Elektrane

ElektraneTermoelektrane

Elektrotehniki fakultet u BeograduKatedra za elektroenergetske sistemeOsnovne i master akademske studijePredmetni nastavnik: Dr eljko urii Pripremio: Mileta arkovi, asistent

Termoelektrane su postrojenja u kojima se hemijska energija goriva pretvara u elektrinu energiju viestruko, konverzijom energije:prvo se hemijska energija goriva, sagorevanjem, pretvara u toplotnu energiju, taj proces odvija se sa visokim stepenom iskorienja. Loita parnih kotlova.

drugi korak je pretvaranje toplotne energije u mehaniku. Ovaj proces odvija se sa niskim stepenom iskorienja. Parni kotao turbina.

trea konverzija je pretvaranje mehanike energije u elektrinu, koja se odvija sa visokim stepenom iskorienja. Sinhrona maina.

Osnove termodinamike

Kao medijum za prenos toplotne energije u termoelektranama koristi se vodena para ije osobine ne odstupaju znatno u odnosu na idealne gasove.

Termoelektrane

Osnovni pojmovi: temperatura T[K], koliina toplote Q[J], pritisak p[Pa], zapremina v[m3], unutranja energija u[J], entalpija h[J], entropija s[J/K].Termodinamika

pv12dQ

Entropija nekog termodinamikog procesa ne zavisi od karaktera samog procesa ve zavisi samo od poetnih i krajnjih temperatura i zapremina.Prednost T-S dijagrama!

Izohorski (ne generie mehaniki rad)

Izobarski (gas vri mehaniki rad i poveava se T)

Izotermski (sva dovedena energija se pretvara u mehaniki rad)

Adijabatski (unutranja energija gasa pretvara se u mehaniki rad ako se gas iri, ili se mehanika energija pretvara u unutranju energiju gasa ako se gas se sabija)

Osnovni tipovi termodinamikih procesa

Termodinamiki radni ciklusiTransformacija toplotne energije u mehaniku energiju je mogua pri izobarskom, izotermikom i adijabatskom procesu.Parne ili gasne turbine su maine u kojima se toplotna energija radnog fluida pretvara u mehaniku energiju, pri emu se toplotna energija niti dovodi niti odvodi iz turbine. U toplotnim turbinama mogue je dobiti mehaniku energiju jedino pri adijabatskom procesu ekspanzije vodene pare ili nekog drugog gasa. Termodinamiki proces:1-2 izobarsko zagrevanje gasa koliinom toplote Q12, 2-3 adijabatsku ekspanziju u turbini, 3-4 izobarsko hlaenje gasa koji je proao kroz turbinu i4-1 predstavlja adijabatsku kompresiju.

Karnoov idealni termodinamiki ciklusi

Q12>Q14,12,23 Q34>p3,4 p3,4 s1,4 s2,3T1=T2T3=T4K12 izotermiko isparavanje vode u kotlu generatoru pare (gp), pri pritisku p1,2 (vodi se dovodi koliina toplote Q1);2-3 adijabatska ekspanzija u turbini (T) gde se generi mehanika energija (pritisak opada sa p1,2 na p3,4), hladi se i para pa se javljaja kavitacija(kapljice vode oteuju lopatice turbine);3-4 izotermika kondenzacija pare. Pari se u kondenzatoru (k) oduzima koliina toplote Q2 pomou rashladnog medijuma (vode). Pri kondenzaciji vlanost 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 vlanost, a on je dosta skupa maina.

mreagpGTkK1234Q2Q1rashladna voda

Rankine - Klauzijusov ciklus sa vlanom vodenom parom A132 T sQ1 p1,24 p3,4T1=T2T3=T4K5 p1,2 p3,4gpGTkP12345Rashladna voda a) b)

Kod ovog ciklusa deo 1-2-3 isti je kao i kod Karnoovog ciklusa. U kondenzatoru (k) toplota se izraenoj pari oduzima dok sva ne pree u teno stanje (taka 4). Pomou pumpe (P) podie 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 maine od kompresora. Korienje pumpe (deo ciklusa 4-5) je osnovna prednost Rankine Klauzijusovog ciklusa u odnosu na Karnoov ciklus. Meutim, problem kavitacije u parnoj turbini je i dalje prisutan!

Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom paromKako bi ciklus sa vodenom parom bio primenljiv, izvrena je modifikacija postavljanjem pregrejaa pare koja se odvodi iz kotla. Na taj nain se vodena para, koja sadri odreeni procenat vlage (vlana para), nakon izlaska iz kotla uvodi u pregreja gde se dodatno zagreva i iz nje eliminie sva preostala vlaga (suva para). Deo ciklusa 3-4-5-1-6 je isti!A132Q1 p1,2,6,54 p3,4T1=T6T3=T4K5gpGTkP12345rashladna voda6T2Q26p

Taka (3) nalazi se u zoni vlane pare ali sa velikim sadrajem pare x3>0,85 tako da se ne pojavljuje kavitacija u parnoj turbini!

hT=h2-h3- toplotni pad u turbini;hP=h5-h4- toplotni pad u pumpi

Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom paromToplotni pad u turbini treba da je to je mogue vei kako bi se imao vei termodinamiki stepen iskorienja. To znai da izlazni pritisak iz turbine (p3,4) treba da bude to nii, jer se tada smanjuje Q2 pa termodinamiki stepen iskorienja raste. Smanjivanje pritiska p3,4 ogranieno je temperaturom T3=T4, koja ne moe biti manja od atmosferske temperature. Temperatura T3 je takoe ograniena koliinom i temperaturom rashladne vode (Tr.v.) koja se dovodi u kondenzator.

Za Tr.v.=7 C (zimsko vreme) je T3=17 C.Za Tr.v.=18 C (letnje vreme) je T3=28 C.Da li je stepen iskorienja vei zimi ili leti?

Prethodna analiza pokazuje da se poveanjem temperature vodene pare na ulazu u turbinu poveava stepen iskorienja ciklusa. U praksi temperatura vodene pare na ulazu u turbinu kree se do 540 C.

Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrejanom vodenom paromSl. 2.15. Uticaj pritiska pare na ulazu u turbinu na stepen iskori{}ewa ciklusaA132 T s p1,24 p3,4,8T1T3=T4K56T2=T9T7710Q-DQ-DA289+DA9 p7,9 pk

Ako se pritisak pare na ulazu u turbinu povea sa p1,2 na p7,9 , pri T2=T9 , korisni rad ciklusa e se istovremeno smanjiti za A2 i poveati za A9. Pri tome se gubitak toplotne energije u kondenzatoru smanjuje za Q. Taka 10 ne sme suvie da zae u oblast vlane pare!Poveavanje parametara vodene pare na ulazu u turbinu poveava stepen iskorienja termodinamikog ciklusa.U praksi se koriste temperature T540C i pritisci 16MPp24MPa (16 MPa- dokritini i 24- nadkritini)!

Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrevanjem i meupregrevanjem pareDa bi se poveao stepen iskorienja realnih termodinamikih ciklusa koriste se visoki pritisci pare na ulazu u turbinu. Mora se voditi rauna da se taka 10 ne nae u oblasti vlane 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, ime joj se smanjuje vlanost, pa se zatim uvodi u deo turbine niskog pritiska. Dodatno zagrevanje pare vri se u meupregrejau (mp).Korienje meupregrejaa i razdvajanje turbine na dva dela, omoguava korienje visokog pritiska na ulazu u prvi deo turbine. Na taj nain poveava se stepen iskorienja celog termodinamikog ciklusa.

Rankine - Klauzijusov ciklus sa pregrevanjem i meupregrevanjem pareA138 T s p84 p2T7K5GkPTVP234rashladna voda7T8gp156pp26T2TNP78mp

5-1-2izobara sa p2=pk gde voda direktno prelazi u suvu paru p2 moe biti i vee i manje od pk; 2-7 adijabatska ekspanzija u delu turbine visokog pritiska;7-8 - izobarsko meupregrevanje pare nakon izlaska iz dela turbine visokog pritiska;8-3 - adijabatska ekspanzija u delu turbine niskog pritiska;3-4 - proces kondenzacije u kondenzatoru;4-5 - adijabatska kompresija vode u pumpi.

hTVP toplotni pad u delu turbine visokog pritiska,hTNP toplotni pad u delu turbine niskog pritiska,hp - toplotni pad u pumpi.

Rankine - Klauzijusov ciklus sa regerativnim zagrevanjem napojne vodeJedan od naina da se povea stepen iskorienja Rankin Klauzijusovog ciklusa sa pregrejanom parom je da se ne propusti sva para kroz turbinu, ve da se jedan deo pare iskoristi za zagrevanje vode koja se vraa u kotao. GkP234rashladna vodagp156ppT7PRZ11-a1a5

A(1-a)132 T s4K5 a)6Q2(1-a)(1-a)abA= aAR12 T sK5 b)6agQ2= aQ2R a7

WnK !

Postrojenje sa gasnom turbinom sa rekuperacijom, viestepenom kompresijom i viestepenom ekspanzijomh2h1K3 ks1 gorivoK2K1T1T2G54321678910 ks2

Ts113 564210879

0,45 !Gasna turbina korisne snage Pkor ima snagu 2Pkor , jer da bi mogla da radi mora da pokree kompresor, ija je snaga skoro jednaka korisnoj snazi turbine. To znai, da bi gasna turbina imala dva puta veu 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 termoelektranah2h1K3 ks1K2K1GT1T2 ks2h3 sp1 sp2rh rezervoar vazduha pod pritiskom izlaz gasa gorivo ulazvazduhav3v1v2vazduhvodajezerop4 MPaconst 400 m

Postrojenje radi tako to u nonim reimima elektroenergetskog sistema, kada ima vika elektrine energije, generator (G) radi u motornom reimu i pokree kompresore koji sabijaju vazduh u rezervoar. U reimu vrnih optereenja u elektroenergetskom sistemu generator (G) radi u generatorskom reimu, a pokreu ga turbine T1 i T2.Turbine pokreu samo generator jer vazduh dobijaju iz rezervoara u koji je u prethodnom reimu rada sabijen. Turbine rade sa promenljivim pritiskom. Vazduh se u rezervoar sabija sa pritiskom od 6 MPa. Kao rezervoari koriena su stara rudnika okna. Pri upumpavanju vazduha istiskuje se voda iz podzemnog rezervoara, a pri potronji vazduha voda iz jezera vraa se u rezervoar i odrava pritisak na priblino stalnoj vrednosti.

Gasnoturbinsko postrojenje

1 turbokompresor sa 13 stupnjeva; 2 komore za sagorevanje (postavljeno je vie komora za sagorevanje po obimu prvog stupnja turbine); 3 turbina visokog pritiska koja pokree turbokompresor; 4 turbina niskog pritiska koja pokree generator (postoje dva vratila); 5 odvodni kanal za izraene gasove; 6 ulaz sveeg vazduha u kompresor; 7 i 8 leita vratila kompresora i turbine visokog pritiskaNije potrebno!

Dvoosovinske gasne termoelektraneTNPKGTVP gorivo gorivoTVPKGTNP gorivoTVPKVPTNP gorivoG gorivoKNP a) b)TVPKNPTNP gorivoGKVP v) g)

Osnovna karakteristika termoelektrana sa gasnim turbinama:brz start iz hladnog stanja, oko 10 min. termoelektrane toplane sa gasnim turbinama, gde izraeni gas iz turbine slui za grejanje vode za zagrevanje grada ( Toplana-Elektrana Beograd 100MW )

Termoelektrane sa kogeneracijomKogeneracione termoelektrane se grade jer imaju vei stepen iskorienja od klasinih termoelektrana. Proizvodnja vie vrsta energije iz jednog termodinamikog ciklusa. Takve kogeneracijske termoelektrane su termoelektrane sa turbinama sa protivpritiskom i termoelektrane sa namenskim odvoenjem pare. U ovakvim elektranama se namenski proizvodi toplotna energija koja se smatra korisnom, te se ukupni poveava. U praksi se dosta koriste male elektrane (agregati) sa motorima sa unutranjim sagorevanjem (SUS-motorima) kao rezervni ili pomoni izvori elektrine energije. U ovakvim elektranama lako je iskoristiti energiju izduvnih gasova za proizvodnju korisne toplotne energije.

Proizvodnja elektrine i toplotne energije korienjem dva termodinamika ciklusa, uz korienje samo jednog primarnog izvora toplotne energije. Kombinuju se termodinamiki ciklusi gasne turbine i parne turbine sa protivpritiskom, sa oduzimanjem pare ili kondenzacione turbine. Ovom kombinacijom je dosta vee u odnosu na elektrane sa jednim termodinamikim 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 moe, relativno lako, iskoristiti za proizvodnju toplotne energije. Prednosti su:elektrina i toplotna energija proizvode se kod potroaa ime se eliminiu gubici u prenosu i jedne i druge vrste energije,proseni je 85% i vie,Nedostaci su:moe se dobiti toplotna energija relativno niske temperature,SUS motori zahtevaju remonte na svakih 2000 radnih asova.izduvni gasovi SUS motora zagauju okolinuulje koje slui za podmazivanje SUS motora mora se paljivo odlagati

Kogeneracijske elektrane sa gasnim i parnim turbinama

Dva termodinamika ciklusa gasne i parne turbine sa protivpritiskom

Dva termodinamika ciklusa gasne i parne turbine sa oduzimanjem pareivotni vek je 1525 godina. elektrina energije 35% - 45% ukupno 70% - 88%najvie temperature koje se postiu kod gasnih turbina su do 11000C. Do veeg dolazi zato to su oba termodinamika ciklusa u realnim termoelektranama ograniena u pogledu maksimalnih temperatura, maksimalnih brzina obrtanja turbina. Zato ni jedan od termodinamikih ciklusa ne radi u optimalnim uslovima. Kada se koriste dva termodinamika ciklusa drugi koristi otpadnu energiju prvog i na taj nain popravlja ukupni kogeneracijske termoelektrane.

Ekonomski pokazatelji elektranaElektrana mora u svakom trenutku da proizvodi onoliko elektrine energije koliko je tada potrebno potroaima koje napaja. Proizvodnja elektrine energije menja se u toku vremena sa promenom optereenja. Promena snage elektrane sa vremenom obino se predstavlja na dijagramu koji se naziva dijagram optereenja (dnevni, meseni, sezonski i godinji).Dijagram optereenja celog elektroenergetskog sistema je zbir dijagrama optereenja pojedinih elektrana u sistemu.Pmax - maksimalna snaga Pmin - minimalna snagu u toku danaPsr - srednja snagaWd - koliina proizvedene elektrine energija u toku dana odnosno (povrina ispod grafika ) 0 4 812162024t(h)P(MW)P/Pmax0,250,50,751,0 0WdPmaxPminPsrSl. 3.1. Dnevni dijagram optereenja elektrane

Ekonomski pokazatelji elektranaMaksimalnim optereenjem nazivamo maksimalnu trenutnu snagu koju je razvila elektrana u odreenom vremenskom periodu ( razlikuje se od instalisane snage, koja je suma nominalnih snaga pojedinih agregata u elektrani).Srednje optereenje, snaga je ono optereenje sa kojim bi elektrana ravnomerno radila i u toku posmatranog vremena proizvela istu koliinu elektrine energije.

faktor optereenja faktor neravnomernosti optereenjafaktor iskorienja intalisane snage

Ekonomski pokazatelji elektranadijagram trajanja optereenja

vreme iskorienja maksimalne snagevreme iskorienja instalisane snagevreme iskorienja nominalne (maksimalne) snageTm - vreme kontinualnog rada elektrane sa maksimalnom snagom da bi se proizvela ista koliina elektrine energijeP(MW)P/Pmax0,250,50,751,0 0 0 4 812162024t(h) 0 4 812162024t(h)P(MW)t2t1t1+t2WdWdPmaxTmTm

Ekonomski pokazatelji elektranaT je manje od 8760 h zbog:planskih godinjih remonta koji, zavisno od vrste i tipa elektrane, traju od (3060) dana;neplanskih havarijskih ispada koji se mogu dogoditi usled kvara;potrebe da elektrana, zbog zahteva EES-a, radi sa snagom PpaHE prTE>prHE cgTEcgHE

Ekonomina raspodela proizvodnje izmeu elektrana

Proizvodnju po elektranama potrebno je tako raspodeliti da cena bude minimalana. Kako drugi sabirak ne zavisi od raspodele proizvodnje potrebno je minimizirati samo prvi sabirak. Vidi se da treba forsirati elektrane sa manjom jedininom cenom goriva. Treba se truditi da se iskoristi sva raspoloiva energija u hidroelektranama a da se zatim preostala energija raspodeli na termoelektrane tako da one sa manjom jedininom cenom goriva proizvedu veu energiju.

EnergijaGodina196519752000W (TWh)350700900ukupna utroena energija (100%)toplotna energija (79%)mehanika energija (21%)industrija (51%)domainstva (28%)industrija (6%)domainstva (5%)transport (7%)poljoprivreda (3%)Primarna energija postoji u prirodi kao akumulirana ili neakumulirana.

Sekundarna energija obino nastaje transformacijom primarne, ali se direktno ne koristi ve slui za dalje transformacije.

Korisna energija je ona koja se neposredno koristi za neku namenu.

EnergijaU fizikom smislu energija se deli na:hemijsku (fosilna goriva i drvo);nuklearnu (fisija i fuzija);potencijalna (vodna, plima i oseka);toplotna (geotermalna);kinetika (vodna, vetra);zraenja (suneva).fosilno gorivo i drvonuklearna fuzija i fisijahidro plima i osekahidro vetartermiki izvori i energija morske vodesolarnahemijska nuklearna potencijalna kinetika zraenja toplotna mehanika elektrina toplotna mehanika hemijska svetlosna potroai

UgaljUgalj je nastao od drveta koje je bilo zatrpano i izloeno visokom pritisku i temperaturi i to bez prisustva vazduha (pri ugljenisanju oslobaali su se elementi O2 , N2 i H2 ).biljni ostacitresetlignitmrki ugaljkameni ugaljantracit

Kratka ili neposredna analiza utvruje sadraj sagorljivih materija (g), vlage (v) i nesagorljivih materija (n)

Elementarna analiza utvruje sadraj pojedinih elemenata u uglju bez ulaenja u meusobne veze tih elemenata u samom uglju. vrsta ugljaC(%)H(%)S(%)O+N(%)antracit91923,64,10,71,13,14,2kameni ugalj82875,25,60,81,26,211mrki ugalj704,42,523,1lignit68,650,426

UgaljPri velnoj analizi ugalj se zagreva na 520C bez prisustva vazduha i razlae na polukoks C, katran K, vodu i gas.Osnovni pokazatelj kvaliteta uglja je toplotna mo. To je energija koju pri potpunom sagorevanju oslobaa 1 kg uglja.

Gornja toplotna mo GTM je energija koju oslobaa 1 kg goriva, pri emu se produkti sagorevanja ohlade na poetnu temperaturu goriva od 20C. Pri tome se sva vodena para stvorena sagorevanjem goriva kondenzuje u vodu. Donja toplotna mo DTM je energija koju osloba|a 1 kg goriva, pri emu se produkti sagorevanja ohlade na 20C, ali voda ostaje u obliku vodene pare (nekondenzovana). Eisp energija isparavanja stvorene vode pri sagorevanju.

vrsta ugljaDTM ili Hd (MJ/kg)Lignit5,8613,4sueni lignit13,818,8mrki ugalj14,624,7kameni ugalj25,132antracit31,433