Kogeneracijska postrojenja (ZA INŽENJERE ELEKTROTEHNIKE) Kemal Hot Elektrotehnički odjel Tehničko veleučilište u Zagrebu Studeni, 2010.
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja U v o d Kogeneracija: simultana proizvodnja električne energije i toplinske energije za grijanje vanjskih potrošača Nacionalne prednosti: ušteda goriva 25-30% ušteda gubitaka mreže 5-10% sigurnost napajanja korištenje lokalnih goriva smanjenje emisije plinova Trigeneracija: simultana proizvodnja električne energije i toplinske energije za grijanje i absorpcijsko hlañenje vanjskih potrošača Korisničke prednosti: smanjenje kupovine energije prodaja viškova energije sigurnost napajanja zbrinjavanje otpada prodaja nusprodukata EC smjernice Ušteda primarne energije: - nove kogeneracije min. 10% - postojeće kogeneracije min. 5% - postrojenja do 1 MWe do 5%
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Sustavi Sustavi kogeneracije: kotao + parna turbina plinska turbina plinska + parna turbina stroj s un. sagorijevanjem mikro turbina parni stroj Stirlingov stroj organski Rankinov proces gorive ćelije STIG PFBC IGCC Kalina i dr. EC: preporučeni omjer P / Q (%): kombinirani plinsko parni proces 75 parna protutlačna turbina 30 turbina s oduzimanjem pare 30 plinska turbina s izmjenjivačem 40 strojevi s unutarnjim sagorijevanjem 60 Sustav Snaga MWe ηe% ηu% P/Q% Parna turb. 0.4-300 10-45 <80 15-75 Plinska turb. 0.5-300 25-40 65-90 45-75 Plin+par.turb. 10-300 35-50 75-90 75-170 SUS stroj.001-15 25-45 65-85 50-180 Parni stroj.02-2 5-25 70-80 10-45 Mikroturbina.025-.2 25-30 50-80 55-75
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Značajke ajke konverzije Značajke kogeneracije: električni η e, toplinski η t i ukupni η u stupanj djelovanja, te omjer električne i toplinske energije α Konverzija kemijske u električnu energiju: Q g Gorivo Zrak Dimni plinovi Kotao η k Pepeo Para η t Pumpa Kondenzator Turbina η η i Q η e = P / Q g η t = Q / Q g η u = (P + Q) / Q g α = P / Q Q g = B x H i - količina x donja ogrijevna moć goriva m Vlastita potrošnja Generator η g P Kemijska energija Toplinska energija Mehanička energija Električna energija
Oduzimanje pare TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Zrak 9 Gorivo 9 10 2 4 1 3 5 6 12 8 11 8 7 G 3 ~ 1. Parni kotao 2. Pregrijač 3. VT dio turbine 4. Meñupregrijač 5. ST dio turbine 6. NT dio turbine 7. Kondenzator 8. Pumpa 9. Ventilator 10. Dimni plinovi 11. NT predgrijač 12. VT predgrijač Iskoristivost toplinske energije visokotemperaturni sustavi (zasićena para 5-20 bara): 60-70% niskotemperaturni sustavi 90/50 o C: do 90%
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Plinsko-parno postrojenje Zrak 16 G 2 3 ~ 14 2 4 15 1 3 5 6 G 3 ~ 1 Plin 13. Parcijalni predgrijač 14. Plinska turbina 15. Komora izgaranja 16. Kompresor Gorivo 9 12 8 11 8 13 13 10 7
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Carnotov proces Stanje idealnog plina : p v = R T tlak p (Pa), temperatura T (K), specifični volumen v (m 3 mol 1 ), plinska konstanta R (314472 J K 1 ). p q do od η tc = s 1=const. 1 q 4 12 q 34 q do ds q s =const. 2 = 2 3 dq T L = = q = do du T=const. T =const. 0 v + T( s s ) T ( s s ) T p dv 2 1 0 3 4 T( s s ) T T T 0 2 1 q=q -q 12 34 = 1 1 2 4 s s 1 2 3 T 0 T s
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Proces s vodenom parom (Clausius( Clausius-Rankine) p (bar) kp 400 o C k 500 o C Voda Mokra para Zasićena para p k = 220,45 bar T k = 373,86 0 C v k = 0,00311 m 3 /kg a b 300 oc 300 o C 200 o C 3 v (m /kg)
Energetski sadržaj aj TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja h = u + p v u1 u2 = L12 h1 h2 = L12 + p1 v1 p2 v2 = L t,t o ( C) voda p k mokra para 120 40 10 0.01 0.05 0.2 1 1 p=0.1bar zasićena para 3 v=10 m /kg h entalpija u unutarnja energija L 12 vanjski rad L mehanički rad 2500 2100 h=1700 kj/kg s (kj/kgk)
2 Temp. svježe pare Kotlovski tlak d TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Elementarni proces c b a 3 trtu 1 e 4 5 f Tlak kondenzata Temperatura kondenzata G 3 ~ 1 1. Kotao 2. Predgrijavanje 3. Turbina 4. Kondenzator 5. Pumpa Zanemarenja: padovi tlaka gubici cijevovoda p (a) T ( 0C) 200 gubici topline na turbini a b p k c d 500 0 C 374 100 a f b p k d c e ad p kot. 100 e 1 bar p kond. 0,01 bar efekt mokre pare na lopaticama turbine o f (b) e ad v -273 (c) s
h (kj/kg) Meñupregrijanje pare p kotla 50 20 200 100 p=250 bar 5 1 TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja p kond 0.2 0.05 0.01 600 d g 500 400 300 b a, f k c 0.4 0.6 e ad e e * h ad 0.8 h 0.9 η = η η = tm tcrm i 200 100 50 o C x=1 0.95 ( h h ) + ( h h ) d * e g h ( h h ) + ( h h ) d a g e * s (kj/kg K)
Bilanca jednostavne kogeneracije TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Gubici ispuha: 15% Gubici zračenja: 5% Izlazni izmjenjivač Gorivo: 100% pogon izmjenjivač generator Toplinska en.: 50% Električna en.: 30%
Višestupanjska parna turbina TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Prikladna za lokacije gdje je: električno temeljno opterećenje preko 250 kwe (1 stupanjska turbina) električno opterećenje od 5-30 MWe 3 stupanjska turbina potrebna visokotlačna para dostupno jeftino gorivo niže kvalitete dostupna visokotemperaturna otpadna toplina
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Postrojenje s kondenzacionom turbinom parna turbina temeljni okvir s uljnim sustavom modul odsisa modul pumpe kondenzata kondenzator
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja G 850 o C 3 ~ 3 1 Plinske turbine 2 10 bar Plin 1. Kompresor za zrak 2. Komora za izgaranje 3. Plinska turbina Zrak Prikladno za: snage preko 1 MWe para srednjeg/visokog tlaka topla voda preko 140 ºC moguć prirodni plin
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Shema postrojenja s paralelnim jedinicama Ispušni filter Ispušni filter Dogrijač Gorivo Spremnik topline kwt Plinska turbina i generator Plinska turbina i generator kwe
Osnovni podaci dimni plin: 505 kg/s kod 558 0 C primarno gorivo: metan 150 MW Plinska turbina 150 MWe sekundarno gorivo:priridni plin 139 MW tercijarno gorivo: rafinerijsko ulje 116 MW TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja (2) kompresor, (3) komora za izgaranje, (4) turbina, (15) dovod zraka, (16) gorionik, (17) ispusni plinski difuzor, (18) ventili kompresora, (19) ležaji prema generatoru, (20) olakšana rotorska osovina kompresora
Mikro-turbine TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Ispuh Prigušivač Zrak Upravljačka ploča Značajke: Inv. 650-1100 /kw e Pog. 0.007 /kwh e η e = 15-25% η u = 70-90% Kotao / izmjenjivač Rekuperator Plinska turbina PM turbo generator Regulacija snage
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Kogeneracija s plinskim motorom gorivo hladnjak plina prečistač plina čisti plin zrak plinski motor zrak ispušni izmjenjivač hlañenje ulja pepeo vruća voda hlañenje mot. meñuhladnjak ispuh Primjena: napajanje odnosno proces su ciklični ili nekontinuirani, potrebni niskotlačna para ili voda srednje ili niske temperature, nizak udjel toplinske energije
Jedinica postrojenja 2 MWe + 2.2 MWt TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Kombinirani proces s protutlačnom turbinom Dimni plin Značajke: Investicija 1200 /kw e Pogon 0.007 /kwh e η e = 25-35% η u = 70-92% Generator pare Odplinjač Plin Parna turbina Zrak Kompresor Plinska turbina Kondenzator
Veliko jednoosovinsko postrojenje TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Generator pare Difuzor Plinska turbina Generator Parna turbina Transformatorsko polje Generatorske sabirnice
Kogeneracija s biološkim otpadom TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Pregrijač Parna turbina Primjena: drvna industrija Generator agroindustrija Predgrijač Grijanje industrija celuloze i papira Kotao Ekono. Spremnik Predgrijač Kond. tekstilna industrija Ekonom. Predgrijač zraka farmaceutska industrija Biogorivo Ciklon Filter Hlañenje rafinerije ulja Grijanje Dimnjak Zrak
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Postupak obrade staklenog otpada Prijam otpada Potrošači pare Isprane krutnine Kontrola mirisa Turbina Generator Potrošači el. energije Sušenje Peć za staklo Para Izmjenjivač Sekundarno gorivo Staklena masa Kontrola zraka
Oksidaciona plinifikacija TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Reducirani dovod kisika Primarna komora Sekundarna komora Izmjenjivač topline Kontrola plinova Kruti otpad Pepeo bez ugljika Zrak Turbina Gen. Batch Oxidation System
Plazmena plinifikacija elektrolučno proizvedena plazma temperature ~20.000 C. iznad 2.000 C gorivo/otpad disocira na jednostavne molekule H, CO, CO 2, CH 4, H 2 O i metalnih spojeva. toplinska energija 2 4 puta veća od uložene električne energije. Gorivo/ otpad TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Plazmena komora zračna ustava baklja talina Izlaz plina Rastaljeni silikati i metali Otpad / gorivo Plazmena komora Hlañenje plina Gašenje taline Prečistač plina Toplinska trošila Spremnik plina Toplinska trošila Plinska turbina Gen.
Tretman plazmenog plina TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Spremnik Komora 2 1 3 4 5 6 7 Stupnjevi tretmana plina: 1. Smanjenje temperature sa 1000 na 650 0 C, 2. Ciklonski separator čestica, 3. Naknadno oduzimanje topline, 4. Kolektor prašine, 5. Selektivna katalitička redukcija NOx, 6. Kolonski prečistač kiselina i isparenih metala, 7. Filter s aktivnim ugljenom.
Detalji plazmene plinifikacije TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Luk grafitnih elektroda u komori Izlijevanje rastaljenih ostataka izgaranja Ohlañeni silikatni ostaci izgaranja
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Kombinirano postrojenje s generatorom pare Plinifikator Dimnjak Gorivo Spremnik Kompresor Hladnjak Filter Dimnjak Generator Parna Plinska turbina turbina Generator Generator pare Grijanje
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Proces s izgaranjem na fluidiziranom sloju pod tlakom tlačna posuda PFB kotao komprimirani zrak zrak plinska turbina vrući plin generator dolomit/ vapnenac cikloni parna turbina generator ugljen voda posuda F-sloja pepeo sloja voda pepeo ciklona para pregrijač hladnjak pepela gr kondenzator pojna voda elektrostatski prečistač izmjenjivač dimnjak
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Kombinirani proces s integriranom plinifikacijom ugljen / vapnenac plinifikator s fluidiziranim slojem ciklon para A prečistač vrućeg plina hladnjak plina zrak desulfatizacija vrući plin generator kompresor para A pl.turbina vrući plin generator pare pojna voda para para dimnjak generator kruti otpad
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Kombinirani proces s hibridnom tehnologijom parna turbina VT ST NT izmjenjivač konden. PLINIFIKACIJA tekuće / plinovito gorivo kruto gorivo plinska turbina generator pare dimni plin dimni plin
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Trigeneracija s plinskim strojem 4 - absorpcioni hladnjak 5 - izmjenjivač dimnog plina 6 1 izmjenjivač rashladne vode 2 hladnjak zraka 3 hladnjak maziva otpadna toplina vruća voda 115ºC povrati vode topla voda 45ºC rashladna voda 2 3 4 hladna voda 7ºC zrak prirodni plin diesel 1 6 5 ispuh el. en.
Gorivo: 100% TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Iskoristivost proizvodnje i prijenosa 32-56% Gubici proizvodnje: 44-68% Gubici prijenosa i distribucije: 8% od 32-56% Gorivo: 100% Ukupna iskoristivost: 32-56% 27-45% Gubici nakon proizvodnje el.en.i oduzimanja topline: 15-30% Korisna oduzeta toplina: 40-50% Ukupna iskoristivost: 70-85%
Otvorena pitanja: Analitički izbor postrojenja ogrijevna moć goriva: plin, otpad, smeće TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja pogonski stroj: plinska turbina, parna turbina, kombinacija vrijednost utjecaja na CO 2 i NO x cijene električne i toplinske energije cijene zbrinjavanja otpada, smeća i ostataka izgaranja životni vijek, operativni troškovi postrojenja i poslovanja troškovi razgradnje kapitalna investicija i anuiteti
TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja Zaključak EC smjernice obvezuju na kogeneracijsku proizvodnju energije i ograničenje štetnih plinova iako se smanjuje stupanj električnog iskorištenja, raste ukupni stupanj iskorištenja konverzije energije postrojenja su kompaktnija, čišća i prilagoñenija namjeni distribuirana proizvodnja energije smanjuje troškove prijenosa i nadomješta nacionalne investicije u energetske objekte prednost lokalnih goriva (bioplin, otpad, smeće) nove tehnologije su relativno skupe te traže fiskalno rasterećenje i druge olakšice