Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska) · PDF fileElektrownie parowe konwencjonalne (J....
Transcript of Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska) · PDF fileElektrownie parowe konwencjonalne (J....
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
1
1 . Charakterystyka ilo ściowa 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 odpad ów i produkcja energii przez elektrowni ę o mocy P = 6 ×××× 200 = 1200 MW
Warto ści Substancja jednostkowe
(na kW ⋅⋅⋅⋅h) na godzin ę na dob ę na rok
(przy T i = 6500 h) Produkcja energii elektrycznej - 1200 MW⋅h 28,8 GW⋅h 7,8 TW⋅h Wartość wytworzonej energii (przy ce = 0,05 €/(kWh) - 60 tys. € 1,44 mln € 390 mln €
Zapotrzebowanie na węgiel 0,45 kg 541 t 12992 t 3,5 mln t Zapotrzebowanie na powietrze 3,8 m3 4,56⋅106 m3 109,44⋅106 m3 29,64⋅109 m3 Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą 144 l 172,8⋅103 m3 4,147⋅106 m3 1,123⋅109 m3 Zapotrzebowanie na wodę bezzwrotną 1,1÷1,55 l 1320÷1860 m3 31,68÷44,64⋅103 m3 8,58÷12,09⋅106 m3 Emisja spalin 6,7 m3 8,04⋅106 m3 192,96⋅106 m3 52,26⋅109 m3 Emisja CO2 1,290 kg 1548 t 37,158 tys. t 10,062 mln t Emisja SO2 7 g 8,3 t 199,5 t 53,95 tys. t Emisja NOx w przeliczeniu na N2O5
(średnio 0,33 emisji SO2) 2,3 g 2,77 t 66,5 t 17,98 tys. t
Popiół i żużel 0,045 kg 54 t 1296 t 0,352 mln t Emisja pyłu do atmosfery, średnio 0,77 g 0,92 t ok. 22 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 zasilaj ącej, PZ - pompa zasilaj ąca 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 mo cy 200 MW,
bez odsiarczania spalin: 1 - kocioł, 2 - turbozespół, 3 - skraplacz, 4 - pod grzewacz powietrza, 5 - młyn w ęgla, 6 - elektrofiltr, 7 - wentylator spalin, 8 - k omin,
9 - przeno śniki ta śmowe w ęgla, 10 - transformatory: blokowy i potrzeb własnyc h, 11 - zbiornik wody zasilaj ącej z odgazowywaczem, 12 - nastawnia, 13 - rozdzielnica potrzeb własnych, 14 - wentylator młyna, 15 – went ylator powietrza,
16 - rozdzielnica elektrofiltrów, 17 - zasobnik w ęgla
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
2
b)
Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: b) układ technologiczny elektrowni na przykładzie Elek trowni 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: pi erwotny, wtórny (mi ędzystopniowy);
WP - wysokopr ężna część turbiny; NP - niskopr ężna część turbiny; S - skraplacz pary; PS - pompa skroplin;
ZWZ - zbiornik wody zasilaj ącej; PZ - pompa zasilaj ąca kocioł; G – generator
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
3
Tablica 2. Parametry niektórych krajowych energetyc znych kotłów parowych
Symbol kotła Wydajno ść [t/h] / Moc bloku [MW]
Ciśnienie pary [MPa/MPa]
Temperatura pary [°C/°C]
Sprawno ść [%]
Temperatura wody zasilaj ącej [°C]
OP-380 380/120 13,6/2,7 540/540 87÷90 230 OP-650 OB-650 650/200 15,6/2,7 540/540 91÷92
88 240
BB-1150* 1150/360 18,3/4,2 540/540 91 255 BB-2400 2400/858 26,1/5,46 554/582 ? 278
* Z obiegiem dodatkowo wspomaganym w obrębie parownika
Rys. 5. Charakterystyka energetyczna kotła parowego : Qkmin - minimum techniczne kotła,
Qkmax - maksymalna wydajno ść 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 pogl ądowy;
1 - dysza/wieniec dysz, 2 - wieniec łopatek wirnika , ZR - zawór regulacyjny, S - skraplacz pary, PS - pompa skroplin
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
4
Rys. 7. Turbiny: a) jednokadłubowa, b) dwukadłubowa , c) trójkadłubowa, d) czterokadłubowa; e) wirnik t urbiny 40 MW; f) przekrój osiowy cz ęści WP i SP turbiny 18K380 (17,5/4,2 MPa; 550/570 °°°°C; 380 MW); kadłuby: WP - wysokopr ężny, SP - średniopr ężny,
NP - niskopr ężny; MPP - mi ędzystopniowy przegrzewacz pary (element kotła parow ego)
Rys. 8. Symbole turbin parowych: a) kondensacyjna, b) przeciwpr ężna, c) upustowo-przeciwpr ężna,
d) upustowo-kondensacyjna. Indeksy przy symbolach parametrów pary oznaczaj ą parę: 1 - świeża zasilaj ąca turbin ę, 2 – na wylocie z turbiny kondensacyjnej, p - opuszc zająca turbin ę przeciwpr ężną, u - pobierana z upustu turbiny
Tablica 3. Parametry niektórych krajowych turbin pa rowych
Parametry pary Upust regulowany temperatura Moc
ciśnienie pocz ątkowa wt. prz.
Ciśnienie na wylocie ciśnienie pobór pary Symbol
MW MPa °C °C MPa MPa t/h Turbiny kondensacyjne
TK 120 13K 215 18K 360 K 500*
120 200 360 500
12,7 13,0 17,7 16,3
535 535 535 535
535 535 535 535
Turbiny przeciwprężne TP ... TP 20 TP 30
13UP50
2,5 do 6 19,5 30 50
3,5 9,0 9,0
13,0
435 500 500 535
- - - -
Turbiny upustowo-kondensacyjne UK 8 UK 12
2 do 8
5 do 12
2,4 3,5 4,5 2,4
i 3,5
380 435 450 380 435 450
- - - - - -
skraplacz skraplacz skraplacz skraplacz
0,4÷0,6
0,9 0,12
0,07 i 0,03**
skraplacz
skraplacz
- - - - - - -
1,0
0,12÷0,6
0,12÷0,6
- - - - - - -
7,5÷85
2,5÷51
5,0÷65
* Konstrukcja b. Leningradzkiej Fabryki Turbin. ** Dwa wyloty, turbina upustowo-przeciwprężna.
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
5
Rys. 9. Charakterystyki energetyczne turbozespołów kondensacyjnych; QTz - strumie ń 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 - przestrze ń parowa,
3 - dno sitowe, 4 - rury wodne, 5 - wodowskaz,
PS - pompa skroplin
Rys. 11. Schemat poł ączeń urządzeń towarzysz ących skraplaczowi pary: 1 - skraplacz, 2 - smoczek parowy, 3 - para zasilaj ąca smoczek,
4 - skraplacz pary ze smoczka, 5 - odprowadzenie skroplin pary smoczka,
6 - ruroci ąg recyrkulacji skroplin, PS - pompa skroplin
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
6
Rys. 12. Chłodnia kominowa:
1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik wody ochłodzonej, 3 - zraszalnik
Rys. 13. Chłodnie wentylatorowe: a) pojedyncza z dy fuzorem, b) fragment chłodni celkowej; 1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik wod y ochłodzonej, 3 - zraszalnik,
4 - wentylator, 5 - silnik z przekładniami, 6 - dyf uzor
5. Obieg termodynamiczny i sprawno ść 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 obję-tość 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 zastosowa-nie 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 dla cieczy i pary suchej są takie same: pkr = 22,13 MPa, tkr = 374,15°C (647,31 K), υυυυkr = 0,00315 m3/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 yc 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 .
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
7
Rys. 16. Obieg Carnota dla pary nasyconej Rys. 17. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowe j kondensacyjnej: 1 - kocioł; 2 - przegrzewacz pary; 3 - turbina; 4 - prądnica (generator); 5 - skraplacz (kondensator); 6 - pompa wody chłodz ącej; 7 - pompa skroplin; 8 - zbiornik wody zasilaj ącej; 9 - pompa wody zasilaj ącej
Rys. 18. Obieg Rankine’a elektrowni parowej kondens acyjnej: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s
Rys. 19. Zale żność sprawno ści teoretycznej obiegu Rankine’a od: a) temperatury pocz ątkowej T1;
b) ci śnienia pocz ątkowego p1, c) ci śnienia (temperatury) w skraplaczu
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
8
Rys. 20. Schemat obiegu cieplnego elektrowni
z międzystopniowym przegrzewaniem pary: 1 - kocioł; 2 - część wysokopr ężna turbiny; 3 - cz ęść niskopr ężna
turbiny; 4 - mi ędzystopniowy przegrzewacz pary
Rys. 21. Obieg Rankine'a z mi ędzystopniowym przegrzewaniem pary: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s (na wykresie i-s naniesiono
rzeczywiste przebiegi rozpr ężania pary w obu cz ęściach turbiny)
Rys. 21. Schemat układu cieplnego elektrowni
z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilaj ącej: 1 – kocioł, 2 – turbina, 3 – pr ądnica, 4 - pompa skroplin, 5 - podgrzewacz mieszankowy,
6 - pompa wody zasilaj ącej
Rys. 22. Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilaj ącej; a) obieg Rankine’a; b) przebieg rozpr ężania 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 ( ) ( ) ( ) ( )
wz1
skwz2a1
wz1
sk2awz1
d
odRt ii
iiii
ii
iiii
q
−−−−=
−−−−=−=η
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 ( ) ( )( ) ( )
( )( ) mawz1
ma2a1
m1am2wz1
2m2a1m1tm iii
iii
iiii
iiii a
∆+−∆+−=
−+−−+−=η
gdzie: ∆ima = im2 - im1a - przyrost entalpii pary w międzystopniowym przegrzewaczu pary (w obiegu teoretycznym), kJ/kg.
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
9
Rys. 23. Przykładowe sprawno ści przemian energii i bilans
energetyczny strumieniowy (Sankeya) współczesnej el ektrowni 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.
Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)
10
MKR ZAM
GLN
POM
GDP
KOP
BYD
JAS
PLE
CZE
PPD
MON
PLC
GOR
DUN
SLK
ZRC
GBL
GDA
GRU
TEL
WLAPAT
KON
ADA
OLM
OLS
ELK
PLOPDE
MSK
SOC
LSN
LES
OSRZUK
POL
CRN
MIK
HAG
VIE
PIA
SDU
KOZ
ROZ
PUL
ABRCHS
NAR
OSC
DOB
STWCHM
PEL
RZE
BGC
KPK
RAD
KIE
JAN
PIO
PAB
ZGI
BEKTRE
ROG
JOA
ANI
HCZ
WRZ
LOS
TAW
ATA
KLA
KRI
WAN
LUA
SIE
ROK
GRO
DBN
ZBK
SWI
WRCPAS
BOG
CPC
ALBNOS
TCN
KRA
LEM
KRM
OLT
SKA
MOR
WTO
LSY
PKW
WSI
OST
ALY
BLA
REC
KED
CHAWIE
LAG
CZT
ZAP
BUJKOM
BIR
HALKAT JAM
KHK
MOS
LIS
LMS
MIL
400 kV750 kV
220 kV
400 kV tymczasowo pracująca na napięciu 220 kV
kabel stałoprądowy 450 kV
Legenda: PBO
STN
BYC
BCN
ZDK
ELB
PLP
DRG
WYS
PRB
KAL
ZLG
PLB
EISGUB
STO
160MW
910MW moc przyłączeniowa planowanych elektrowni konwencjonalnych
moc przyłączeniowa planowanych FW
425MW
910MW
2x1000MW
1000MW
1000MW
422MW
500MW+456MW
874MW
2x900MW
420MW
480MW
830MW
2x456MW+600MW
500MW
910MW
480MW
900MW+456MW
2x432MW
244MW
135MW
240MW 246MW
225MW
322MW
660MW
660MW
760MW
150MW
146,6MW
330MW830MW
160MW
250MW
250MW
80MW
250MW
250MW
108MW 150MW
166MW
Lokalizacje nowych źródeł wytwórczych wnioskowanych do przył ączenia do sieci przesyłowej oraz rozwój poł ączeń
transgranicznych w latach 2012-2025