Transcript Preuzmi fajl - Katedra za EES

Elektrotehnički fakultet u Beogradu
Katedra za elektroenergetske sisteme
Osnovne i master akademske studije
Elektrane
Termoelektrane
Predmetni nastavnik: Dr Željko Đurišić
Pripremio: Mileta Žarković, asistent
Termoelektrane
• Termoelektrane su postrojenja u kojima se hemijska energija goriva
pretvara u električnu energiju višestruko, konverzijom energije:
1. prvo se hemijska energija goriva, sagorevanjem, pretvara u toplotnu
energiju, taj proces odvija se sa visokim stepenom iskorišćenja.
Ložišta parnih kotlova.
2. drugi korak je pretvaranje toplotne energije u mehaničku. Ovaj proces
odvija se sa niskim stepenom iskorišćenja. Parni kotao – turbina.
3. treća konverzija je pretvaranje mehaničke energije u električnu, koja
se odvija sa visokim stepenom iskorišćenja. Sinhrona mašina.
• Osnove termodinamike
• Kao medijum za prenos toplotne energije u termoelektranama koristi se
vodena para čije osobine ne odstupaju znatno u odnosu na idealne
gasove.
Termodinamika
Osnovni pojmovi: temperatura T[K], količina toplote Q[J], pritisak
p[Pa], zapremina v[m3], unutrašnja energija u[J], entalpija h[J],
entropija s[J/K].
pv  RT
h  u pv
ds 
dQ
T
p
1
2
2
2
T
v
dT
dv
s   ds   cv
  R  cv ln 2  R ln 2
T
v
T1
v1
1
1
1
dQ
2
v
Entropija nekog termodinamičkog procesa ne zavisi od
karaktera samog procesa već zavisi samo od početnih i krajnjih
temperatura i zapremina.
Prednost T-S dijagrama!
Osnovni tipovi termodinamičkih procesa
1.
Izohorski (ne generiše mehanički rad)
ds 
2.
dQ
dT
 cv
T
T
T2
0
T1
Izobarski (gas vrši mehanički rad i povećava se T)
A  p(v2  v1 )  R(T2  T1 )
3.
s  s2  s1  cv ln
T2
v2
s  cv ln  R ln  sT  sA
T1
v1
Izotermski (sva dovedena energija se pretvara u mehanički rad)
2
2
T2
v2
s  cv ln  R ln  0  sA A   pdv  RT dv  RTln v2  p1v1 ln v2  p1v1 ln p1
T1
v1
v
v1
v1
p2
1
1
4.
Adijabatski (unutrašnja energija gasa pretvara se u mehanički rad ako se
gas širi, ili se mehanička energija pretvara u unutrašnju energiju gasa ako
se gas se sabija)
dQ  0  cv dT  pdv  cv dT  dA
A  cv (T2  T1 )
Termodinamički radni ciklusi
Transformacija toplotne energije u mehaničku energiju je moguća pri
izobarskom, izotermičkom i adijabatskom procesu.
Parne ili gasne turbine su mašine u kojima se toplotna energija radnog
fluida pretvara u mehaničku energiju, pri čemu se toplotna energija niti
dovodi niti odvodi iz turbine.
U toplotnim turbinama moguće je dobiti mehaničku energiju jedino pri
adijabatskom procesu ekspanzije vodene pare ili nekog drugog gasa.
Termodinamički proces:
1-2 izobarsko zagrevanje gasa količinom toplote Q12,
2-3 adijabatsku ekspanziju u turbini,
3-4 izobarsko hlađenje gasa koji je prošao kroz turbinu i
4-1 predstavlja adijabatsku kompresiju.
2
Q12   Tds
1
t 
4
Q34 
 Tds
3
A
Q  Q34
 12
 1
Q12
Q12
Q34
Q12
A  Q12  Q34 
 Tds
1,2,3,4
Karnoov idealni termodinamički ciklusi
T
Q12>Q14,12,23
Q34<Q14,34,23
T1,T2
Stepen iskorišćenja Karnoovog ciklusa je uvek veći
od stepena iskorićenja bilo kog termodinamikog
ciklusa koji se odvija u istim granicama temperature
i entalpije, jer je:
Q34
K
t  1 

Q12
tK  1 
Q34
 1
Q12
t  1 
Q12
1
12
14
T3,T4
T3 (s3  s4 )
 1
T1(s2  s1)
tK  1 
23
34
4
3
Q34
s1,4
Q14,34,23
Q14,12,23
2
s2,3
273 20
 0,49
273 300
T3
T1
Konverzija toplotne energije u mehaničku odvija se sa slabim
stepenom iskorišćenja. Zato se za toplotnu energiju kaže da je
energija najniže vrste.
Za praktičnu realizaciju termodinamičkih ciklusa potreban je radni
fluid – gas, koji treba da je jeftin i da ima veliku specifičnu toplotu.
s
Proces isparavanja vode
p
Oblast u kojoj nema razlike izme|u
te~nosti i pare
K (pk=221,2 bara)
Oblast tečnosti
p1
D
E
1
p0
A
Oblast
2
B
Oblast
vlažne
pare
F
suve
3
pare
C
v0
v
Sl. 2.8. p-v dijagram vode i vodene pare
Eksperimentalno određeni dijagram na kome je:
1 – stanja tečnosti (većem pritisku odgovara veća
temperatura);
2 – linija ključanja vode;
3 – linija razgraničenja vlažne i suve pare;
K – kritična tačka kojoj odgovara pritisak
pk=221,2 bara i temperatura
Tk=273+374,1=647,1 °K.
Proces isparavanja vode
Oblast u kojoj nema razlike izme|u
vode i pare
K (T =647,1°K)
T
k
p1
Voda
1
A
E
D p1
p0 B
2
4
F
p0
p1
p0
Vlažna
para
C
Suva
para
3
x=1
x=0
x=const
Sl. 2.9. T-s dijagram vode i vodene
pare
s
1 – linija T=f(s) za vodu pri zapremini v0 (svakoj zapremini odgovara druga
linija). Sve linije stiču se u tački K.
2 – linija ključale vode;
3 – linija razgraničenja vlažne i suve pare;
4 – linija konstantnog sadržaja pare x;
x
mp
mv
mp – masa pare,
mv – početna masa vode u trenutku kada je
počelo zagrevanje.
Karnoov termodinamički ciklus sa vlažnom vodenom parom
K
T1=T2
Q1
2
1
2
p1,2
Q1
p1,2>>p3,4
A
T3=T4
4
s1,4
Q2
gp
T
G
mreža
1
3
s2,3
3
p3,4
k
s
K
4
Q2
rashladna voda
1–2 – izotermičko isparavanje vode u kotlu – generatoru pare (gp), pri
pritisku p1,2 (vodi se dovodi količina toplote Q1);
2-3 – adijabatska ekspanzija u turbini (T) gde se generiš mehanička
energija (pritisak opada sa p1,2 na p3,4), hladi se i para pa se javljaja
kavitacija(kapljice vode oštećuju lopatice turbine);
3-4 – izotermička kondenzacija pare. Pari se u kondenzatoru (k) oduzima
količina toplote Q2 pomoću rashladnog medijuma (vode). Pri kondenzaciji
vlažnost pare raste, jer deo pare prelazi u vodu x3>x4. Sva para se ne
kondenzuje u vodu, x4>0.
4-1 – adijabatska kompresija u kompresoru (K), para se sva pretvara
u vodu.U kompresoru je velika vlažnost, a on je dosta skupa mašina.
Rankine - Klauzijusov ciklus sa vlažnom vodenom parom
T
K
T1=T2
4
gp
p1,2
T
1
p1,2
3
5
a)
s
Rashladna
voda
k
p3,4
p3,4
G
3
A
5
T3=T4
2
1
2
Q1
4
P
b)
Kod ovog ciklusa deo 1-2-3 isti je kao i kod Karnoovog ciklusa. U
kondenzatoru (k) toplota se izrađenoj pari oduzima dok sva ne
pređe u tečno stanje (tačka 4). Pomoću pumpe (P) podiže se
pritisak kondenzovane vode do pritiska koji vlada u kotlu (p1,2) i
kondenzat se tako ubacuje u kotao. Pumpe su mnogo manje,
jeftinije i pouzdanije mašine od kompresora. Korišenje pumpe
(deo ciklusa 4-5) je osnovna prednost Rankine – Klauzijusovog
ciklusa u odnosu na Karnoov ciklus. Međutim, problem
kavitacije u parnoj turbini je i dalje prisutan!
Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom parom
Kako bi ciklus sa vodenom parom bio primenljiv, izvršena je modifikacija
postavljanjem pregrejača pare koja se odvodi iz kotla. Na taj način se vodena
para, koja sadrži određeni procenat vlage (vlažna para), nakon izlaska iz kotla
uvodi u pregrejač gde se dodatno zagreva i iz nje eliminiše sva preostala vlaga
(suva para). Deo ciklusa 3-4-5-1-6 je isti!
Q1
K
T2
1
T1=T6
5
T3=T4
2
p
6
6
gp
2p1,2,6,5
T
3
1
A
3
4
Q2
G
k
p3,4
5
Q1  Q1,2,5,6  h2  h5
4 rashladna voda
Tačka (3) nalazi se u zoni
vlažne pare ali sa velikim
sadržajem pare x3>0,85 tako da
se ne pojavljuje kavitacija u
parnoj turbini!
P
Q2  Q3,4  h3  h4
Q1  Q2 (h2  h5 )  (h3  h4 ) h2  h3  (h5  h4 ) hT  hP
t 



Q1
h2  h5
h2  h5
h2  h5
hT=h2-h3 - toplotni pad u turbini;
hP=h5-h4 - toplotni pad u pumpi
Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom parom
Toplotni pad u turbini treba da je što je moguće veći kako bi se imao veći
termodinamički stepen iskorićenja. To znači da izlazni pritisak iz turbine (p3,4)
treba da bude što niži, jer se tada smanjuje Q2 pa termodinamički stepen
iskorišćenja raste. Smanjivanje pritiska p3,4 ograničeno je temperaturom
T3=T4, koja ne može biti manja od atmosferske temperature. Temperatura T3
je takođe ograničena količinom i temperaturom rashladne vode (Tr.v.) koja se
dovodi u kondenzator.

T3  Tr.v.  10 C
Za Tr.v.=7 °C (zimsko vreme) je T3=17 °C.
Za Tr.v.=18 °C (letnje vreme) je T3=28 °C.
A
tT2 
AQ
tT7 
A  A
A  Q  A  Q
Da li je stepen iskorišćenja veći
zimi ili leti?
A
A

Q Q
tT7  tT2
Prethodna analiza pokazuje da se povećanjem temperature
vodene pare na ulazu u turbinu povećava stepen
iskorišćenja ciklusa. U praksi temperatura vodene pare na
ulazu u turbinu kreće se do 540 °C.
Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom parom
T
pk
T7
K
T2=T9
7
1
T1
8
+A
9
6
2
-A2
A
5
T3=T4
9
p7,9
p1,2
p3,4,8
4
Q
10
3
-Q
s
Ako se pritisak pare na ulazu u turbinu
poveća sa p1,2 na p7,9 , pri T2=T9 , korisni
rad ciklusa će se istovremeno smanjiti za
ΔA2 i povećati za ΔA9. Pri tome se gubitak
toplotne energije u kondenzatoru smanjuje
za ΔQ.
Tačka 10 ne sme suviše da zađe u oblast vlažne pare!
Povećavanje parametara vodene pare na ulazu u
turbinu povećava stepen iskorišćenja
termodinamičkog ciklusa.
U praksi se koriste temperature T≤540°C i pritisci
16MP≤p≤24MPa (16 MPa- dokritični i 24- nadkritični)!
Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrevanjem i
međupregrevanjem pare
Da bi se povećao stepen iskorišćenja realnih termodinamičkih ciklusa
koriste se visoki pritisci pare na ulazu u turbinu. Mora se voditi
računa da se tačka 10 ne nađe u oblasti vlažne pare pri ekspanziji
zbog kavitacije.
Turbina se deli na dva dela, deo turbine visokog pritiska (TVP) i deo
turbine niskog pritiska (TNP). Para koja izlazi iz dela turbine visokog
pritiska dodatno se zagreva, čime joj se smanjuje vlažnost, pa se zatim
uvodi u deo turbine niskog pritiska. Dodatno zagrevanje pare vrši se u
međupregrejaču (mp).
Korišćenje međupregrejača i razdvajanje turbine na dva dela,
omogućava korišćenje visokog pritiska na ulazu u prvi deo turbine.
Na taj način povećava se stepen iskorišćenja celog
termodinamičkog ciklusa.
Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrevanjem i
međupregrevanjem pare
5-1-2 – izobara sa p2=pk gde
voda direktno prelazi u suvu
T
p
2
T
2
p
paruč p2 može biti i veće i
K
pp
T
8
6
6
T
T
manje od pk;
G
T
mp
gp
1
7
7 8
2-7 – adijabatska ekspanzija u
3
1
A
rashladna
5
delu turbine visokog pritiska;
k
voda
3
4
7-8 - izobarsko
4
5
P
međupregrevanje pare nakon
s
izlaska iz dela turbine visokog
pritiska;
hTVP – toplotni pad u delu turbine visokog
8-3 - adijabatska ekspanzija u
pritiska,
delu turbine niskog pritiska;
hTNP – toplotni pad u delu turbine niskog
3-4 - proces kondenzacije u
pritiska,
kondenzatoru;
hp - toplotni pad u pumpi.
4-5 - adijabatska kompresija
vode u pumpi.
h2  h7  h8  h3  (h5  h4 ) hTVP  hTNP  hp
t 

h2  h5  h8  h7
h2  h5  h8  h7
2
2
8
8
V
7
P
N
P
Rankine - Klauzijusov ciklus sa regerativnim zagrevanjem
napojne vode
Jedan od načina da se poveća stepen iskorišćenja Rankin – Klauzijusovog ciklusa sa
pregrejanom parom je da se ne propusti sva para kroz turbinu, već da se jedan deo pare
iskoristi za zagrevanje vode koja se vraća u kotao.
T
1
p
p
6
K
T
g
p
T
2
G
1
a
7 3 1-a
k
1
1
R
Z
5’
5
P
K
2
4
A(1-a)
5
4
rashladna
voda
P
Q2(1a)
a)
1
6
(1a)
6
ab A= aAR
5
’
2
a
7
agQ2=
aQ2R
3
s
b)
α<1 je količina pare koja se uzima iz turbine; 1-α je količina vode koja prolazi kroz
kondenzator. I jedan i drugi deo pare stvaraju mehanički rad koji ulazi u η!
A(1  a )  aAR
A(1  a )  abA


tR 
tR
(A  Q2 )(1  a )  a (AR  Q2R )
(A  Q )(1  a )  a (bA  gQ )
2
dtR
0
da
2
4-12% se
A
tR(a opt)  tR max  t 
A  Q2 poveća η
s
Termodinamički ciklusi sa namenskim odvođenjem toplotne
energije
Kada je toplotna energija potrebna za grejanje ili tehnološki proces može se
dobiti iz toplana-elektrana. Najčešće se koriste ciklusi sa protivpritiskom ili
pogoršanim vakuumom na izlazu iz turbine. Pritisak i temperatura pare
na izlazu iz turbine znatno su viši nego kod kondenzacionog
postrojenja. Pritisak u kondenzatoru je visok pa se para kondenzuje na
znatno većoj temperaturi. U ovom postrojenju kondenzator visokog
pritiska (kVP) je praktično razmenjivač energije. Energija Q2 nije gubitak
pa je teorijski stepen iskorišćenja η≈1. Praktični η=0,7÷0,8 zbog gubitaka
toplote u turbini i parnim vodovima.
T
2
p
p
6
K
T
g
p
G
1
3
1
P
kV
P
5
P
1
T
T3
5
4
2
6
A
T3200°
C
3
Q2
4
vrela voda za
grejawe ili
generisawe
a)pare
b)
s
Toplotna elektrana sa oduzimanjem pare
pp
gp
TV
TN
P
P
G
kV
k
P
P
ka toplotnim
potrošačima
P
rashladna
voda
Oduzima se para na vezi
delova turbine visokog i
niskog pritiska.Ovakvo
postrojenje ima manji stepen
iskoričćenja od postrojenja sa
protivpritiskom ali
omogućava promenu
potročnje pare, odnosno
toplotne energije potrošača.
Moguće je i paru iz turbine
direktno voditi potrošaču.
Tehnološka šema termoelektrane
7
6
5
3
1
m
p
TV
TS
TN
P
P
P
pp
2
T
G
gp
4
SP
kV
P
8
10
9
P6
k
P
7
16
RP
Tehnološka šema kondenzacione
termoelektrane blokovskog tipa
(blok čine kotao – turbina –
generator i transformator) sa
trostepenom turbinom i četiri
regenerativna zagrejača napojne
vode kotla.
P
12
13
11
P
3
14
P5
P4
15 1
P2
1 - skladište uglja sa sistemom za dopremu iz rudnika i sistemom za lokalni
transport; 2 – uređaj za pripremu uglja (mlinovi, transporteri i ventilatori);
3 – parni kotao sa ložištem, generatorom pare, pregrejačem i mešupregrejačem;
4 – ventilator za svež vazduh; 5 – uređaj za otprašivanje dimnih gasova;
6 – ventilator dimnih gasova; 7 – dimnjak; 8 – sistem za otpremu šljake;
9 – odlagalište šljake; 10 – regenerativni zagrejač visokog pritiska;
11 – deareator, uređaj za izdvajanje vazduha iz napojne vode ( vazduh u
napojnoj vodi izaziva koroziju na instalaciji za paru i turbini);
Tehnološka šema termoelektrane
7
6
5
3
1
m
p
TV
TS
TN
P
P
P
pp
2
T
G
gp
4
SP
kV
P
8
10
9
P6
k
P
7
16
P
12
13
11
P
3
14
P5
P4
15 1
RP
12 i 13 – regenerativni zagrejač
napojne vode srednjeg pritiska;
14 - regenerativni zagrejač napojne
vode niskog pritiska;
15 – postrojenje za hemijsku
pripremu vode;
16 – sistem vodosnabdevanja,
obezbeđuje rashladnu vodu za
kondenzator (k) i vodu za
nadoknađivanje izgubljene vode u
termodinamičkom ciklusu;
P2
kVP – kondenzator (razmenjivač toplote) visokog pritiska koji obezbe|uje
tehnološku paru za potrebe elektrane; P1 – pumpa rashladne vode; P2 – pumpa
dopunske vode; P3 – pumpa kondenzata; P4 i P5 – pumpe kondenzata
regenerativnih zagrejača; P6 – pumpa napojne vode; P7 – pumpa tehnološke
vode; TVP – deo turbine visokog pritiska; TSP – deo turbine srednjeg pritiska; TNP
– turbina niskog pritiska; G – generator; T – blok transformator; SP – razvodno
postrojenje sopstvene potrošnje termoelektrane; RP – razvodno postrojenje
visokog napona
Skladište za ugalj sa transportnim sistemima
5
8
1
7
2
5
5
14
10
6
6
5
12
5
3
13
11
7
6
Doprema uglja na dva načina:
1. Pokretnim trakama ako je TE
odmah uz kop
2. Želecnicom, vagonima ako je TE
udaljena od kopa (razlog
nedostatka vode)
5
4
1 - železnički koloseci; 2 - kolosečna vage za merenje težine dopremljenog
uglja; 3 – postrojenje za istovar vagona; 4 – bunkeri za ugalj; 5 – gumene
transportne trake; 6 – usmerivači uglja pri pretovaru sa trake na traku;
7 – prebacivači uglja sa trake na traku ili sa trake u bunker; 8 – skladište
uglja; 9 – dodavači uglja sa bunkerima; 10 – separatori metalnih predmeta; 11
– sita za izdvajanje krupnijih komada uglja; 12 – drobilica; 13 – izdvajač
drvenih otpadaka; 14 – bunkeri kod kotlovskog postrojenja.
Skladište za ugalj sa transportnim sistemima
3
2
5
4
5
A
3
7
6
8
2
4
A
1–traka za dovoz uglja; 2–obrtni
uređaj za slaganje uglja sa trakama;
3–centralni stub; 4–odloženi ugalj;
5 – rotacioni bager; 6–traka na
bageru; 7-transporter do potrošača;
8-kolosek.
Da bi se obezbedio neprekidan rad
termoelektrane potrebne su izvesne
rezerve uglja. Operativna rezerva
nalazi se u bunkerima. U velikim
termoelektranama koriste se
skladišta opremljena rotacionim
trakastim odlagačima i rotorskim
bagerom
za utovar uglja sa skladišta
1
na transportne trake. Ovakvo
skladište ima prstenast oblik i treba
da obezbedi jednomesečni rad TE.
Mlinovi za pripremu uglja
1
3
2
5
6
8
7
4
1 – bunker sa ugljem; 2 - dodavač
uglja; 3 – dovod vrelih gasova iz
ložišta kotla (950 oC) kojim se suši
ugalj; 4 – mlin;
5 – ložište kotla;
6 – cevi za ubacivanje mešavine
ugljene prašine i vazduha u ložište
kotla; 7 – gorionik;
8 – ulaz svežeg vazduha.
U savremenim TE velikih snaga (preko 100
MW) ugalj se pre ubacivanja u ložište kotla
mlevenjem pretvara u ugljenu prašinu koja
se meša sa vazduhom. Tako pripremeljen
ugalj lakše sagoreva pa se mogu postići
velike snage. Mlevenje, sušenje i mešanje
uglja sa vazduhom vrši se u ventilatorskim
mlinovima. Prikazana je šema postrojenja sa
ventilatorskim mlinom i direktnim
uduvavanjem ugljenog praha u ložište kotla.
Rotor ventilatorskog mlina istovremeno drobi
ugalj, meša ga sa vazduhom i stvara
nadpritisak aero mešavine potreban za
ubacivanje goriva u ložište kotla.
Parni kotlovi
Parni kotao predstavlja sistem za pretvaranje hemijske energije goriva u
toplotnu energiju vodene pare. Parni kotao sastoji se od sledećih osnovnih
elemenata: ložišta, zagrejača vode, isparivača (generatora pare), pregrejača,
međupregrejača, zagrejača vazduha, skeleta, ozida, termičke izolacije i oplate,
fine i grube armatre (ventili) i cevovoda. Prema načinu strujanja vode i pare
kroz isparivač, odnosno generator pare, kotlovi se dele na kotlove sa
prirodnom cirkulacijom, sa prinudnom cirkulacijom i na protočne kotlove.
1
1 – bubanj; 2 – kolektor isparivača;
3 – spusne cevi; 4 – usponske cevi
isparivača kojima se dovodi toplota;
5 – cirkulaciona pumpa; 6 – zagrejač vode;
7 – isparivač; 8 – pumpa
3
7
4
q
q
6
5
8
a)
2
b)
v)
Kod kotlova sa bubnjem voda isparava u više prolaza kroz cevi
generatora pare, dok kod protočnih kotlova voda isparava u jednom
prolazu. Temperatura izlazne pare iz kotla se reguliše pomoću
hladnjaka (pari se dodaje rasprašena voda i tako joj se snižava temp.)
Sistem za otpremu šljake
Odšljakivač sa trakom
Hidraulični sistem za transport šljake
Regerativni zagrejač napojne vode
Pre ulaska vode u generator pare, kotao,
ona se dodatno zagreva.
1 – ulaz napojne vode;
2 – izlaz napojne vode;
3 – dovod pare;
4 – odvod kondenzata;
5, 6, 9 – površine za
razmenu toplote;
7, 8 – kućište;
10 – oslonci;
11 – vodokazno staklo.
Dearator napojne vode
U deaeratoru se odstranjuju rastvoreni gasovi iz vode.
Gasovi (naročito kiseonik i ugljen dioksid) izazivaju
koroziju cevi i ventila te se moraju odstraniti. Para koja se
dovodi zagreva vodu na 104÷106 oC pri čemu se vazduh
izdvaja iz vode i zajedno sa delom nekondenzovane pare
odvodi u atmosferu. Pritisak u deaeratoru mora biti niži od
pritiska ključanja rastvorenih gasova u vodi.
Kondenzator
U kondenzatoru se kondenzuje izražena para koja napušta
turbinu. Uobičajeni pritisci u kondenzatoru su 3÷10 kPa. U
praksi se najviše koriste površinski kondenzatori u kojima se
para i rashladna voda ne mešaju.
2
6
4
9
10
1
3
4
8
7
5
1
1
1
1
1
2
U postrojenju za pripremu napojne vode voda se čisti od
mehaničkih i rastvorenih primes određenim hemisjkim
postupcima.
Sistem vodosnabdevanja termoelektrane
Za normalan rad termoelektrane veće snage potrebna je velika količina vode.
Oko 93% vode troši se za hlađenje pare u kondenzatoru a 7% za ostale
potrebe. U zavisnosti od prirodnih uslova mogu se koristiti otvoreni i
zatvoreni sistemi vodosnabdevanja.
Otvoreni sistem vodosnabdevanja se primenjuje kada je termoelektrana
locirana pored veće reke (TE „Obrenovac”, TE „Morava”, itd.).
1 – zgrada elektrane; 2 – veštački
napravljen zaliv za pumpnu stanicu;
3 – pumpna stanica; 4 – magistralni
vodovod; 5 – cevi za dovod vode u
kondenzator; 6 – kondenzator; 7 –
cevovodi za odvod vode iz
kondenzatora; 8 - pokriveni
odvodni kanali; 9 – ustava za
regulaciju nivoa vode u pokrivenim
kanalima; 10 – otkriveni odvodni
kanali; 11 – uređaj za ispuštanje
vode u reku; 12 – cevovod tople
vode kojim se u zalivu zimi održava
temperatura vode na +5 oC.
1
6
5
7
9
4
3
2
8
12
10
11
Sistem vodosnabdevanja termoelektrane
Zatvoren sistem vodosnabdevanja se primenjuje kada u blizini
termoelektrane nema reke sa dovodnim protokom (TE „Kosovo”, TE
„Gacko”, itd.). Zatvoreni sistem vodosnabdevanja mora imati hladnjak za
vodu koja zagrejana izlazi iz kondenzatora. Kao hladnjaci koriste se
rashladne kule ili tornjevi visine do 100 m. Pri hlađenju tople vode u
tornju gubi se oko 1,5% vode što se nadoknađuje iz akumulacije. Promaja u
tornju je prirodna jer se vazduh zagrejan toplom vodom penje uvis.
1 – rashladni toranj; 2 – kondenzator u TE;
3 – cirkulaciona pumpa;
4 – cevovod sa mlaznicama za raspršivanje
vode po obimu kule;
5 – rashladne ploče; 6 – skupljač kapljica
vode koje se nalaze u vazduhu; 7 – bazen u
koji se skuplja ohlađena voda; 8 – okna za
ulaz svežeg (hladnog) vazduha;
9 – usmerivači vazduha;
10 – mlaznice za toplu vodu kojom
se zimi održava temperatura vode
u bazenu na oko 10 oC;
Sistem za snabdevanje kotla vazduhom
Za proces sagorevanja u ložištu kotla potreban je vazduh. Cirkulacija vazduha kroz
kotao može biti prirodna ili veštačka. Šematski prikaz načina ostvarenja promaje
kroz kotao dat je na sl., gde je : 1 – dimnjak; 2 – ventilator svežeg vazduha; 3 –
ventilator dimnih gasova.
Prirodnu promaju obezbeđuje visok dimnjak jer topli dimni gasovi prirodno struje
naviše kroz dimnjak. Prirodna promaja može se primeniti samo za kotlove male
snage. Kod savremenih kotlova velikih kapaciteta promaja se stvara veštački. Tako se
kod kotlova na čvrsta goriva koristi prinudna cirkulacija vazduha ostvarena
uravnoteženim dejstvom ventilatora za svež vazduh (ubacuje vazduh u kotao) i
ventilatora za dimne gasove (izbacuje ih iz kotla i ubacuje u dimnjak). Kotlovi za
tečna i gasovita goriva obično imaju samo ventilator svežeg vazduha. U kotlu vlada
nadpritisak te isti mora biti dobro zaptiven.
1
1
1
2
a)
3
b) 2
Uređaji za prečišćavanje dimnih gasova
Zađtita okoline postiže se ugradnjom otprašivača
dimnih gasova i izgradnjom visokih dimnjaka, koji
štetne materije rasejavaju na što veću površinu. Za
izdvajanje čvrstih čestica iz dimnih gasova kod
manjih postrojenja koriste se ciklonski otprašivači.
Na slici je:
1 – ulaz dimnih gasova;
2 – kanali za kružno usmeravanje gasa;
3 – izdvojene čvrste čestice;
4 – prečišćeni dim.
4
1
2
3
Kroz ciklonskih filtara gas struji kružno te se zbog
centrifugalnih sila čvrste čestice izdvajaju po
obodu kanala ciklo-filtra. Stepen izdvajawa prašine
je oko 70%. Nešto su efikasniji mokri otprašivači u
kojima se dimni gas tušira vodenim mlazovima.
Ovakvi filtri troše mnogo vode i javljaju se teškoće
vezane za korozivno dejstvo vode sa rastvorenim
materijama iz dimnih gasova.
Uređaji za prečišćavanje dimnih gasova
Najefikasniji su elektrofiltri jer mogu da odstrane 99÷99,9% čestica iz dimnih
4
9
gasova. Šema elektrofiltra sa slike:
1 – sud filtra koji je ujedno i pozitivna elektroda;
5
3
2 – ulaz dimnih gasova;

~
7
U
3 – visokonaponska usmerača;

4 – provodni izolator;
1
2
5 – negativna elektroda; 6 – teg;
7 – korona koja nastaje oko negativne elektrode;
6
8
8 – kada sa vodom za taloženje prašine;
9 – izlaz dimnih gasova.
Napon U se tako podesi da se na negativnoj elektrodi izazove korona, odnosno
jonizacija okolnog vazduha. Čestice prašine se polarišu u električnom polju
filtra te usled toga u zoni korone privlače slobodne elektrone ili negativne jone
i tako u celini postaju negativne pa ih elektrostatička sila privlači pozitivno
naelektrisanom zidu filtra. Kada takva čestica pračine dodirne zid filtra biva
neutralizovana (oslobađa se elektrona koji prelazi na metalnu pozitivnu
elektrodu – zid filtra) i pada u kadu odšljakivača.
Parna turbina
Parne turbine su osnovni pogonski motori sinhronih generatora u velikim
termoelektranama. U njima se unutrašnja potencijalna energija pare transformiše u
mehaničku energiju.
1 – sprovodni aparat ili mlaznik (sastavljen od
jednog ili vise mlaznika)
2 – lopatice obrtnog kola;
3 – disk obrtnog kola;
4 – vratilo
Podela na: aksijalne i radijalne turbine.
sprovodni aparat + obrtno kolo = stupanj parne turbine
Podela na: kondenzacione (je izlazni pritisak manji od atmosferskog) i protivpritisne
turbine ( kod obe vrste turbina para se po izlasku iz turbine kondenzuje ali se to kod
protivpritisnih turbina dešava na znatno višoj temperaturi i pritisku).
Podela na: turbine sa (velikih snaga sa više stupnjeva) i bez
oduzimanja pare.
Podela na: bazne (stalnom snagom) i regulacione turbine.
Parna turbina
Savremene turbine koriste suvu paru sa temperaturom do T=540 oC.
Brzina obrtanja parnih turbina su 3000 min-1 (Evropa) i 3600 min-1
(Amerika) sa relativno velikim stepenom iskorišćenja ηT≈0,85.
5
1
cu
3
c2
w2
2
c0
cu
4
c2
w1
c1
c0
h  u  pv
c2
c2
ht  u  pv 
 h
2
2
J/kg
1 – lopatice sprovodnog aparata;
2 – dijafragma;
3 – lopatice obrtnog kola;
4 – disk rotora; 5 – kućište turbine;
cu – brzina ulazne pare u sprovodni aparat;
c1 – brzina pare na izlazu iz sa.,
c2 – izlazna brzina pare iz obrtnog kola;
c0 – obimna brzina lopatica obrtnog kola;
w1=c1-c0 – brzina ulazne pare u odnosu na
lopaticu obrtnog kola;
w2=c2-c0 – brzina izlazne pare u odnosu na
lopaticu obrtnog kola i
Q (kg/s) - protočna količina pare.
Pošto postoji brzina gasa u odnosu
na spoljašnju sredinu.
Parna turbina
cu2
c12
htu  hu 
 h1 
 ht1
2
2
c12
cu2
cu2
 hu  h1 
 hSA 
2
2
2
c12
ht1  h1 
2
c22
ht 2  h2 
2
Nema odvođenja toplote u okolnu sredinu!
Toplotni pad u sprovodnom aparatu (hSA)
pretvara u kinetičku energiju gasa!
Rotor turbine se obrće i razmenjuje energiju sa
okolinom, te je jedinični rad turbine jednak razlici
totalnih entalpija pare na ulazu i izlazu turbine.
c12  c22
eST  ht1  ht 2  (h1  h2 ) 
 eR  eA
2
eR – reakcijska komponenta jediničnog rada turbine P  Q  e kg/s J/kg  W
ST
ST
(toplotni padu u radnom kolu);
eA – akcijska komponenta (razlika kinetičkih energija P  n P
 STi
T
pare na ulazu i izlazu iz radnog kola).
i 1
Podela turbina na: akcijeske (eA ≥0,85eST ) i reakcijeske.
Akcijska turbina nominalne snage 50 MW sa parametrima pare na ulazu
p=9 MPa i T=535 °C
DA SE ZNA DA
SE NABROJE
NEKI
DELOVI!
1 – parovod; 2 – ventilska komora;
3 – regulacioni ventil;
4 – prvi regulacioni stupanj;
5 – sledećih 10 stupnjeva (diskovi su
urađeni izjedna sa vratilom);
6 – 12 i 13 stupanj;
7 – zadnjih pet stupnjeva (turbina ima
ukupno 18 stupnjeva);
8 – sprovodni aparat prvog stupwa;
9 – sprovodni aparati ostalih stupnjeva
10 – dijafragme; 11 – vratilo;
20 – prednje ležište; 21 – zadnji ležaj;
12 – liveni oklop prvih 14 stupnjeva;
22, 23 – zaptivače; 24 – uređaj za zaštitu
13 – vareni oklop ostalih stupnjeva;
od prevelike brzine obrtanja;
14 – izlazni prikqučak za paru;
25 – pogon pumpe za ulje;
15, 16, 17, 18, 19 – priključci za
26 – pumpa za ulje;
oduzimanje pare;
27 – pučni regulatora broja obrtaja; Deljenjem protoka postiže se da
28 – elastična spojnica;
dimenzije lopatica budu
29 – vratilo generatora;
relativno male a da se ostvari
30 – pomoćni pogon turbine
što veći protok pare, potreban
za razvijanje velikih snaga!
Regulacija parnih turbina
Promenu snage, odnosno regulaciju parne turbine moguće je ostvariti:
1. mlazničkim regulisanjem,
2. prigušivanjem pare i
3. regulisanjem pritiska pare u kotlu
2. Na ulaznom parovodu postavlja se ventil koji prigušuje paru i tako smanjuje ulazni
pritisak u turbinu. Loša strana ovog načina je pojava gubitka energije u ventilu za
prigušenje.
1. Prvi stupanj turbine mora biti akcijskog tipa i sa više mlaznika u sprovodnom
aparatu (do 8 komada). Kada se želi smanjiti snaga turbine zatvaraju se sasvim neki od
mlaznika i time smanjuje protok pare kroz turbinu.
3. Regulacija snage turbine promenom pritiska pare u kotlu realizuje se promenom
pritiska koji stvara napojna pumpa na ulazu u kotao. Time se menja pritisak pare u
kotlu pri istoj temperaturi. Povećava se η!
Zaštita od nedozvoljene brzine se ostvaruje ekscentrično postavljenom
masom na vratilu turbine, koja je fiksirana oprugom. Pri povećanoj brzini
masa se odvaja od vratila zbog delovanja centrifugalne sile i aktivira
hidraulički sistem za zatvaranje ulaznih ventila turbina visokog i srednjeg pritiska.
Tipovi toplotni šema termoelektrana
U termoelektranama većih snaga (preko 100 MW) uglavnom se koristi toplotna
blok šema u kojoj kotao napaja svoju turbinu. Za postizanje veće snage elektrana
sadrži više, obično identičnih blokova. Standardna slika!
p
p
p
p
m
p
g
p
m
p
g
p
ventil
TV
TS
TN
P
P
P
G
Kada se želi povećati sigurnost elektrane
zbog ispada kotla iz pogona i obezbediti niži
tehnički minimum elektrane od 70% Pnom,
gradi se elektrana sa blok spojem dva kotla i
jedne turbine. Pri ispadu jednog kotla
elektrana može da radi sa preostalim kotlom
i snagom P=(0,35÷0,5)Pnom , gde je Pnom nominalna snaga turbine. Priključak više
turbina na sabirnice pare i kondenzata nije
izvodljiv zbog jako komplikovanog razvoda.
Tipovi toplotnih šema termoelektrana
g
p
p
p
g
p
p
p
g
p
p
p
SK
SP
G
G
G
U termoelektranama sa turbinama manje
snage bez pregrevanja pare može se
primeniti rešenje sa sabirnicama pare i
kondenzata. Obično je broj kotlova veći
od broja turbina da bi se postigao manji
tehnički minimum elektrane. Takvo
rešenje je uslovljeno manjom
pouzdanošću kotlova u odnosu na
turbinu. Snage kotlova su obično
nekoliko desetina MW.
Cena agregata u termoelektranama po jedinici snage (NJ/kW) opada sa
porastom nominalne snage. Zato je tendencija u svetu da se grade blokovi
sve većih snaga (preko 1000 MW). Maksimalna snaga agregata u
termoelektranama mora biti takva da ne pređe 10% instalisane snage u
celom elektroenergetskom sistemu (ako bi bila veća onda pri ispadu njega
restrikcije!) Pouzdanost velikih agregata je niža zbog neiskustva!
Sinhroni generator u termoelektrani
U termoelektranama se koriste turboegeneratori
sa dva pola, odnosno sa sinhronom brzinom od
3000 min-1 za učestanost od 50 Hz. Dvopolni
generatori koriste se u termoelektranama da bi
se turbinama omogućila najveća moguća brzina
obrtanja, jer parne turbine imaju veći stepen
iskorišćenja pri većim brzinama!
Generalni plan termoelektrane
Generalni plan elektrane definiše prostorni raspored osnovne i pomoćne
opreme i objekata u krugu elektrane. Čime su obuhvaćeni:
• glavni pogonski objekat,
• razvodno postrojenje sa komandom,
• objekti vodosnabdevanja,
• skladište za gorivo,
• sistem za prevoz šljake,
• radionice i laboratorije,
• skladišta opreme i materijala,
• službene prostorije i drugo.
Termoelektrana „Pljevlja” u odnosu na
okolinu, gde je:
1 – krug elektrane;
2, 3, 4, 5, 6 – površinski kopovi uglja (rudnik);
7 – deponija šljake;
8– akumulaciono jezero na reci Đehotini.
Generalni plan termoelektrane
1 – mašinska zgrada; 2 – kotao;
3 – elektrofiltri; 4 – dimnjak visine 250 m;
5 – skladište uglja kapaciteta 128000 t,
6 – trakasti transporter za ugalj;
7 – bager pumpa za šljaku;
8 – cevovod za šljaku;9 – rezervoar mazuta
koji služi za potpalu kotla;
DA SE
10 – pumpe za mazut;
ZNA DA
11 – pomoćna kotlarnica;
SE
12 – rashladni toranj;
NABROJE
13 – pumpe za rashladnu vodu;NEKI
14 – hemijska priprema vode; DELOVI!
15 – postrojenje za demineralizaciju vode;
23 – komanda razvodnog postrojenja;
16 – razdelnik za vodu iz akumulacije;
24 – pumpna stanica za ulje
17 – elektroliza za proizvodnju vodonika za
25 – radionice i magacin;
hlađenje generatora;
26 – upravna zgrada;
18 – blok transformator;
27 – ulaz u krug elektrane sa
19 – transformator sopstvene potrošnje;
portirnicom; 28 – restoran;
29 – sklonište; 30 – ruža vetrova koja je 20 – transformator opšte potrošnje;
21 – ispravljačka stanica za elektrofiltar;
bitna za izbor lokacije
22 – razvodno postrojenje;
Sopstvena potrošnja u termoelektrani
Veliki broj potrošača električne energije su uglavnom asinhroni i sinhroni motori koji
pokreću veliki broj ventilatora, pumpi, mlinova za ugalj, transportnih. Snaga sopstvene
potrošnje u termoelektrnama kreće se opsegu Psp=(0,05÷0,1)Pnom, gde je Pnom - nominalna
snaga generatora.
220 kV
220 kV
TSP
T
TSP
SSP
G
T
SSP
G
a)
400
kV
(TSP)
T
SSP
c)
a) sp. sa sabirnica visokog napona
preko TSsp.
b) sp. direktno sa generatora ili preko
srednjenapnskih sabirnica i TSsp.
c) sp. direktno sa generatora ili preko
blok TS u slučaju uključenja
agregata
b)
- rastavqač
- prekidač
G
35 kV
DA SE ZNA DA SE NACRTA!
Sopstvena potrošnja u termoelektrani
400 kV
T1
T2
SP2
T
(TSP)
G1
DA SE ZNA DA SE
NACRTA!
G2
- rastavljač
SP1
- prekidač
Ako u termoelektrani postoje bar dva bloka onda nisu
potrebni generatorski prekidači ali se pri startovanju
jednog agregata, ako su oba bila van pogona, za
napajanje sopstvene potrošnje jednog bloka može
upotrebiti blok transformator drugog bloka. U
normalnom pogonu svaki generator napaja svoju
sopstvenu potrošnju.
Stepen iskorišćenja termoelektrane
TR
Pe
KO
TC
PV
T
G
PSP
SP
PSP=αPn , gde se a kreće u opsegu
KO – kotao;
α=(0,05÷0,1) Pn , ili (5÷10)%, što je
TC – termodinamički ciklus;
znatno više nego u hidroelektranama.
PV – parovodi;
Stepeni iskorišćenja ostalih elemenata
T – turbina;
termoelektrane su:
G – generator;
ηKO=0,8÷0,91;
TR – blok transformator;
ηTC=0,3÷0,55;
SP – sopstvena potrošnja;
Pu – ulazna snaga uglja;
ηPV=0,97÷0,99;
Pe – korisna električna snaga elektrane;
ηT ≈0,85;
PSP – električna snaga sopstvene potršnje.
ηG=0,94÷0,97;
ηTR=0,96÷0,98 .
6
TE  (1  a )i  0,17  0,38
i 1
Karakteristični radni režimi termoelektrane
U toku eksploatacije termoelektrana razlikuju se četiri karakteristična
režima:
1. režim startovanja,
2. režim normalnog opterećenja,
3. obustava rada i
4. rad u rezervi.
Režim startovanja je veoma složen i sastoji se od provere svih sistema koji su bitni za
rad kotla, turbine i generatora. Prvo se vrši startovanje (potpala) kotla (potpala kotla vrši
se visokokaloričnim gorivom – mazutom). Prelaz na ugljenu prašinu obavlja se kada
kotao razvije oko 30% od nominalne snage. Turbina se pri startovanju postepeno
predgreva i postepeno joj se povećava brzina i snaga.
Termoelektrana može da startuje iz :
• hladnog (najtopliji deo kotla ili turbine ne prelazi temperaturu od 150 °C) ;(traje i do
8 časova),
• neohlađenog (svi delovi kotla i turbine imaju temperaturu bar 150 °C. ) i
• toplog stanja (po parametrima blisko nominalnom radnom režimu).
Karakteristični radni režimi termoelektrane
Puštanje termoelektrane u rad vrši se po startnim šemama.
Postoje dva načina puštanja blokova u pogon:
1. start sa konstantnim pritiskom (prvo u kotlu dostignu
nominalni parametri pare pa se zatim pušta turbina) i
2. start sa promenljivim pritiskom (turbina se pušta u rad pre
nego što parametri pare u kotlu dostignu nominalne vrednosti)
kod hladnog starta jer se tako štedi vreme pri startu.
p
Tpp
n [o/min]
300
50
0
200
0
100
NOMINALNI RE@IM
10
0
PROTO^NI
RE@IM
POKRETAWE
TURBINE
POTPALA
KOTLA
p [bar]
15
0
SINHRONIZACIJA
t [°C]
n
Tmp
ppp
0
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
P [MW]
54
0
50
0
21
20
0
0
40
0
15
0
30
0
10
0
20
0
50
0
0
Tpp - temperatura pregrejane pare;
Tmp - temperatura međupregrejane
pare;
ppp - pritisak pregrejane pare;
n - brzina obrtanja turbine;
P - snaga turbine (ili generatora)
Karakteristični radni režimi termoelektrane
U režimu normalnog opterećenja najvažnije je postići dobre tehno-ekonomske
pokazatelje i snagu bloka prilagoditi tom zahtevu.
Obustava rada bloka može biti planska i neplanska. U zavisnosti od
vremena koje stoji na raspolaganju za operaciju zaustavljanja bloka, obustava
može biti normalna ili prinudna. Međutim, bez obzira na način izvršenja
obustave, hlađenje svih elemenata termodinamičkog ciklusa mora biti
postepeno i ravnomerno. Pri hlađenju turbina se mora obrtati smanjenom
brzinom.
Termoelektrana može biti u hladnoj (kao kod hladnog starta) i toploj
rezervi (lože se mazutom i održavaju 20-30% Pnom).
Od termoenergetskih blokova se traži da budu u stanju da snagu
promene za 5% od nominalne snage, i to u periodu od 10 s. Ovo je
potrebno da bi blokovi mogli da prate brze promene snage u mreži.
Traži se i da blokovi mogu da promene snagu za (0,02÷0,05)Pn u
svakom narednom minutu. Ovo su zahtevi koji obezbeđuju
određena regulaciona svojstva blokova.
Termoelektrane sa gasnim turbinama
Termoelektrane sa parnim turbinama, u kojim se kao gorivo koristi ugalj,
traže mnogo vremena za pokretanje iz hladnog stanja. Primenom gasnih
turbina umesto parnih, mogu se termoelektrane pribliđžiti hidroelektranama
po brzini pokretanja. Učešće gasno-turbinskih elektrana u elektroenergetici
je samo oko 5%. Razlozi za to su sledeći:
1. gasne turbine mogu se izraditi za snage do 200 MW;
2. koriste skupa tečna ili gasovita goriva (mazut, benzin, prirodni gas)
3. gasne turbine imaju manji stepen iskorišćenja od parnih turbina.
U zavisnosti od vrste goriva termoelektrana sa gasnom turbinom može
imati toplotnu šemu sa zatvorenim ili sa otvorenim ciklusom. Elektrane
sa zatvorenim ciklusom kao gorivo koriste ugalj ili mazut, a kao radni
medijum koristi se vazduh.
Šema sa zatvorenim ciklusom
dimni gasovi
T
K
M
G
sp
rh
ks
h
vazduh
gorivo
T – turbina; K – kompresor;
G – generator; sp – spojnica;
M – motor za startovanje;
ks – komora za sagorevanje sa
razmenjivačem toplote;
rh – rekuperativni hladnjak;
h – hladnjak
U komori za sagorevanje (ks) oslobađa se toplota koja zagreva vazduh preko
površinskog razmenjivača toplote. Vreo vazduh se širi u turbini i vrši mehanički rad.
Izrađen gas iz turbine odvodi se do rekuperativnog hladnjaka (rh) gde zagreva gas
na ulazu u razmenjivač toplote. U hladnjaku (h) se gas dodatno hladi a zatim se u
kompresoru (k) sabija do radnog pritiska. Iz kompresora vazduh ulazi u zagrejač
(rh) a odatle u zagrejač komore za sagorevanje. Time se ciklus zatvara.
.
Šema sa otvorenim ciklusom
U komoru za sagorevanje ubacuje se više vazduha nego što je potrebno za
sagorevanje da bi se temperatura produkata sagorevanja ograničila na 800°C.
Motor (M) služi za pokretanje celog postrojenja, jer je za početak rada potreban
visok pritisak i postrojenje ne može da krene samo. U praksi se uglavnom koriste
gasnoturbinska postrojenja sa otvorenim ciklusom. Ona troše visokokvalitetna
goriva (benzin, gas).
gorivo
(p2, T2)
3
2
(p3, T3)
ks
K
T
M
G
sp
1
(p1, T1)
4
(p4, T4)
p1  p4  p2  p3
T3  T2  T4  T1
ks – komora za sagorevanje u kojoj se
meša vazduh i gorivo i ta mešavina
sagoreva;
1 – ulaz vazduha u kompresor;
2 – izlaz vazduha iz kompresora;
3 – izlaz iz komore za sagorevanje (ks) i
ulaz u turbinu (T) mešavine vazduha i
produkata sagorevanja;
4 – izlaz mešavine vazduha i produkata
sagorevanja iz turbine u atmosferu.
T-s dijagram gasne turbine sa otvorenim ciklusom
T
T3
T4
T2
T1
3
6
2
5
4
1
s
hT  (h3  h4 )  T
h  h1
hk  2
K
h  cpT
1-2 -adijabatska kompresija u kompresoru;
2-3 - dovođenje toplote Q1 sagorevanjem
goriva u komori za sagorevanje
3-4 – adijabatska ekspanzija u turbini;
1-2-3-4 – idealan ciklus;
1-5-3-6 – realan ciklus
T 
K 
h3  h6
h3  h4
h2  h1
h5  h1
W  hT  hK
W  T  c pT  (T3  T4 ) 
cpK
cpT –srednja specifiča toplota gasa pri ekspanziji
u turbini;
cpK –srednja specifična toplota gasa pri kompresiji
u kompresoru.
K
(T2  T1)
Termoelektrane sa gasnim turbinama otvorenog
sicklusa
U adijabatskim procesima važi:
T2  p2 
  
T1  p1 
kK
T4  p4 
  
T3  p3 
kT
p 
  1 
 p2 
kT
kK 
R
c pK
kT 
  p  kT  c
 p  kK

pK
W  T c pTT3 1   1   
T1  2   1
  p2    K  p1 





  p  kT 
 p  kK

c
pK
W   mTT c pTT3 1   1   
T1  2   1
  p2    mK K  p1 





mT  mK  0,98  0,99
T  K  0,82  0,90
mehanički stepeni iskorišćenja
stepeni iskorišćenja zbog idealnog
ciklusa
R
c pT
Termoelektrane sa gasnim turbinama otvorenog
ciklusa
K 
T2  T1
T5  T1
Q  h3  h5  cp35(T3  T5)
k


 p2  K
T1 


Q  c p3 5 T3 
 K     1 
K 
p1 





GT 
W

Q
  p  kT 
c pK
1   1   
  p2   mK K


k


1  p2  K
 T3
 
c p3 5   1 
 K  p1 
 T1

T
mTT c pT 3
T1
 T3 p2 
GT  f  , 
 T1 p1 
 p  kK

2
   1
 p1 





 1 


T3
 2,5  4
T1
GT  0,15  0,35
p2
 7  12
p1
Gasnoturbinsko postrojenje sa rekuperativnim
dogrevanjem vazduha
Izlazni gas iz turbine (T4=(300÷500)°C) može se upotrebiti za dogrevanje
ulaznog vazduha u komoru za sagorevanje.
rh
6
gorivo
3
ks
4
5
2
T
K
M
G
sp
1÷2 – kompresija u kompresoru;
2÷3 – zagrevanje izlaznim gasom iz turbine;
3÷4 – zagrevanje energijom goriva;
4÷5 – ekspanzija u turbini; 5÷6 – hlađenje
izlaznog gasa u regenerativnom zagrejaču.
1
uložena energija
goriva
T
Delovi procesa 2÷3 i 5÷6 se
odvijaju istovremeno (izlazni gas iz
turbine se hladi a ulazni vazduh se
greje), tako da se toplota Qrh vraća
u proces!
4
Qrh
2
3
5
6
Qr
1
toplota koja
se gubi
h
s
η=0,4
Postrojenje sa gasnom turbinom sa
rekuperacijom, višestepenom kompresijom
T
K
izlaz
vazduh
a
p
4
h2
3
K2
K1
h1
p2
p3 p2
p3
voda za
hlađenje
voda za
hlađenje
p3
p4
ulaz
vazdu
pha
1
T2
K
K
3
T1
p2
h2
2
p1
K
h1
1
h1, h2 - hladnjaci
s
p2
p
p
 3  4  const
p1
p2
p3
p4  p2 
 
p1  p1 
3
 p  kK

W1K  c pK(T2  T1)  c pKT1  2   1
 p1 



pn 1  p2 
  
p1
 p1 
n
 p  kK

WnK  ncpKT1  2   1
 p1 



 p  kK

 p  nkK

4
WK  c pK(T4  T1)  c pKT1    1 WK  c pKT1  2 
 1  WnK
 p1 

 p1 





WnK raste linearno sa brojem kompresora
n, a WK eksponencijalno, te je WK>WnK !
Postrojenje sa gasnom turbinom sa rekuperacijom,
višestepenom kompresijom i višestepenom ekspanzijom
gorivo
7 8
6
ks1
ks2
K
K
K
T
3
2
1
1
43
2
5
h
h
2
1
1
7
9
8
4
6
5
T2
1
T
1
9
3
2
1
0
1
η≈0,45 !
s
G
1
0
Gasna turbina korisne snage Pkor
ima snagu 2Pkor , jer da bi mogla da
radi mora da pokreće kompresor,
čija je snaga skoro jednaka korisnoj
snazi turbine. To znači, da bi gasna
turbina imala dva puta veću korisnu
snagu kada ne bi pokretala
kompresor. Ovo je dovelo do ideje
da se izgrade termoelektrane sa
gasnim turbinama koje bi imale
ulogu pumpnoakumulacionih
hidroelektrana.
Kompresorsko akumulaciona gasna termoelektrana
sp1
K2
K
K1
sp2
3
h1
h2
T1
G
ulaz
vazduha
ks2
ks1
gorivo
rezervoar
vazduha pod
pritiskom
v
v1 2 v3
h
3
izlaz
gasa
jezero
p4
MPaconst
vazduh
voda
400 m
rh
T2
Postrojenje radi tako što u noćnim režimima
elektroenergetskog sistema, kada ima viška
električne energije, generator (G) radi u
motornom režimu i pokreće kompresore koji
sabijaju vazduh u rezervoar. U režimu vršnih
opterećenja u elektroenergetskom sistemu
generator (G) radi u generatorskom režimu,
a pokreću ga turbine T1 i T2.Turbine pokreću
samo generator jer vazduh dobijaju iz
rezervoara u koji je u prethodnom režimu
rada sabijen. Turbine rade sa promenljivim
pritiskom. Vazduh se u rezervoar sabija sa
pritiskom od 6 MPa.
Kao rezervoari korišćena su stara rudnička okna. Pri upumpavanju
vazduha istiskuje se voda iz podzemnog rezervoara, a pri potrošnji
vazduha voda iz jezera vraća se u rezervoar i održava pritisak na
približno stalnoj vrednosti.
Gasnoturbinsko postrojenje
Nije potrebno!
1 – turbokompresor sa 13 stupnjeva;
2 – komore za sagorevanje (postavljeno je više komora za sagorevanje po obimu
prvog stupnja turbine);
3 – turbina visokog pritiska koja pokreće turbokompresor;
4 – turbina niskog pritiska koja pokreće generator (postoje dva vratila);
5 – odvodni kanal za izrađene gasove;
6 – ulaz svežeg vazduha u kompresor;
7 i 8 – ležišta vratila kompresora i turbine visokog pritiska
Dvoosovinske gasne termoelektrane
K
TN
TV
P
K
P
gorivo
gorivo
TV
gorivo
TN
G
P
P
a)
G
b)
gorivo
TV
KV
TV
KN
P
P
P
P
gorivo
gorivo
TN
KN
P
P
G
TN
KV
P
P
g)
v)
Osnovna karakteristika
termoelektrana sa gasnim
turbinama:
• brz start iz hladnog stanja,
oko 10 min.
• termoelektrane toplane sa
gasnim turbinama, gde
izrađeni gas iz turbine služi
za grejanje vode za
zagrevanje grada
( Toplana-Elektrana Beograd
G
100MW )
Termoelektrane sa kogeneracijom
Kogeneracione termoelektrane se grade jer imaju veći stepen iskorišćenja
od klasičnih termoelektrana.
1. Proizvodnja više vrsta energije iz jednog termodinamičkog ciklusa.
Takve kogeneracijske termoelektrane su termoelektrane sa turbinama sa
protivpritiskom i termoelektrane sa namenskim odvođenjem pare. U
ovakvim elektranama se namenski proizvodi toplotna energija koja se
smatra korisnom, te se ukupni η povećava. U praksi se dosta koriste male
elektrane (agregati) sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem (SUSmotorima) kao rezervni ili pomoćni izvori električne energije. U ovakvim
elektranama lako je iskoristiti energiju izduvnih gasova za proizvodnju
korisne toplotne energije.
2. Proizvodnja električne i toplotne energije korišćenjem dva
termodinamička ciklusa, uz koričćenje samo jednog primarnog izvora
toplotne energije. Kombinuju se termodinamički ciklusi gasne turbine i
parne turbine sa protivpritiskom, sa oduzimanjem pare ili
kondenzacione turbine. Ovom kombinacijom η je dosta veće u
odnosu na elektrane sa jednim termodinamičkim ciklusom.
Kogeneracijske elektrane sa SUS motorima
Koriste se klipni SUS motori
koji koriste prirodni gas kao
gorivo ili dizel motori.
Temperatura izduvnih gasova
ovih motora je dovoljno
visoka, te se toplotna energija
izduvnih gasova može,
relativno lako, iskoristiti za
proizvodnju toplotne energije.
Prednosti su:
• električna i toplotna energija proizvode se kod potrošača čime se eliminišu
gubici u prenosu i jedne i druge vrste energije,
• prosečni η je 85% i više,
Nedostaci su:
• može se dobiti toplotna energija relativno niske temperature,
• SUS motori zahtevaju remonte na svakih 2000 radnih časova.
• izduvni gasovi SUS motora zagađuju okolinu
• ulje koje služi za podmazivanje SUS motora mora se pažljivo odlagati
Kogeneracijske elektrane sa gasnim i
parnim turbinama
Životni vek je 15 – 25 godina.
η elektrićna energije 35% - 45%
η ukupno 70% - 88%
najviše temperature koje se postižu
kod gasnih turbina su do 1100 0C.
Do većeg η dolazi zato što su oba
Dva termodinamička ciklusa gasne i parne turbine termodinamička ciklusa u realnim
sa protivpritiskom
termoelektranama ograničena u
pogledu maksimalnih temperatura,
maksimalnih brzina obrtanja
turbina. Zato ni jedan od
termodinamičkih ciklusa ne radi u
optimalnim uslovima. Kada se
koriste dva termodinamička
ciklusa drugi koristi otpadnu
Dva termodinamička ciklusa gasne i parne turbine energiju prvog i na taj način
sa oduzimanjem pare
popravlja ukupni η kogeneracijske
termoelektrane.
Ekonomski pokazatelji elektrana
Elektrana mora u svakom trenutku da proizvodi onoliko električne energije koliko
je tada potrebno potrošačima koje napaja. Proizvodnja električne energije menja
se u toku vremena sa promenom opterećenja.
Promena snage elektrane sa vremenom obično se predstavlja na dijagramu koji se
naziva dijagram opterećenja (dnevni, mesečni, sezonski i godišnji).
Dijagram opterećenja celog elektroenergetskog sistema je zbir dijagrama
opterećenja pojedinih elektrana u sistemu.
P/Pmax
P(MW)
1,0
0,7
5
Pmax
0,5
Pmin
0,2
5
0
0
4
8
Wd
12
Psr
16
20
24
t(h)
Sl. 3.1. Dnevni dijagram opterećenja elektrane
Pmax - maksimalna snaga
Pmin - minimalna snagu u toku dana
Psr - srednja snaga
Wd - količina proizvedene
električne energija u toku dana
odnosno (površina ispod grafika )
Ekonomski pokazatelji elektrana
Maksimalnim opterećenjem nazivamo maksimalnu trenutnu snagu koju je
razvila elektrana u određenom vremenskom periodu ( razlikuje se od instalisane
snage, koja je suma nominalnih snaga pojedinih agregata u elektrani).
Srednje opterećenje, snaga je ono opterećenje sa kojim bi elektrana
ravnomerno radila i u toku posmatranog vremena proizvela istu količinu
električne energije.
W
Psr  d kW
24
Wd
Psr
m

24  Pmax
Pmax
Pmin
mo 
Pmax
n
Wd
P
 sr
24  Pn
Pn


24
Wd   P(t)dt kWh
0
Psr, god. 
Wgod
8760
kW
faktor opterećenja
faktor neravnomernosti opterećenja
faktor iskorišćenja intalisane snage
Ekonomski pokazatelji elektrana
P(MW
)
P/Pma
1,0
x
Pma
x
0,7
5
t1
t2
Tm - vreme kontinualnog rada
elektrane sa maksimalnom snagom
da bi se proizvela ista količina
električne energije
t1+t
2
0,5
Wd
Wd
0,2
5
0
P(MW)
T
0
m
4
8
T
1
2
1
6
2
0
2
4
t(h)0
4
m
8
1
2
1
6
2
0
2
4
t(h)
dijagram trajanja opterećenja
Tm 
W
h
Pmax
W
h
Ti 
Pn
T 
Wgod
Pn
h  8760h
vreme iskorišćenja maksimalne snage
vreme iskorišćenja instalisane snage
vreme iskorišćenja nominalne
(maksimalne) snage
Ekonomski pokazatelji elektrana
T je manje od 8760 h zbog:
•planskih godišnjih remonta koji, zavisno od vrste i tipa elektrane, traju od (30÷60) dana;
•neplanskih havarijskih ispada koji se mogu dogoditi usled kvara;
•potrebe da elektrana, zbog zahteva EES-a, radi sa snagom P<Pn u nekim periodima
eksploatacije.
tgod  tV  tK
tV  cg  Wgod
t K  p  ci  Pn
tgod - ukupni godišnji troškovi
varijabilne tV i konstantne tK troškove
cg (NJ/kWh) – cena goriva
p – godišnja stopa troškova investicije (15-20%);
ci (NJ/kW) – cena izgrađenog kW u elektrani;
Pn (MW) – nominalna snaga elektrane
p  po  pa  pak  pr
po stopa obaveznog osiguranja p
stopa akumulacije ili proširene
ak reprodukcije (3÷5)%;
pa 
1 stopa proste
TV reprodukcije
pr
stopa koja pokriva remonte,
održavanje u elektrani
Cena instalisanog MW
vrsta elektrane
ci (M$/MW=$/W)
termoelektrane
hidroelektrane
0,3÷1,5
1÷2,5
tgod  cg  Wgod  p  ci  Pn
cW 
t god
Wgod
Kod termoelektrana
investicije su približno
linearno zavisne od
instalisane snagea kod
hidro ne!
p  ci  Pn
p  ci
NJ/kWh
 cg 
 cg 
Wgod
T
Cena proizvedenog kWh električne energije opada sa porastom godišnje
proizvodnje, a raste sa povećanjem varijabilnosti potrošnje sistema!
paTE>paHE
prTE>prHE
cgTE»cgHE
Ekonomična raspodela proizvodnje
između elektrana
Proizvodnju po elektranama
 t god j  t god j  cw j Wgod j
potrebno je tako raspodeliti da
j 1
j 1
j 1
cw 



cena bude minimalana. Kako
n
W
W
drugi sabirak ne zavisi od
 Wgod j
raspodele proizvodnje potrebno
j 1
n
n 
je minimizirati samo prvi
Wgod j
p j  ci j  Pn j  Wgod j


  cw j
  cg j 

sabirak. Vidi se da treba

W
Wgod j  W
j 1
j 1 
forsirati elektrane sa manjom
jediničnom cenom goriva.
n
n p c P
Wgod j
j ij
nj
Treba se truditi da se iskoristi sva
  cg j

W
W
raspoloživa energija u
j 1
j 1
hidroelektranama a da se zatim
preostala energija raspodeli na
termoelektrane tako da one sa
manjom jediničnom cenom
goriva proizvedu veću energiju.
n
n
n
Energija
Godina
1965
1975
2000
W (TWh)
350
700
900
Primarna energija postoji u
prirodi kao akumulirana ili
neakumulirana.
ukupna utrošena energija (100%)
toplotna energija (79%)
mehanička energija
(21%)
industrija (51%)
industrija (6%)
domaćinstva (28%)
transport (7%)
Sekundarna energija obično
nastaje transformacijom
primarne, ali se direktno ne
koristi već služi za dalje
transformacije.
domaćinstva (5%)
poljoprivreda (3%)
Korisna energija je ona koja
se neposredno koristi za neku
namenu.
Energija
fosilno
gorivo i
drvo
nuklearn
a fuzija i
fisija
hemijska
nuklearna
hidro
plima i
oseka
hidro
vetar
potencijalna
toplotna
mehanička
hemijska
svetlosna
potrošači
kinetička
mehanička
električna
toplotna
termički
izvori i
energija
morske
vode
solarna
zračenja
U fizičkom smislu energija
se deli na:
• hemijsku (fosilna goriva i
drvo);
• nuklearnu (fisija i fuzija);
• potencijalna (vodna, plima
i oseka);
• toplotna (geotermalna);
• kinetička (vodna, vetra);
• zračenja (sunčeva).
Ugalj
Ugalj je nastao od drveta koje je bilo zatrpano i izloženo visokom pritisku i
temperaturi i to bez prisustva vazduha (pri ugljenisanju oslobađali su se
elementi O2 , N2 i H2 ).
biljni
ostaci
treset
lignit
mrki
ugalj
kamen
i ugalj
antracit
Kratka ili neposredna analiza utvrđuje sadržaj sagorljivih materija (g),
vlage (v) i nesagorljivih materija (n)
g  v  n  100%
vrsta uglja
g  iC
antracit
kameni ugalj
Elementarna analiza
utvrđuje sadržaj pojedinih
elemenata u uglju bez
ulaženja u međusobne veze
tih elemenata u samom
uglju.
mrki ugalj
lignit
C
(%)
91÷92
82÷87
H
(%)
3,6÷4,1
5,2÷5,6
70
68,6
4,4
5
S
O+N
(%)
(%)
0,7÷1,1 3,1÷4,2
0,8÷1,2 6,2÷11
2,5
0,4
23,1
26
Ugalj
Pri švelnoj analizi ugalj se zagreva na 520°C bez prisustva vazduha i razlaže
na polukoks C, katran K, vodu i gas.
Osnovni pokazatelj kvaliteta uglja je toplotna moć. To je energija koju pri
potpunom sagorevanju oslobađa 1 kg uglja.
Gornja toplotna moć GTM je energija koju oslobađa 1 kg goriva, pri čemu se
produkti sagorevanja ohlade na početnu temperaturu goriva od 20°C. Pri tome
se sva vodena para stvorena sagorevanjem goriva kondenzuje u vodu.
Donja toplotna moć DTM je energija koju osloba|a 1 kg goriva, pri čemu se
produkti sagorevanja ohlade na 20°C, ali voda ostaje u obliku vodene pare
(nekondenzovana).
vrsta uglja
DTM ili H (MJ/kg)
GTM  DTM  Eisp
Eisp – energija isparavanja
stvorene vode pri sagorevanju.
d
Lignit
sušeni lignit
mrki ugalj
kameni ugalj
antracit
5,86÷13,4
13,8÷18,8
14,6÷24,7
25,1÷32
31,4÷33