ENERGETSKI SUSTAVI ZA PROIZVODNJU ELEKTRIČNE I TOPLINSKE ENERGIJE

Transcript

1 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: ENERGETSKI SUSTAVI ZA PROIZVODNJU ELEKTRIČNE I TOPLINSKE ENERGIJE ENERGETSKI SUSTAVI S PARNIM PROCESOM - Gorivo: - fosilno (ugljen, loživo ulje, prirodni plin) - nuklearno(u 25, Pu 29 ) ENERGETSKI SUSTAVI S PLINSKIM PROCESOM - Gorivo: - plin (prirodni, ukapljeni, sintetski, rafinerijski, koksni, bio-plin) - naftni destilati KOMBINIRANI ENERGETSKI SUSTAVI - Gorivo: - plin (prirodni, ukapljeni, sintetski, rafinerijski, koksni, bio-plin) - naftni destilati KOGENERACIJSKI ENERGETSKI SUSTAVI Parno-turbinski kogeneracijski sustav Plinsko-turbinski kogeneracijski sustav Motorni kogeneracijski sustav Kogeneracijski sustav s gorivim ćelijama Kogeneracijski sustav s magneto-idrodinamskim (MHD) generatorom (sustav u razvoju)

2 ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje: 2 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 2 ENERGETSKI SUSTAV Ss PARNIM PROCESOM Clausius-Rankine-ov kružni proces Osnovna sema sustava T-s dijagram C-R procesa P-v dijagram C-R procesa -s dijagram C-R procesa

3 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: Toplinska iskoristivost idealna Clausius-Rankine-ova procesa (teorijska iskoristivost) t dov.toplina odv.toplina dov.toplina q q q 2 t ( 4 ) ( 4 2 ) t ( ( 2 ) ( ) ( 4 4 ) ) Budući je ( 4 - )<<( - 2 ), utjecaj veličine rada u pumpi može se zanemariti, pa za takav slučaj proizlazi: 2 t toplina dovedena u generatoru pare 2 -..toplina odvedena u kondenzatoru - 2..izentropska ekspanzija u parnoj turbini,odnosno: teorijski rad pare turbine (po jedinici mase): w t,t izentropsko tlačenje u pumpi,odnsno: teorijski rad za pogon pumpe (po jedinici mase): w t,p 4 - Kod promatranja idealna procesa ne uzimaju se u obzir nepovratni gubici u procesu (trenje, prigušivanje, vrtloženje). Teorijski rad idealna (reverzibilna) C-R procesa w t, C-R w t,t -w t,p ( - 2 )-( 4 - )

4 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 4 Stvarni rad realna C-R procesa Turbina p,0 Pumpa,0 T,0 0 p T p 2' 2 2 2' 4' 4 4 4' p 2 p 2 s s 4 s 4' s Uzimajući u obzir unutarnje nepovratne gubitke, slijedi: Unutarnji rad turbine (po jedinici mase) w i,t - 2' ( - 2 ) i,t gdje je i,t unutarnja iskoristivost parne turbine(0,85 0,90) Unutarnji rad pumpe (po jedinici mase) w i, p 4 4 ' i, p gdje je i,p unutarnja iskoristivost pumpe (0,85 0,90)

5 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 5 Unutarnja iskoristivost turbinsko-pumpnoga sklopa i( t,p ) w w i,t t,t w w i,p t,p ( ( 2 2 ) i,t ) ( 4 4 i, p ) Ukupna unutarnja iskoristivost energetskoga procesa i t i(t,p) Utjecaj unutarnji gubitaka u pumpi na unutarnju ukupnu iskoristivost energetskoga procesa je relativno malen, pa se s dovljno točnosti može uzeti da je i(t,p) ~ i,t, odnosno: i t i,t Ukupna vanjska energetska iskoristivost energetskoga procesa (na spojci turbine) dobiva se uzimajući u obzir meaničke gubitke (u ležajevima, uljnim pumpama turbine, reduktorima), odnosno množenjem unutarnje ( i ) i meaničke iskoristivosti ( m ). a i m t i(t,p) m gdje je m - meanička iskoristivost turbine (0,97 0,99). Ukupna efektivna iskoristivost energetskoga procesa na stezaljkama generatora električne energije dobiva se uzimajući u obzir još gubitke u generatoru, odnosno množenjem ukupne vanjske iskoristivosti ( a ) s iskoristivošću generatora ( eg ). e a eg t i(t,p) m eg gdje je eg iskoristivost generatora el. energije (0,96 0,99).

6 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 6 Toplinska iskoristivost parovoda - uzima u obzir gubitke tlaka zbog strujanja pare te gubitke topline kroz izolaciju od generatora pare do ulaza u turbinu, a izražava se putem iskoristivosti parovoda ( p ). p, 0 4 ' 4' gdje je,0 entalpija pare na izlazu iz generatora pare.,0 >, zbog gubitaka u glavnome parovodu ( p 0,98 0,99). Količina topline koju treba dovesti u ložište generatora pare (po kg izlazne pare), da bi se od ulazna stanja vode ( 4' ) proizvelo paru stanja (,0 ), zavisi od iskoristivosti generatora pare ( gp )., ' 0 4 4' 4 ' gp, odnosno qlož, ql ož pq lož gp p gdje je gp iskoristivost generatora pare (0,90 0,94). Ukupna efektivna iskoristivost parnoga energetskog postrojenja uzima u obzir sve gubitke koji nastaju od ulaza goriva u ložište generatora pare do izlaza električne energije preko stezaljka generatora u razvodnu mrežu, odnosno: ef,uk gp p eg m i(t,p) t

7 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 7 Uzimajući u obzir pretodne relacije, slijedi: Snaga proizvedene električne energije (N e ) N E D( - 4 ) e D( - 4 ) t i(t,p) m eg gdje je D količina ulazne pare u turbinu Količina topline dovedene u ložište (Q lož ) da bi generator pare proizveo količinu pare (D) potrebni parametara (p,0, T,0 ) Q lož Q p gp D( 4 p gp ) t i( t, p ) N E m eg p gp Količina utrošena goriva (B) zavisi o toplinskoj vrijednosti korištena goriva za izgaranje u ložištu generatora pare, te proizlazi iz relacije Q lož BH d, odnosno: B Q lož 4 H d p Q gp H d D( p H gp d ) t i( t, p ) N m E eg p gp H d gdje je H d - donja toplinska vrijednost goriva koje se koristi za pogon energetskoga sustava.

8 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 8 UTJECAJNI FAKTORI ISKORISTIVOSTI PARNIH ENERGETSKIH SUSTAVA Temperatura ulazne pare u turbinu Tlak ulazne pare u turbinu Tlak izlazne pare iz turbine Regenerativno zagrijavanje napojne vode Meñu-pregrijavanje (naknadno pregrijavanje) pare TEMPERATURA ULAZNE PARE U TURBINU Povišenjem temperature pare na ulazu u turbinu povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, pa sukladno s time raste toplinska iskoristivost cjelokupna procesa. Utjecaj temperature ulazne pare na C-R proces Utjecaj temperature ulazne pare na iskoristivost C-R procesa Povećanjem temperature ulazne pare takoñer se smanjuje vlažnost pare u izlaznim stupnjevima turbine, a time i erozija.

9 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 9 TLAK ULAZNE PARE U TURBINU Povišenjem tlaka ulazne pare u turbinu povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, pa sukladno tome raste toplinska iskoristivost procesa. Utjecaj tlaka na C-R proces Utjecaj tlaka na iskoristivost C-R procesa Povećanje tlaka ulazne pare u turbinu dovodi do povećanja vlažnosti izlazne pare iz turbine, odnosno do povećanja utjecaja erozije u zadnjim stupnjevima turbine. Da bi se to izbjeglo, potrebno je uz tlak povećavati i ulaznu temperaturu pare ili uvesti njeno meñu-pregrijavanje (naknadno pregrijavanje).

10 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 0 TLAK IZLAZNE PARE IZ TURBINE (TLAK U KONDENZATORU) Što je tlak izlazne pare iz turbine manji, odnosno što je manji tlak u kondenzatoru, niža je temperatura dijela procesa na kojemu se odvodi toplina (u okolinu), pa je stoga veća toplinska iskoristivost procesa. Ovisnost toplinske iskoristivosti idealna C-R procesa o tlaku izlazne pare (odreñeno za p 80 bar, t C) Na tlak izlazne pare iz turbine, odnosno na tlak u kondenzatoru utječe sljedeće: veličina rasladni površina kondenzatora ( t iz -2 0 C) čistoća rasladni površina kondenzatora temperatura okoline odnosno rasladne vode (na pr.: p 2 0,04 bar, t k 29 0 C, t rw,ul 20 0 C, t rw,iz 25 0 C) opterećenje turbine, odnosno dotok pare u kondenzator.

11 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: REGENERATIVNO ZAGRIJAVANJE NAPOJNE VODE Što se postiže regenerativnim zagrijavanjem ulazne vode? Povisuje se srednja temperature dijela procesa na kojemu se izvana dovodi toplina, čime se povisuje toplinska iskoristivost procesa. Smanjuje se količina pare koja ulazi u kondenzator, a time se smanjuje i toplina koja se nepovratno odvodi u okolinu putem rasladnoga fluida (rasladne vode). Sema sustava s regenerativnim predgrijavanjem vode D 7 8 Legenda:-generator pare, 2-turbina, -kondenzator, 4-niskotlačni grijač vode, 5-grijač vode s direktni miješanjem, 6- visokotlačni grijač vode, 7-pumpa, 8- odvajač kondenzata

12 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 2 T-s-D dijagram procesa s regenerativnim predgrijavanjem Idealan slučaj (bez nepovratni gubitaka) kod regenerativna zagrijavanja postigao bi se uz t0, za što bi trebalo imati beskonačan broj izmjenjivača topline, što je u realnosti neizvedivo. Poboljšanje toplinske iskoristivosti procesa zavisno o tlaku i broju predgrijača vode

13 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: Broj regenerativni grijača vode kod parni postrojenja Tlak (bar) Temp. zagr. vode ( 0 C) Broj grijača 2 do do 4 4 do 5 5 do 6 Dodatni efekti ugradnje regenerativni grijača vode: Povećanje protoka pare kroz prve stupnjeve turbine i smanjenje kroz zadnje stupnjeve, čime se povećava iskoristivosti turbine smanjenjem gubitaka vrtloženja u izlaznome dijelu turbine. Smanjenje protoka pare u kondenzator, čime se umanjuju njegove dimenzije i potrebna količina rasladne vode. Veći broj regenerativni predgrijača povećava složenost postrojenja kao i investicijske troškove.

14 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 4 MEðUPREGRIJAVANJE PARE Sema sustava s meñupregrijavanjem pare PP T-s dijagram parnoga procesa s meñupregrijavanjem

15 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 5 Što se postiže meñupregrijavanjem (naknadnim pregrijavanjem) pare? Povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, čime se povisuje toplinska iskoristivost procesa. Smanjuje se vlažnost pare na izlaznome dijelu turbine, čime se umanjuje djelovanje erozije. Iskoristivost idealna C-R procesa s meñupregrijavanjem t ( 7 ) + ( 8 9 ) ( 5 ( ) + ( ) ) Temperatura meñupregrijavanja: t mp t pp t

16 Prof. dr. sc. Zmagoslav Prelec List: 6 Tlak meñupregrijavanja: p mp (/5 do /4) p pp p Povećanje toplinske iskoristivosti C-R procesa s jednim meñupregrijanjem pare iznosi 4-5 %. Kod vrlo veliki energetski postrojenja koristi se dvostruko meñupregrijanje, ali je to zbog konstrukcijski i pogonski problema rjeñi slučaj. Ostali opći efekti ugradnje meñupregrijača: Povećanje investicijski troškova. Povećanje otpora strujanja pare, što umanjuje efekte povećanja toplinske iskoristivost. Mogući pogonski problemi kod kretanja i zaustavljanja pogona ako se pri tome ne osigura zadovoljavajuće lañenje cijevi meñupregrijača. Utjecajni faktori za teno-ekonomsku analizu energetski sustava ukupna iskoristivost procesa cijena goriva investicijski troškovi troškovi održavanja pogonska sigurnost i raspoloživost