Energetyka odnawialna i nieodnawialna. Siłownie parowe. Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący: prof. Andrzej Gardzilewicz

Transkrypt

1 Energetyka odnawialna i nieodnawialna Siłownie parowe Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący: prof. Andrzej Gardzilewicz gar@imp. imp.gda.pl, Materiały źródłowe: M. Piwowarski, T. Chmielniak,, A. Gardzilewicz

2 Literatura 1. Perycz S. Turbiny parowe i gazowe Ossolineum Wrocław, 1992; 2. Chmielniak T. Obiegi termodynamiczne turbin cieplnych Zakład Narodowy im. Ossolińskich, Wrocław, 1988; 3. Eckert B. Sprężarki osiowe i promieniowe-zastosowanie, teoria, obliczanie PWT, Warszawa, 1959; 4. Kehlhofer R., Combined Cycle Gas &Steam Turbine Power Plants PennWell Publishing Company, 1997; 5. Kosowski K. at al (Gardzilewicz A.), Steam and Gas Turbines. Power Plants, Alstom, France- Switzerland-United Kingdom-Poland, 2007; 6. Miller A., Lewandowski J. Układy gazowo-parowe na paliwo stałe WNT, Warszawa, 1993; 7. Piwowarski M. Konspekt z projektowania turbin, cieplne-zagadnienia termodynamiczne i przepływowe Mat. Własne Poltechnika Gdańska, Gdańsk, 2009;

3 M. Piwowarski Siłownie turbin parowych Obieg Clausiusa-Rankine a

4 Obiegi z turbinami parowymi Obieg Clausiusa-Rankine a

5 Obiegi z turbinami parowymi Obieg Clausiusa-Rankine a

6 Obiegi z turbinami parowymi Ciśnienie początkowe pary świeżej W pewnym obszarze ciśnień (30-65 MPa) sprawność obiegu jest maksymalna Stosowane obecnie ciśnienie początkowe w turbozespołach: 9-10 MPa dla turbin małej mocy 9-13 MPa dla turbin średniej mocy MPa dla turbin dużej mocy

7 Obiegi z turbinami parowymi Ciśnienie początkowe pary świeżej

8 Obiegi z turbinami parowymi Ciśnienie początkowe pary świeżej A. Wzrost ciśnienia początkowego nie ma jednoznacznego wpływu na sprawność obiegu C-R; B. W pewnym obszarze zależnym od temperatury początkowej sprawność obiegu C-R wzrasta; C. W praktyce nie udaje się wykorzystać maksymalnego ciśnienia ponieważ rośnie wielkość zawilgocenia (zawilgocenie graniczne 0.85); D. Każdej wartości temperatury początkowej (przy założonej stałej wartości ciśnienia w skraplaczu) odpowiada jedno ciśnienie początkowe dla którego sprawność obiegu idealnego C-R jest największa; E. Ze wzrostem ciśnienia sprawność wewnętrzna turbin małej mocy maleje; F. Wzrost ciśnienia wiąże się ze wzrostem kosztów inwestycyjnych i gorszymi własnościami manewrowymi; G. Ze zmianą ciśnienia zmienia się spadek entalpii w turbinie potrzebny do realizacji zadanej mocy i jednocześnie rośnie liczba stopni turbiny.

9 Obiegi z turbinami parowymi Temperatura początkowa pary świeżej Wzrost temperatury początkowej zawsze zwiększa sprawność obiegu C-R!!! η C =1 T T K 1śr

10 Obiegi z turbinami parowymi Temperatura początkowa pary świeżej I. Wzrost temperatury początkowej zawsze zwiększa sprawność obiegu C-R; II. Ze wzrostem temp rosną koszty inwestycyjne (materiały część WP oraz elementy kotła); a). Stale węglowe do około 400 C; b). Stale niskostopowe molibdenowe, chromomolibdenowe (0.5% molibdenu i 1% chromu) do około 450 C; c). Stale wysokostopowe, stopy austenityczne powyżej 450 C; d). Stale stopowe o strukturze ferrytycznej (zwiększone dodatki Chromu, Molibdenu Wolframu i Wanadu), zależnie od składu od 535 do 580 C; e). Stale żaroodporne o strukturze austenitycznej lub stopy austenityczne oparte o Nikiel lub Kobalt powyżej 580 C; stale b) 2-5 razy droższe niż stale a); stale c) do 50 razy droższe niż stale a); stale d) do 100 razy droższe niż stale a); III. Obecnie praktycznie stosuje się stale ferrytyczne w zakresach od 535 do 570 C; IV. Wartości temperatury początkowej i ciśnienia początkowego dobiera się w zależności od pracy turbiny; - dla turbin ruchu podstawowego (mało zmienne obciążenie) wyższe wartości; - dla bloków manewrowych (silnie zmienne warunki) niższe wartości.

11 Obiegi z turbinami parowymi Ciśnienie końcowe pary w skraplaczu

12 Ciśnienie końcowe pary w skraplaczu Zmniejszenie ciśnienia końcowego powoduje obniżenie dolnej temperatury obiegu i mimo jednoczesnego obniżenia średniej górnej temperatury obiegu zawsze prowadzi do wzrostu sprawności obiegu. η C = 1 Dążymy do najniższego możliwego ciśnienia ale zależy od temperatury wody chłodzącej jaką dysponujemy oraz od krotności chłodzenia. p = 3.5 kpa dla akwenów otwartych; p = 7kPa dla chłodni kominowych; Obiegi z turbinami parowymi Zmniejszenie przyrostu temperatury wody chłodzącej wymaga wzrostu krotności chłodzenia - zwiększenie strumienia wody chłodzącej-podrożenie instalacji wody chłodzącej; bądź zwiększenie powierzchni wymiany ciepła-większy kondensator i turbina-większe koszty T T K 1śr

13 Obiegi z turbinami parowymi Ciśnienie końcowe pary w skraplaczu

14 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody

17 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody Wymiennik typu mieszankowego

18 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody k =

19 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody A. Zwiększa sprawność turbiny poprzez wzrost średniej górnej temperatury doprowadzenia ciepła w kotle; B. Wzrost mocy pompy wody zasilającej; C. Wysoka temp wody zasilającej utrudnia utrzymanie niskich temp spalin wylotowych z kotła co obniża jego sprawność; D. Wzrost liczba wymienników rośnie koszt bloku i stopień złożoności; E. Regeneracja poprawia sprawności wewnętrzne turbin, w WP rośnie strumień pary, w NP maleje strumień pary co powprawia kształtowanie układu łopatkowego; F. Upusty w NP są naturalnymi separatorami wilgoci korzystne ale komplikują układ prowadząc do strat przepływu w obrębie turbiny; G. Do kondensatora wpływa mniejszy strumień pary mniejsze ciepło strat skraplania, mniejszy kondensator mniejsza i tańsza instalacja wody chłodzącej;

20 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody 1.Turbiny dużej mocy przeznaczone do ruchu podstawowego powinny mieć wysoką sprawność termiczną (wysokie parametry pary), rozbudowany układ regeneracji, przegrzew międzystopniowy, wysoką sprawność wewnętrzną turbiny >100MW, 6-10 wymienników; 2.Turbiny małej mocy uproszczona konstrukcja, ograniczona liczba wymienników regeneracyjnych, niższe parametry pary 10-20MW 2-4 wymienniki; 3.Turbiny ruchu szczytowego, turbiny biegu wstecz w napędzie okrętowym, powinny być proste i tanie, ich sprawność termiczna nie ma większego znaczenia; 4.W rejonach drogiego paliwa dąży się do maksymalizacji sprawności bloku; 5.W rejonach taniego paliwa dąży się do minimalizacji kosztów inwestycyjnych bloku; 6.Optimum techniczno-ekonomiczne nie odpowiada warunkowi najwyższej sprawności; 7.Proces projektowania turbiny jest działaniem zróżnicowanym. Obejmuje on obliczenia oparte na badaniach podstawowych, teoretycznych i eksperymentalnych współdziałając ze sztuką inżynierską opartą o intuicję i specyficzną twórczą inwencję konstruktora.

21 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - przegrzew parą świeżą

22 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - przegrzew międzystopniowy

23 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - przegrzew międzystopniowy Podwójny przegrzew stosujemy dla ciśnienia początkowego powyżej 25MPa P 1 =(0,25-0,4)*P 0 P 2 =(0,07-0,15)*P 0

24 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - przegrzew międzystopniowy A. Poprawia realizację praktyczną obiegów z wysokim ciśnieniem początkowym ponieważ zmniejsza zawilgocenie czynnika w końcowej fazie ekspansji; B. Prowadzi do poprawy sprawności obiegu ale tylko poprzez właściwy dobór parametrów; C. Istnieje optymalna wartość ciśnienia przegrzewu określana drogą analityczną bądź graficzną; D. Zwiększa spadek entalpii w turbinie, więcej stopni; E. Turbozespół jest większy, cięższy, ma co najmniej dwa kadłuby; F. Rozbudowa układu, większe koszty inwestycyjne; G. Straty ciśnienia w kanałach nawet do 20%-wada; H. Zyski termodynamiczne zwykle przeważają i praktycznie wszystkie nowoczesne układy maja przegrzew międzystopniowy-integralna część kotła.

25 Obiegi parowe Wielkości charakterystyczne TP η etg = NeTG m W pal d [ ] - sprawność efektywna b e = m Ne pal TG kg kwh b e 3600 = η W etg d kg kwh - jednostkowe zużycie paliwa η m = 0,97 0, 99 [ ] - sprawność kotła - sprawność turbiny - sprawność mechaniczna i elektryczna - Moc siłowni - Roczny czas pracy (dyspozycyjność) - Czas eksploatacji 25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42 Selected New Steam Turbines ALSTOM Power Scope of Delivery Steam turbine Turbine oil system Generator Condensing system (main condenser) District heating system (District heating preheaters) Vacuum system Gland steam condenser Main condensate pumps DH preheater condensate pumps HP LP by-pass systems Thermal and noise insulation Technical documentation Commissioning: May CK65 Steam Turbine for CC at Zielona Gora Heat & Power Station - Poland

43 Modułowe rozwiązanie turbiny 1100 MW w Elektrowni Datteln, wg[5].

44 Łopatki ostatnich stopni turbin parowych wielkiej mocy firmy Mitsubishi [18]

45

46 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową parametry nadkrytyczne Ogromny postęp inżynierii materiałowej umożliwił zastosowanie w obiegu parowym wyższych parametrów (31MPa/593/593/593 C). Stosowanie coraz to lepszych jakości materiałów, przystosowanych do pracy w bardzo wysokich temperaturach pozwala obecnie na budowanie bloków na parametry ultra nadkrytyczne (40MPa/700/720/720 C). Nowoczesne technologie stosowane przy projektowaniu układów przepływowych i wysokosprawne urządzenia wchodzące w skład wyposażenia bloków gwarantują dużą niezawodność i wysoką sprawność bloków (ok. 50%). Turbina parowa z pojedynczym przegrzewem międzystopniowym na parametry nadkrytyczne Turbina parowa z podwójnym przegrzewem międzystopniowym na parametry nadkrytyczne

47 Zmiany parametrów termodynamicznych pary w siłowniach turbinowych na przestrzeni lat.

48 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową parametry nadkrytyczne Turbina 28K460 Nowa Łagisza - ciśnienie pary świeżej 27.5 MPa - temperatura pary świeżej 560 ºC - temperatura pary wtórnej 580 ºC - ciśnienie w skraplaczu 3,4 kpa

49 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową parametry nadkrytyczne Stosowanie wysokich temperatur pary wymaga chłodzenia pierwszego i drugiego stopnia turbiny umieszczonej za przegrzewem wtórnym. Para chłodząca pobierana przed pierwszym przegrzewem wtórnym kierowana jest do części wysokoprężnej gdzie miesza się z parą przegrzaną. Para chłodząca pierwsze stopnie turbiny SP pobierana jest z trzeciego bądź czwartego stopnia części WP i miesza się z parą przegrzaną w turbinie niskoprężnej

50 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową parametry nadkrytyczne

53 Selected New Steam Turbines Live steam parameters: kg/s / 258 bar / 550 C Reheat steam parameters: 51.2 bar / 580 C Power output: 833 MW Commissioning: September K833 Turbine Belchatow II PP - Poland

54

55

56

57 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody Wymiennik typu mieszankowego marine direct contact heater

58 Obiegi z turbinami parowymi Obiegi z turbiną parową - regeneracyjny podgrzew wody Zamknięty wymiennik powierzchniowy wody zasilającej

59

60 Modernizacje i nowe konstrukcje turbin Struktura wieku kotłów energetycznych w elektrowniach cieplnych zawodowych w roku 2005, według danych ARE, udziały procentowe odnoszą się do wydajności, wg. J. Lewandowskiego Struktura wieku turbozespołów energetycznych w elektrowniach cieplnych zawodowych w roku 2005, według danych ARE, udziały procentowe odnoszą się do mocy, wg. J. Lewandowskiego

61 Wg definicji firm turbinowych przedsięwzięcia objęte terminami MODERNIZACJA, REMONT, RETROFIT mają na celu zapewnienie użytkownikom możliwości przedłużenia czasu pracy, zmniejszenie emisji, poprawę ogólnie pojętego stanu technicznego turbozespołu oraz niezawodności ruchowej wszystkich elementów przy możliwie niskich kosztach eksploatacji, które potwierdza się stosownymi analizami ekonomiczno-technicznymi.

62 Date of last change Reference/Name of Presentation/SN 62

63

64

65 Steam Turbine Retrofit Live steam parameters: bar / 565 C / kg/s Reheat steam parameters: 39.1 bar / 565 C Power output: 262 MW Commissioning: unit 5 March 2003 unit 4 February 2004 unit 6 December 2004 New 17K262 Turbine - Turow PP - Poland units 4-6

66 Modernisation Proposal Łaziska 9, 12 Turów 1-3 Deva 3 Dolna Odra 7, 8 Łaziska 12 Turów 1-3 Deva 3 Dolna Odra 7, 8 Połaniec Turów Dolna Odra Kozienice Łaziska Jaworzno Balti, Eesti Ostrołęka Rybnik Prunerov II stage III stage I stage Retrofit Philosophy Step by Step

67