Energetyka odnawialna i nieodnawialna Siłownie mieszane combi, hybrydowe, ko i trójgeneracja Wykład WSG Bydgoszcz Prowadzący: prof. Andrzej Gardzilewicz gar@imp. imp.gda.pl, 601-63 63-22-84 Materiały źródłowe: M. Piwowarski, T. Chmielniak, A. Gardzilewicz
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, cieplnezagadnienia termodynamiczne i przepływowe Mat. Własne Poltechnika Gdańska, Gdańsk, 2009; 8. Chmielniak T. Technologie energetyczne WNT, Warszawa, 2008;
Obiegi kombinowane gazowo- parowe łączą zalety turbin gazowych i turbin parowych. Turbina gazowa: wysoka górna temperatura obiegu korzystne (do 1450 C); wysoka dolna temperatura obiegu niekorzystne. Turbina parowa: niska górna temperatura obiegu niekorzystne (do 560 C); niska dolna temperatura obiegu korzystne. η G P = N + TP Q 1 N TG Sprawność obiegu gazowo-parowego osiąga nawet 60% Schematy obiegów kombinowanych gazowo-parowych bywają różnorodne i różne są tez zasady ich systematyki. Najogólniej można układy gazowo-parowe podzielić na: układy w których czynniki robocze gaz (spaliny) i para nie mieszają się ze sobą; układy w których czynnik roboczy jest mieszaniną strumienia pary oraz gazu (spalin). 3
Układ z kotłem utylizacyjnym Układ z kotłem utylizacyjnym (odzysknicowym), w którym regenerator turbiny gazowej został zastąpiony kotłem, wytwarzającym parę wykorzystywaną w turbinie parowej. woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca 4 1 6 3 5 G G 6 7 8 2 Układ z kotłem utylizacyjnym; 1-sprężarka, 2-komora spalania, 3-turbina gazowa, 4-kocioł utylizacyjny, 5- turbina parowa, 6-generator, 7-skraplacz, 8-pompa, 4
Układ z kotłem utylizacyjnym 5
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Schemat ideowy i obieg układu z kotłem utylizacyjnym bez dopalania 6
Układ z kotłem utylizacyjnym Układ ten jest najdoskonalszy pod względem termodynamicznym, gdyż całe ciepło jest doprowadzone tylko do części gazowej. Dla pełnego wykorzystania jego zalet są potrzebne wysokotemperaturowe turbiny gazowe, które umożliwiałyby w kotle utylizacyjnym generację pary o parametrach stosowanych obecnie w energetyce (temp. 530-550 C ). W celu podwyższenia sprawności układu kombinowanego z kotłem utylizacyjnym stosuje się również układy dwu i trójciśnieniowe, które podwyższają sprawność jednakże podnoszą koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Sprawność obiegu gazowo-parowego z kotłem utylizacyjnym η G P = N TP + N Q 1 TG = N Q TG 1 + N Q TP 1 = η TG + N Q TP 1 = η TG + η TG N N TP TG = η TG 1 + N N TP TG bo Q 1 = N TG η TG N N TP TG = ( 40 60)% 7
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Układ z kotłem jednociśnieniowym Schemat kotła z parownikiem i recyrkulacją 8
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Schemat kotła ze wstępnym spalinowym podgrzaniem kondensatu Schemat kotła z parownikiem mieszankowym 9
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Schemat kotła z rozdzielonymi podgrzewaczami wody Schemat kotła ze wspólnym podgrzewaczem wody w strefie NP 10
Turbiny Parowe i Gazowe semestr VII Obiegi kombinowane gazowo-parowe Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Układ z kotłem utylizacyjnym trójciśnieniowym 11
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Układ z kotłem utylizacyjnym trójciśnieniowym z przegrzewem międzystopniowym 12
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Schemat układu z kotłem Bensona 13
Układ kombinowany- z kotłem utylizacyjnym Układ z kotłem utylizacyjnym z dopalaniem 14
Układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca paliwo 3 4 5 G G 1 2 5 7 8 6 Układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary; 1-turbina gazowa, 2-sprężarka, 3-wysokociśnieniowa wytwornica pary, 4-turbina parowa 5-generatory, 6-skraplacz, 7-wymiennik ciepła, 8-pompa wody zasilającej 15
Układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary Obieg z wysokociśnieniową wytwornicą WWP pary nazywaną też kotłem doładowanym, charakteryzuje się korzystnymi wskaźnikami techniczno-ekonomicznymi. Dzięki podwyższonemu przez sprężarkę ciśnieniu i większym niż zwykle prędkościom przepływu spalin, procesy spalania i wymiany ciepła są w kotle znacznie bardziej intensywne. Umożliwia to zmniejszenie wymiarów, a więc i zużycie materiałów konstrukcyjnych, w stosunku do konwencjonalnych układów niedoładowanych. Wytwornica pary spełnia w tym układzie jednocześnie rolę komory spalania części gazowej. Układ ten dopuszcza różne konfiguracje maszyn wirnikowych np. turbina gazowa może napędzać sprężarkę powietrza, a turbina parowa oddawać całą swoją moc na zewnątrz. Jednakże najczęściej stosuje się układ dwuwałowy tj. moc użyteczna jest odbierana w dwu punktach układu (dwa generatory). Wadą jest WWP, urządzenie skomplikowane, awaryjne ze względu na duże naprężenia termodynamiczne itp. 16
3 Układ ze zrzutem spalin do kotła woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca paliwo 4 5 2 G 6 G 1 5 9 7 8 Układ ze zrzutem spalin do kotła; 1-turbina gazowa, 2-sprężarka, 3-kocioł parowy, 4-turbina parowa, 5-generatory, 6-skraplacz, 7-wymiennik ciepła, 8-pompa wody zasilającej, 9-komora spalania 17
Układ ze zrzutem spalin do kotła Obieg ze zrzutem spalin do kotła, w którym gorące spaliny odlotowe z turbiny gazowej, wyposażonej we własną komorę spalania, są wprowadzane do kotła parowego o konstrukcji nie odbiegającej zasadniczo od kotłów konwencjonalnych. Dzięki dużym nadmiarom powietrza w spalinach, w układzie tym są one wykorzystywane do procesu spalania w kotle. W obiegu tym nie występuje podgrzewacz powietrza, a spaliny na wylocie z kotła są używane do podgrzewania wody zasilającej. W stosunku do układu z WWP obieg ten ma nieco gorsze wskaźniki techniczno - ekonomiczne, wynikające z zastosowania konwencjonalnego kotła i nieznacznie niższe sprawności. Główną zaletą tego układu jest możliwość spalania w kotle dowolnego paliwa, w tym również paliw stałych. Inną istotną zaletą jest możliwość niezależnej pracy części gazowej układu przy odstawieniu części parowej oraz praca części parowej przy odstawieniu gazowej. 18
Układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca paliwo 3 2 1 1 6 G 4 4 5 Układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary; 1-sprężarki, 2-turbina, 3-komora spalania, 4-wymienniki ciepła,5-pompa wody zasilającej, 6-generator, 19
Układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary Układ wykorzystujący mieszaninę spalin i pary, w którym odmiennie niż w poprzednich nie występują odrębne układy parowy i gazowy, a w turbinie jest rozprężana mieszanina spalin i pary, uzyskiwana w wyniku wtrysku wody (uprzednio podgrzanej) do komory spalania lub po wprowadzeniu pary do traktu gazowego. Sprawność tego układu jest niższa niż poprzednich a jego zalety to: małe wymiary; mała masa w stosunku do mocy; możliwość szybkiego zwiększania mocy poprzez wtrysk wody (zwiększanie zużycia paliwa). Tymi zaletami określone jest zastosowanie tego typu układów wyłącznie do celów specjalnych. 20
Układ z kotłem fluidalnym Układ ze zgazowaniem węgla Bezpośrednie rozprężanie spalin węglowych w turbinie gazowej jakkolwiek wg odmiennej koncepcji zapewniają układy parowo - gazowe zintegrowane z procesem spalania węgla w kotle fluidalnym lub z procesem zgazowania węgla. Technologie te pozwalają ograniczyć emisję do dopuszczalnego poziomu oraz podwyższyć sprawność w stosunku do konwencjonalnych technologii parowych. Zaletą układu z kotłem fluidalnym jest prosta struktura nie odbiegająca w istotny sposób od struktur eksploatowanych bloków energetycznych oraz łatwość procesów odsiarczania i odazotowania spalin wynikająca z własności procesu spalania. Wadą jest konieczność obniżenia temperatury spalin przed turbiną (do około 850 C) co określa niską sprawność netto układu z kotłem fluidalnym. Wady tej nie mają układy ze zgazowaniem węgla, które z kolei wymagają rozdzielenia powietrza do otrzymania tlenu koniecznego do zgazowania oraz rozbudowanego niskotemperaturowego układu oczyszczania (odsiarczania). Straty w procesie zgazowania i oczyszczania gazu powodują, że sprawność netto tego układu jest zbliżona do sprawności układu z kotłem fluidalnym. 21
Układ z kotłem fluidalnym woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca 9 4 1 6 3 5 G G 6 7 2 8 Układ z kotłem fluidalnym; 1-sprężarka, 2-ekonomizer, 3-turbina gazowa, 4-kocioł fluidalny, 5- turbina parowa 6-generatory, 7-skraplacz, 8-pompa, 9-odpylanie gazu, 22
Układ ze zgazowaniem węgla tlen węgiel 11 10 woda chłodząca powietrze spaliny para wodna woda zasilająca 4 9 5 6 siarka 3 G G 1 6 7 2 8 Rys. 6. Układ ze zgazowaniem węgla [16]; 1-sprężarka, 2-ekonomizer, 3-turbina gazowa, 4-odzyskiwanie siarki, 5- turbina parowa 6-generatory 7-skraplacz, 8-pompa, 9-oczyszczanie gazu, 10- ekonomizer, 11-zgazowanie, 23
Układ ze zgazowaniem węgla Układ gazowo-parowy zintegrowany z powietrznym zgazow. węgla 1 układ zasilania, 2 generator gazu, 3 izotermiczna sprężarka, 4 sprężarka doładowująca, 5 chłodnica gazu, 6 filtr ceramiczny, 7 komora spalania, S sprężarka, T turbina, ITP. instalacja turbiny parowej W układzie zastosowano reaktor fluidalny zasilany węglem i sorbentem wapiennym. Gaz opuszczający generator ma temperaturę 980 C, jest chłodzony do temperatury 372 C a następnie oczyszczony w układzie filtrów, z których część gazu, skierowana jest do generatora gazu, pozostała do komory spalania. Zastosowano izotermiczne sprężanie. Sprawność układu (dla wysokosprawnych turbin gazowych) może dla bloku rzędu 400 MW osiągnąć wartość rzędu 52%, a koszty inwestycyjne nie powinny przekraczać 1100 US $/kw 24
Układ ze zgazowaniem węgla Instalacja z powietrznym zgazowaniem węgla, regeneracją i nawilżaniem powietrza 1 układ zasilania, 2 generator gazu, 3 popiół, 4 filtr ceramiczny, 5 sprężarka powietrza (wilgotnego) do zgazowywacza, 6 komora spalania, 7 regenerator, 8 skraplacz mieszankowy i nawilżacz, 9 odsiarczanie spalin, S sprężarka, T turbina, a - doprowadzenie ciepła Instalacja z powietrznym zgazowaniem fluidalnym, z rozwiniętą regeneracją, recyrkulacją spalin i oczyszczaniem spalin. Zastosowano zespół turbiny gazowej o niskim stosunku sprężu (1) i temperaturze spalin na wlocie do turbiny (950-1000oC). Mimo tego prognozuje się, że instalacja może osiągnąć sprawność netto 45%. 25
η z = B B g w ( W ( W d d ) ) g w Obiegi kombinowane Układ ze zgazowaniem węgla Energetyczna efektywność konwersji tzw. sprawność zimna lub η z = B B g w ( Q ( Q i sprawności zdefiniowanej następująco: s s ) ) g w η zg = B B g w [( W ) + h ] ( W d d ) g w g+ Q + mih p mgi gdzie: B g i B w są strumieniami odpowiednio gazu syntezowego i węgla jako surowca, W d -wartość opałowa, Q s -górna wartość opałowa (ciepło spalania), Q p -strumień ciepła generowany (w parze) w procesie chłodzenia generatora i gazu, h g - właściwa entalpia fizyczna gazu, m i, h mgi -strumień masy i entalpia i-tego czynnika zgazowującego. Sprawność energetyczna całej instalacji zależy od sposobu sprzężenia procesu zgazowania z układem gazowo - parowym, sposobu oczyszczania gazu oraz sprawności zespołu turbiny gazowej i instalacji parowej. η UPG * 1+ ϕ 1 = η z (1 + ϕ1) η TG + η ITP ( 1 ηtg) η KO + 1 1+ ϕ1 gdzie: ϕ 1 = h g /W dg, h g - entalpia fizyczna gazu na wlocie do komory spalania, W dg - wartość opałowa gazu, η TG - sprawność brutto turbiny gazowej, η KO - sprawność kotła odzyskowego, η ITP. - sprawność instalacji parowej, h * g * ϕ 1 = h W g dg - entalpia fizyczna gazu przed jego schłodzeniem 26
Układ kombinowane - schematy 27
Układ kombinowane - schematy 28
Układ kombinowane - schematy 29
Układ kombinowane Układ z turbiną powietrzną Układ ze zrzutem spalin do układu regeneracji 30
Układ kombinowane 31
Turbiny Parowe i Gazowe semestr VII Obiegi kombinowane gazowo-parowe Układ kombinowane - zalety 1. Wysoka sprawność układu kombinowanego. Jest ona znacznie wyższa niż w przypadku klasycznych, konwencjonalnych systemów produkcji energii elektrycznej. 2. Niski koszt instalacji. Duży stopień standaryzacji oraz daleko posunięta modułowość stosowanych rozwiązań ułatwiają i przyspieszają znacznie montaż, a tym samym obniżają jego koszt. Koszt sprzętu i wyposażenia, ze względu na konieczność stosowania zaawansowanych technologii, jest wyższy niż w przypadku elektrowni parowych. Jednak sumaryczny koszt instalacji układu kombinowanego jest niższy, ze względu na znaczne skrócenie cyklu instalacji. 3. Znaczna elastyczność stosowania paliw. Instalacje wykorzystujące cykl kombinowany działają bardzo efektywnie przy szerokim zakresie stosowanych paliw. Mogą to być: gaz naturalny, olej rafinowany czy też inne paliwa olejowe. Wykorzystywane są również paliwa gazowe, węglopochodne. 32
Układ kombinowane - zalety 4. Znaczna elastyczność cyklu pracy jednostki - układy elastyczne ruchowo zarówno przy pracy podstawowej jak i szczytowej czy też sytuacjach awaryjnych. Utrzymują stałą i stosunkowo dużą sprawność przy obciążeniach rzędu 70 100% mocy znamionowej. 5. Stosunkowo krótki czas budowy. Standaryzacja rozwiązań technicznych i modułowość pozwalają budować elektrownie pracujące w cyklu kombinowanym znacznie szybciej niż konwencjonalne elektrownie parowe. 6. Wysoki stopień niezawodności i dyspozycyjności. Wysoka niezawodność uzyskiwana jest głównie dzięki ciągłemu prowadzeniu prac badawczych i rozwojowych oraz stosowaniu nowych, coraz lepszych materiałów i komponentów do konstruowania części składowych układu kombinowanego. Wysoka dyspozycyjność to przede wszystkim zasługa wysokiej kultury obsługi, odpowiedniego poziomu utrzymania i remontów, co jest konsekwencją zaawansowanej technologii, stosowanej w tego typu układach. 33
Układ kombinowane - zalety 7. Stosunkowo niskie koszty utrzymania i obsługi uzyskiwane jest głównie dzięki bardzo dobrej jakości wykonania części składowych układu, stosowaniu standaryzowanych procedur ruchowych, dużej automatyzacji oraz stosowaniu osprzętu, pozwalającego na bieżące monitorowanie najbardziej newralgicznych części i urządzeń. 8. Elastyczność w doborze mocy budowanych instalacji. Turbiny gazowe budowane są przez producentów w stosunkowo szerokim zakresie mocy znamionowych. Pozwala to inwestorowi w prosty sposób skompletować wymaganą moc całkowitą elektrowni, w zakresie od kilku do kilku tysięcy MW. 9. Niska emisja szkodliwych substancji. Technologie wykorzystywane w instalacjach z cyklem kombinowanym powodują znacznie mniejsze emisje szkodliwych substancji, takich jak NO X, SO 2 i gazów cieplarnianych. 34
Turbiny Parowe i Gazowe semestr VII Obiegi kombinowane gazowo-parowe Układ kombinowane - wady 1. Energia elektryczna, uzyskiwana z układów kombinowanych, jest ciągle droższa od energii elektrycznej, uzyskiwanej w układach konwencjonalnych 2. Paliwo gazowe, które jest najczęściej wykorzystywane w tego rodzaju układach, jest poddane dużemu ryzyku rynkowemu. Jest to paliwo strategiczne. Podobnie jak w przypadku ropy naftowej zapotrzebowanie na gaz jest duże, natomiast jest on wydobywany tylko w niektórych rejonach świata. Powoduje to, że w wielu przypadkach wykorzystywany jest on jako karta przetargowa w załatwianiu spraw nie zawsze związanych z gospodarką. 3. W wielu przypadkach występują ogromne kłopoty związane z ogólnym brakiem paliwa do tego typu instalacji, w danym rejonie świata. Konieczność budowy rurociągów i całej infrastruktury towarzyszącej dostawom paliwa powoduje znaczący wzrost kosztów projektów instalacji opartych na cyklu kombinowanym lub w ogóle stawiają pod znakiem zapytania ich praktyczną realizację 4. Dodatkowym niebezpieczeństwem, uwidocznionym w ostatnich latach, jest wzrastające zagrożenie terrorystyczne instalacji gazowych i magistrali doprowadzających do nich paliwo. Systemy przesyłu i dystrybucji gazu stają się obiektem ataku terrorystów ze względu na strategiczne znaczenie paliwa gazowego oraz dużą skalę zniszczeń w przypadku spowodowania katastrofy. 35
Układ kombinowane - podsumowanie 1. Ogromnym atutem instalacji wykorzystujących cykl kombinowany są relatywnie niskie koszty inwestycyjne oraz krótki czas realizacji całej inwestycji. 2. Niskie koszty eksploatacji i konserwacji. Instalacje tego typu posiadają również wysoki stopień automatyzacji, co w konsekwencji doprowadza również do zmniejszenia zatrudnienia do niezbędnego minimum. Od zatrudnianego personelu wymaga jednak najczęściej wyższych kwalifikacji zawodowych, co może doprowadzić w konsekwencji do np. zwiększenia wynagrodzeń. 3. Dodatkowym atutem elektrowni wykorzystujących cykl kombinowany są stosunkowo niskie emisje substancji szkodliwych do środowiska naturalnego. 4. Elektrownie pracujące w cyklu kombinowanym odgrywają również bardzo istotną rolę w systemie elektroenergetycznym. Wielkie awarie systemowe pokazały, jak wielkie znaczenie mają układy, które w krótkim czasie są w stanie pokryć wzrastające obciążenie systemu w godzinach szczytu. Takie cechy mają właśnie układy kombinowane, a ich zwiększająca się z roku na rok liczba tylko potwierdza taką tezę. Dodatkowo, układy te mogą również bardzo dobrze pracować w tzw. bazie obciążenia. 36
Układ kombinowane - podsumowanie 5. Elektrownie wykorzystujące cykl kombinowany mają również wiele cech korzystnych z punktu widzenia mechanizmów działania rynku energii elektrycznej. Duża elastyczność produkcji energii elektrycznej, stosunkowo duża regulacyjność tej produkcji, krótkie czasy rozruchu i odstawienia. 6. Bardzo istotną cechą ujemną cyklu kombinowanego jest duże ryzyko związane ze stosowanym paliwem gazem ziemnym. Ceny gazu sprawiają również, że w wielu regionach świata energia elektryczna produkowana w tego typu instalacjach jest droższa niż w przypadku innych, podstawowych technologii, takich jak węgiel czy energetyka atomowa. 7. Obok cen paliwa nie można zapominać o bardzo znacznych kosztach całej infrastruktury towarzyszącej dostawom gazu do miejsca usytuowania elektrowni. Koszty budowy nowych gazociągów, instalacji rozdzielczych i innych urządzeń. 8. Dodatkowym aspektem, związanym również z gazem ziemnym, jest wzrastające, a w niektórych przypadkach wręcz całkowite uzależnienia się od zewnętrznych źródeł zaopatrzenia w paliwa gazowe. Fakt ten jest bardzo istotny z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego danego państwa. 37