TERMOENERGETSKA ANALIZA PROCESA

predava: dr.sc. Izet Ali, van.prof.

UNIVERZITET U TUZLIMAINSKI FAKULTETII ciklus studija Odriva energija i okolina

ENERGETSKA POSTROJENJAOvisno o vrsti radnog fluida, vrsti te nainu transformacije energije, energetska postrojenja u procesnoj industriji mogu se uglavnom svrstati u:energetska postrojenja sa parnim procesom,energetska postrojenja sa plinskim procesom,energetska postrojenja sa plinsko parnim (kombinovanim procesom).

ENERGETSKA POSTROJENJA SA PARNIM PROCESOMRadni medij vodena paraParna energetska postrojenja rade po Clausius Rankineovom krunom procesu

Slika 1. Osnovna shema parnog postrojenja

Posmatra se idealan proces koji je reverzibilan, te za njega vrijedi sljedee:

ne uzimaju se u obzir gubici pritiska zbog strujanja kroz generator pare, cjevovod i kondenzator;ne uzimaju se u obzir gubici unutar parne turbine i napojne pumpe (ekspanzija radnog fluida u turbini, kao i tlaenje u napojnoj pumpi su adijabatski- izentropski procesi);ne uzimaju se u obzir nikakvi gubici topline u okolinu kroz pojedinane dijelove sistema krunog procesa.

Pregrijavanjem pare poveava se srednja temperatura dijela procesa na koji se dovodi toplota

Slika 2. T-s dijagram idealnog parnog krunog procesa

Povrina s3-3-4-5-6-1-2-s1-s3 - koliina toplote q1, koja se dovodi radnom fluidu Povrina izmedju s3-3-2-s1-s3 - toplota q2, koja se oduzima, Povrina 1-2-3-4-5-6-1 - dobijeni korisni rad q1= h1 h4, q2= h2 h3.

Toplotno iskoritenje idealnog Rankinevog procesa:

ili

Razlika h1 h2 predstavlja raspoloivi toplotni pad koji se unutar turbine pretvara u kinetiku energiju, a h4 h3 je mehaniki rad utroen za tlaenje radnog medija od pritiska na kojem se vri kondenzacija do radnog pritiska generatora pare

h1 h2 odgovara povrini 1-2-m-n-1, a h4 h3 povrini 4-3-m-n-4.Slika 3. P-v dijagram idealnog parnog krunog procesa

razlika ordinata medju takama 1 i 2 odgovara radu dobijenom u turbini, razlika izmedju taaka 4 i 3 odgovara radu utroenom za pogon pumpe,razlika izmedju taaka 1 i 4 odgovara toploti dovedenoj u procesu, a izmedju taaka 2 i 3 toploti odvedenoj iz procesa.Slika 4. h-s dijagram idealnog parnog krunog procesa

Kada se rad h4 h3 utroen za pumpu, moe zanemariti u odnosu na znatno vei toplotni pad h1 h2, koji se u turbini pretvara u koristan rad, jednaina za toplotno iskoritenje procesa je :

teorijski rad pare turbine (po jedinici mase):wt,t=h1-h2teorijski rad za pogon pumpe (po jedinici mase):wt,p=h4-h3teorijski rad idealnog (reverzibilna) C-R procesawt,C-R=wt,t-wt,p=(h1-h2)-(h4-h3)

Stvarni rad realnog C-R procesa

Uzimajui u obzir unutarnje nepovratne gubitke, slijedi:Unutarnji rad turbine (po jedinici mase)wi,t= h1-h2'= (h1-h2)i,tgdje je i,t unutarnja iskoristivost parne turbine(0,850,90)Unutarnji rad pumpe (po jedinici mase)

gdje je: i,p unutarnja iskoristivost pumpe (0,850,90)

Unutarnja iskoristivost turbinsko-pumpnoga sklopa

Ukupna unutarnja iskoristivost energetskoga procesai=ti(t,p)

Uticaj unutarnjih gubitaka u pumpi na unutarnju ukupnu iskoristivost energetskoga procesa je relativno malen, pa se s dovljno tanosti moe uzeti da je i(t,p)~i,t, odnosno: i=ti,t

Faktori koji utiu na efikasnost parnog procesa i naini njenog poveanjaFaktori koji utiu na efikasnost parnog procesa:- temperatura ulazne pare u turbinu,- pritisak ulazne pare u turbinu,- pritisak izlazne pare iz turbine,tj. poveanje toplinske iskoristivosti C-R (Clausius Rankineovog) krunoga procesa moe se postii na sljedee naine:1. Poveanjem temperature ulazne pare u turbinu,2. Poveanjem pritiska ulazne pare u turbinu, 3. Snienjem temperature kondezacije pare, 4. Naknadnim pregrijavanjem (meu-pregrijavanjem) pare, 5. Regenerativnim predgrijavanjem napojne vode.

Temperatura ulazne pare u turbinuSlika 5. Uticaj temperature pare na Rankineov proces

p1=80 barp2=0.04 barSlika 6. Ovisnost toplotne iskoristivosti idealnog Rankineova procesa o temperaturi ulazne pare

Poveanjem temperature ulazne pare u turbinu, pri nepromijenjenim ostalim parametrima, djeluje se na: povienje srednje temperature dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, poveanje toplotne iskoristivosti krunoga procesa, poveanje toplotnog pada u turbini, smanjenje specifine potronje pare po jedinici proizvedene mehanike energije, smanjenje vlanosti pare u izlaznim stepenima turbine.

Pritisak ulazne pare u turbinu

Slika 7. Uticaj pritiska ulazne pare na Rankineov proces

Slika 8. Ovisnost toplotne iskoristivosti idealnog Rankineova procesa o pritisku ulazne paret1=500oC, p2=0.04 bar

Slika 9. Ovisnost toplotne iskoristivosti idealnog Rankineova procesa o temperaturi i pritisku ulazne pare

Poveanjem pritiska ulazne pare u turbinu, pri istoj temperaturi, istovremeno se djeluje na: povienje srednje temperature dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, poveanje toplotne iskoristivosti krunoga procesa, poveanje toplotnoga pada u turbini, smanjenje specifine potronje pare po jedinici proizvedene mehanike energije, poveanje vlanosti izlazne pare iz turbine, to uzrokuje poveani utjecaj erozije u njenim izlaznim stepenima te smanjenje unutranje iskoristivosti turbine.

Izlazni pritisak pare iz turbine

Slika 10. Ovisnost toplotne iskoristivosti idealnog Rankineova procesa o pritisku izlazne pare iz turbine(p1=80 bar, t1=500oC)

Snienjem pritiska (poveanje vakuuma), a s time i temperature u kondenzatoru, uz nepromijenjene ostale pogonske parametre, djeluje se na: poveanje toplotne iskoristivosti krunoga procesa, poveanje toplotnoga pada u turbini,smanjenje specifinoga utroka pare,poveanje vlanosti izlazne pare.

Donja granina vrijednost temperature kondenzacije ograniena je ulaznom temperaturom rashladne vode te veliinom kondenzatora. Razlika temperature kondenzacije i rashladne vode moe se smanjiti poveanjem rashladne povrine i poveanjem protoka rashladne vode kroz kondenzator; prvi nain poveava investicijske trokove, a drugim nainom se poveavaju pogonski trokovi. Pritisak kondenzacije u parnom ciklusu najvie je predodredjen temperaturom rashladne vode. Njegova uobiajna veliina je 0.04 bar, emu odgovara temperatura kondenzacije od 28.6oC. Daljnje sniavanje najee nije ekonomino jer znatno raste specifini obim izlazne pare, to zahtijeva vee dimenzije kondenzatora te vee duine lopatica zadnjih stepeni turbine. Poveava se i vlanost izlazne pare sa propratnim tetnim uincima koji su prethodno navedeni.

Regenerativno zagrijavanje napojne vode

Slika 11. Shema regenerativnog zagrijavanja napojne vode: 1-generator pare, 2-parna turbina, 3-kondenzator, 4-niskotlani povrinski zagrija vode, 5-zagrija vode sa direktnim mijeanjem, 6-visokotlani povrinski zagrija vode

Slika 12. T-s-D dijagram ciklusa sa regenerativnim zagrijavanjem

Slika 13. T-s dijagram ciklusa sa regenerativnim zagrijavanjem

Optimalni uslovi regenerativnog zagrijavanja Uinkovitost regenerativnog zagrijavanja ovisi o:raspodjeli toplotnog optereenja izmedju pojedinih zagrijaa,konanoj temperaturi napojne vode (na ulazu u generator pare), ibroju regenerativnih zagrijaa.

Optimalna raspodjela toplotnog optereenjanajdjelotvornije regenerativno zagrijavanje vode, u ciklusu bez medjupregrijavanja pare, postie kada je porast entalpije vode u svim zagrijaima jednak ,zbog konstruktivnih razloga na turbini ne mogu se uvijek osigurati pozicije za oduzimanje pare koje bi posve udovoljile tom zahtjevu,iskoristivost ciklusa ne ovisi bitno o odstupanju od ovog uslova.

Optimalna temperatura napojne vodenajvea uinkovitost regenerativnog zagrijavanja u ciklusu bez medjupregrijavanja pare postie se kada se entalpija u zagrijau vode unutar generatora pare poveava kao i u pojedinim regenerativnim zagrijaima,na taj je nain, uz poznati broj stepena zagrijavanja, odredjena i optimalna temperatura napojne vode na ulazu u generator pare.

Broj stepena regenerativnog zagrijavanja Osim termodinamskih, nuna i podrobna ekonomska razmatranja. Za definisanje uticaja broja stepeni parnog ciklusa na toplotnu iskoristivost koriste se bezdimenzionalne veliine, odnosno ovisnost relativnog udjela utede toplote y prema udjelu porasta entalpije napojne vode x pri regenerativnom zagrijavanju

gdje je:Qo koliina toplote u ciklusu bez regenerativnog zagrijavanja,Q koliina toplote kod regenerativnog zagrijavanja sa konanim brojem zagrijaa,Q - koliina toplote kod regenerativnog zagrijavanja sa beskonanim brojem zagrijaa

Udio porasta entalpije napojne vode je

gdje je:hNV entalpija napojne vode nakon regenerativnog zagrijavanja,hZ entalpija vrele vode,hK entalpija fluida na izlazu iz kondenzatora.

Slika 14. T-s dijagram za regenerativno zagrijavanje sa konanim brojem zagrijaa

Slika 15. Relativna uteda toplote pri regenerativnom zagrijavanju

Krive na dijagramu pruaju relativne pokazatelje poboljanja efikasnosti ciklusa s regenerativnim zagrijavanjem napojne vode kod cjelokupna raspona pogonskih parametara radnog medija,to je vei broj zagrijaa to je manji daljnji uinak njihova poveavanja.Pri odredjivanju optimalnog broja zagrijaa u nekom postrojenju treba uz termodinamsku analizu ukljuiti i ekonomske faktore.

Slika 16. Poboljanje toplotne iskoristivosti u ovisnosti sa parametrima radnog medija i broja zagrijaa regenerativnog zagrijavanja: pune linije pritisak svjee pare 14 bar, pritisak u kondenzatoru 0.7 bar, isprekidane linije- pritisak svjee pare 50 bar, pritisak u kondenzatoru 0.034 bar

Slika 17. Poboljanje toplotne iskoristivosti u ovisnosti o pritisku i broju zagrijaa regenerativnog zagrijavanja

Orjentacione veliine sistema sa regenerativnim zagrijavanjem

Pritisak (bar)4080125160Temperaturazagrijavanja (oC)

broj zagrijaa105 140

2 3 180 210

4 5 180 220

4 5 180 220

5 6

Uz navedene termodinamske uticaje, u definisanju i projektovanju ciklusa sa regenerativnim zagrijavanjem treba voditi rauna i o sljedeim propratnim konstrukcijskim efektima:za turbinu odredjene snage protok pare se na ulazu u turbinu poveava, a na izlazu smanjuje, to zahtijeva poveanje duine lopatica tamo gdje su i inae due;poveanje protoka pare kroz prve stepene turbine i smanjenje kroz posljednje djeluje na poveanje iskoristivosti same turbine;

smanjenje protoka pare u kondenzator djeluje na smanjenje njegovih dimenzija, a time se smanjuje i potrebna koliina rashladne vode;regenerativnim zagrijavanjem povisuje se ulazna temperatura napojne vode u generator pare.

Medjupregrijavanje pareSlika 18. Shema parnog procesa sa medjupregrijavanjem

Slika 19. T-s dijagram parnog procesa sa medjupregrijavanjem

Medjupregrijavanjem pare u parnim energetskim postrojenjima postie se dvojako koristan uinak:poveava se toplotna iskoristivost,smanjuje se vlanost pare na izlazu iz turbine,toplotna iskoristivost parnog krunog procesa sa medjupregrijavanjem pare

Ako je toplotna iskoristivost dodatnog procesa medjupregrijavanja (7-8-9-2), vea od toplotne iskoristivosti osnovnog krunog procesa, tj. kada je

tada je t,MP > t

Slika 20. T-s dijagram parnog procesa sa medjupregrijavanjem

Slika 21. h-s dijagram parnog procesa sa medjupregrijavanjem

Medjupregrijavanjem pare smanjuje se njena vlanost u posljednjim stepenima turbine to, osim direktnog uticaja na poveanje unutarnje iskoristivosti turbine takodjer povoljno djeluje na mehaniko ponaanje turbine u toku pogona

Medjupregrijavanje pare ima i neke nedostatke :

medjupregrija i dodatni spojni cjevovodi poveavaju trokove ulaganja u gradnju postrojenja;strujanjem pare kroz medjupregrija i dodatne spojne cjevovode nastaju gubici zbog pada pritiska, to donekle umanjuje koristan uinak medjupregrijavanja;ugradnja medjupregrijaa unutar generatora pare oteava regualaciju, a posebno se treba brinuti o njegovoj zatiti pri pokretanju i zaustavljanju pogona kada se medjupregrija moe otetiti zbog slabog strujanja pare kroz njega.

ENERGETSKI SISTEMI SA PLINSKIM PROCESOMradni medij - plin rad plinske turbine se temelji na Dulovom krunom procesu koji se u literaturi naziva jo i Braytonov proces .Osnovni princip rada plinskih turbinaplinske turbine mogu raditi sa otvorenim ili zatvorenim plinskim procesom

Slika 22. Shema otvorenog plinskog procesa

Slika 23. Shema zatvorenog plinskog procesa

Slika 24. p-v dijagram Joule-Braytonova procesa

Slika 25. T-s dijagram Joule Braytonova procesa

Teoretski Dul Braytonov kruni proces sastoji se od sljedeih promjena stanja:Od 1-2, izentropska kompresija do pritiska na kojem zapoinje davanje toplote. Ova promjena stanja deava se u kompresoru.Od 2 3, dodavanjem toplote uz konstantan pritisak. U otvorenom procesu to se deava u komori izgaranja, a u zatvorenom u izmejnivau toplote.Od 3- 4, izentropska ekspanzija plina u turbini do poetnog pritiska.Od 4 1, hladjenje plina uz konstantan pritisak.

U otvorenom procesu te se promjene deavaju izmjenom toplote sa okolinom u koju se isputa plin iz tubine, a u zatvorenom procesu u posebnom izmjenjivau toplote.Zbog gubitaka stvarni proces teoretski procesKarakteristike otvorenog plinskog procesa su:jednostavnost i relativno mali investicijski trokovi,iskoristivost je nia, znatna osjetljivost na kvalitet goriva zbog erozivnog i korozivnog djelovanja dimnih plinova koji nastaju pri izgaranju.

Prednosti zatvorenog plinskog procesa su:Radni medij u zatvorenom krugu je odgovarajui plin (zrak, N2, CO2, He) koji u procesu ostaje hemijski nepromjenjiv te ne djeluje tetno na materijal sa kojim dolazi u dodir;Indirektno zagrijavanje radnog medija omoguuje koritenje vie vrsta goriva slabijeg kvaliteta, bez tetnih posljedica na radne dijelove turbine i kompresora.Mogunost bolje regulacije snage turbine u irem rasponu te zbog toga vea iskoristivost postrojenja pri djelominom optereenju.

Glavni nedostatak zatvorenog plinskog procesa su veliki investicijski trokovi zbog potrebe za velikim izmjenjivaem toplote, to proizilazi iz relativno loeg prijenosa toplote u sistemu plin/plin.

Glavne veliine koje utiu na uinkovitost plinske turbine su radne temperature na kojima se odvija kruni proces; to je temperatura predaje toplote via i to je temperatura oduzimanja toplote nia, iskoristivost plinske turbine je vea.Ograniavajui faktor najvie radne temerature procesa je kvalitet materijala od kojeg su izradjene lopatice koje su najoptereeniji dijelovi plinske turbine. Ulazna temperatura se kree obino oko 700 do 800oC, dok se za turbine namijenjene povremenom radu dozvoljavaju temperature do 1000oC. Cilj je tehnlokim razvojem, a osobito primjenom specijalnih keramikih materijala, dostii temperature do 1500oC.

Iskoristivost plinskih turbina se kree u granicama:17 do 25 % kod jednostavnih plinskih turbina sa otvorenim krunim procesom;20 do 30 % kod veih plinskih turbina sa otvorenim rekuperativnim krunim procesom;32 do 35 % kod dvoosovinskih plinskih turbina sa ugradjenim medjuhladnjakom, rekuperatorom te medjupregrijaem;30 do 35 % kod plinskih turbina sa zatvorenim krunim procesom.

Iskoristivost krunog procesa sa plinskom turbinom

Uz pretpostavku da je radni medij idealan plin tese njegova svojstva ne mijenjaju u toku procesa,i koristei da je dh = Cp dt dobija se da je:

Za izentropsku promjenu stanja vrijedi da je pa se dobija da je:

Uvrtavajui kompresioni odnos k=p2/p1 dobija se konani izraz za iskoristivost idealnog Joule Braytonovog krunog procesa:Zavisi samo od kompresionog odnosa k te se sa njegovim rastom asimptotski pribliava vrijednosti 1 (vai samo za m=1 i povratne procese)

Slika 27. Dijagram h-s realnog Joule-Braytonova procesa

Slika 28. Ovisnost iskoristivosti ciklusa o kompresionom omjeru

Vidljivo je kako se mijenja iskoristivost Joule Braytonovog krunog procesa u realnim uslovima gdje su uzeti u obzir gubici usljed nepovratnosti (unutarnja iskoristivost turbine i,T=0.88 i kompresora i,K=0.85) uz najviu temperaturu procesa T3=1090 K, odnosno T3 = 810 K. Krive za realan proces znatno odstupaju od idealnog sluaja. U sluaju kada je poetna temperatura procesa T1 = 288 K i krajnja T3 = 1090 K, optimalan kompresijski odnos u idealnom procesu smanjuje se od k = 105 na k = 11.6. Pri nioj maximalnoj temperaturi procesa (T3 = 810 K), optimalni kompresioni odnos je jo manji k =5.4. Tu je uoljiva bitna ovisnost iskoristivosti realnog procesa o radnim temperaturama; to je manji odnos izmedju krajnje i poetne temperature nepovratnog procesa, manja je i njegova iskoristivost.

Korisna energija koja se dobija iz Joule Braytonovog krunog procesa samo je manji udio energije koju razvija sama plinska turbina. Naime, 60 do 75 % mehanike energije, koja se razvije u turbini, iskoritava se za pogon kompresora, a razlika ostaje kao efektivan rad sistema. Prema tome, svako poboljanje, kojim se postie smanjenje unutranjih nepovratnih gubitaka u samoj plinskoj turbini ili kompresoru, dovodi do direktnog poveanja efektivne energije cjelokupnog sistema.

Mjere za poboljanje iskoristivost procesa sa plinskom turbinom Moe se postii poveanjem srednje temperature u onom dijelu procesa u kojem se dovodi toplota ili snienjem srednje temperature odvodjenja toplotePosmatranjem dijagrama T-s (sl.25) idealnog Joule Braytonovog krunog procesa moe se zakljuiti da srednja temperatura s kojom se dovodi toplina Tdo i srednja temperautra s kojom se odvodi toplota Tod iznose:

odnosno

Osnovni izraz za toplotnu iskoristivost Joule Braytonovog krunog procesa je:

s3=s4, s2=s1 Prema tome, proces sa plinskom turbinom, koji radi sa najviom radnom temperaturom T3 i najniom T1, moe u idealnom sluaju postii iskoristivost koja odgovara Carnotovom procesu izmedjutemperature Tod i Tdo.

Dakle, na poveanje iskoristivosti bitnije utie poveanje srednje temperature dovodjenja, odnosno snienje srednje temperature odvoenja topline, nego poveanje samo najvie, odnosno snienje samo najnie temperature procesa.U praksi se to postie:regenerativnim zagrijavanjem,stepenovanim medjuzagrijavanjem i medjuhladjenjem radnog medija.

Regenerativno zagrijavanjeSlika 29. Shema Joule Braytonova procesa sa regenerativnim zagrijavanjem

Slika 30. T-s dijagram Joule Braytonova procesa sa regenerativnim zagrijavanjem

Povrina omedjena takama 5-6-c-d predstavlja toplotu koja se u regenerativnom zagrijau prenosi s izduvnih plinova povrina izmedju taaka 2-3-a-b je jednaka toploti koju preuzima komprimirani zrak U ovom sluaju toplotna iskoristivost je:

Poboljanje iskoristivosti ovisi o tzv. stepenu regeneracije, koji je definisan odnosom izmedju toplote predane u regeneratoru i najvie topline koja se teorijski moe prenijeti, odnosno:

U praksi se ovaj stepen regeneracije kree izmedju 0.5 i 0.8.

Medjuzagrijavanje i medjuhladjenje radnog fluidaPoveava se srednja temperatura dovodjenja i sniava srednja temperatura odvodjenja toplote

Slika 31. Shema Joule- Braytonova procesa sa medjuhladjenjem, medjuzagrijavanjem i regenerativnim zagrijavanjem

Slika 32. T-s dijagram Joule- Braytonova procesa sa medjuhladjenjem, medjuzagrijavanjem i regenerativnim zagrijavanjem

Slika 33. T-s dijagram Joule- Braytonova procesa sa viestepenom kompresijom i viestepenom ekspanzijom

Sa poveanjem broja stepeni medjuzagrijavanja i medjuhladjenja poveava se stepen regeneracije te se proces sve vie pribliava Carnotovom procesu.Veliko poboljanje u iskoristivosti procesa postie se ve prvim, odnosno drugim stepenom medjuzagrijavanja i medjuhladjenja. Daljnjim poveanjem broja stepeni uinci se smanjuju, a investicijski trokovi i trokovi odravanja su znatno vei. Stoga se u praksi rijetko primjenjuje medjuzagrijavanje i medjuhladjenje sa vie od tri stepena.

KOGENERACIJSKI ENERGETSKI SISTEMINajvei nedostatak klasinih termoelektrana jeste to u njima dolazi do nepovratnih gubitaka energije. Medjutim, industrijska procesna postrojenja pruaju mogunost vraanja i iskoritavanja te energije u obliku toplote primjenom energetskih procesa sa kombinovanom proizvodnjom elektrine i toplotne energije.

Tako se dolazi do primjene tzv. kogeneracijskih energetskih sistema kojima se bolje iskoritava eksergija goriva.Klasian sistem za kombinovanu proizvodnju mehanike i toplotne energije satoji se od proizvodnje pare u loenim generatorima pare, ekspanzije u turbini do odredjenog pritiska te njenog razvodjenja u sistem za iskoritenje toplotne energije.

Slika 34. Parni kogeneracijski sistem sa protutlanom turbinom

Osnovni nedostatak ovakve kombinovane proizvodnje mehanike i toplotne energije je nemogunost bilansiranja proizvedene elektrine energije i topline sa potrebama korisnika u pojedinom trenutku.Ovaj nedostatak moe se rijeiti ugradnjom tzv. kondenzacijsko- oduzimne turbine za pogon generatora, gdje se toplotna energija za potroae podeava promjenom oduzimanja pare iz turbine, a elektrina energija regulacijom protoka pare kroz kondenzacijski dio turbine.

Slika 35. Parni kogeneracijski sistem sa kondenzacijskom turbinom sa regulisanim oduzimanjem

Slika 36. Kogeneracijski sistem sa plinskom turbinom i generatorom pare na ispune dimne plinove bez dodatnog loenja

Uvodjenjem dodatnog loenja kod generatora pare na ispune dimne plinove omoguuje se regulisanje i poveanje njihovog uinka, ime sistem postaje potpuno autonoman za proizvodnju elektrine i toplotne energije, ovisno o potrebama korisnika. To su tzv. plinsko-parni kombinovani energetski sistemi.

Slika 37. Kogeneracijski sistem sa plinskom turbinom i generatorom pare na ispune dimne plinove uz dodatno loenje

Energetski sistem postaje jo djelotvorniji kada se para, proizvedena u generatoru pare na ispune dimne plinove, iskoritava za proizvodnju elektrine energije u protutlanom turbogeneratoru.Iskoristivost samih plinskih turbina kree se najee 25 do 35%, ovisno o tipu i radnim parametrima turbine, a u prikazanim kombinovanim sistemima se energetska iskoristivost poveava ak do 85%.

Slika 38. Kombinovani kogeneracijski sistem sa plinskom i protutlanom turbinom te sa dodatno loenim generatorom pare na ispune dimne plinove

Kod kombinovane proizvodnje mehanike (elektrine) energije i toplote sve su ee u primjeni dizel motori. Odredjeni nedostatak im je nemogunost proizvodnje pare viih parametara zbog nie temperature izduvnih plinova. Medjutim, jednostavniji su i investicijski povoljniji od plinskih turbina. Mogu biti u kombinacji sa neloenim ili loenim generatorim pare na ispune dimne plinove.

Slika 38. Kogeneracijski sistem sa dizel motorom te sa dodatno loenim generatorom pare na ispune dimne plinove

Iz ovog kratkog opisa osnovnih oblika kombinovane proizvodnje mehanike i toplotne energije moe se zakljuiti da projektanti energetiari imaju vrlo sloen i odgovoran zadatak da izmedju svih moguih oblika energetskih sistema odaberu najpovoljniji u pojedinim radni okolnostima. Pri tome je potrebno raslaniti sve tehniko ekonomske faktore te njihovom ispravnom procjenom pronai optimalno rjeenje.

Postupak odabira optimalnog rjeenja

Kriteriji za analizu i usporedbu kogeneracijskih energetskih sistema

Kogeneracijski sistemi proizvode istovremeno elektrinu i toplotnu energiju u razliitim omjerima te ih se stoga ne moe jednoznano meusobno usporediti .Kvalitet elektrine i toplotne energije bitno se razlikuje,odnosno:Eksergija el. en. Eksergija topl. en.

Tehniki pokazatelji, odnosno karakteristine veliine za analizu i usporedbu razliitih kogeneracijskih energetskih sistema su:

iskoristivost proizvodnje elektrine energijeiskoristivost energijefaktor vrijednosti proizvedene energijeudio pretvorbe toplotne energije gorivaekvivalentni faktor pretvorbe energijefaktor utede energijeiskoristivost eksergije

Iskoristivost proizvodnje elektrine energije

Napomena: uzima se u obzir samo proizvedena elektrina energija, odnosno ne vrednuje se toplotna energija koja se istovremeno proizvodi. Stoga, usporedba prema ovom kriteriju ne daje realne pokazatelje.gdje je:EE proizvedena elektrina energijaEG energija dovedena gorivom.

Iskoristivost energijeOvaj kriterij definisan je odnosom:

E iskoristivost energije,EE proizvedena radna (mehanika, elektrina) energija,ET toplotna energija koju daje kogeneracijski energetski sistem,EG energija koja se dovodi gorivom u proces, odnos proizvedene elektrine i toplotne energije tj.

Faktor vrijednosti proizvedene energije Faktor vrijednosti proizvedene energije FC,E, uzima u obzir uticaj cijene elektrine energije, cijene toplotne energije te cijene goriva, prema izrazu:

gdje je:CE jedinina cijena elektrine energije,CT jedinina cijena toplinske energije,CG jedinina cijena energije goriva.

Udio pretvorbe toplotne energije gorivaU nekim sluajevima korisno je analizirati kogeneracijske energetske sisteme na osnovu izraza:

odnosom ET/GP uzima se u obzir ekvivalentno smanjenje potronje energije goriva, koje se postie u usporedbi sa sistemom gdje se zasebno proizvodi elektrina i toplotna energija uz iskoristivost generatora pare GP. Pri tome t,K oznaava toplotnu iskoristivost proizvodnje elektrine energije u kogeneracijskom energetskom sistemu, odnosno:

Ekvivalentni faktor pretvorbe energijeEkvivalentni faktor pretvorbe energije FK,E u kogeneracijskom energetskom sistemu moe se izraziti ekvivalentnim udjelom utroene energije goriva za proizvodnju samo elektrine energije, prema izrazu:

odnosom ET/GP uzima se u obzir ekvivalentno smanjenje potronje energije goriva, koje se postie u usporedbi sa zasebnim sistemom gdje se proizvodi samo toplotna energija.

Faktor utede gorivaDefinicija faktora utede goriva FU,G proizilazi iz razlike izmedju energije goriva koja bi bila potrebna da se udovolji proizvodnji elektrine i toplotne energije u odvojenim sistemima uz iskoristivost generatora pare GP i toplotnu iskoristivost proizvodnje elektrine energije t, te energije goriva EG za iste izlazne proizvodne veliine u kogeneracijskom sistemu.

Na taj nain uteda energije goriva je:

Faktor utede goriva je:

Iskoristivost eksergijeAnalogno sa iskoristivosti energije, za termodinamsku analizu i usporedjivanje kombinovanih energetskih sistema, moe se koristiti i iskoristivost eksergije E*, koja je odredjena izrazom:

EE* - eksergija proizvedene mehanike (elektrine) energije,ET* - eksergija proizvedene toplotne energije,EG* - eksergija sadrana u utroenom gorivu.

Sa dovoljnom tanou moe se pisati da je: EE* = EE EG* = EG

TT apsolutna temperatura pri kojoj se iskoritava toplota u kogeneracijskom sistemu, To apsolutna temperatura okoline

Slijedi da je:

Usporedba kogeneracijskih energetskih sistemaU prethodnom dijelu utvrdjeni su osnovni kriteriji za analizu i uporedbu razliitih kogeneracijskih energetskih sistema. Nadalje e se vriti takve usporedbe na bazi termodinamskih pokazatelja kao polaznih veliina za odredjivanje valjanosti razliitih struktura i oblika energetskih sistema za kombinovanu proizvodnju elektrine i toplotne energije.

Zajednika osobina svih kogeneracijskih energetskih sistema je da istovremeno proizvode elektrinu i toplotnu energiju u odredjenom omjeru, ovisno o tehnikim mogunostima i potrebama potroaa. Taj omjer se kod energetskih potroaa u procesnoj industriji ne mijenja bitno tokom vremena, jer je definisan uglavnom njihovom strukturom i ovisi o zahtjevima proizvodnog procesa.

Ta injenica donekle olakava izbor optimalnog energetskog sistema u takvim sluajevima, uz uslov da je to tanije utvrdjen omjer energije za elektrine i toplotne potroae. Naime, energetski sistem je bolje izabran to je razlika izmedju spomenutog omjera proizvodne i potroake strukture manja, a upravo tome treba teiti u fazi planiranja i projektovanja, ali i u samoj eksploataciji.

Primjer usporedbe kogeneracijskih energetskih sistemaKao primjer usporedbe koristiti e se kogeneracijski energetski sistemi kod kojih kapacitet elektrine energije iznosi 25 MW.

U analizu su ukljuene ove strukture:

- Sistem a sa loenim generatorom pare i protutlanom turbinom (slika 34) u kojoj para ekspandira od 64 bar/360oC na 16 bar/210oC. Iskoristivost parne turbine je 77 %, a generatora pare 88 %. Temperatura napojne vode iznosi 110oC;

Sistem b sa loenim generatorom pare i kondenzacijskom turbinom uz regulisano oduzimanje (sl.35). Parametri pare na ulazu u turbinu su 64 bar/360 oC, nakon oduzimanja 16 bar/210o C, a u kondenzatoru 0.04 bar. Iskoristivost parne turbine i generatora pare isti je kao kod sistema a.Sistem c sa plinskom turbinom i generatorom pare na ispune dimne plinove bez dodatnog loenja (sl.36). Iskoristivost plinske turbine je 31 %, koliina dimnih plinova 335 kg/s, a njihova temperatura 500 do 510 oC. Temperatura dimnih plinova iza utilizatora je 150 oC.

Sistem d sa plinskom turbinom kao kod sistema c, ali uz dodatno loenje u utilizatoru. Pri tome je najvea mogua koliina goriva za dodatno loenje ograniena sadrajem slobodnog kisika u izlaznim dimnim plinovima iz plinske turbine, koji iznosi oko 16 %.Sistem e sa plinskom turbinom i utilizatorom kao kod sistema c, ali u kombinaciji sa protutlanom parnom turbinom u kojoj para ekspandira od stanja 64 bar/360oC na 16 bar/210o C (sl.38, bez dodatnog loenja).

Sistem f sa plinskom turbinom i utilizatorom uz dodatno loenje, kao kod sistema d , te sa protutlanom turbinom u kojoj para ekspandira od stanja 64 bar/360oC na 16 bar/210o C (sl.38).Sistem g sa dizel motorom i utilizatorom (sl.39, bez dodatnog loenja). Izlazna temperatura dimnih plinova iz motora je 380oC, specifina potronja goriva 0.201 kg/kWh, koliina dimnih plinova je 7.41 kg/kWh. Temperatura ispunih dimnih plinova iza generatora pare je 150oC.Sistem h sa dizel motorom kao kod sistema g, ali uz dodatno loenje u utilizatoru (sl.39).

Prilikom usporedbe navedenih sistema uzeti su u obzir isti glavni pogonski parametri energetskih sistema kako bi rezultati usporedbe bili to vjerodostojniji. Iskoristivost energije E i ekvivalentni faktor pretvorbe energije FK,E, u zavisnosti od odnosa elektrine i toplotne energije , za opisane kogeneracijske energetske sisteme prikazani su na sljedeim dijagramima

Slika 40. Iskoristivost energije kogeneracijskih energetskih sistema u ovisnosti o omjeru

Slika 41. Ekvivalentni faktor pretvorbe energije kogeneracijskih energetskih sistema u ovisnosti o omjeru

Iz takve usporedne analize proizilazi:1. u podruju malih omjera (priblino do 0.1), odnosno tamo gdje se troi samo toplotna energija, najpovoljniji je sistem sa protutlanom turbinom, tj. sistema. U konkretnom primjeru, specifina potronja toplotne energije za proizvodnju elektrine energije iznosi 4500 kJ/kwh. Takav sistem ima ogranienje oznaeno takom A, koje proizilazi iz ugradjenog kapaciteta turbogeneratora.

2. Navedeno ogranienje (taka A) moe se ukloniti uvodjenjem sistema sa kondenzacijskom turbinom uz regulisano oduzimanje (sistem b). Medjutim, kao to se na dijagramu (sl.40 i 41) vidi, porast omjera praen je smanjenjem iskoristivosti energetskog sistema (pada E, raste FK,E). to je vei udio pare koja ulazi u kondenzator to je rad sistema sve blii uslovima odvojene proizvodnje elektrine energije (kondenzacijskom pogonu). Iskoristivost energije E pribliava se vrijednosti 30 %, to odgovara veliini koju imaju kondenzacijske termoelektrane manjih snaga.

3. Sistem c sa plinskom turbinom ima u cijelom podruju omjera povoljniji ekvivalentni faktor pretvorbe FK,E, a prema tome i iskoristivost energije E od sistema sa parnom turbinom (b). Medjutim, ovaj sistem ima ogranienje oznaeno takom B, koje u ovom primjeru odgovara omjeru =EE/ET=0.7, a to je uslovljeno maksimalnom proizvodnjom pare koritenjem toplote ispunih dimnih plinova iz plinske turbine.

4. Smanjenje omjera elektrine i toplotne energije isod vrijednosti koja odgovara taki B, tj. daljnje poveanje proizvodnje pare za potrebe toplotne energije, postie se uvodjenjem dodatnog loenja u struji ispunih dimnih plinova (u utilizatoru) iza plinske turbine (sistem d). Dodatnim sagorijevanjem u struji dimnih plinova, koji sadre oko 16 % slobodnog kisika, poveava se ukupna energetska iskoristivost sistema E, odosno smanjuje se ekvivalentni faktor pretvorbe energije FK,E. Takav sistem ima ogranienje definisano takom C, koje je uslovljeno raspoloivom koliinom kisika za dodatno sagorijevanje u struji ispunih dimnih plinova bez dodavanja svjeeg zraka.

5. Proizvodnjom pare viih parametara (64 bar/360oC), koja najprije ekspandira u protutlanoj turbini do pritiska 16 bar, a zatim odlazi u toplotne potroae (sistem e), postie se jo vea toplotna efikasnost kombinovanog energetskog sistema. Takav sistem ima ogranienje oznaeno takom D, to proizilazi iz maksimalne proizvodnje pare u utilizatoru bez dodatnog loenja.6. Dodatno loenje u generatoru pare na ispune dimne plinove (sistem f) ima ogranienje oznaeno takom E, a definisano je maksimalnom koliinom goriva koja moe izgoriti sa sadranom koliinom kisika u dimnim plinovima.

7. Poveanje ukupne iskoristivosti energije u veem omjeru elektrine i toplotne energije (EE/ET>2) postie se kombinovanim sistemom sa dizel motorom u iskoritavanje osjetne toplote dimnih plinova u generatoru pare (sistem g). Najvei uinak takvog sistema oznaen je takom F koja je odredjena maksimalnom proizvodnjom pare iskoritavanjem osjetne toplote ispunih dimnih plinova bez dodatnog loenja.

8. Daljnje poveanje proizvodnje toplotne energije kombinovanog sistema sa dizel motorom postie se dodatnim loenjem u struji dimnih plinova, odnosno u utilizatoru (sistem h), iji je najvei uinak oznaen takom G, a ona je definisana najveom koliinom goriva koje moe izgoriti u struji dimnih plinova sa odredjenim sadrajem kisika (bez dodavanja svjeeg zraka).

Usporedba kogeneracijskih energetskih sistema sa sistemom za odvojenu proizvodnju elektrine i toplotne energijeDa bi se moglo izvriti poredjenje kogeneracijskih energetskih sistema sa sistemima za odvojenu proizvodnju elektrine i toplotne energije, najprikladnije je izraunati potronju goriva u odvojenoj proizvodnji za razliite odnose elektrine i toplotne energije EE/ET, te dobijene veliine uporediti sa potronjom goriva u promatranim kogeneracijskim sistemima.

Na osnovu takvih prorauna dobijeni su rezultati i svrstani u sljedeu tabelu, koji pokazuju razlike u potronji goriva pojedinih struktura kombinovanih energetskih sistema u usporedbi sa odvojenom proizvodnjom. Razmatran je sistem kapaciteta proizvodnje elektrine energije EE= 25 000 kW . Za odvojenu proizvodnju elektrine i toplotne energije, pri raunanju je uzeta prosjena iskoristivost generatora pare 88% te toplotna iskoristivost pri proizvodnji elektrine energije 40 %.

Na osnovu dobijenih rezultata moe se zakljuiti koji je energetski sistem najpovoljniji sa gledita potronje goriva za pojedine veliine odnosa elektrine i toplotne energije. Takodjer se moe vidjeti koji je kogeneracijski energetski sistem nepovoljniji u odnosu na odvojenu proizvodnju elektrine i toplotne energije, to je u tabeli oznaeno predznakom (-).

Tabela: Usporedni prikaz utede goriva kogeneracijskih sistema u odnosu na odvojenu proizvodnju elektrine i toplotne energije

Slika 42. Razlike efikasnosti kogeneracijskih energetskih sistema u odnosu prema odvojenoj proizvodnji

Donja kriva oznaava promjenu iskoristivosti energije E u odvojenoj proizvodnji u ovisnosti o omjeru elektrine i toplotne energije EE/ET, a gornja iskoristivost energije E najpovoljnijih razmatranih energetskih sistema u posmatranm podruju omjera EE/ET. Razlike ordinata pokazuju, na taj nain, razlike efikasnosti koritenja energije, odnosno utedu goriva u kogeneracijskim energetskim sistemima.

Uteda energije goriva u kogeneracijskom sistemu u odnosu na odvojenu proizvodnju proizilazi iz relacije:

Uzimajui u obzir toplotnu iskoristivost pri proizvodnji elektrine energije t i iskoristivost generatora pare GP, moe se zakljuiti da je

Koristei izraz za faktor pretvorbe energije FK,E proizilazi da potronja goriva u kogeneracijskom energetskom sistemu iznosi:

Na kraju dobija se

U prethodnim usporedbama kogeneracijskih energetskih sistema koristile su se samo termodinamske veliine, to nije dovoljno za cjelokupno sagledavanje i donoenje vjerodostojnih zakljuaka o tehnoekonomskoj valjanosti nekog energetskog sistema. Stoga pri analiziranju treba posmatrati i ostale uticajne faktore te nakon toga donijeti valjane zakljuke.Uticajni faktori usporedbe kogeneracijskih energetskih sistema

Ti uticajni faktori koje prilikom usporedbe treba uzeti u obzir su:ostali pogonski trokovi (pored trokova goriva)investicijski trokovifleksibilnost u raduzatita okoliaraspoloivost, pouzdanost u radu i drugo.

Pogonski trokovi rashladne vodeNa slici 43 dijagramski su prikazane specifine prosjene potrebe rashladne vode za pojedine vrste energetskih sistema u ovisnosti o njihovim veliinama. Osjeneno podruje dijagrama odnosi se na kogeneracijske sisteme sa parnim turbinama. to je vei udio pare koja se kondenzira, potronja rashladne vode blia je gornjoj krivoj koja odgovara sistemu sa kondenzacijskom turbinom.

Slika 43. Specifina potronja rashladne vode: a-sistem sa protutlanom turbinom, b-sistem sa kondenzacijskom turbinom, c- kombinovani sistem sa plinskom turbinom, d-kombinovani sistem sa dizel motorom

Investicijski trokoviNa slici 44 prikazani su priblini relativni odnosi specifinih investicijskih trokova, to moe posluiti u prelimnarnim tehnoekonomskim analizama. Potrebna su sljedea pojanjenja:kriva a odnosi se na sistem sa parnom protutlanom turbinom, a kriva b na sistem sa parnom kondenzacijskom turbinom sa regulisanim oduzimanjem. Razlika u trokovima nastaje zbog cijene kondenzatorskog sistema i rashladnog uredjaja.

Kriva c oznaava kogeneracijski sistem sa plinskom turbinom. Specifini trokovi za sistem sa plinskom turbinom mogu dosta varirati, to ovisi o specifinim uslovima: lokaciji, primjeni goriva sa velikim sadrajem tekih metala, vrnoj temperaturi radnog procesa i drugom.Kriva d odnosi se na kogeneracijski sistem sa dizel motorom. Do kapaciteta od 25 MW rauna se sa jednom dizel- motornom jedinicom, a iznad u obzir ih dolazi vie, to zavisi o ukupnoj snazi.

Slika 44. Specifini investicijski trokovi: a-sistem sa protutlanom turbinom, b-sistem sa kondenzacijskom turbinom, c- kombinovani sistem sa plinskom turbinom, d-kombinovani sistem sa dizel motorom

Ako je pogon, za koji je namijenjen energetski sistem, podloan estim promjenama optereenja, tada treba uzeti u obzir i uticaj ovog faktora.Neophodno je poznavati ponaanje sistema pri optereenju manjem od nominalnog.Fleksibilnost u radu pri promjeni optereenja

Slika 45. Ovisnost relativne promjene iskoristivosti od optereenja: a-parna turbina, b-dizel motor, c-plinska turbina

Promjena iskoristivosti dizel motora pri reduciranom optereenju je zanemarljiva. Proireno podruje (na sl.45 osjeneno) koje se odnosi na sistem sa parnom turbinom, posljedica je uticaja razliitih veliina i izvedbi turbina. Pad iskoristivosti plinskih turbina pri smanjenom optereenju nastaje u prvom redu zbog poveanog udjela energije za pogon kompresora pri niim optereenjima, budui da se ona ne smanjuje proporcionalno sa smanjenjem izlazne snage.

Zatita okoliaDanas su za energetska postrojenja zahtjevi u zatiti okolia sve stroi, pa se to ne smije zanemariti pri projektovanju postrojenja. Postrojenje mora biti izgradjeno tako da se okoli to manje oneiava sa tetnim tvarima, a svakako manje od najvie dozvoljenog. U veini dananjih postrojenja emisija ugljik-oksida, neizgorenih sastojaka ugljikovodika i vrstih estica, nastoji se to vie smanjiti uporedo sa nastojanjima da se umanje i toplotni gubici. Koliina sumpor-oksida u izlaznim dimnim plinovima izravno ovisi o vrsti goriva, odnosno o sadraju sumpora u njemu, pa se na to ne moe bitno uticati nainom izgaranja, ve samo obradom dimnih plinova.

Ostale uticajne karakteristike energetskih sistemaDa bi analiza, radi odredjivanja najpovoljnijeg rjeenja, bila to cjelovitija, a prema tome i to realnija, potrebno je uzeti u obzir jo neke karakteristine specifinosti pojedinih energetskih sistema:

Energetski sistem sa parnim ciklusom

mogu se koristiti gotovo sve vrste goriva;trokovi odravanja su relativno mali;

vrlo dobre karakteristike u uslovima djeliminog i promjenjivog optereenja;relativno mala buka;pogonske karakteristike vrlo malo ovise o okolnoj temperaturi;veliki dio postrojenja prikladan za vanjsku montau;potreban je relativno veliki prostor za ugradnju.

Energetski sistem sa plinskom turbinom

kompaktna izvedba i mali prostor za ugradnju;brzo putanje u rad;dobro prilagodjavanje naglim promjenama optereenja;mali vlastiti utroak pogonske energije;kratko vrijeme za izvedbu montanih radova;osjetljivost na kvalitet pogonskog goriva.

Energetski sistem sa dizel motorom

prikladan za autonomne energetske sisteme manje i srednje snage;vei investicioni trokovi po jedinici ugradjene snage u odnosu na sisteme sa parnom protutlanom i plinskom turbinom;vrlo dobro prilagodjavanje uslovima djeliminog optereenja, te mogunost odravanja optimalnih reima uz ukljuenje ili iskljuenje iz pogona pojedinih jedinica, ovisno o optereenju;kompaktna izvedba i mali prostor za ugradnju;

vea emisija azotnih oksida (NOx);vee vibracije i buka;mogunost ugradnje u neposrednoj blizini potroaa, ime se smanjuju prenosni gubici;brzo putanje u pogon i preuzimanje punog optereenja;prikladnost za fazno proirenje kapaciteta dogradnjom novih jedinica, ime se omoguava uskladjivanje pogona sa optimalnim uslovima optereenja.

Podobnost kogeneracijskih energetskih sistema za pojedine industrijske pogoneIz prethodnih razmatranja uoljiva je sloenost konanog zakljuka pri usvajanju najpovoljnijeg energetskog sistema u raznim pogonskim zahtjevima uz potivanje svih uticajnih faktora i uslova ogranienja.Ukoliko se daje prednost pojedinim osobinama, a zanemare ili nedovoljno uoe ostali uticaji, moe se konano rjeenje znatno udaljiti od optimuma.Raslanjivane su energetske potrebe pojedinih industrijskih procesa koji troe elektrinu i toplotnu energiju pa je na osnovu toga izradjen jedan opti dijagram ovisnosti omjera elektrine i toplotne energije prema toplotnoj energiji za proces

Slika 46. Potronja energije u industrijskim procesima:petrohemija, papirna industrija, prerada nafte, prehrambena industrija, drvana industrija

Moe se zakljuiti sljedee:najvei broj industrijskih procesa, prema svojim energteskim potrebama, spada u podruje primjenjivosti parnih sistema, ali optimalne izvedbe esto ine sistemi sa plinskom turbinom ili dizel motorom;propusti i odstupanja koji nastaju ve u fazi planiranja, odnosno projektovanja energetskog sistema, uzrokuju dalekosenije posljedice te se u kasnijoj fazi vrlo teko ispravljaju. Kombinovani energetski sistemi za proizvodnju elektrine i toplotne energije najuinkovitiji su kada se projektuju za nova postrojenja jer se u takvim sluajevima bilans energije moe najbolje prilagoditi uslovima maksimalne iskoristivosti;

struktura energetskih potroaa (elektrini i toplotni) u tipinim procesnim industrijama je razliita pa se ne moe openito postaviti zakljuak o vrsti energetskog sistema koji bi bio najpodobniji za pojedinu industrijsku granu, nego treba svaki sluaj posebno i potanko analizirati;postavljanje energetskog sistema tako da zadovolji zahtjev vrnih potreba u elektrinoj i toplotnoj energiji, najee ne prua optimalne rezultate u pogledu ekonominosti pogona. Zbog toga treba paljivo uoiti potrebe i zahtjeve energetskih potroaa prije nego se donese odluka o prihvatanju jednog od rjeenja.