Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

Transkrypt

1 . Charakterystyka ilościowa i ogólna elektrowni parowej konwencjonalnej Elektrownia o mocy zainstalowanej P = 200 MW, opalana węglem kamiennym o wartości opałowej W u = 2 MJ/kg, o zawartości popiołu p = 0% oraz siarki s = 0,9% i stopniu uwęglenia wynoszącym C = 78%; pozostałe to: wilgoć, wodór, tlen i azot. Ogólna sprawność netto tej elektrowni η o = 38%. (Wartości odpowiadają średniemu poziomowi krajowemu z roku 200). Tablica. Zapotrzebowanie na surowce, emisja odpadów i produkcja energii przez elektrownię o mocy P = = 200 MW Wartości Substancja jednostkowe na rok na godzinę na dobę (na kw h) (przy T i = 6500 h) Produkcja energii elektrycznej 200 MW h 28,8 GW h 7,8 TW h Wartość wytworzonej energii (przy c e = 0,05 /(kwh) 60 tys.,44 mln 390 mln Zapotrzebowanie na węgiel 0,45 kg 54 t 2992 t 3,5 mln t Zapotrzebowanie na powietrze 3,8 m 3 4, m 3 09, m 3 29, m 3 Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą 44 l 72,8 0 3 m 3 4, m 3, m 3 Zapotrzebowanie na wodę bezzwrotną,,55 l m 3 3,68 44, m 3 8,58 2, m 3 Emisja spalin 6,7 m 3 8, m 3 92, m 3 52, m 3 Emisja CO 2,290 kg 548 t 37,58 tys. t 0,062 mln t Emisja SO 2 7 g 8,3 t 99,5 t 53,95 tys. t Emisja NO x w przeliczeniu na N 2O 5 (średnio 0,33 emisji SO 2) 2,3 g 2,77 t 66,5 t 7,98 tys. t Popiół i żużel 0,045 kg 54 t 296 t 0,352 mln t Emisja pyłu do atmosfery, średnio 0,77 g 0,92 t ok. 22 t ok t Rys.. Uproszczony schemat bloku elektrowni parowej: K kocioł parowy z przegrzewaczem pary, T turbina parowa, S 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: kocioł, 2 turbozespół, 3, 4 podgrzewacz powietrza, 5 młyn węgla, 6 elektrofiltr, 7 wentylator spalin, 8 komin, 9 przenośniki taśmowe węgla, 0 transformatory: blokowy i potrzeb własnych, zbiornik wody zasilającej z odgazowywaczem, 2 nastawnia, 3 rozdzielnica potrzeb własnych, 4 wentylator młyna, 5 wentylator powietrza, 6 rozdzielnica elektrofiltrów, 7 zasobnik węgla

2 b) Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: b) układ technologiczny elektrowni na przykładzie Elektrowni BEŁCHATÓW 2. Kotły parowe Rys. 3. Uproszczony przekrój kotła parowego: 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 pary; PS pompa skroplin; ZWZ zbiornik wody zasilającej; PZ pompa zasilająca kocioł; G generator 2

3 Tablica 2. Parametry niektórych krajowych energetycznych kotłów parowych Symbol kotła Wydajność [t/h] / Ciśnienie pary Temperatura Sprawność Temperatura wody Moc bloku [MW] [MPa/MPa] pary [ C/ C] [%] zasilającej [ C] OP /20 3,6/2,7 540/ OP /200 5,6/2,7 540/540 OB BB50* 50/360 8,3/4,2 540/ BB /858 26,/5,46 554/582? 278 * Z obiegiem dodatkowo wspomaganym w obrębie parownika Rys. 5. Charakterystyka energetyczna kotła parowego: Q kmin minimum techniczne kotła, Q kmax 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; dysza/wieniec dysz, 2 wieniec łopatek wirnika, ZR zawór regulacyjny, S pary, PS pompa skroplin 3

4 Rys. 7. Turbiny: a) jednokadłubowa, b) dwukadłubowa, c) trójkadłubowa, d) czterokadłubowa; e) wirnik turbiny 40 MW; f) przekrój osiowy części WP i SP turbiny 8K380 (7,5/4,2 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) upustowoprzeciwprężna, d) upustowokondensacyjna. Indeksy przy symbolach parametrów pary oznaczają parę: 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 Moc temperatura Ciśnienie na wylocie Symbol ciśnienie ciśnienie pobór pary początkowa wt. prz. MW MPa C C MPa MPa t/h TK 20 3K 25 8K 360 K 500* TP... TP 20 TP 30 3UP50 UK 8 UK 2 Turbiny kondensacyjne 20 2, , , , ,5 do 6 9, Turbiny przeciwprężne 3, , , ,0 535 Turbiny upustowokondensacyjne 2 do 8 2, , , do 2 2,4 380 i 435 3, ,4 0,6 0,9 0,2 0,07 i 0,03**,0 0,2 0,6 0,2 0,6 7,5 85 2,5 5 5,0 65 * Konstrukcja b. Leningradzkiej Fabryki Turbin. ** Dwa wyloty, turbina upustowoprzeciwprężna. 4

5 Rys. 9. Charakterystyki energetyczne turbozespołów kondensacyjnych; Q Tz strumień zapotrzebowania na ciepło przez turbozespół, P N moc znamionowa generatora, P e 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 a 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. 0. Skraplacz turbiny parowej: komora wodna, 2 przestrzeń parowa, 3 dno sitowe, 4 rury wodne, 5 wodowskaz, PS pompa skroplin Rys.. Schemat połączeń urządzeń towarzyszących owi pary:, 2 smoczek parowy, 3 para zasilająca smoczek, 4 pary ze smoczka, 5 odprowadzenie skroplin pary smoczka, 6 rurociąg recyrkulacji skroplin, PS pompa skroplin 5

6 Rys. 2. Chłodnia kominowa: doprowadzenie wody, 2 zbiornik wody ochłodzonej, 3 zraszalnik 5. Obieg termodynamiczny i sprawność elektrowni Rys. 3. Chłodnie wentylatorowe: a) pojedyncza z dyfuzorem, b) fragment chłodni celkowej; doprowadzenie wody, 2 zbiornik wody ochłodzonej, 3 zraszalnik, 4 wentylator, 5 silnik z przekładniami, 6 dyfuzor 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 aściwa jest ilością ciepła niezbędną do doprowadzenia 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 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 Ts (temperaturaentropia) i is (entalpiaentropia). Rys. 4. Wykres Ts dla wody i pary wodnej Rys. 5. Wykres is dla wody i pary wodnej Wykres Ts oraz is 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 dla cieczy i pary suchej są takie same: p kr = 22,3 MPa, t kr = 374,5 C (647,3 K), υ kr = 0,0035 m 3 /kg, i kr = 2095,2 kj/kg, s kr = 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 = ). 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

7 Rys. 6. Obieg Carnota dla pary nasyconej Rys. 7. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej kondensacyjnej: kocioł; 2 przegrzewacz pary; 3 turbina; 4 prądnica (generator); 5 (kondensator); 6 pompa wody chłodzącej; 7 pompa skroplin; 8 zbiornik wody zasilającej; 9 pompa wody zasilającej Rys. 8. Obieg Rankine a elektrowni parowej kondensacyjnej: a) w układzie Ts; b) w układzie is Rys. 9. Zależność sprawności teoretycznej obiegu Rankine a od: a) temperatury początkowej T ; b) ciśnienia początkowego p, c) ciśnienia (temperatury) w u 7

8 Rys. 20. Schemat obiegu cieplnego elektrowni z międzystopniowym przegrzewaniem pary: kocioł; 2 część wysokoprężna turbiny; 3 część niskoprężna turbiny; 4 międzystopniowy przegrzewacz pary Rys. 2. Obieg Rankine'a z międzystopniowym przegrzewaniem pary: a) w układzie Ts; b) w układzie is (na wykresie is naniesiono rzeczywiste przebiegi rozprężania pary w obu częściach turbiny) Rys. 2. Schemat układu cieplnego elektrowni z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilającej: kocioł, 2 turbina, 3 prądnica, 4 pompa skroplin, 5 podgrzewacz mieszankowy, 6 pompa wody zasilającej Rys. 22. Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilającej; a) obieg Rankine a; b) przebieg rozprężania pary w turbinie w układzie is (η og ) netto = η og = η k η r η tr η w η m η g ( ε) = η k η r η Tz η p.wł. Poszczególne sprawności zawierają się w granicach: kotła, η k = 0,86 0,96, rurociągów i regulacyjna, η r = 0,98 0,99, obiegu Rankine'a, η tr = 0,43 0,58, wewnętrzna turbiny, η w = 0,60 0,87, mechaniczna turbiny, η m = 0,98 0,99, generatora, η g = 0,97 0,985, potrzeb własnych ( ε), η p.wł. = 0,92 0,96. Dla obiegu bez przegrzewania międzystopniowego qd qo η t = = R q d ( i i ) ( i i ) ( i i ) ( i i ) wz i i wz 2a sk = 2a i i gdzie: i entalpia pary za kotłem, równa w układzie idealnym (teoretycznym) entalpii pary przed turbiną, kj/kg; i 2a entalpia pary po jej izentropowym rozprężeniu w turbinie, kj/kg; i sk entalpia skroplin, kj/kg; i wz entalpia wody zasilającej kocioł, kj/kg. Dla obiegu z przegrzewaniem międzystopniowym η tm = ( i ima ) + ( im2 i2a ) ( i i ) + ( i i ) wz m2 ma = wz wz ( i i2a ) + ima ( i iwz ) + ima gdzie: i ma = i m2 i ma przyrost entalpii pary w międzystopniowym przegrzewaczu pary (w obiegu teoretycznym), kj/kg. sk 8

9 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 MW 5298 MW, węgiel brunatny; Kozienice MW, węgiel kamienny; Turów MW, węgiel brunatny; Rybnik MW, węgiel kamienny; Dolna Odra MW, węgiel kamienny; Połaniec MW, węgiel kamienny, Opole MW, węgiel kamienny; Pątnów MW, węgiel brunatny. 9

10 VIE GLN POM PLC 35MW EIS REC LSN MON BCN 244MW KRA 760MW 2x432MW GUB GOR 660MW ZLG DUN 660MW 66MW 225MW PLB PLE STO ZDK PKW CZE 240MW SLK PPD DRG BYD KRM 250MW PAT ZRC GDP PLP 2x000MW 80MW 874MW JAS 500MW+456MW ADA TEL 246MW KON GDA WLA GBL 900MW+456MW 322MW GRU PLO PDE ZGI ELB OLM SOC 46,6MW OLS 2x456MW +600MW MSK OLT MOR WTO WSI PIA OST WYS MIL STN 480MW LMS 000MW 250MW SDU ELK ALY NAR HAG 480MW 830MW Legenda: 60MW 90MW ZUK CRN POL LES 330MW PAS WRC OSR KAL 250MW MIK SWI KPK ANI KIE OSC CPC 2x900MW HCZ 08MW DBN JOA RAD 50MW BOG WRZ GRO CHM ZBK LOS ROK TCN PEL 60MW 50MW BLA LAG KED KAT JAM KHK 90MW 250MW HAL SIE KLA WIE BIR BYC LUA MOS KOP 90MW PBO WAN ATA 750 kv PRB CZT SKA TAW 400 kv ALB KOM BUJ 220 kv NOS 420MW 400 kv tymczasowo pracująca na napięciu 220 kv LIS ZAP kabel stałoprądowy 450 kv moc przyłączeniowa planowanych FW moc przyłączeniowa planowanych elektrowni konwencjonalnych 425MW TRE PAB BEK JAN PIO ROG ROZ KOZ 830MW LEM 000MW PUL 500MW LSY ABR CHS MKR ZAM STW 422MW DOB RZE CHA BGC KRI Lokalizacje nowych źródeł wytwórczych wnioskowanych do przyłączenia do sieci przesyłowej oraz rozwój połączeń transgranicznych w latach