E-wykład II

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
1 . Charakterystyka ilościowa i ogólna elektrowni parowej konwencjonalnej
Elektrownia o mocy zainstalowanej P = 1200 MW, opalana węglem kamiennym o wartości opałowej Wu = 21
MJ/kg, o zawartości popiołu p = 10% oraz siarki s = 0,9% i stopniu uwęglenia wynoszącym C = 78%;
pozostałe to: wilgoć, wodór, tlen i azot. Ogólna sprawność netto tej elektrowni ηo = 38%. (Wartości
odpowiadają średniemu poziomowi krajowemu z roku 2010).
Tablica 1. Zapotrzebowanie na surowce, emisja odpadów i produkcja energii przez elektrownię o mocy P = 6 × 200 = 1200 MW
Wartości
Substancja
Produkcja energii elektrycznej
Wartość wytworzonej energii
(przy ce = 0,05 €/(kWh)
Zapotrzebowanie na węgiel
Zapotrzebowanie na powietrze
Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą
Zapotrzebowanie na wodę bezzwrotną
Emisja spalin
Emisja CO2
Emisja SO2
Emisja NOx w przeliczeniu na N2O5
(średnio 0,33 emisji SO2)
Popiół i żużel
Emisja pyłu do atmosfery, średnio
jednostkowe
(na kW⋅⋅h)
0,45 kg
3
3,8 m
144 l
1,1÷1,55 l
3
6,7 m
1,290 kg
7g
na godzinę
na dobę
1200 MW⋅h
28,8 GW⋅h
na rok
(przy Ti = 6500 h)
7,8 TW⋅h
60 tys. €
1,44 mln €
390 mln €
541 t
12992 t
3,5 mln t
6
3
6
3
9
3
4,56⋅10 m
109,44⋅10 m
29,64⋅10 m
3
3
6
3
9
3
172,8⋅10 m
4,147⋅10 m
1,123⋅10 m
3
3
3
6
1320÷1860 m 31,68÷44,64⋅10 m 8,58÷12,09⋅10 m3
6
3
6
3
9
3
8,04⋅10 m
192,96⋅10 m
52,26⋅10 m
1548 t
37,158 tys. t
10,062 mln t
8,3 t
199,5 t
53,95 tys. t
2,3 g
2,77 t
66,5 t
17,98 tys. t
0,045 kg
0,77 g
54 t
0,92 t
1296 t
ok. 22 t
0,352 mln t
ok. 5980 t
Rys. 1. Uproszczony schemat bloku
elektrowni parowej:
K — kocioł parowy z przegrzewaczem pary,
T - turbina parowa, S - skraplacz pary,
PS - pompa skroplin, ZWZ - zbiornik wody
zasilającej, PZ - pompa zasilająca kocioł,
G - generator, TB - transformator blokowy,
TPW – transformator potrzeb własnych
(odczepowy)
a)
Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: a) przekrój budynku głównego elektrowni z blokami o mocy 200 MW,
bez odsiarczania spalin:
1 - kocioł, 2 - turbozespół, 3 - skraplacz, 4 - podgrzewacz powietrza, 5 - młyn węgla, 6 - elektrofiltr, 7 - wentylator spalin, 8 - komin,
9 - przenośniki taśmowe węgla, 10 - transformatory: blokowy i potrzeb własnych, 11 - zbiornik wody zasilającej
z odgazowywaczem, 12 - nastawnia, 13 - rozdzielnica potrzeb własnych, 14 - wentylator młyna, 15 – wentylator powietrza,
16 - rozdzielnica elektrofiltrów, 17 - zasobnik węgla
1
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
b)
Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: b) układ technologiczny elektrowni na przykładzie Elektrowni BEŁCHATÓW
2. Kotły parowe
Rys. 3. Uproszczony przekrój kotła
parowego:
1 - walczak, 2 - komora paleniskowa,
3 - palniki, 4 - rury opadowe,
5 - przegrzewacz pary,
6 - podgrzewacz wody,
7 - podgrzewacz powietrza,
8 - wentylator powietrza
Rys. 4. Uproszczony schemat bloku
z międzystopniowym przegrzewaniem pary:
K - kocioł parowy; PI, PII - przegrzewacze pary: pierwotny,
wtórny (międzystopniowy);
WP - wysokoprężna część turbiny; NP - niskoprężna część
turbiny; S - skraplacz pary; PS - pompa skroplin;
ZWZ - zbiornik wody zasilającej; PZ - pompa zasilająca
kocioł; G – generator
2
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Tablica 2. Parametry niektórych krajowych energetycznych kotłów parowych
Symbol kotła
Wydajność [t/h] /
Moc bloku [MW]
380/120
Ciśnienie pary
[MPa/MPa]
13,6/2,7
Temperatura
pary [°C/°C]
540/540
OP-380
OP-650
650/200
15,6/2,7
540/540
OB-650
BB-1150*
1150/360
18,3/4,2
540/540
BB-2400
2400/858
26,1/5,46
554/582
* Z obiegiem dodatkowo wspomaganym w obrębie parownika
Sprawność
[%]
87÷90
91÷92
88
91
?
Temperatura wody
zasilającej [°C]
230
240
255
278
Rys. 5. Charakterystyka energetyczna kotła parowego:
Qkmin - minimum techniczne kotła,
Qkmax - maksymalna wydajność kotła
3 . Turbiny parowe
T u r b i n a p a r o w a jest silnikiem cieplnym stosowanym w elektrowni do napędu generatora
synchronicznego. Silnik ten ma cechy szczególnie predestynujące go do takiego zastosowania. Turbina
parowa jest silnikiem przepływowym, wirnikowym - rozwijającym na wale równomierny moment obrotowy.
Rys. 6. Turbina parowa: a) zasada działania turbiny jednostopniowej, b) przekrój poglądowy;
1 - dysza/wieniec dysz, 2 - wieniec łopatek wirnika, ZR - zawór regulacyjny, S - skraplacz pary, PS - pompa skroplin
3
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 7. Turbiny: a) jednokadłubowa, b) dwukadłubowa, c) trójkadłubowa, d) czterokadłubowa; e) wirnik turbiny 40 MW; f) przekrój
osiowy części WP i SP turbiny 18K380 (17,5/4,2 MPa; 550/570°°C; 380 MW); kadłuby: WP - wysokoprężny, SP - średnioprężny,
NP - niskoprężny; MPP - międzystopniowy przegrzewacz pary (element kotła parowego)
Rys. 8. Symbole turbin parowych: a) kondensacyjna, b) przeciwprężna, c) upustowo-przeciwprężna,
d) upustowo-kondensacyjna. Indeksy przy symbolach parametrów pary oznaczają parę: 1 - świeża zasilająca turbinę,
2 – na wylocie z turbiny kondensacyjnej, p - opuszczająca turbinę przeciwprężną, u - pobierana z upustu turbiny
Tablica 3. Parametry niektórych krajowych turbin parowych
Parametry pary
Upust regulowany
Ciśnienie na wylocie
temperatura
ciśnienie
ciśnienie pobór pary
Symbol
początkowa wt. prz.
MW
MPa
°C
°C
MPa
MPa
t/h
Turbiny kondensacyjne
skraplacz
TK 120
120
12,7
535
535
skraplacz
13K 215 200
13,0
535
535
skraplacz
18K 360 360
17,7
535
535
skraplacz
K 500*
500
16,3
535
535
Turbiny przeciwprężne
0,4÷0,6
TP ... 2,5 do 6
3,5
435
0,9
TP 20
19,5
9,0
500
0,12
TP 30
30
9,0
500
0,07 i 0,03**
1,0
7,5÷85
13UP50
50
13,0
535
Turbiny upustowo-kondensacyjne
UK 8
2 do 8
2,4
380
skraplacz
0,12÷0,6
2,5÷51
3,5
435
4,5
450
UK 12
5 do 12
2,4
380
skraplacz
0,12÷0,6
5,0÷65
i
435
3,5
450
* Konstrukcja b. Leningradzkiej Fabryki Turbin. ** Dwa wyloty, turbina upustowo-przeciwprężna.
Moc
4
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 9. Charakterystyki energetyczne turbozespołów kondensacyjnych; QTz - strumień zapotrzebowania na ciepło przez
turbozespół, PN - moc znamionowa generatora, Pe - moc ekonomiczna
4. Skraplacz pary i jego chłodzenie
Silnik cieplny, jakim jest turbina parowa, pracuje w układzie między źródłem ciepła
a chłodnicą. W elektrowni źródłem ciepła jest kocioł parowy, zaś chłodnicą s k r a p l a c z p a r y . Zadaniem
skraplacza jest odprowadzenie z obiegu cieplnego tej części ciepła, która - zgodnie z II zasadą
termodynamiki - nie jest i nie może być w silniku cieplnym zamieniona na pracę.
Rys. 10. Skraplacz
turbiny parowej:
1 - komora wodna,
2 - przestrzeń parowa,
3 - dno sitowe,
4 - rury wodne,
5 - wodowskaz,
PS - pompa skroplin
Rys. 11. Schemat połączeń urządzeń
towarzyszących skraplaczowi pary: 1 - skraplacz,
2 - smoczek parowy, 3 - para zasilająca smoczek,
4 - skraplacz pary ze smoczka,
5 - odprowadzenie skroplin pary smoczka,
6 - rurociąg recyrkulacji skroplin, PS - pompa
skroplin
5
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 12. Chłodnia kominowa:
1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik
wody ochłodzonej, 3 - zraszalnik
Rys. 13. Chłodnie wentylatorowe: a) pojedyncza z dyfuzorem, b) fragment chłodni
celkowej; 1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik wody ochłodzonej, 3 - zraszalnik,
4 - wentylator, 5 - silnik z przekładniami, 6 - dyfuzor
5. Obieg termodynamiczny i sprawność elektrowni
Praktyczne wykorzystanie i techniczna realizacja w elektrowni parowej procesu przetwarzania ciepła na
energię mechaniczną wymaga znajomości podstawowych właściwości czynnika roboczego, tj. wody i pary
wodnej. Właściwości te są określone przez podstawowe parametry: ciśnienie p, temperaturę T lub t i objętość V lub objętość właściwą υ.
W analizach teoretycznych i w praktycznych obliczeniach technicznych są przydatne jeszcze dwie wielkości:
entalpia I lub entalpia właściwa i, entropia S lub entropia właściwa s.
E n t a l p i a w ł a ś c i w a jest ilością ciepła niezbędną do doprowadzenia 1 kg czynnika od umownego punktu
początkowego do pewnego punktu końcowego przy stałym ciśnieniu (p = const.). E n t r o p i a nie ma
interpretacji fizycznej; wprowadzenie jej jako pojęcia o charakterze matematycznym pozwala na
przedstawienie obiegów termodynamicznych za pomocą przejrzystych i wygodnych w użytkowaniu
wykresów. Używane dalej określenia: entalpia i entropia odnoszą się do entalpii i entropii właściwej (dla 1 kg
czynnika).
Do obliczeń praktycznych i potrzeb kontroli pracy elektrowni parowych powszechnie stosuje się wartości
parametrów zestawione w tablicach pary wodnej lub opracowane na ich podstawie wykresy. Przy analizie
zjawisk termodynamicznych związanych z parą wodną jako czynnikiem roboczym powszechne zastosowanie znalazły wykresy T-s (temperatura-entropia) i i-s (entalpia-entropia).
Rys. 14. Wykres T-s dla wody i pary wodnej
Rys. 15. Wykres i-s dla wody i pary wodnej
Wykres T-s oraz i-s pary wodnej umożliwia przedstawienie na nim, w postaci pewnego konturu, obiegu
cieplnego elektrowni. Punkt K na krzywej granicznej odpowiada parametrom krytycznym, określającym stan
fizyczny, w którym ciecz staje się, bez doprowadzenia ciepła, parą suchą nasyconą. Parametry tego stanu
3
dla cieczy i pary suchej są takie same: pkr = 22,13 MPa, tkr = 374,15°C (647,31 K), υkr = 0,00315 m /kg,
.
ikr = 2095,2 kJ/kg, skr = 4,424 kJ/(kg K); ciepło parowania r = 0.
Na krzywej granicznej z lewej strony punktu krytycznego K leżą punkty odpowiadające w o d z i e (stopień
suchości x = 0) o temperaturze nasycenia; gałąź krzywej po prawej stronie punktu K przedstawia zbiór
punktów dla p a r y n a s y c o n e j s u c h e j (x = 1). Obszar ograniczony krzywymi granicznymi obejmuje
stany p a r y w i l g o t n e j . Krzywe x = const. wyznaczają punkty o stałym stopniu suchości pary. W obszarze
po lewej stronie krzywej granicznej x = 0 czynnik roboczy występuje jako ciecz, a po prawej stronie krzywej
x = l i ponad nią - jako p a r a p r z e g r z a n a .
6
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 16. Obieg Carnota dla pary nasyconej
Rys. 17. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej kondensacyjnej:
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
Rys. 18. Obieg Rankine’a elektrowni parowej kondensacyjnej: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s
Rys. 19. Zależność sprawności teoretycznej obiegu Rankine’a od: a) temperatury początkowej T1;
b) ciśnienia początkowego p1, c) ciśnienia (temperatury) w skraplaczu
7
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 20. Schemat obiegu cieplnego elektrowni
z międzystopniowym przegrzewaniem pary: 1 - kocioł;
2 - część wysokoprężna turbiny; 3 - część niskoprężna
turbiny; 4 - międzystopniowy przegrzewacz pary
Rys. 21. Schemat układu cieplnego elektrowni
z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem
wody zasilającej: 1 – kocioł, 2 – turbina, 3 – prądnica,
4 - pompa skroplin, 5 - podgrzewacz mieszankowy,
6 - pompa wody zasilającej
Rys. 21. Obieg Rankine'a z międzystopniowym przegrzewaniem pary:
a) w układzie T-s; b) w układzie i-s (na wykresie i-s naniesiono
rzeczywiste przebiegi rozprężania pary w obu częściach turbiny)
Rys. 22. Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilającej; a) obieg
Rankine’a; b) przebieg rozprężania pary w turbinie w układzie i-s
(ηog)netto = ηog = ηkηrηtRηwηmηg(1 - ε) = ηkηrηTzηp.wł.
Poszczególne sprawności zawierają się w granicach:
kotła,
ηk = 0,86÷0,96,
rurociągów i regulacyjna, ηr = 0,98÷0,99,
obiegu Rankine'a,
ηtR = 0,43÷0,58,
wewnętrzna turbiny,
ηw= 0,60÷0,87,
mechaniczna turbiny,
ηm = 0,98÷0,99,
generatora,
ηg = 0,97÷0,985,
potrzeb własnych (1 - ε), ηp.wł.= 0,92÷0,96.
Dla obiegu bez przegrzewania międzystopniowego
ηt R =
qd − qo (i1 − iwz ) − (i2a − isk ) (i1 − i2a ) − (iwz − isk )
=
=
qd
i1 − iwz
i1 − iwz
gdzie: i1 - entalpia pary za kotłem, równa w układzie idealnym (teoretycznym) entalpii pary przed turbiną,
kJ/kg; i2a - entalpia pary po jej izentropowym rozprężeniu w turbinie, kJ/kg; isk - entalpia skroplin,
kJ/kg; iwz - entalpia wody zasilającej kocioł, kJ/kg.
Dla obiegu z przegrzewaniem międzystopniowym
η tm =
(i1 − im1a ) + (im2 − i2 a ) = (i1 − i2a ) + ∆ima
(i1 − iwz ) + (im2 − im1a ) (i1 − iwz ) + ∆ima
gdzie: ∆ima = im2 - im1a - przyrost entalpii pary w międzystopniowym przegrzewaczu pary (w obiegu
teoretycznym), kJ/kg.
8
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
Rys. 23. Przykładowe sprawności przemian energii i bilans
energetyczny strumieniowy (Sankeya) współczesnej elektrowni
parowej kondensacyjnej
Rys. 24. Uproszczony schemat układu cieplnego
krajowego bloku o mocy 360 MW
Bełchatów
12×360 + 858 MW → 5298 MW,
węgiel brunatny;
Kozienice
2×500 + 8×200 → 2845 MW, węgiel
kamienny;
Turów
10×200 → 1898 MW,
węgiel brunatny;
Rybnik
8×200 → 1775 MW,
węgiel kamienny;
Dolna Odra
8×200 → 1772 MW,
węgiel kamienny;
Połaniec
8×200 → 1600 MW,
węgiel kamienny,
Opole
4×360 → 1492 MW,
węgiel kamienny;
Pątnów
6×200 → 1200 MW,
węgiel brunatny.
9
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
STO
240MW
246MW
ZRC
ALY
660MW
DRG
SLK
660MW
900MW+456MW
322MW
GDA
GBL
DUN
ELB
GDP
146,6MW
REC
ELK
ZDK
166MW
PLP
OLM
2x1000MW
80MW
PLC
244MW
OLS
GLN
874MW
POM
MON
KRA
VIE
GRU
225MW
JAS
760MW
2x432MW
LMS
PKW
BYD
BCN
1000MW
500MW+456MW
GOR
135MW
PLB
PAT
OLT
PPD
PLE
250MW
LES
480MW
KOZ
1000MW
PAB
OSR
330MW
CRN
PAS
WRC
TRE
LSY
ROZ
830MW
BEK
SWI
MIK
KIE
ANI
CPC
2x900MW
150MW
108MW
BOG
250MW
WIE
910MW
750 kV
400 kV
220 kV
400 kV tymczasowo pracująca na napięciu220 kV
MOS
LAG
KAT
HAL
BIR
KOP
PBO
ALB
KOM
NOS
LIS
KHK
JAM
910MW
SIE
BYC
PRB
CZT
CHS
OSC
MKR
ZAM
STW
LOS
TCN
BLA
KED
ABR
RAD
CHM
ROK
150MW
Legenda:
JOA
KPK
WRZ
GRO
ZBK
160MW
HCZ
DBN
500MW
PUL
PIO
ROG
425MW
HAG
PIA
JAN
250MW
SDU
480MW
ZGI
KAL
ZUK
STN
WSI
MOR
ADA
250MW
MIL
SOC
KON
KRM
POL
WYS
MSK
WTO
ZLG
830MW
2x456MW
+600MW
PLO
PDE
WLA
CZE
GUB
EIS
LSN
NAR
OST
TEL
422MW
PEL
DOB
RZE
KLA
CHA
LUA
WAN
SKA
ATA
BGC
TAW
KRI
BUJ
420MW
ZAP
kabel stałoprądowy450 kV
160MW
moc przyłączeniowa planowanych FW
910MW
moc przyłączeniowa planowanych elektrowni
konwencjonalnych
LEM
Lokalizacje nowych źródeł wytwórczych wnioskowanych do przyłączenia do sieci przesyłowej oraz rozwój połączeń
transgranicznych w latach 2012-2025
10