ee_01.

Numeryczne modelowanie procesów przepływowych
dr hab. inż. Roman Klajny, mgr inż. Marcin Panowski, mgr inż. Robert Zarzycki
Ćwiczenie 1
Temat:
Modelowanie obiegu cieplnego siłowni z wykorzystaniem pakietu
IPSE-pro
1. Cel ćwiczenia:
• zapoznanie się z obiegami cieplnymi i pracą elektrowni kondensacyjnej;
• prezentacja oprogramowania IPSE–pro służącego do modelowania obiektów
energetycznych;
• symulacja pracy prostego obiegu cieplnego bloku energetycznego elektrowni
kondensacyjnej;
• ocena wpływu parametrów bloku energetycznego na jego sprawność.
2. Wprowadzenie: „Co to jest elektrownia kondensacyjna ?”
Elektrownia jest to zespół urządzeń mających na celu wytwarzanie energii
elektrycznej.
Rys.1. Makieta elektrowni Opole [7]: 1 – budynek główny; 2 – elektrofiltry; 3 – komin; 4
– chłodnia kominowa; 5 – składowisko węgla; 6 – rampa kolejowa
5
Rys.2. Schemat elektrowni Opole [7]
6
Na rysunku 1 przedstawiona została makieta elektrowni Opole, na której widoczne
jest usytuowanie głównych obiektów elektrowni.
Na rysunku 3 pokazano schemat procesu technologicznego elektrowni
kondensacyjnej z podziałem na najważniejsze układy występujące w elektrowni.
Rys.3. Schemat procesu technologicznego elektrowni parowej i jego podział na
najważniejsze układy [2]: I – układ paliwo – powietrze – spaliny; II – układ cieplny (parowo
– wodny); III – układ chłodzenia; IV – układ wyprowadzania mocy; 1 – palenisko; 2 –
doprowadzanie paliwa; 3 – doprowadzanie powietrza do spalania; 4 – odprowadzenie żużla
i popiołu; 5 – podgrzewacz wody; 6 – parownik; 7 – przegrzewacz pary; 8 – odprowadzenie
spalin; 9 – turbina; 10 – skraplacz; 11 – pompa skroplin; 12 – zbiornik wody zasilającej; 13 –
pompa wody zasilającej; 14 – woda uzupełniającą; 15 – podgrzewacz wody zasilającej; 16 –
chłodnia kominowa; 17 – pompa wody chłodzącej; 18 – obfite źródło wody ( dla otwartego
obiegu chłodzenia ); 19 – prądnica; 20 – transformator blokowy; 21 – transformator potrzeb
własnych
Proces przetwarzania energii w elektrownii parowej konwencjonalnej jest
trójstopniowy. W pierwszym stopniu energia chemiczna paliwa zamienia się podczas
jego spalania na energię cieplną, przekazywaną czynnikowi roboczemu. W drugim
stopniu energia cieplna jest zamieniana na energię mechaniczną, dzięki pracy
wykonywanej przez czynnik w silniku cieplnym (turbinie parowej). Dwa pierwsze
7
stopnie przetwarzania energii są realizowane za pomocą obiegów termodynamicznych
czynnika wykonującego pracę. W trzecim stopniu przetwarzania energia mechaniczna
zamienia się na energię elektryczną w napędzanej przez turbinę prądnicy.
W procesie technologicznym elektrowni można wyodrębnić cztery najistotniejsze
układy:
układ
paliwo–powietrze–spaliny,
układ
cieplny
(parowo–wodny)
odpowiadający obiegowi głównemu czynnika roboczego, układ chłodzenia skraplacza
i układ wyprowadzania mocy (układ elektryczny). Na rysunku 3 przedstawiono
schemat wymienionych układów biorących udział w procesie technologicznym
elektrowni, reprezentowanej tu przez jeden blok energetyczny.
W układzie paliwo–powietrze–spaliny do paleniska 1 kotła parowego jest
doprowadzane paliwo 2 i powietrze 3 potrzebne do procesu spalania. Wydzielające się
odpadowe produkty spalania 4 w postaci żużla i lotnego popiołu są usuwane na
zewnątrz kotła, a gorące spaliny omywają powierzchnie ogrzewalne kotła 5, 6 i 7.
W układzie cieplnym parowo–wodnym wewnątrz rur, tworzących powierzchnie
ogrzewalne 5, 6 i 7 umieszczone w kotle, przepływa czynnik roboczy, który
w poszczególnych ich częściach występuje kolejno w postaci wody, mieszaniny
parowo–wodnej, pary nasyconej suchej i wreszcie pary przegrzanej. Wytworzona
w kotle para przegrzana przepływa rurociągiem do turbiny 9, w której rozpręża się.
Następuje tu przemiana energii cieplnej w energię mechaniczną ruchu obrotowego
wału turbiny. Po wykonaniu pracy para rozprężona do możliwie niskiego ciśnienia (co
jest konieczne do najpełniejszego wykorzystania energii cieplnej zawartej w parze)
jest skraplana w skraplaczu (kondensatorze) 10 przy użyciu dużych ilości wody
chłodzącej. Otrzymana ze skroplenia para wodna, nazywana skroplinami lub
kondensatem, jest przetłaczana pompą skroplin 11 do zbiornika wody zasilającej 12,
skąd pompa wody zasilającej 13 tłoczy ją do kotła, zamykając główny obieg czynnika
roboczego. We współczesnych elektrowniach woda zasilająca jest podgrzewana
w podgrzewaczach 15 za pomocą pary pobranej z upustów turbiny. Straty wody w tym
obiegu są uzupełniane odpowiednio przygotowaną wodą dodatkową 14.
Układ chłodzenia jest sprzężony bezpośrednio z układem cieplnym parowo–
wodnym. Zadaniem jego jest odprowadzanie z obiegu ciepła zawartego w parze, która
wykonała już pracę w turbinie. Obejmuje on skraplacz 10 i, w omawianym układzie,
chłodnię kominową 16. W takim układzie chłodzenia, nazywanym układem
zamkniętym, przepływ wody jest wymuszony za pomocą pompy wody chłodzącej 17,
przy czym woda ochłodzona w chłodni wraca do skraplacza. W innej możliwej
realizacji, tj. w otwartym układzie chłodzenia chłodnie kominową zastępuje obfite
8
źródło wody 18 (jezioro, rzeka lub morze), skąd czerpana jednorazowo woda jest za
pomocą pompy wody chłodzącej przetłaczana przez rurki skraplacza i wraca do
źródła.
Układ wyprowadzania mocy elektrycznej obejmuje sprzężoną z turbiną prądnicę
19, transformator blokowy 20 podwyższający napięcie prądnicy (generatorowe) do
poziomu napięcia rozdzielnicy głównej i sieci przesyłowej, transformator potrzeb
własnych 21 (zasilający odbiorniki energii w elektrowni) oraz rozdzielnię główną
i rozdzielnię potrzeb własnych elektrowni.
• Podstawowe pojęcia związane z przemianami występującymi w elektrowni:
Entalpia H jest funkcją stanu układu termodynamicznego:
H = U + pV
gdzie: U – energia wewnętrzna czynnika, p – jego ciśnienie, V – objętość,
i jest miarą energii czynnika mogącego wykonać pracę użyteczną.
Elementarny przyrost entropii dS ciała jest równy ilorazowi elementarnej ilości
ciepła dQ, którą pochłonęło to ciało, przez temperaturę bezwzględną T, jaką miało to
ciało w momencie pochłaniania tego ciepła.
dS =
dQ
T
Przemiana izobaryczna – jest to przemiana, podczas której ciśnienie czynnika nie
zmienia się (p = const).
Przeniana izochoryczna – jest to przemiana, podczas której nie zmienia się
objętość czynnika (V = const).
Przemiana izotermiczna – jest to przemiana, podczas której temperatura czynnika
nie ulega zmianie (T = const).
Przemiana izoentropowa – jest to przemiana, podczas której wartość entropii nie
ulega zmianie (S = const).
Przemiana politropowa – jest to przemiana, podczas której zależność pomiędzy
ciśnieniem bezwzględnym p i objętością czynnika V da się wyrazić wzorem:
ϑ
p ⋅V ϑ = const
– wykładnik politropy.
9
Przemiana adiabatyczna – jest to przemiana, podczas której nie doprowadzamy
ani też nie odprowadzamy ciepła od czynnika (Q1-2 = 0), przemianę tą da się wyrazić
wzorem:
κ = c p cv
pV κ = const
– wykładnik adiabaty
• Podstawowe wielkości charakteryzujące blok energetyczny:
− sprawność całkowita bloku energetycznego η: jest to stosunek ilości energii
elektrycznej wyprodukowanej w bloku Eelek do ilości energii (chemicznej)
dostarczonej w paliwie Echem
η=
Eelek
Echem
− moc N: jest to praca P wykonana w jednostce czasu t
N=
Jù
é
W
=
êë
s úû
P
t
− ciśnienie p: jest to siła F działająca na jednostkę powierzchni A
p=
F
A
•
Nù
é
=
Pa
êë
m 2 úû
− strumień objętości V : jest to objętość płynu V jaka przepływa w jednostce
czasu t
3
V ém ù
V=
ê ú
t ë s û
•
•
− strumień masy m : jest to masa płynu m jaka przepływa w jednostce czasu t
•
m=
m
t
10
é kg ù
êë s úû
Rysunek 4 obrazuje proces konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie na
energię elektryczną. Na rysunku widoczne są sprawności przemian oraz straty energii,
które występują w kolejnych elementach bloku energetycznego.
Rys.4. Przykładowy przebieg sprawności przemiany energii i bilans strumieniowy
(Sankeya) współczesnej elektrowni parowej kondensacyjnej [2]: K – kocioł; R – rurociągi;
T – turbina; G – generator; PW – potrzeby własne; 1 – podgrzewacz powietrza; 2 –
regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej; 3 – energia chemiczna paliwa; 4 – energia
użyteczna netto; 5 – straty w skraplaczu
11
Rysunek 5 przedstawia schemat elektrowni kondensacyjnej z zaznaczeniem
głównych urządzeń oraz obiegu czynnika roboczego.
Rys.5. Schemat elektrowni kondensacyjnej [5]: 1 – transformator blokowy; 2 – generator; 3 –
turbina; 4 – rurociąg pary przegrzanej; 5 – odgazowywacz; 6 – przegrzewacz; 7 –
podgrzewacz wody; 8 – podgrzewacz powietrza; 9 – wentylator powietrza pierwotnego; 10 –
elektrofiltr; 11 – wentylator spalin; 12 – komin; 13 – młyn węglowy; 14 – pompa wody
zasilającej; 15 – podgrzewacz regeneracyjny; 16 – pompa kondensatu; 17 – skraplacz; 18 –
pompa wody chłodzącej; 19 – zasobnik węgla; 20 – parownik
Rys.6. Przekrój budynku głównego elektrowni na węgiel kamienny o mocy 1600 MW
z blokami 200 MW, uruchomionej w 1972 r., wg Energoprojektu – Warszawa [2]: 1 –
kocioł; 2 – turbozespół; 3 – transformator blokowy i zaczepowy; 4 – obrotowe
podgrzewacze powietrza; 5 – suwnica; 6 – nastawnia blokowa; 7 – tor kolejowy; 8 –
przenośniki taśmowe; 9 – zasobnik węgla; 10 – młyn węglowy; 11 – odgazowywacz
i zasobnik wody zasilającej; 12 – rozdzielnia potrzeb własnych; 13 – palniki kotłowe; 14 –
wentylator młynowy; 15 – wentylator powietrza; 16 – rozdzielnia elektrofiltrów; 17 – linia
napowietrzna 220 kV
12
Rysunki 6 i 7 przedstawiają przekroje budynków głównych elektrowni. Na rysunku
6 widoczne jest rozmieszczenie głównych urządzeń w budynku elektrowni. Rysunek 7
przedstawia główne wymiary (w metrach) budynku elektrowni o mocy bloku 120
MW, wraz ze wzrostem mocy bloku (200 MW, 360 MW i 500 MW) wielkość
budynku głównego zwiększa się.
Rys.7. Przekrój budynku głównego elektrowni na węgiel kamienny o mocy 840 MW
z blokami 120 MW, uruchomionej w 1963 r. (wymiary w metrach), wg Energoprojektu –
Katowice [2]
• Zasada działania elektrowni kondensacyjnej;
Zadaniem elektrowni jest produkcja energii elektrycznej o określonych
parametrach (częstotliwość i napięcie). Produkcja ta odbywa się w obiegu cieplnym
noszącym nazwę obiegu Rankine’a, którego podstawowymi elementami są: kocioł,
turbina, kondensator (skraplacz), pompa i rurociągi łączące te elementy. Produkcja
energii elektrycznej polega na zamianie energii chemicznej paliwa na energię cieplną,
która przetwarzana jest na energię mechaniczną a następnie na energię elektryczną.
W wyniku procesu spalania (węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa i gaz)
otrzymywana jest energia cieplna. Energia cieplna (ciepło) przekazywana jest do
wody, która zamienia się na parę wodną w wyniku silnego podgrzania. Para wodna
przepływając przez turbinę parową oddaje część swojej energii cieplej, która ulega
w turbinie zamianie na energię mechaniczną obracającego się wału, reszta energii
przekazywana jest wodzie chłodzącej w kondensatorze. Do obracającego się wału
podłączony jest generator (prądnica), w którym następuje zamiana energii
mechanicznej na energię elektryczną. Energia elektryczna z generatora przesyłana jest
13
do transformatora blokowego, który podłączony jest do linii przesyłowych krajowego
systemu energetycznego.
Schemat elektrowni kondensacyjnej przedstawia rysunek 8. W kotle K
(wytwornica pary) wytwarzane jest ciepło ze spalanego paliwa Q1 i wytwarzana jest
para wodna o wysokim ciśnieniu p0 i wysokiej temperaturze t0. Para rozpręża się
w turbinie T, zamieniając część swojej energii cieplnej na moc użyteczną NT.
W skraplaczu S (kondensatorze) następuje skraplanie pary przy ciśnieniu pk znacznie
niższym od atmosferycznego („próżnia w kondensatorze”). Woda chłodząca
kondensator odbiera i wyprowadza na zewnątrz ciepło skraplania pary Q2. Kondensat
dopływa do pompy zasilającej P, sprężającej skropliny do ciśnienia panującego
w kotle K.
chem
elek
Rys.8. Schemat elektrowni kondensacyjnej [1]
W celu osiągnięcia jak najwyższej sprawności w obiegu elektrowni parowej,
powinno się stosować możliwie jak najwyższą temperaturę pary dopływającej do
turbiny. Przy używanych obecnie materiałach konstrukcyjnych temperatura czynnika
obiegowego wypływającego z górnego źródła (kotła) osiąga poziom 535ºC ÷ 545ºC
w Polskich elektrowniach, a może osiągać poziom bliski 650 ºC w niektórych
konstrukcjach na świecie. Celowe jest także uzyskanie jak najniższej temperatury
czynnika wypływającego z turbiny, uzyskuje się to poprzez obniżenie ciśnienia
w skraplaczu poniżej ciśnienia otoczenia (próżnia w skraplaczu). Temperatura
wypływającej pary oraz jej ciśnienie zależne są w dużym stopniu od temperatury
otoczenia a w szczególności od temperatury wody chłodzącej (pobieranej z chłodni
14
kominowej, rzeki, jeziora lub morza), temperatura wypływającej pary mieści się
w zakresie 30ºC ÷ 60ºC.
Wzrost sprawności poprzez podnoszenie temperatury górnego źródła ciepła oraz
poprzez obniżanie temperatury dolnego źródła ciepła można wykazać na podstawie
obiegu Carnota, w którym wszystkie przemiany przebiegają w sposób odwracalny.
Obieg ten osiąga teoretycznie największą sprawność ze wszystkich znanych obiegów
termodynamicznych. Elektrownie pracują jednak według obiegu Rankine’a, który
osiąga mniejszą sprawność od obiegu Carnota, przy czym wykazanie wzrostu
sprawności dla obiegu Rankine’a jest znacznie bardziej złożone ale prowadzi do
podobnych wniosków. Upraszczając to zadanie można założyć, że sprawność cieplna
elektrowni będzie określona jak dla obiegu Carnota. Sprawność obiegu Carnota
określona jest wzorem:
ηC = 1 −
TD
TG
TD – temperatura dolnego źródła ciepła (temp. pary wylotowej z turbiny) w K;
TG – temperatura górnego źródła ciepła (temp. pary zasilającej turbinę) w K;
Lp.
tD [ºC]
TD [K]
tG [ºC]
TG [K]
η [%]
1
45
318
535
808
60.644
2
45
318
505
778
59.126
3
45
318
565
838
62.053
4
15
288
535
808
64.356
5
75
348
535
808
56.931
Tabela 1. Zależność sprawności obiegu Carnota od temperatury
dolnego TD i górnego TG źródła ciepła
W tabeli 1 przedstawiono wpływ temperatury dolnego i górnego źródła ciepła na
sprawność obiegu Carnota. Pokazano że większy wzrost sprawności uzyska się
poprzez obniżenie temperatury dolnego źródła o 30ºC (wiersz 4) niż wzrost
temperatury źródła górnego o 30ºC (wiersz 3).
Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej, pracującej wg obiegu Rankine’a
(rys.10) przedstawiono na rysunku 9. Obieg ten z przegrzewem pary nazywany jest
15
Rys.9. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej kondensacyjnej [2]: 1 – kocioł; 2 –
przegrzewacz pary; 3 – turbina; 4 – prądnica (generator); 5 – skraplacz (kondensator); 6 –
pompa wody chłodzącej; 7 – pompa skroplin; 8 – zbiornik wody zasilającej; 9 – pompa
wody zasilającej; duże cyfry kursywą oznaczają punkty z rys.10
Rys.10. Obieg Rankine’a elektrownii parowej kondensacyjnej w układzie T – s [2]
niekiedy obiegiem Hirna. Kocioł 1 z przegrzewaczem
2
wytwarza
parę
o parametrach p1, t1. Para rozpręża się izentropowo (przy stałej wartości entropii)
w turbinie 3, przy czym część zawartego w niej ciepła zamienia się na pracę
16
mechaniczną przekazywaną prądnicy 4 napędzanej przez turbinę. Rozprężona para
o ciśnieniu p2 wypływa z turbiny do kondensatora 5, w którym jest skraplana za
pomocą wody chłodzącej przetłaczanej pompą 6. Pompa skroplin 7 zasysa skropliny
ze skraplacza i tłoczy je do zbiornika wody zasilającej 8, skąd pompa wody zasilającej
tłoczy wodę do kotła, zamykając obieg.
Przebieg procesów zachodzących w obiegu Rankine’a w układzie współrzędnych
T – s przedstawia rys. 10. Stanowi początkowemu wody skroplonej odpowiada punkt
3. Izentropowe sprężanie wody przez pompę wody zasilającej do ciśnienia p1
panującego w kotle przedstawia odcinek 3 – 4. W kotle woda jest podgrzewana do
temperatury wrzenia Tn odpowiadającej ciśnieniu p1 (odcinek 4 – 5), następnie
odparowywana jest w przemianie izobaryczno – izotermicznej 5 – 6, po czym jest
przegrzewana w przegrzewaczu według izobary 6 – 1. Od punktu 1 następuje
izentropowe rozprężanie pary do punktu 2a, a następnie w skraplaczu, przy stałym
ciśnieniu p2 i w stałej temperaturze Tsk , jest odprowadzane ciepło parowania
(przemiana 2a – 3).
Na wykresie T – s ciepło qd doprowadzone do obiegu teoretycznego Rankine’a
przedstawia pole 3’ – 3 – 4 – 5 – 6 – 1 – 2a – 2a’ – 3’, ciepło qo odprowadzone
z obiegu – pole 3’ – 3 – 2a – 2a’ – 3’. Pole 3 – 4 – 5 – 6 – 1 – 2a – 3 przedstawia
zatem ciepło zamienione na pracę użyteczną odbieraną z wału turbiny przez generator.
Sprawność obiegu wynosi zatem:
ηR =
q − qo
3 − 4 − 5 − 6 − 1 − 2a − 3
praca
l
=
= d
=
cieplo qd
qd
3′ − 3 − 4 − 5 − 6 − 1 − 2a − 2a ′ − 3′
Aby zwiększyć sprawność obiegu (przy zwiększaniu ciśnienia początkowego, nie
przekraczając jednocześnie dopuszczalnej wilgotności pary wylotowej z turbiny)
stosuje się międzystopniowe (wtórne) przegrzewanie pary.
17
1
Rys.11. Schemat obiegu cieplnego elektrowni z międzystopniowym przegrzewem pary [2]:
1 – kocioł; 2 – część wysokoprężna turbiny; 3 – część niskoprężna turbiny; 4 –
międzystopniowy przegrzewacz pary; duże cyfry kursywą oznaczają punkty z rys.12
Rys.12. Obieg Rankine’a z międzystopniowym przegrzewaniem pary w układzie T – s [2]
18
We współczesnych elektrowniach parowych międzystopniowe przegrzewanie pary
realizuje się w dodatkowym przegrzewaczu, umieszczonym w kanałach spalinowych
kotła.
Uproszczony
schemat
technologiczny
bloku
z
międzystopniowym
przegrzewaniem pary przestawiono na rys. 11. Para o parametrach p1, T1 oraz entalpii
h1 rozpręża się w części wysokoprężnej turbiny 2 do ciśnienia pm, po czym jest
kierowana do przegrzewacza międzystopniowego 4 w kotle. W wyniku dostarczania
dodatkowego ciepła, następuje podgrzanie pary do temperatury Tm (najczęściej równej
temperaturze T1) przy stałym ciśnieniu pm. Z przegrzewacza para wpływa do części
średnio– i niskoprężnej turbiny 3, w której rozpręża się do ciśnienia końcowego p2. Na
wykresie T – s (rys. 12) uzyskuje się dodatkowy obieg m1a – m2 – 2a – 2a’ – m1a.
ηR
=
PM
=
q − qo
praca
l
=
= d
=
cieplo qd
qd
(3 − 4 − 5 − 6 − 1 − m1a − 2a ′ − 3) + ( m1a − m 2 − 2a − 2a ′ − m1a )
3′ − 3 − 4 − 5 − 6 − 1 − m 2 − 2a − 2′a − 2′a ′ − 3′
Zastosowanie przegrzewu międzystopniowego pozwala na uzyskanie wyższej
sprawności
obiegu
cieplnego.
W
porównaniu
z
podstawowym
obiegiem
przedstawionym na rysunku 9 i 10 uzyskuje się dodatkowe pole na rysunku 12, które
przedstawia dodatkowo uzyskaną pracę (m1a – m2 – 2a – 2a’ – m1a) w obiegu
cieplnym. Zastosowanie przegrzewu międzystopniowego pozwala także na ekspansję
pary (rozprężenie pary) do ciśnienia p2 panującego w skraplaczu (rys.12 pkt 2a) przy
mniejszej zawartości wilgoci w parze wypływającej z turbiny niż w przypadku braku
przegrzewu międzystopniowego (rys.12 pkt 2a’).
Znaczący przyrost sprawności obiegów stosowanych w elektrowniach parowych
można uzyskać również przez podgrzewanie skroplin tłoczonych ze skraplacza do
kotła, czyli tzw. regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej tzn.
19
Rys.13. Schemat obiegu cieplnego elektrowni z jednostopniowym regeneracyjnym
podgrzewaniem wody zasilającej [2]: 1 – kocioł; 2 – turbina; 3 – prądnica; 4 – pompa
skroplin; 5 – podgrzewacz mieszankowy; 6 – pompa wody zasilającej; duże cyfry kursywą
oznaczają punkty z rys.14
Rys.14. Obieg Rankine’a z jednostopniowym podgrzewaniem wody zasilającej
w układzie T – s [2]
20
z wykorzystaniem ciepła strumienia pary upustowej, które może być jedno– lub
wielostopniowe. Strumienie pary przed pobraniem z upustów wykonują pracę przy
rozprężaniu się w turbinie od ciśnienia początkowego do ciśnienia panującego
w upuście, a następnie przekazują pozostałą ilość ciepła za pośrednictwem
wymienników
(podgrzewaczy
regeneracyjnych)
wodzie
zasilającej.
Zasadę
regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej przedstawiono na przykładzie
najprostszego układu z jednym stopniem podgrzewania wody w podgrzewaczu
mieszankowym (rys. 13). Para przegrzana o parametrach p1, t1 jest doprowadzana
z kotła 1 do turbiny kondensacyjnej 2. Z całkowitego strumienia pary
strumienia pary
•
m
Du
•
m
Dt
, część
o parametrach pu, tu jest odprowadzana z upustu do
podgrzewacza mieszankowego 5. Pompa skroplin 4 podaje do tego przegrzewacza
strumień skroplin
•
m
•
Dk
•
= m Dt − m Du . Skropliny z pary upustowej i podgrzana woda
zasilająca są następnie tłoczone do kotła przez pompę wody zasilającej 6.
Zasada działania podgrzewu regeneracyjnego oparta jest na odzyskiwaniu ciepła
skraplania (ciepła parowania wody). Para z upustu po oddaniu części swojej energii
w turbinie kierowana jest do podgrzewaczy regeneracyjnych gdzie oddaje ciepło
wodzie wypływającej z kondensatora. W skraplaczu odbierane są ogromne ilości
ciepła w procesie kondensacji pary. Parze pobranej z upustów nie jest odbierane ciepło
parowania w skraplaczu, a ciepło to przekazywane jest wodzie zasilającej kocioł, co
w rezultacie prowadzi do wzrostu sprawności układu cieplnego.
• Moce bloków energetycznych;
W
polskim
systemie
elektroenergetycznym
pracują
bloki
elektrowni
kondensacyjnych o następujących mocach [4]:
-
500 MW – 2 jednostki;
-
360 MW – 16 jednostek;
-
200 MW – 63 jednostki;
-
120 MW – 24 jednostki;
Całkowita moc zainstalowana wynosi ok. 33 GW.
• Paliwa stosowane w elektrowniach;
Polskie elektrownie kondensacyjne opalane są głównie węglem kamiennym lub
węglem brunatnym (zależnie od lokalizacji elektrowni), stosowane są także inne
21
paliwa, które są niezbędne przy uruchamianiu bloku lub w stanie dużego obciążenia.
Stosowane są paliwa oparte na ciężkich frakcjach ropy np. mazut, stosowany jest także
gaz ziemny.
• Największe polskie elektrownie kondensacyjne:
− Bełchatów – 4320 MW;
− Kozienice – 2600 MW;
− Turów – 2000 MW;
− Połaniec – 1600 MW;
− Rybnik – 1600 MW;
− Opole – 1440 MW;
− Jaworzno – 1200 MW.
• Przykłady
parametrów
występujących
kondensacyjnych:
22
w
obiegach
cieplnych
elektrowni
Rys.15. Schemat układu cieplnego bloku o mocy 200 MW wg Energoprojektu (cyfry
arabskie oznaczają punkty charakterystyczne obiegu cieplnego – patrz rys. 16, cyfry
rzymskie – numery upustów) [2]
23
Rys.16. Podstawowe parametry czynnika roboczego w charakterystycznych punktach
obiegu cieplnego z rys. 15 wg Energoprojektu [2]
Rys.17. Schemat układu cieplnego bloku o mocy 360 MW wg Energoprojektu [2]
24
3. Charakterystyka
głównych
elementów
obiegu
cieplnego
elektrowni
kondensacyjnej:
− kocioł:
Kocioł (rys.18) jest to „piec”, w którym spalane jest paliwo, a uzyskane ciepło
wykorzystywane jest do podgrzewania wody i otrzymywania z niej pary o wysokiej
temperaturze i wysokim ciśnieniu.
Rys.18. Kocioł opromieniowany na pył węglowy typu OP–380–010 [3]: 1 – ekrany; 2 –
walczak; 3 – podgrzewacz pary wtórny; 4, 5, 6 – trzy stopnie podgrzewania pierwotnego
pary; 7, 8 – podgrzewacze wody; 9 – podgrzewacz powietrza typu Ljungstrőma; 10 – komora
paleniskowa; 11 – młyny; 12 – palniki; 13 – obmurze i izolacja
25
− turbina:
Turbina jest to maszyna przepływowa (rys.19), w której następuje zamiana energii
wewnętrznej (energii cieplnej) pary wodnej na energię mechaniczną obracającego się
wału.
Rys.19. Przekrój turbiny kondensacyjnej 13K215 produkcji ABB–Zamech w Elblągu [2]
-
kondensator:
Kondensator (rys.20) jest powierzchniowym wymiennikiem ciepła, w którym
następuje skraplanie się pary wodnej wypływającej z turbiny. W wyniku skroplenia
otrzymywana jest woda obiegowa krążąca w układzie cieplnym.
Rys.20. Skraplacz: a) schemat konstrukcji; b) rozkład temperatur pary i wody chłodzącej
wzdłuż powierzchni chłodzącej F skraplacza [2]: 1 – króciec dolotowy pary; 2 – zbiornik
skroplin; 3, 4 – doprowadzenie i odprowadzenie wody chłodzącej; 5, 6 – ściany sitowe; 7 –
rurki mosiężne; 8 – komora parowa; 9 – ścianka działowa; 10 – przegrody w przestrzeni
parowej; 11 – chłodnica powietrza; 12 – wyloty powietrza
26
− pompa główna:
Pompa główna (rys.21) ma na celu pompowanie wody obiegowej do kotła;
skropliny muszą być pompowane do kotła pod odpowiednio wysokim ciśnieniem.
Rys.21. Pompa siedmioczłonowa wody zasilającej firmy Halberg [3]: 1 – wirnik; 2 – koło
kierownicze; 3 – dławnica; 4 – tarcza odciążająca; 5 – śruba ściągająca; 6 – króciec upustu
− podgrzewacze regeneracyjne;
Podgrzewacze regeneracyjne wody są wymiennikami ciepła (rys.22), które mogą
być wymiennikami powierzchniowymi lub mieszalnikami. Zadaniem ich jest wstępne
podgrzanie wody wpływającej do kotła.
Rys.22. Budowa podgrzewaczy regeneracyjnych: a) podgrzewacz niskiego ciśnienia; b)
podgrzewacz wysokiego ciśnienia z rurami w kształcie litery W; c) fragment
podgrzewacza wysokiego ciśnienia z rurami spiralnymi [2]: 1 – dopływ pary; 2 –
dopływ wody; 3 – odpływ wody; 4 – odprowadzenie skroplin; 5 – płaszcz; 6 – rurki; 7 –
komory wodne
27
4. Symulacja działania elektrowni kondensacyjnej na trzech przykładowych
obiektach cieplnych.
W skład obiektów cieplnych wchodzą:
-
K – kocioł;
-
T – turbina;
-
S – skraplacz;
-
P – pompa;
-
G – generator;
-
PR – podgrzewacz regeneracyjny;
-
WP – turbina wysoko prężna;
-
SP – turbina średnio prężna;
-
PM – przegrzewacz międzystopniowy pary.
• obiekt składający się z kotła, turbiny, kondensatora, pompy (rys. 23);
G
T
K
S
P
Rys.23. Schemat najprostszego obiegu cieplnego
Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień
masy) obserwując zmiany sprawności obiegu cieplnego.
• rozszerzenie
powyższego
obiektu
o
podgrzewacz
podgrzewający wodę wpływającą do kotła w (rys. 24);
28
regeneracyjny
PR
G
T
K
S
PR
P
Rys.24. Schemat obiegu cieplnego z podgrzewam regeneracyjnym
Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień
masy) oraz parametry upustu (strumień masy, ciśnienie) obserwując zmiany
sprawności i mocy obiegu cieplnego.
• rozszerzenie powyższego obiektu o przegrzew międzystopniowy pary PM
pomiędzy WP a SP (rys.25).
SP
WP
K
G
S
PM
PR
P
Rys.25. Schemat obiegu cieplnego z przegrzewem międzystopniowym pary
Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień
masy),
parametry
upustu
(strumień
masy, ciśnienie) oraz temperaturę za
29
międzystopniowym przegrzewaczem pary obserwując zmiany sprawności i mocy
obiegu cieplnego.
4.1.
Symulacja pracy obiegów cieplnych odbywa się z wykorzystaniem
oprogramowania narzędziowego IPSEpro v. 3.1 firmy SimTech.
Oprogramowanie narzędziowe IPSEpro firmy SimTech [6] stanowi narzędzie
dające
możliwości
modelowania
pracy
różnorodnych
obiektów
cieplnych.
Oprogramowanie to pozwala formułować schematy obiegów cieplnych z gotowych
komponentów, a także budować własne biblioteki obiektów i dołączać je do
oprogramowania. Informacje o pracy sformułowanego i analizowanego obiegu
generowane
są
w
postaci
skróconego
opisu
parametrów
procesowych
w charakterystycznych punktach obiegu, jak również w postaci tekstowego pliku
raportu ze szczegółową informacją o wszystkich parametrach procesowych
charakteryzujących poszczególne obiekty cieplne.
4.1.1. Sposób uruchamiania programu.
-
uruchomić komputer
-
zalogować się do systemu Windows NT
-
z menu systemowego „Start” wybrać kolejno:
„Programs→IPSEpro 3.1→IPSEpro-PSE”
Po uruchomieniu oprogramowania:
-
z menu „File” wybrać polecenie „Open” a następnie wybrać wskazany przez
prowadzącego ćwiczenie katalog i plik z przykładowym obiegiem cieplnym
(„Obieg1.pro”, „Obieg2.pro”, „Obieg3.pro”)
Oprogramowanie jest gotowe do pracy.
4.1.2. Zmiana parametrów obiegu cieplnego.
W celu zmiany parametrów obiegu cieplnego należy:
-
dwukrotnym kliknięciem (lewym klawiszem myszy) na wybranym elemencie
obiegu otworzyć okno dialogowe ustawień.
30
-
w oknie dialogowym (rys. 26) zmienić wartości parametrów wskazanych przez
prowadzącego.
Rys.26 Okno dialogowe ustawień parametrów dla elementu obiegu
o nazwie „stream006”
-
zatwierdzić zmianę parametrów poprzez naciśnięcie klawisza „OK”. (Naciśnięcie
klawisza „Cancel” powoduje rezygnacje ze zmiany parametrów)
4.1.3. Uruchomienie procesu symulacji.
Uruchomienie procesu obliczeniowego następuje poprzez wybranie z menu
tekstowego:
-
„Calculation→Run Simulation” lub
-
naciśnięcie klawisza „F5” lub
-
kliknięcie ikony
na pasku narzędziowym.
4.1.4. Przeglądanie wyników obliczeń.
Jeśli rezultaty obliczeń nie są widoczne na ekranie:
-
z menu „View” wybrać polecenie „Results” lub
-
kliknąć prawym klawiszem myszy na dowolnym elemencie obiegu. (Wyświetlone
zostaną wszystkie parametry obiegu w danym punkcie) lub
-
z menu „Calculation” wybrać polecenie „Open protocol”. (Otwarty zostanie plik
tekstowy ze wszystkimi parametrami obiegu cieplnego).
31
Rys.27. Okno programu z naniesionymi wartościami wyników obliczeń
Zagadnienia do dyskusji:
1. Co to jest elektrownia kondensacyjna?
2. Opisz proces przetwarzania energii w elektrowni.
3. Zasada działania elektrowni kondensacyjnej.
4. Scharakteryzuj główne elementy obiegu cieplnego elektrowni.
5. Podaj podstawowe wielkości charakteryzujące blok energetyczny.
6. Przedstaw podstawowe przemiany termodynamiczne występujące w elektrowni.
7. Wymień sposoby podnoszenia sprawności w elektrowni kondensacyjnej.
Literatura
[1] Perycz S.: Turbiny parowe i gazowe, Ossolineum, Warszawa 1992
[2] Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa 1997
[3] Nehrebecki L.: Elektrownie cieplne, WNT, Warszawa 1974
[4] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej, Wydawnictwo Naukowe
PWN, Warszawa 1998
[5] Truchnij AD,. Locev SM.: Stacionarnye parovye turbiny, Energizdat, Moskva
1981
[6] IPSEpro User Dokumentation
[7] Materiały informacyjne Elektrowni Opole
32