docSiłownie cieplne 02
download 
Reklamacja Transkrypt
Siłownie cieplne 02
Dr inż. Andrzej Tatarek Siłownie cieplne 1 Wykład 2 Podstawowe przemiany energetyczne Jednostkowe zużycie ciepła i energii chemicznej paliwa w elektrowni parowej 2 Podstawowe przemiany 1. 2. 3. Proces przetwarzania energii elektrycznej w elektrowni parowej konwencjonalnej (trójstopniowy): Spalanie – energia chemiczna paliwa zamieniana jest na energię cieplną przekazywaną czynnikowi roboczemu Praca wykonana przez czynnik w silniku cieplnym – energia cieplna czynnika zamieniana jest na energię mechaniczną Energia mechaniczna zamienia jest na energię elektryczną w napędzanej przez turbinę prądnicy 3 Podstawowe przemiany Układ przemian energetycznych elektrowni cieplnych (trójstopniowy) Energia paliwa Energia 1 cieplna 2 Energia mechaniczna 3 Energia elektryczna 1 – kocioł, 2 – silnik cieplny (turbina parowa lub gazowa), 3 – prądnica 4 Podstawowe przemiany 1. 2. 3. 4. Proces technologiczny elektrowni realizuje się w czterech najważniejszych układach: układ paliwo – powietrze – spaliny układ parowo – wodny (cieplny) odpowiadający obiegowi głównemu czynnika roboczego układ chłodzenia skraplaczy układ wyprowadzenia mocy (układ elektryczny) 5 Podstawowe przemiany Rys. „Elektrownia Bełchatów” – katalog reklamowy 6 Podstawowe przemiany Obieg termodynamiczny jest to przemiana, w której stan końcowy czynnika jest identyczny z początkowym. W obiegu prawobieżnym średnia temperatura czynnika obiegowego przy pobieraniu ciepła jest wyższa niż przy oddawaniu. Obieg prawobieżny jest obiegiem silnika. Silnik pobiera ciepło ze źródła o temperaturze T1, wykonuje dodatnią pracę i oddaje ciepło do źródła o temperaturze T2, niższej od T1 (zwykle do otoczenia). 7 Podstawowe przemiany Maksymalna sprawność energetyczna silnika cieplnego wyraża się zależnością, gdzie: T1śr – jest temperaturą górnego źródła ciepła, T2śr – jest temperaturą dolnego źródła ciepła (zwykle otoczenia) T2 śr η to = 1 − T1śr 8 Podstawowe przemiany Najprostszy obieg odwracalny działający pomiędzy dwoma źródłami ciepła o stałych temperaturach składa się z dwu izoterm i dwu adiabat. Jest to tzw. obieg Carnota. Rys. Szargut „Termodynamika” 9 Podstawowe przemiany Przy technicznej realizacji obiegu silnika cieplnego górna temperatura czynnika obiegowego jest ograniczona odpornością materiałów konstrukcyjnych (żarowytrzymałość, żaroodporność). Źródłem odbierającym ciepło jest otoczenie. W obiegu Carnota najtrudniej jest zrealizować przemiany izotermiczne, podczas których przebiega równocześnie ekspansja lub kompresja czynnika oraz wymiana ciepła z zewnętrznymi źródłami. Przemianę izotermiczną można łatwo uzyskać, jeżeli czynnikiem obiegowym jest para nasycona mokra, dla której przemiana izotermiczna jest również izobarą, do której realizacji wystarczy wymiennik ciepła. Dlatego w siłowniach cieplnych zazwyczaj stosuję się parę jako czynnik obiegowy. Ze względu na stosunkowo niską cenę wody stosuje się parę wodną. 10 Podstawowe przemiany Przemiany czynnika przedstawia się na wykresach: p-v, T-s oraz i-s. Rys. Szargut „Termodynamika” 11 Podstawowe przemiany Obieg siłowni parowej powinien składać się z izobarycznego podgrzewania i parowania 4-1, rozprężania izentropowego pary nasyconej mokrej 1-2, z izobarycznego skraplania pary mokrej 2-3 oraz sprężania cieczy 3-4. Obieg porównawczy jest obiegiem wyidealizowanym, przebiegającym bez tarcia. Obieg porównawczy siłowni parowej nazwano obiegiem Clausiusa-Rankine’a. W rzeczywistej siłowni rozprężanie adiabatyczne przebiega nieodwracalnie, a podczas przepływu czynnika obiegowego przez wymienniki ciepła występują straty ciśnienia. Rys. Szargut „Termodynamika” 12 Podstawowe przemiany Rys. Szargut „Termodynamika” 13 Podstawowe przemiany Czynnik obiegowy pobiera w kotle parowym ciepło przekazywane przez gorące spaliny uzyskane po spaleniu paliwa. Do kotła dopływa woda tłoczona przez pompę zasilającą. Wodę podgrzewa się w kotle, a następnie odparowuje. Para z kotła płynie do silnika – najczęściej jest to turbina – gdzie rozpręża się adiabatycznie. Następnie para przepływa do skraplacza, gdzie oddaje ciepło skraplając się izobaryczno-izotermicznie. Ciepło w skraplaczu przejmuje woda chłodząca, którą przetłacza przez skraplacza pompa wody chłodzącej. Woda chłodząca oddaje ciepło do otoczenia. 14 Podstawowe przemiany W związku z trudnością uzyskania izotermicznego rozprężania pary wodnej w temperaturze wyższej od krytycznej, zrezygnowano w siłowniach parowych ze ścisłego naśladowania obiegu Carnota. Tylko część ciepła dostarcza się podczas przemiany izotermicznej, przy niezbyt wysokiej temperaturze. Parę nasyconą o stopniu suchości zbliżonym do x=1 kieruje się do przegrzewacza, w którym temperatura pary podwyższa się do maksymalnej wartości, na jaką pozwalają materiały konstrukcyjne. Sprawność energetyczną obiegu Clausiusa-Rankine’a można wyznaczyć z zależności η tCR = Rys. Szargut „Termodynamika” lCR i1 − i2 ≈ q d i1 − i4 15 Sprawność elektrowni Sprawność termiczna – jest jednym z podstawowych wskaźników charakteryzujących gospodarność cieplną elektrowni (wyznaczana z bilansu wyprodukowanej energii i zużycia paliwa) η ek = N el • B⋅ Q r w 16 Sprawność elektrowni Sprawność brutto i netto – podział ten wynika z faktu iż w elektrowni oprócz paliwa zużywa się energię elektryczną na potrzeby własne (do napędu urządzeń pomocniczych). η ek b = E E el B ⋅ Qr w η ek n = el −E p wł B ⋅ Qr w Gdzie: E – Ep wł przedstawia ilość energii elektrycznej oddanej do sieci elektrycznej w określonym czasie, a E p wł zużytej na potrzeby własne elektrowni w tym samym czasie. 17 Sprawność elektrowni Względne zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne elektrowni: E N p wł p wł ε= = E N el el b Zależy od rodzaju paliwa, ciśnienia początkowego pary i innych parametrów. Dla większości elektrowni kondensacyjnych ε = 5 – 9 % wyprodukowanej energii elektrycznej. η ek n =η ek b ⋅ (1 − ε ) 18 Sprawność elektrowni Przyczyny zużycia energii na potrzeby własne elektrowni: Napęd pomp zasilających (3 – 5 %) i pomp kondensatu – wynika z wysokich ciśnień początkowych pary Napęd pomp wody chłodzącej i innych pomp turbozespołu Napęd urządzeń transportu i przemiału paliwa (taśmociągi, młyny itp.) Napęd wentylatorów powietrza i spalin w instalacji kotłowej 19 Sprawność elektrowni Na sprawność siłowni rzeczywistej wywierają wpływ sprawności poszczególnych jej elementów: η ek = η tCR ⋅η k ⋅η r ⋅η i ⋅η m ⋅η g i1 − i2 s i1 − i4 D p (i1 − i4 ) Sprawność obiegu Clausiusa-Rankine’a η tCR = Sprawność kotła parowego ηk = Sprawność wewnętrzna turbiny B ⋅ Qir ∆i ηr = 1− i1 − i4 i −i ηi = 1 2 i1 − i2 s Sprawność mechaniczna turbozespołu ηm = le li Sprawność generatora elektrycznego ηg = N el Ne Sprawność rurociągów 20 Wskaźniki Jednostkowe zużycie energii chemicznej paliwa w elektrowni kondensacyjnej – wskaźnik określający jednostkowe zużycie energii chemicznej paliwa q na wytworzenie energii elektrycznej. • B⋅ Q r w = 1 q = ek b E η ek b • B⋅ Q r w = 1 q = ek n E - E η pwł ek n 21 Wskaźniki Jednostkowe zużycie paliwa umownego (węgiel o Qwr = 30 MJ/kg) w stanie ustalonym: N • Bu = η el ⋅ Qr ek w 22 Wskaźniki Jednostkowe zużycie paliwa umownego na jednostkę energii elektrycznej: b ub b un 1 = η ⋅ Qr ek b w 1 = η ⋅ Qr ek n w 23
