ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Σταθμοί Παραγωγής Ενέργειας Ενότητα 1: Ατμοστρόβιλοι Δρ Γεώργιος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί Ενότητας Σκοπός της ενότητας αυτής αποτελεί η κατανόηση από τους φοιτητές του κύκλου Rankine καθώς και των τρόπων βελτίωσης του βαθμού απόδοσης των εγκαταστάσεων των ατμοστροβίλων. Επίσης σκοπεύει στη γνώση της λειτουργίας των επιμέρους στοιχείων που συνιστούν μια εγκατάσταση ισχύος με ατμό. Με την εμπέδωση των παραπάνω γνώσεων και των χρησιμοποιούμενων μεθόδων οι φοιτητές θα μπορούν να επιλύουν προβλήματα που σχετίζονται με το αντικείμενο της εν λόγω ενότητας. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Εισαγωγή Κεντρικά Συστήματα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Ατμοστρόβιλοι (Κύκλος Rankine) Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης Τρόποι Βελτίωσης του Βαθμού Απόδοσης Αναθέρμανση - Απομάστευση Τροφοδοτική Αντλία Συμπυκνωτής Ατμοπαραγωγός Δίκτυα Λειτουργίας του Ατμοπαραγωγού Ατμοστρόβιλος 5
Εισαγωγή 6
Παγκόσμια Ενεργειακή Παραγωγή από Διάφορα Καύσιμα (IEA, 2013) 7
Πηγές Ενέργειας για Ηλεκτροπαραγωγή στην ΕΕ των 27 Ποσοστό συμμετοχής % 35 30 25 20 15 10 5 0 29,4 Άνθρακας 27,8 Πυρηνική ενέργεια 22,6 Φυσικό αέριο 15,6 3,3 0,2 ΑΠΕ Πετρέλαιο Άλλες πηγές Πηγές ενέργειας 8
Εγκατεστημένη Ισχύς Μονάδων στο Διασυνδεδεμένο Σύστημα ανά Καύσιμο (ΛΑΓΗΕ 2014) 9
Ποσοστό (%) στο Σύνολο της Εγκατεστημένης Ισχύος στο Διασυνδεδεμένο Σύστημα ανά Καύσιμο (ΛΑΓΗΕ 2014) 10
Ποσοστιαία Κατανομή των Ελληνικών Αποθεμάτων Λιγνίτη 11
Σενάριο επίτευξης στόχων 20-20-20 12
Ηλεκτροπαραγωγικοί Λιγνιτικοί Σταθμοί στην Ελλάδα Α/Α Ηλεκτροπαραγωγική μονάδα Ισχύς (MWe) Έτος έναρξης Βαθμός απόδοσης (%) 1 Αμύνταιο I 310 1986 31,9 2 Αμύνταιο II 310 1986 32,8 3 Λυπτολ I 13 1959 24,7 4 Λυπτολ II 30 1964 24,7 5 Πτολεμαΐδα I 70 1959 26,1 6 Πτολεμαΐδα II 125 1961 26,1 7 Πτολεμαΐδα III 125 1964 30,3 8 Πτολεμαΐδα IV 300 1970 30,4 9 Καρδιά I 300 1974 31,7 10 Καρδιά II 300 1974 31,2 11 Καρδιά III 300 1979 32,7 12 Καρδιά IV 300 1980 31,5 13 Άγιος Δημήτριος I 300 1983 33,4 14 Άγιος Δημήτριος II 300 1983 33,7 15 Άγιος Δημήτριος III 310 1984 31,9 16 Άγιος Δημήτριος IV 310 1985 32,4 17 Άγιος Δημήτριος V 366 1997 36 18 Μεγαλόπολη I 125 1969 30,7 19 Μεγαλόπολη II 125 1969 30,7 20 Μεγαλόπολη III 300 1974 29,5 21 Μεγαλόπολη IV 300 1991 30,4 22 Φλώρινα 330 2003 13
Κεντρικά Συστήματα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Ατμοηλεκτρικοί σταθμοί Σταθμοί με αεριοστροβίλους Σταθμοί συνδυασμένου κύκλου Σταθμοί ΑΠΕ Υδροηλεκτρικοί σταθμοί Πυρηνικοί σταθμοί 14
ΑΤΜΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ 15
Ο Κύκλος Rankine Ο κύκλος Rankine διέπει τις εγκαταστάσεις ισχύος με ατμό. Ο απλός κύκλος έχει την παρακάτω διάταξη: 16
Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης Λέβητας: Q B =m(h 3 -h 2 ) Στρόβιλος: W t =m(h 3 -h 4 ) Συμπυκνωτής: Q B =m(h 4 -h 1 ) Αντλία: W p =m(h 2 -h 1 ) 17
Θερμοδυναμικός Βαθμός Απόδοσης (2) Ο θεωρητικός θερμοδυναμικός απόδοσης του απλού κύκλου Rankine είναι: Ειδική κατανάλωση ατμού: Εάν θεωρήσουμε ισεντροπικούς βαθμούς απόδοσης σε αντλία και στρόβιλο τότε ισχύει: 18
Τρόποι Βελτίωσης του Βαθμού Απόδοσης Με αύξηση της θερμοκρασίας του υπέρθερμου ατμού Ένα ανώτατο όριο θερμοκρασίας του υπέρθερμου ατμού δίνεται από την αντοχή των χαλύβδινων υλικών, που χρησιμοποιούνται στους αυλούς των λεβήτων και στα πτερύγια των στροβίλων. Στη σημερινή εφαρμοσμένη τεχνολογία οι ανώτατες επιτρεπτές θερμοκρασίες δεν υπερβαίνουν τους 600 C. 19
Τρόποι Βελτίωσης του Βαθμού Απόδοσης (2) Με αύξηση της πίεσης του υπέρθερμου ατμού Η αισθητή μείωση της απορριπτόμενης ποσότητας θερμότητας κατά την συμπύκνωση του ατμού οφείλεται στο γεγονός, ότι μειώνεται η ποιότητα x του ατμού στην έξοδο από το ατμοστρόβιλο, δηλαδή αυξάνεται το περιεχόμενο υγρασία. Δεν θα πρέπει όμως να μειωθεί κάτω του 88%. Για το λόγο αυτό θα πρέπει με την αύξηση της πίεσης να αυξάνει και η θερμοκρασία του υπέρθερμου. 20
Τρόποι Βελτίωσης του Βαθμού Απόδοσης (3) Με τη μείωση της πίεσης στο συμπυκνωτή (ψυγείο) Η αύξηση του βαθμού απόδοσης με την μείωση της πίεσης συμπύκνωσης είναι σημαντική. Αυτή η μείωση δεν μπορεί να ξεπεράσει κάποιο όριο το οποίο καθορίζεται από τη θερμοκρασία του νερού ψύξης στο συμπυκνωτή. 21
Διάγραμμα ητη, SSC και Θερμοκρασίας Υπέρθερμου Μεταβολή του θεωρητικού βαθμού απόδοσης και της ειδικής κατανάλωσης ατμού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία υπερθέρμανσης και πίεση του λέβητα 30 bar 22
Διάγραμμα ητη, SSC και Πίεσης Λέβητα για Θερμοκρασία Υπέρθερμου 600 ο C Μεταβολή του θεωρητικού βαθμού απόδοσης και της ειδικής κατανάλωσης ατμού σε συνάρτηση με την πίεση του λέβητα και θερμοκρασία υπέρθερμου ατμού 600 ο C 23
Διάγραμμα ητη, SSC και Πίεσης Λέβητα Μεταβολή του θεωρητικού βαθμού απόδοσης και της ειδικής κατανάλωσης ατμού σε συνάρτηση με την πίεση του λέβητα 24
Κύκλος με αναθέρμανση 1-2: Διεργασία στην αντλία 2-3: Διεργασία στο λέβητα 3-4: Διεργασία στο στρόβιλο Υ.Π. 4-5: Διεργασία αναθέρμανσης 5-6: Διεργασία στο στρόβιλο Χ.Π. 6-1: Διεργασία στο συμπυκνωτή 25
Αναθέρμανση Ο ατμός εξερχόμενος μετά την εκτόνωση του από κάθε ατμοστρόβιλο, αναθερμαίνεται, δηλαδή εισέρχεται εκ νέου στον ατμοπαραγωγό, στην περιοχή του υπεθερμαντήρα, και αναθερμαίνεται μέχρι τη θερμοκρασία του υπέρθερμου ατμού, για να εκτονωθεί στην συνέχεια στον επόμενο. Με την αύξηση του αριθμού των αναθερμάνσεων επέρχεται και αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης χωρίς να είναι όμως ανάλογη η αύξηση του αριθμού των αναθερμάνσεων με την αύξηση του βαθμού απόδοσης, αντιθέτως η αύξηση βαίνει μειούμενη. Ο αριθμός των αναθερμάνσεων περιορίζεται και από την αύξηση του κόστους και της πολυπλοκότητας της εγκατάστασης. 26
Κύκλος με Αναθέρμανση και Απομάστευση Εναλλάκτης Επαφής 7 6 Β 5 t 5 7 4 6 HPT LPT 8 G 4 2 3 6 3 HE 2 1 1 C 8 P 2 P 1 1-2/3-4: Διεργασίες στις αντλίες 4-5: Διεργασία στο λέβητα 5-6: Διεργασία στο στρόβιλο Υ.Π. 6-7: Διεργασία αναθέρμανσης 6-3: Διεργασία απομάστευσης για τον απαεριωτή 7-8: Διεργασία στο στρόβιλο Χ.Π. 8-1: Διεργασία στο συμπυκνωτή s 27
Κύκλος με Αναθέρμανση και Απομαστεύσεις Εναλλάκτες Ανάμιξης και Επαφής 7 8 Β 6 t 6 8 5 HPT 7 HE 4 3 Απαερωτής P 2 11 12 LPT 9 2 P 1 C 1 10 G 5 4 3 2 1 11 12 7 10 9 s 7-11: Διεργασία απομάστευσης για τον εναλλάκτη επαφής 9-12: Διεργασία απομάστευσης για τον εναλλάκτη ανάμιξης 11-12: Διεργασία στραγγαλισμού (ισενθαλπική) 28
Επιλογή Αριθμού Απομαστεύσεων (Αριθμός Προθερμαντήρων Τροφοδοτικού Νερού) Ο θερμικός βαθμός απόδοσης αυξάνεται με την αύξηση των βαθμίδων προθέρμανσης. Ωστόσο ο αριθμός των προθερμαντήρων περιορίζεται από διάφορους παράγοντες, από τους οποίους οι πιο σημαντικοί είναι: Η υπερβολική αύξηση του κόστους, η οποία μπορεί να γίνει δυσανάλογη προς το αποτέλεσμα Η αύξηση της θερμοκρασίας του τροφοδοτικού νερού με πολλαπλές προθερμάνσεις μειώνει το περιθώριο αύξησης του ατμού στον ατμολέβητα, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων να αυξάνεται. Η αύξηση όμως της θερμοκρασίας αυτής είναι συνυφασμένη με ανάλογα αυξημένες απώλειες προς το περιβάλλον 29
Επιλογή Αριθμού Απομαστεύσεων (Αριθμός Προθερμαντήρων Τροφοδοτικού Νερού) (2) Η αύξηση του αριθμού των προθερμάνσεων οδηγεί σε μείωση της παροχής ατμού στο ψυγείο, άρα και μείωση της απορριπτόμενης θερμότητας στο περιβάλλον Τέλος να επισημανθεί, ότι η υψηλή προθέρμανση του τροφοδοτικού νερού για τον ατμολέβητα έχει το πλεονέκτημα ότι η παροχή ατμού στις τελευταίες βαθμίδες του ατμοστρόβιλου χαμηλής πίεσης μειώνεται. Επειδή η μείωση πίεσης συνεπάγεται, ιδιαίτερα σε χαμηλές πιέσεις, ουσιαστική αύξηση του όγκου, ο ατμοστρόβιλος χαμηλής πίεσης μπορεί να κατασκευασθεί ουσιαστικά μικρότερος. Το ίδιο ισχύει και για το ψυγείο 30
Τροφοδοτική Αντλία Η αντλία ανυψώνει την πίεση του κεκορεσμένου νερού που επιστρέφει από το συμπυκνωτή, για να την φέρουν στην τιμή πίεσης τροφοδοσίας του ατμοπαραγωγού. Το νερό εισέρχεται στις αντλίες σε κατάσταση κορεσμού και κατά την έξοδο του είναι υπόψυκτο. 31
Τροφοδοτική Αντλία (2) 32
Αντιμετώπιση της Σπηλαίωσης Χαρακτηριστικές της αντλίας Μανομετρικό ύψος Η, Απαιτούμενη ισχύς Ν, Βαθμός απόδοσης η, Απαιτούμενο θετικό ύψος αναρρόφησης NPSHR Ν [kw] Η [mσυ] η [%] ΝPSHR [mσυ] Q [m3/h] 33
Θετικό Ύψος Αναρρόφησης NPSH A >NPSH R Ls Pb NPSHA=Pb-(Pv+Ls+hf) Pb Lh NPSH A =Pb+Lh-(Pv+hf) 34
Θετικό Ύψος Αναρρόφησης NPSH A >NPSH R (2) Ls P NPSH A =P(Pv+Ls+hf) P Lh NPSH A =P+Lh- (Pv++hf) Pv: Τάση ατμών σε mσυ hf: Απώλειες λόγω τριβών σε m 35
Εγκατάσταση Τροφοδοτικών Αντλιών 36
Συμπυκνωτής Συλλέγει και συμπυκνώνει τον ατμό στην έξοδο του στροβίλου, απορρίπτοντας την απαραίτητη θερμότητα στο περιβάλλον. Πρόκειται για εναλλάκτη θερμότητας, στον οποίο ανταλλάσσεται θερμότητα μεταξύ δύο ρευμάτων: του ατμού εξόδου του στροβίλου, που συμπυκνώνεται και οδηγείται προς το σύστημα τροφοδοσίας του ατμοπαραγωγού (αντλίες), απορρίπτοντας θερμότητα του νερού ψύξης, που παραλαμβάνει την απορριπτόμενη θερμότητα. Το νερό ψύξης είτε προέρχεται από το περιβάλλον (π.χ. νερό θάλασσας ή ποταμών) είτε κυκλοφορεί σε εξωτερικό κύκλωμα, σε τμήμα του οποίου πραγματοποιείται η ψύξη (π.χ. σε πύργους ψύξης) 37
Συμπυκνωτές Ατμού 38
Διάβρωση & Επισκευή Συμπυκνωτών 39
Ατμοπαραγωγός Παράγει τον ατμό που απαιτείται για τη λειτουργία του ατμοστροβίλου, με καύση κάποιου καυσίμου. Η όλη διεργασία θέρμανσης του νερού, ατμοποίησης και υπερθέρμανσης γίνεται υπό σταθερή πίεση (για την ακρίβεια υπάρχει μικρή μεταβολή πίεσης που οφείλεται κυρίως στη ροή του νερού-ατμού μέσα στον ατμοπαραγωγό). Τα βασικά τμήματα του ατμοπαραγωγού είναι: Οικονομητήρας: Το τμήμα στο οποίο γίνεται προθέρμανση του νερού από υπόψυκτη κατάσταση σε κατάσταση 40-50οC κάτω από τη θερμοκρασία ατμοποίησης για την πίεση του ατμοπαραγωγού Στοιχείο ατμοποίησης: Το κύριο στοιχείο στο οποίο γίνεται η ατμοποίηση του νερού, δηλαδή από κορεσμένο περίπου νερό πάμε σε ξηρό κεκορεσμένο ατμό. Η πρόσδωση της απαραίτητης θερμότητας γίνεται με την καύση κάποιου καυσίμου Υπερθερμαντήρας: Το τμήμα στο οποίο μετατρέπεται ο κεκορεσμένος ατμός σε υπέρθερμο (όταν έχουμε κύκλο υπέρθερμού ατμού) 40
Διάκριση Ατμοπαραγωγών Α γενιάς: Χαρακτηρίζονται ως ατμοπαραγωγοί αεριαυλωτοί μετά μεγάλου τυμπάνου. Δηλαδή τα καυσαέρια διέρχονται μέσα από τους αυλούς και το νερό περιρρέει τους αυλούς Β γενιάς: Χαρακτηρίζονται ως ατμοπαραγωγοί υδραυλωτοί μετά μικρού τυμπάνου. Δηλαδή το νερό διέρχονται μέσα από τους αυλούς και τα καυσαέρια περιρρέουν τους αυλούς. Αυτό έγινε από τη στιγμή που αντιμετωπίστηκε το θέμα της σκληρότητας του νερού Σύγχρονοι ατμοπαραγωγοί: Είναι στην ουσία ατμοπαραγωγοί Β γενιάς, αλλά αντί το στοιχείο ατμοποίησης να είναι ένα απλό αυλόδεμα στη ροή των καυσαερίων, είναι επενδεδημένη η ίδια η εστία με αυλούς, έτσι εκμεταλλευόμεθα καλύτερα τη θερμότητα με ακτινοβολία που εκπέμπουν τα καυσαέρια λόγω της υψηλής τους θερμοκρασίας 41
Δίκτυα Λειτουργίας του Ατμοπαραγωγού Δίκτυο νερού ατμού Δίκτυο καυσίμου Δίκτυο αέρα καύσης Δίκτυο συμπυκνωμάτων 42
Ατμοπαραγωγός Αεριαυλωτός (Α γενιάς) 43
Ατμοπαραγωγός Υδραυλωτός (Β γενιάς) 44
Δίκτυο Νερού Ατμού 12 1. Απαεριωτής 2. Δεξαμενή τροφοδοτικού νερού 3. Αντλία τροφοδοτικού νερού 4. Οικονομητήρας 5. Δικλίδα τροφοδοτικού νερού 6. Τύμπανο 7. Σωλήνες καθόδου 8. Υδροσυλλέκτες 9. Στοιχείο ατμοποίησης 10. Εστία 11. Ατμοσυλλέκτες 12. Σωλήνες ανόδου 13. Υπερθερμαντήρας 14. Κύριος ατμοφράκτης 15. Στρατσώνα 16. Υδροδείκτης 17. Θερμόμετρο 18. Μανόμετρο 19. Πλωτεροδιακόπτης 45
Ατμοστρόβιλος Είναι η περιστροφική θερμική μηχανή που έχει αντικαταστήσει την παλιά παλινδρομική μηχανή Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της δυναμικής ενέργειας του ατμού που έκφρασή της είναι η πίεση, σε κινητική ενέργεια που έκφρασή της είναι η ταχύτητα, διακρίνονται σε ατμοστρόβιλοι δράσεως και ατμοστρόβιλοι αντιδράσεως Δράσεως Αντιδράσεως 46
Στρόβιλος Δράσεως με Διαβάθμιση Ταχύτητας 47
Στρόβιλος Δράσεως με Διαβάθμιση Πίεσης 48
Σύνθετη Διαβάθμιση Πίεσης και Ταχύτητας 49
Διαβάθμιση Στροβίλου Αντιδράσεως 50
Στρόβιλος Δράσεως 51
Διάκριση Ατμοστρόβιλων Ανάλογα με τη Διάταξη Ροής Ανάλογα με τη διάταξη της ροής διακρίνονται σε ατμοστρόβιλους: Απλής ροής: Ο ατμός κινείται με κατεύθυνση, από την είσοδο υψηλής πίεσης μέχρι την έξοδο Διπλής ροής: Ο ατμός χωρίζεται σε δύο κλάδους περνώντας σε αντίθετες φορές από δύο διαφορετικές σειρές βαθμίδων πάνω στην ίδια άτρακτο Σύνθετη διάταξη: Ο ατμός περνάει από μια σειρά διαφορετικές χωριστές μονάδες. Στη σύνθετη διάταξη έχουμε ομάδες βαθμίδων τοποθετημένες σε δύο ή περισσότερα κελύφη και συνδεδεμένες συνήθως στην ίδια άτρακτο. Η εκτόνωση πραγματοποιείται με πέρασμα του ατμού διαδοχικά από τα κελύφη αυτά. Ο διαχωρισμός των κελυφών συνήθως συνδέεται με μεταβολές στον κύκλο λειτουργίας 52
Διάκριση Ατμοστρόβιλων Ανάλογα με τις συνθήκες Εισόδου - Εξόδου Ανάλογα με τις συνθήκες εισόδου εξόδου του ατμού διακρίνονται σε: Ατμοστρόβιλους συμπύκνωσης: Η έξοδος του ατμοστροβίλου γίνεται στο συμπυκνωτή, στον οποίο έχουμε την υγροποίηση του ατμού. Ο συμπυκνωτής βρίσκεται σε πολύ χαμηλή πίεση, αρκετά χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική Ατμοστρόβιλους αντίθλιψης: Ο ατμός στην έξοδο έχει σχετικά υψηλή πίεση και θερμοκρασία, για τροφοδοσία διεργασιών με ατμό ή ακόμα και ενός άλλου στροβίλου Ατμοστρόβιλους με απομαστεύσεις: Στην περίπτωση αυτή μέρος του ατμού απομαστεύεται από κάποια ενδιάμεση θέση του στροβίλου και χρησιμοποιείται για άλλες χρήσεις π.χ. θέρμανση του τροφοδοτικού νερού ή άλλες διεργασίες 53
Ατμοστρόβιλος Υψηλής, Μέσης & Χαμηλής Πίεσης 54
Ανοικτός Ατμοστρόβιλος 55
Στροφείο Ατμοστροβίλου 56
Πτερύγια Στροβίλου Αντιδράσεως 57
Εγκατάσταση Ισχύος με Ατμό (1) boiler furnace, (2) boiler tubes, (3) steam superheater, (4) steam drum, (5) reheat superheater, (6) economizer, (7) air heater, (8) steam turbine, (9) generator, (10) condenser, (11) condenser pump, (12) regenerative preheater, (13) feedwater pump, (14) blower, (15) ash collector, (16) exhaust fan, and (17) chimney 58
Ατμοηλεκτρικό Εργοστάσιο 59
Τέλος Ενότητας