητα 51

53 Σχ Ρύθμιση πτώση πίεσης λέβητα Σημείωση: η πίεση εξόδου του λέβητα προκύπτει μετά από μείωση 18%, της πίεσης της αντλίας τροφοδοσίας, με επιλογή από τις ρυθμίσεις του λέβητα (Σχ ). Οι διάφορες πιέσεις που εισάγονται στην προσομοίωση, καθώς και η τιμή του βαθμού απόδοσης που προκύπτει σε κάθε εκτέλεση, φαίνονται στον πίνακα: Πίεση λέβητα Απόδοση 172,8 40, , , , ,676 Πίν Πιέσεις λέβητα και η αντίστοιχη απόδοση 52

54 Απόδοση(%) Στο Σχ που ακολουθεί, φαίνεται γραφικά πως η αύξηση της πίεσης του Λέβητα προκαλεί αύξηση του βαθμού απόδοσης Σχ Μεταβολή Απόδοσης σε σχέση με Πίεση Λέβητα Απόδοση Πίεση P Λέβητα(bar) Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της πίεσης του συμπυκνωτή Η διερεύνηση στην προσομοίωση αυτή πραγματοποιείται μεταβάλλοντας την επιθυμητή πίεση εξόδου (Desired Exit Pressure) του συμπυκνωτή όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Πίεση εξόδου συμπυκνωτή 53

55 Απόδοση(%) Οι διάφορες τιμές πιέσεων που εισάγονται στην προσομοίωση, καθώς και η τιμή του βαθμού απόδοσης που προκύπτει σε κάθε εκτέλεση, φαίνονται στον Πίν Πίεση Συμπυκνωτή Απόδοση 0,07 40,174 0,09 40,01 0,11 39,615 0,13 39,1 0,15 38,7 Πίν Πιέσεις Συμπυκνωτή και η αντίστοιχη απόδοση Στο Σχ , φαίνεται γραφικά πως η μείωση της πίεσης του συμπυκνωτή προκαλεί αύξηση του βαθμού απόδοσης Σχ Μεταβολή Απόδοσης σε σχέση με Πίεση Συμπυκνωτή Πίεση P Συμπυκνωτή(bar) Απόδοση 54

56 6.4.4 Διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της θερμοκρασίας του Ανάθερμου Ατμού Η διερεύνηση στην προσομοίωση αυτή πραγματοποιείται μεταβάλλοντας την επιθυμητή θερμοκρασία Ανάθερμου Ατμού (Desired Reheat Temperature) του Λέβητα όπως φαίνεται στο Σχ Σχ Θερμοκρασία ανάθερμου ατμού λέβητα Οι διάφορες θερμοκρασίες που εισάγονται στην προσομοίωση, καθώς και η τιμή του βαθμού απόδοσης που προκύπτει σε κάθε εκτέλεση, φαίνονται στον Πίν Θερμοκρασία Ανάθερμου Ατμού Απόδοση Πίν Θερμοκρασίες ανάθερμου και η αντίστοιχη απόδοση Στο Σχ , φαίνεται γραφικά πως η αύξηση της θερμοκρασίας του Ανάθερμου Ατμού προκαλεί αύξηση του βαθμού απόδοσης 55

57 Απόδοση(%) Σχ Μεταβολή Απόδοσης σε σχέση με Θερμοκρασία Ανάθερμου Ατμού Θερμοκρασία T Ανάθερμου Ατμού( C) Απόδοση 56

58 7. ΣΥΝΟΨΗ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με την ολοκλήρωση όλων των προσομοιώσεων που εκτελέστηκαν στο GateCycle για τον ΑΗΣ Αμυνταίου, επιβεβαιώνονται τα θεωρητικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, με την εγκατάσταση της τηλεθέρμανσης ο βαθμός απόδοσης αυξάνεται καθώς και η συνολική ωφέλιμη ισχύς. Επίσης, η κατάργηση μίας η περισσότερων απομαστεύσεων οδηγεί σε μείωση του βαθμού απόδοσης. Με την παραμετρική διερεύνηση για τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης ότι: παρατηρήθηκε Η αύξηση της θερμοκρασίας του υπέρθερμου ατμού οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόδοσης Η αύξηση της πίεσης λειτουργίας του λέβητα οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η μείωση της πίεσης του συμπυκνωτή οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η αύξηση της θερμοκρασίας του ανάθερμου ατμού οδηγεί σε αύξηση του βαθμού απόδοσης. Τέλος, είναι σημαντικό να αναφερθεί πως υπάρχει πληθώρα εφαρμογών του λογισμικού GateCycle. Με τη χρήση του λογισμικού μπορούν να υλοποιηθούν αναλύσεις και παραμετρικές διερευνήσεις, οι οποίες μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Πιθανό πεδίο έρευνας είναι η διερεύνηση της μεταβολής του βαθμού απόδοσης ως προς την μεταβολή της παραγόμενης ισχύος με στόχο την εύρεση της αποδοτικότερης λειτουργίας. 57

59 Βιβλιογραφία 1. Β. Χατζηαθανασίου, Σταθμοί Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας 2. Π. Ντοκόπουλος, Εισαγωγή στα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τόμος Ι, Εκδόσεις Παρατηρητής, Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Θερμοδυναμική για Μηχανικούς, Τόμος Α, Εκδόσεις Α. Τζιόλα, Manual of GateCycle, General Electric., Version Joel Weisman, L.E. Eckart Modem Power Plant Engineering, Prenticl Hall, Inc./Engnglewood Cliffs, New Jersey Thomas. C. Eliot, :Standard Handbook of Powerplant Engineering, Mcgraw Hill Publishing Company 7. Ηλεκτρονική Εγκυκλοπαίδεια Βικιπαίδεια, ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια, 8. Ιστοσελίδα της Δ.Ε.Η. στο διαδίκτυο, 9. Ιστοσελίδα της General Electric για το λογισμικό GateCycle, 58