Krajowy System Energetyczny

Transkrypt

ENERGETYKA I EKOLOGIA
Krajowy System Energetyczny - KSE
System energetyczny – zbiór obiektów do pozyskiwania,
przetwarzania, przesyłania i użytkowania energii wraz z ich
funkcjonalnymi powiązaniami.
Cel działania KSE - ilościowe i jakościowe zaspokajanie potrzeb odbiorców energii, zarówno indywidualnych jak i zespołowych.
Podstawowe podsystemy KSE:
1. podsystem paliw stałych
2. podsystem paliw ciekłych
3. podsystem gazoenergetyczny
4. podsystem elektroenergetyczny
5. podsystem cieplnoenergetyczny
Problemy w planowaniu i optymalizacji systemu:
ü zasięg poszczególnych podsystemów i ich wzajemne powiązania (energetyka przemysłowa i zawodowa, gospodarka
skojarzona);
ü zewnętrzne powiązania;
ü dynamiczny rozwój zapotrzebowania na energię (elastyczność systemu);
ü wrażliwość na zakłócenia (elementy rezerwowe);
Podsystem elektroenergetyczny
System elektroenergetyczny – zbiór urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, połączonych
ze sobą funkcjonalnie dla realizacji procesu ciągłej dostawy
energii elektrycznej odbiorcom.
33
Instytut Maszyn Cieplnych
Główne elementy systemu:
Elektrownie, ciepłownie i sieci elektroenergetyczne
Cechy systemu elektroenergetycznego:
ü wytwarzanie
energii
elektrycznej,
przesyłanie
jej
i przetwarzanie odbywa się praktycznie równocześnie;
ü brak możliwości magazynowania energii elektrycznej;
ü każdorazowe pozbawienie odbiorców energii (nawet krótkotrwałe) powoduje duże straty;
ü wymagania szczególnie wysoka niezawodność pracy systemu;
ü system jest rozległy terytorialnie, obejmuje cały kraj i
jest powiązany z innymi krajowymi systemami elektroenergetycznymi (UCPTE – kraje EWG + Polska, Czechy,
Słowacja, Węgry).
Rys. 18. Uproszczony schemat systemu elektroenergetycznego
34
Klasyfikacja elektrowni
Najczęściej stosowane kryteria klasyfikacyjne:
1)rodzaj wykorzystywanej energii pierwotnej;
2)przynależność administracyjna;
3)czas pracy w ciągu roku (zależny od wartości jednostkowego kosztu wytwarzania energii elektrycznej);
1) Podział elektrowni ze względu na rodzaj wykorzystywanej energii pierwotnej
a)
b)
c)
elektrownie cieplne
elektrownie wodne
elektrownie niekonwencjonalne
b) Elektrownie cieplne – są to zakłady produkujące
energię elektryczną na skalę przemysłową i wykorzystujący do tego celu energię paliw organicznych
(konwencjonalnych) lub jądrowych.
Energia
paliwa
Kocioł parowy
lub Reaktor
Energia
cieplna
Energia
Turbina parowa mechaniczna
lub gazowa
Prądnica
(generator)
Energia
elektryczna
Rys. 19. Ideowy schemat przemian energii w elektrowni cieplnej
W zależności od rodzaju silnika cieplnego elektrownie cieplne
dzielą się na:
ü elektrownie parowe klasyczne (konwencjonalne),
w których czynnikiem roboczym jest wytworzona w kotle
para wodna, wykonująca pracę w turbinie parowej;
ü elektrownie parowe jądrowe, w których energii cieplnej dostarcza czynnikowi roboczemu paliw jądrowych w
reaktorze;
35
ü elektrownie gazowe, w których czynnikiem roboczym
jest gaz będący produktem spalania paliwa i wykonujący
pracę w turbinie gazowej;
W zależności od rodzaju oddawanej energii elektrownie cieplne dzielą się na:
ü elektrownie kondensacyjne, wytwarzające tylko energię elektryczną w turbozespołach kondensacyjnych;
ü elektrociepłownie, wytwarzające energię elektryczną i
cieplną, oddawaną na zewnątrz w postaci pary lub gorącej wody w ilości co najmniej 10% produkowanej energii.
b) Elektrownie wodne zamieniają energię potencjalną wody
(energię spadku wód) na energię mechaniczną w turbinie
wodnej, a następnie na energię elektryczną w prądnicy napędzanej przez turbinę wodną.
ü elektrownie przepływowe - wykorzystują naturalny,
ciągły przepływ cieku wodnego (nie mają zbiornika do
magazynowania wody); np.: El. Włocławek, Dębe
ü elektrownie zbiornikowe - wyposażone w zbiorniki
wody dla lepszego wykorzystania cieku wodnego; Rożnów, Tresna, Porąbka, Czchów. Otmuchów
ü elektrownie pompowe (szczytowo-pompowe) - w
okresach małego obciążenia systemu elektroenergetycznego woda jest przepompowywana ze zbiornika dolnego
do górnego; Porąbka-Żar, Żarnowiec
ü elektrownie zbiornikowe z członem pompowym zbiorniki górne są częściowo napełniane przez dopływy
naturalne, a częściowo (w okresach małych obciążeń)
uzupełniane wodą tłoczoną przez pompy ze zbiorników
dolnych Solina, Niedzica
36
c) Elektrownie niekonwencjonalne
ü elektrownie słoneczne;
ü elektrownie wiatrowe;
ü elektrownie morskie,
ü itd.
2) Podział elektrowni ze względu na przynależność
administracyjną:
ü elektrownie zawodowe;
ü elektrownie przemysłowe.
4) Podział elektrowni ze względu na czas pracy
w ciągu roku:
ü elektrownie podstawowe - pracują z prawie niezmiennym obciążeniem przez większość dni w roku (elektrownie parowe o małym jednostkowym koszcie paliwa i dużej
sprawności, elektrownie jądrowe i elektrociepłownie);
ü elektrownie podszczytowe - zmniejszają znacznie
swoje obciążenie w dolinach obciążenia systemu (starsze
elektrownie parowe, elektrownie wodne ze zbiornikiem o
niedużym czasie napełniania);
ü elektrownie szczytowe - uruchamiane tylko w okresach szczytowego obciążenia każdej doby (elektrownie
gazowe i gazowo-parowe, specjalne elektrownie parowe
o szybkim rozruchu, stare elektrownie parowe o dużym
koszcie paliwa).
37
Podział elektrowni wg zadań:
NI – elektrownie podstawowe
NII – elektrownie podszczytowe
NIII – elektrownie szczytowe
Rys. 20. Podział elektrowni ze względu na czas pracy w ciągu
roku:
- NI – elektrownie podstawowe
- NII – elektrownie podszczytowe
- NIII – elektrownie szczytowe
38
Tablica 12. Wielkości charakterystyczne krajowej energetyki w dziedzinie wytwarzania energii elektrycznej
2005r.
Moc zainstalowana w elektrowniach (ogółem)
34,7 GW
Energetyka zawodowa
32,12 GW
Liczba elektrowni cieplnych zawodowych
55
Moc największej elektrowni cieplnej
(El. Bełchatów)
4440 MW
Średnia sprawność wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach cieplnych
33,1%
Liczba elektrociepłowni
48
Moc zainstalowana w elektrowniach wodnych
2 GW
Moc największej elektrowni wodnej
(EL. Żarnowiec)
716 MW
Liczba elektrowni wodnych (>0,5 MW)
96
Energetyka przemysłowa
2,55 GW
Moc elektrowni wiatrowych
280 MW
Liczba elektrowni wiatrowych (04.10.2007)
142
Rys. 21. Struktura produkcji energii elektrycznej w 2005 r.
39
Tabela 13. Struktura produkcji energii elektrycznej
w 2004 i 2005 r.
Segment
Produkcja w kraju ogółem z tego:
− elektrownie zawodowe w tym:
− elektrownie cieplne:
Produkcja energii [GWh]
2004
2005
154 159
156 938
145 613
148 359
142 151
144 832
z tego elektrownie spalające:
− węgiel kamienny
− węgiel brunatny
− gaz
− współspalanie biopaliw
− elektrownie wodne
− elektrownie przemysłowe z tego:
− cieplne
− w tym: gazowe
− źródła odnawialne
− elektrownie niezależne pozostałe1
86 477
52 159
3 263
251
3 462
8 099
7 556
228
542
447
86 246
54 865
2 944
777
3 527
8 090
7 457
231
633
489
Źródło: Informacja statystyczna o energii elektrycznej – grudzień 2005 r., Agencja Rynku Energii S.A.
1
Z czego: 72 MW el. wodne, 123 MW el. wiatrowe, 31 MW el. biogazowe, 1 MW el. na biomasę; na podstawie danych za
grudzień 2005 r., Informacja statystyczna o energii elektrycznej, Agencja Rynku Energii SA.
40
Tabela 14 Dane charakterystyczne KSE w roku 2005
Rodzaj wielkości
JedWartość
nostka
Roczne zużycie energii
GWh
144 831,0
Maksymalne zapotrzebowanie na moc
Minimalne zapotrzebowanie na moc
Zapotrzebowanie średnie roczne
MW
23 477
10 695
19 777
Moc osiągalna elektrowni na koniec roku
Moc dyspozycyjna elektrowni (średnia roczna)
MW
32 105
24 838
Moc największej elektrowni cieplnej
Moc największej elektrowni wodnej
MW
4 440
716
Moc największego bloku elektrowni cieplnej
MW
500
Największe napięcie znamionowe sieci
kV
750
Długość linii 750 kV
km
114
km
4 830
km
7 913
41
Rys. 22. Schemat procesu technologicznego elektrowni parowej i
jego podział na najważniejsze układy.
Iukład paliwo – powietrze – spaliny
IIukład cieplny (parowo-wodny)
IIIUkład chłodzenia
IVUkład wyprowadzenia mocy
1 - palenisko, 2 – doprowadzenie paliwa, 3 – doprowadzenie powietrza do spalania, 4 –
odprowadzenie żużla i popiołu, 5 – podgrzewacz wody, 6 – parownik, 7 – przegrzewacz
par, 8 – odprowadzenie spalin, 9 – turbina, 10 – skraplacz, 11 – pompa skroplin, 12 –
zbiornik wody zasilającej, 13 – pompa wody zasilającej, 14 – woda uzupełniająca, 15 –
podgrzewacz wody zasilającej, 16 – chłodnia kominowa, 17 – pompa wody chłodzącej,
18 – źródło wody (dla otwartego obiegu chłodzenia),19 – prądnica, 20 – transformator
blokowy, 21 – transformator potrzeb własnych.
42
Stan elektrowni i kierunki ich rozwoju w kraju
i na świecie
Stabilizacja parametrów pary w elektrowniach parowych konwencjonalnych. Najczęściej stosowane ciśnienia pary dolotowej:
12.5-14 MPa
16-18 MPa
23-25 MPa
-
dla jednostek o mocy 100-200MW
dla jednostek o mocy 300-800MW
dla jednostek o mocy do 1300MW
Temperatura pary świeżej i wtórnie przegrzanej wynoszą ok.
530-5400C (rzadziej 5650C)
W Polsce
Znaczna koncentracja mocy w elektrowniach: udział elektrowni o mocy powyżej 1000 MW – około 64% mocy systemu;
Moc największej elektrowni wodnej (elektrownia pompowa
Żarnowiec) – 716 MW.
ü bloki o mocy 200 MW
63 sztuki
16 sztuk
2
ü blok o mocy 464 MW
1 sztuka
2 sztuki (wprowadzone od
1982r.)
Na świecie
Bloki energetyczne konwencjonalne:
ü 1000 MW (Japonia)
ü 1200 MW (WNP)
ü 1300 MW (USA)
2
Pierwsza synchronizacja 23.11.2007
43
Podstawowe wielkości charakteryzujące
moc elektrowni
Moc zainstalowana elektrowni – suma mocy znamionowych turbozespołów wchodzących w jej skład:
k
Pi = Σ Pnj
j=1
Moc osiągalna elektrowni – moc, jaką elektrownia może
osiągnąć w sposób trwały przy dobrym stanie urządzeń
i przeciętnych warunkach pracy, przy czym przez trwałość rozumie się pracę ciągłą z określoną mocą w czasie nie krótszym niż 15h.
Po = Pi − Pu
gdzie:
Pu – moc uwięziona, czyli trwałe ubytki mocy
spowodowane wadami układu technologicznego,
zmianami konstrukcyjnymi itp.
Moc dyspozycyjna elektrowni – moc osiągalna zmniejszona o ubytki mocy spowodowane wyłączeniem niektórych
urządzeń np. w celu dokonania remontów planowych (Pr) lub
też wskutek nieprzewidzianych uszkodzeń (Pa – moc wytrącona awaryjnie):
Pd = Po − Pr − Pa = Pi − Pu − Pr − Pa
Rezerwa mocy – różnica między mocą osiągalną wszystkich
elektrowni Po i aktualnym obciążeniem systemu Pt.
Rt = Po − Pt
44
Wykresy obciążeń
PS – obciążenie szczytowe, największe obciążenie występujące w
trakcie trwania doby, tzw. „szczyt”
obciążenia
Pmin – najmniejsze obciążenie na
wykresie tzw. „dolina” obciążenia
Rys. 23. Dobowy wykres obciążenia systemu elektroenergetycznego i rozdział zadań między
elektrownie:
a) wykres dobowy kalendarzowy
b) wykres dobowy uporządkowany
1 – elektrownie podstawowe
2 – elektrownie podszczytowe
3 – elektrownie szczytowe
45
Rys. 24.Dobowe wykresy obciążeń:
a) wykres dobowy kalendarzowy (do analizy zmienności
obciążeń w czasie);
b) wykres dobowy uporządkowany (do odczytywania łącznego czasu występowania poszczególnych obciążeń);
46
Rys. 25. Dobowy wykres uporządkowany
Praca systemu oddana w ciągu doby:
T
A = ∫ Pt dt
0
A = Ps ⋅ Ts = Pśr ⋅ T
Ts =
A
Ps
Pśr =
A
T
czas użytkowania mocy szczytowej
obciążenie średnie
TS PŚr
A
=
=
T PS PS T średni stopień obciążenia elementu systemu
gdzie:
Pt obciążenie w chwili t
P
mt = t
chwilowy
stopień
obciążenia
A
ogólna
ilość
pracy w czasie
PS
m=
md
Po
=
PS
T
najmniejszy stopień obciążenia
47
Koszty wytwarzania energii elektrycznej
Całkowite koszty roczne (w zł/rok):
Kw = Kn(o) ⋅ r + Kes + Kez
gdzie:
Kn(o) – zdyskontowane nakłady inwestycyjne na budowę elektrowni;
Kes - roczne koszty eksploatacyjne stałe (koszty remontów, obsługi);
Kez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne (koszty
paliwa, wody oraz materiałów zużytych do produkcji)
r - rata rozszerzonej reprodukcji
Jednostkowy
(w zł/kWh):
koszt
kw =
gdzie:
wytwarzania
energii
elektrycznej
Kw Kn(o)⋅ r + Kes + Kez
=
Aa
Aa
Aa = Pi ⋅ Ti
roczna produkcja energii elektrycznej
netto oddawanej do sieci [kWh];
kw =
Kn(o)⋅ r + Kes
Pi ⋅ Ti
+
Kez
Aa
kw
Rys. 26. Zależność kosztu wytwarzania energii w elektrowni
cieplnej od czasu użytkowania mocy zainstalowanej
(1 rok = ~8760 h)
48
Przesył i rozdział energii elektrycznej
Sieci elektroenergetyczne
Sieć elektroenergetyczna jest to zespół urządzeń służących do
przesyłania, przetwarzania i rozdzielania energii elektrycznej.
W skład sieci wchodzą:
ü linie napowietrzne lub kablowe;
ü stacje transformatorowe;
ü stacje rozdzielcze.
Podstawowe zadania linii energetycznych:
a) wyprowadzenie mocy z elektrowni i przesył do określonej
stacji bez odbiorców po drodze – linie przesyłowe;
b) rozdział energii elektrycznej na określonym terenie – linie
rozdzielcze;
c) łączenie elektrowni w celu ich współpracy, lepszego wykorzystania rezerw i zwiększania niezawodności zasilania odbiorców.
Moc prądu trójfazowego stosowanego obecnie w systemach elektroenergetycznych [kW]:
P = 3 ⋅ U⋅ I ⋅ cosϕ
gdzie:
U – napięcie międzyprzewodowe [kV]
I - natężenie prądu w przewodach [A]
cosϕ - współczynnik mocy, charakteryzujący
przesył mocy biernej.
49
Straty mocy czynnej przy przesyle [kW]:
S2
ΔP = 3 ⋅ R ⋅ I ⋅ 10 = R ⋅ 2 ⋅ 10 − 3
U
2
gdzie:
3
R – rezystancja jednego przewodu linii [Ω];
S – wartość mocy pozornej [kVA];
S =
P2 + Q 2
Stosowane w polskim systemie elektroenergetycznym napięcia znormalizowane:
sieci przesyłowe:
WN (najwyższe napięcia)
WN (wysokie napięcia)
750, 400, 220 kV
110 kV
sieci rozdzielcze:
SN (średnie napięcia)
1-60 kV
nN (niskie napięcia)
poniżej 1 kV
Koszty przesyłania i rozdzielania
energii elektrycznej
Całkowite koszty roczne przesyłania energii [zł/a]
Kp = Kn(o)⋅ r + Kes + Kez
gdzie:
Kn(o) – zdyskontowane nakłady inwestycyjne na
budowę linii [zł];
50
Kes - roczne koszty eksploatacyjne stałe (koszty kapitalnych remontów, utrzymania, obsługi i administracji [zł/a]);
Kez - roczne koszty eksploatacyjne zmienne, zależne
od ilości przesyłanych mocy i energii (koszty strat
mocy
i energii [zł/a]);
r - rata rozszerzonej reprodukcji
Nakłady inwestycyjne na budowę linii Kn(o) zależą od wartości
napięcia, przekroju i materiału przewodów, długości linii i jej
rodzaju (kablowa czy napowietrzna, na słupach żelaznych czy
betonowych itp.)
Rys. 27. Optymalizacja kosztów przesyłania energii na przykładzie gospodarczego przekroju przewodów
Gospodarczy przekrój przewodów Sg: przekrój przewodów odpowiadający minimalnej wartości Kp; musi również
spełniać warunki techniczne, takie jak dopuszczalny spadek
napięcia w linii, graniczna temperatura przewodów itp.
W polskich sieciach stosowane są przewody aluminiowe
(wzmocnione rdzeniem stalowym) o przekrojach:
120, 240 i 525 mm2.
Rys. 28. Schemat krajowej sieci elektroenergetycznej
(na następnej stronie)
51
52
Źródło: http://www.psew.pl/mapa_sieci_przesylowych.htm
Rys. 29. Uproszczony schemat krajowej sieci
elektroenergetycznej
53

Krajowy System Energetyczny

Transkrypt

Podobne dokumenty

E-wykład IX

Osiedlowe elektrownie atomowe

Produkcja energii elektrycznej

Elektrownie wodne w Polsce