ΗΜΥ 445/681 Διάλεξη 2 Ατμοηλεκτρικές και υδροηλεκτρικές μονάδες Δρ. Ηλίας Κυριακίδης Επίκουρος Καθηγητής ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ 2008Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου
ΤΑ ΘΕΜΑΤΑ ΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ Ατμοηλεκτρικές και υδροηλεκτρικές μονάδες Κόστος καυσίμων Χαρακτηριστικές καμπύλες Συμπαραγωγή (cogeneration)
ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Θερμικοί Υδροηλεκτρικοί Άλλοι Θερμότητα Μηχανική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια Δυναμική ενέργεια Μηχανική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια
ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Συμβατικοί (Conventional) Πυρηνικοί (Nuclear) Χρησιμοποιούν ουράνιο U 235 και άλλα ισότοπα Εσωτερικής καύσης (Internal combustion) Ατμοηλεκτρικοί (Steam turbines) Αεριοστροβιλικοί (Gas turbines) Συνδυασμένου κύκλου (Combined cycle)
ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Ατμοηλεκτρικοί (Steam turbines): Χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (κάρβουνο, μαζούτ, φυσικό αέριο) που καίγονται στο λέβητα για να δημιουργήσουν υπέρθερμο ατμό, ο οποίος κινεί το στρόβιλο. (Απόδοση 30-45%, πολύ αργή εκκίνηση (πολλές ώρες), μικρό λειτουργικό κόστος). Αεριοστροβιλικοί (Gas turbines): Ο ατμοσφαιρικός αέρας συμπιέζεται και οδηγείται στον θάλαμο καύσης όπου ψεκάζεται με πετρέλαιο diesel ή φυσικό αέριο. Τα αέρια οδηγούνται στον αεριοστρόβιλο που τον αναγκάζουν να περιστραφεί. (Απόδοση 25-35%, γρήγορη εκκίνηση, χρήση ως μονάδες αιχμής, ψηλό κόστος λειτουργίας).
ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Συνδυασμένου κύκλου (Combined cycle): Συνδυασμός αεριοστροβιλικού και ατμοηλεκτρικού σταθμού. Τα αέρια από την έξοδο του αεριοστρόβιλου διοχετεύονται σε ένα άλλο λέβητα όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστρόβιλο. (Απόδοση 50%). Εσωτερικής καύσης (Internal combustion): Χρησιμοποιούν έμβολα (πιστόνια) για να μετατρέπουν πίεση σε μηχανική ενέργεια. Χρησιμοποιείται diesel ή φυσικό αέριο ως καύσιμο το οποίο εκρήγνυται μέσα στο πιστόνι και καίγεται. Το πιστόνι δημιουργεί περιστρεφόμενη κίνηση μέσω ενός άξονα. (Απόδοση 50%). Χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρά συστήματα και σε μεγάλα κτίρια για να παρέχουν εφεδρική ισχύ.
ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Φυσικής ροής Δεξαμενής Υδροαντλητικοί (pumped storage)
ΜΠΛΟΚ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ Boiler Καυστήρας Βαλβίδα Turbine Στρόβιλος Γεννήτρια P ακάθαρτη P καθαρή Auxiliary power Βοηθητική ισχύς -- Περίπου 2-6% της παραγόμενης ισχύος χρησιμοποιείται για τις ανάγκες του σταθμού. -- Για να βελτιστοποιήσουμε το κόστος παραγωγής πρέπει να μελετήσουμε τη σχέση μεταξύ της καθαρής ισχύος στην έξοδο της μονάδας και του λειτουργικού κόστους.
ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ H: Ωριαία κατανάλωση θερμότητας (heat rate) Είναι ο ρυθμός με τον οποίο παρέχεται θερμότητα από το καύσιμο (Btu/h) F: Ωριαίο κόστος λειτουργίας (total cost per hour) ( /h) Κ: Κόστος καυσίμου ανά βαρέλι (fuel cost per barrel) ( /bbl ) Θ: Θερμογόνος δύναμη καυσίμου (heat content) (Btu/bbl) F = H Θ 1 Btu (British thermal unit) = 1055 J 1 MBtu = 1x10 6 Btu 1 MBtu = 0.293 MWh * K 1 barrel = 42 US gallons = 158.973 liters
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ 1. Χαρακτηριστική εισόδου εξόδου Input output characteristic H or F vs P 2. Χαρακτηριστική διαφορικής κατανάλωσης (ήκόστους) καυσίμου Incremental heat rate (or fuel cost) characteristic ΔH/ΔP ήδf/δp vs P 3. Χαρακτηριστική ειδικής κατανάλωσης θερμότητας Unit heat rate characteristic Η/P vs P
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΥ - ΕΞΟΔΟΥ Input, H (MBtu/h) or F ( /h) P min Output, P (MW) P max Στην πραγματικότητα η καμπύλη δεν είναι ομαλή (λόγω των βαλβίδων εισαγωγής ατμού (valve points)). Μπορεί να είναι είτε ρυθμός κατανάλωσης καυσίμου συναρτήσει της ισχύος, είτε ρυθμός κόστους.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΥ - ΕΞΟΔΟΥ Αντιπροσώπευση χαρακτηριστικής: -- δευτεροβάθμιες ή τριτοβάθμιες συναρτήσεις -- τμηματικά γραμμικές συναρτήσεις (piecewise linear functions) Input, H (MBtu/h) or F ( /h) P min P max Output, P (MW) Θα χρησιμοποιήσουμε την δευτεροβάθμια αντιπροσώπευση: ( 2 PG ) a bpg cp G H = + +
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ Incremental heat rate ΔH/ΔP (Btu/kWh) or incremental heat cost ΔF/ΔP ( /kwh) P min P max Output, P (MW) Συνήθως προσεγγίζεται με μια σειρά μικρών ευθειών γραμμών.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ Incremental heat rate ΔH/ΔP (Btu/kWh) or incremental heat cost ΔF/ΔP ( /kwh) P min Υπολογίζεται παραγωγίζοντας την χαρακτηριστική εισόδου-εξόδου. Output, P (MW) P max dh ( P ) IC( P ) = + 2 G G = b cpg /MWh dpg Incremental cost (διαφορικό κόστος)
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΔΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Unit heat rate curve H/P (Btu/kWh) P min Output, P (MW) P rated P max Δίνει την θερμότητα εισόδου ανά κιλοβατώρα εξόδου συναρτήσει της ισχύος εξόδου. Είναι το αντίστροφο του βαθμού απόδοσης της μονάδας. Οι μονάδες έχουν μικρό βαθμό απόδοσης σε χαμηλά φορτία και ψηλό βαθμόαπόδοσης στην ονομαστική τους τιμή.
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΧΡΗΣΗΣ ΚΑΡΒΟΥΝΟΥ Μια μονάδα παραγωγής παράγει καθαρή ισχύ 400 MW και έχει αποδοτικότητα 37%. Η καύσιμη ύλη που χρησιμοποιεί είναι κάρβουνο το οποίο κοστίζει 1.45 ανά MBtu και έχει 8500 Btu ανά κιλό. Πόση είναι η κατανάλωση κάρβουνου σε kg/h; Πόσο είναι το κόστος ανά MWh; 400MWh 1081.08MWh 1MBtu 1kg Fuel = = = 1h 0.37 h 0.293MWh 0.0085MBtu kg 434081.51 h 1081.08MWh 1MBtu 1.45 Cost = = h 0.293MWh MBtu 5350.05 /h ή 13.38 /MWh
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΠΑΤΑΛΗΣ ΚΑΡΒΟΥΝΟΥ Έστω ότι ένας λαμπτήρας 100 W μένει αναμμένος από λάθος για 8 ώρες. Ο ηλεκτρισμός παρέχεται από την μονάδα παραγωγής του προηγούμενου παραδείγματος και οι απώλειες μεταφοράς/διανομής είναι 15%. Πόσο κάρβουνο σπαταλήθηκε; Κατανάλωση ενέργειας από λαμπτήρα: 100 W * 8 h = 800 Wh Η μονάδα παραγωγής πρέπει να παράγει 800 * 115% = 920 Wh για να καλύψει τις απώλειες Η αποδοτικότητα της μονάδας είναι 37%, άρα η μονάδα καταναλώνει 920Wh 1MWh 0.37 6 10 Wh 1MBtu 0.293MWh 1kg 0.0085MBtu = 0.998kg
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ Έστω ότι δυο μονάδες παραγωγής έχουν τις ακόλουθες συναρτήσεις κόστους 2 1 ( PG 1 ) 800 + 18PG 1 0. 01PG 1 2 ( PG 2 ) 400 + 16PG 2 0. PG 2 C + = /h C 2 + 025 = /h Βρείτε το διαφορικό κόστος και το συνολικό κόστος παραγωγής κάθε μονάδας αν η μονάδα 1 παράγει 200 MW και η μονάδα 2 140 MW. IC IC 1 2 ( P ( P G1 ) G2 C C ) = 1 = 2 (200) = 800 + 18 200 + (140) = 400 + 16 140 + dc1( P dp G1 G1 dc2( P dp G2 ) G2 = 18 + 0.02P ) G1 = 16 + 0.05P G2 IC 1 IC 0.01 200 2 0.025 140 2 = 4800 = 3130 (200) = 18 + 0.02 200 = 22 /MWh 2 /h /h (140) = 16 + 0.05 140 = 23 /MWh
ΚΟΣΤΟΣ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ Η εκκίνηση των ατμοηλεκτρικών μονάδων είναι μια πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία => μεγάλο κόστος εκκίνησης (start-up cost). Η εκκίνηση των υδροηλεκτρικών μονάδων και των αεριοστροβίλων είναι εύκολη και χωρίς κόστος. Δύο ειδών εκκινήσεις: -- Ψυχρή εκκίνηση (Cold start) -- Θερμή εκκίνηση (Hot start) Λόγω του μεγάλου κόστους εκκίνησης, συνήθως οι ατμοηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούνται όλο το 24ωρο ως μονάδες βάσης (base units).
ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ (COGENERATION) Είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας Ονομάζεται και combined heat and power (CHP) Χρησιμοποιείται σε μεγάλα κτίρια, νοσοκομεία, εργοστάσια, ακόμη και σε αστικές περιοχές ως διασυνδεδεμένο σύστημα. Παράγει ηλεκτρισμό ενώ ο ατμός χρησιμοποιείται και για σκοπούς θέρμανσης ή για τους σκοπούς της βιομηχανίας στο συγκεκριμένο χώρο. Στις χώρες που χρησιμοποιείται είναι η πιο σημαντική μορφή παραγωγής που είναι ενταγμένη στα συστήματα διανομής.
ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ Αυξάνει την αποδοτικότητα του συστήματος αφού η παραγόμενη θερμότητα χρησιμοποιείται. Οικονομικά οφέλη από την πώληση ενέργειας και θερμότητας. Απαραίτητη προϋπόθεση: Να υπάρχει ανάγκη θέρμανσης ολόκληρο το χρόνο (π.χ. βιομηχανίες, νοσοκομεία, περιοχές με χαμηλές θερμοκρασίες) Αποδοτικότητα συμβατικών μεθόδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας: 30-50%. Αποδοτικότητα αν υπάρχει εκμετάλλευση της παραγόμενης θερμότητας: μέχρι 90%. Κόστη: αρχική επένδυση σε εξοπλισμό, καύσιμη ύλη, συντήρηση.
ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ-ΚΑΥΣΙΜΑ Κάρβουνο Σχετικά φθηνό, περιβαλλοντικά προβλήματα, πιο δύσκολη η αποδοτική καύση του και η καθαριότητα σε μικρές μονάδες. Ιχνηθετημένο πετρέλαιο εσωτερικής καύσης (gas oil) ή φωτιστικό πετρέλαιο (kerosene) Συνήθως πολύ ακριβό. Αν χρησιμοποιηθεί, χρησιμοποιείται ως δευτερεύον καύσιμο. Βαρύ μαζούτ (heavy fuel oil) Χρησιμοποιείται σε μεγάλες μονάδες συμπαραγωγής. Φυσικό αέριο (natural gas) Ακριβό, αλλά πολύ καθαρό και απλό να χρησιμοποιηθεί. Βιομάζα και απόβλητα Μηδενικό κόστος, βοηθά στην μείωση του κόστους απόρριψης αποβλήτων.