6. témakör villamosenergia-termelés hıerımővekbenenergia.bme.hu/~kaszas/energetika...
TRANSCRIPT
6. témakör
Villamosenergia-termelés
hıerımővekben
Tartalom
1. Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek.
2. Gázturbinás erımővek.
3. Kombinált gáz-gız erımővek.
4. Tüzelıanyag-cellák.
A villamosenergia-termelés folyamatahıerımővekben
kémiailag vagy
nukleárisan
kötött energia
Hıfejlesztı Hıerıgép GenerátorTranszformátor
hı mechanikai
(forgási) energia
villamos
energia
körfolyamat
Csoportosítás
• A felhasznált végenergia 30-40 %-a villamos energia.
• Tüzelıanyag: C, CH, nukleáris,
• Munkaközeg: vízgız, füstgáz,
• Hıerımővek: gız, gázturbinás, kombinált gáz-gız, (gázmotoros).
6.1.
Fosszilis tüzelıanyagúgızerımővek
Kapcsolás
Szubkritikus gızkörfolyamat
Szuperkritikus gızkörfolyamat
1. Fıberendezések és folyamatok
• Gızkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelıanyag elégetésével, a keletkezı nagy hımérséklető(800-1500 oC) láng és füstgáz lehőtése(füstgázoldal), a vízgız munkaközeg felmelegítése, elgızölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgızoldal).
• Tüzelıanyagok:– különbözı szenek, különbözı tüzelési módokkal,– kıolaj-finomítás maradékai,– földgáz (inertes gáz).
1.1. Gızkazán
• Tüzelés (108 ill. 58 g CO2/MJ):
)/47(525,2%)55(75,241
/36/44/64/16
22
)/4240(2
1)
2
1(
)/286:;8,33(%)100(66,366,21
/44/32/12
2224
222
22
kgMJHkgkgkgkgkg
molgmolgmolgmolg
hıOHCOOCH
kgMJHOmHnCOOnHC
kgMJszénCHkgkgkg
molgmolgmolg
hıCOOC
ü
ümn
ü
+=+=+
+=+
++=+
−++=++
−=+=+
=+
+=+
Gızkazán
A hıáram-sőrőség változása a tőztér magassága mentén (p1<p1’<p1’’)
Szubkritikus gızkazán: a felületek elrendezése
UH
m1,p1,t1
E
TE
UH
LE
TH
E
TED
TT
mu,pu,tu. .
Gızkazán: T-Q diagram
1’
TH
TH
UH
E1”
u
tv
fg
1’
1
Q
T
sugárzás konvektív
UH TE LE
670 MW névleges hıteljesítményő szénhidrogén-tüzeléső kazánT-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja)
5000 10000 15000 20000 F [m2
]
500
1000
1500
T[ o C]
=540Tu2
450 =350sT
=5401
T
u1 =340Tt =250T
füstgáz
víz
E
F=2250
TH UHTE
F=3918 F=8665 F=1800
670 MW névleges hıteljesítményő, lignit-tüzeléső kazánT-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja)
10000 20000 30000 40000 F [m2
]
500
1000
1500
T[ o C]
1150
=540Tu2
300 =350sT
=5401
T
u1 =340Tt =220T
füstgáz
víz
Gızkazán
• Gıznyomás szerint:– szubkritikus (p1<pkr=221,2 bar)
• 40,70,100,130,170 bar (130 bar-tól újrahevítés),• t1max: 540-560 oC.
• Munkaközeg cirkulációja szerint:– természetes cirkuláció (∆p= ∆Hg, c=4-10),– szivattyús cirkuláció (∆p= ∆pSZ, c=2-6),– kényszerátáramlású (c=1).
• Gıznyomás szerint:– szuperkritikus (p1>pkr)
• 240,280,320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés),• t1max: 600-650 oC (új szerkezeti anyagok).
• Munkaközeg cirkulációja szerint:– kényszerátáramlású.
Cirkulációs elgızölögtetı [Cohen]
vízg
g
VV
V
xc
+==
1
Kényszerátáramlású gızkazán [Cohen]
Fluid-tüzeléső gızkazán
szilárdanyaggáz
füstgáz
felületek
primerlevegı
szekunderlevegı
C CaCO3
hamu + CaSO4
arány
tágy≈ max 800-900 °C
Ca/S - mólarány
Forráskép függıleges és vízszintes csıben
A víz elgızölgése függıleges csıben: hımérsékletek és hıátadási viszonyok [Cohen]
Gızkazán
• Teljesítménymérleg:
• Hatásfok:
– C (6-28 MJ/kg): 0,82-0,92
– kıolaj: 0,85-0,92
– földgáz: 0,87-0,94.
üGK Q
Q&
&1=η
)()( 1111 tvgtvgüGK
üüü
hhmssTmQQ
HmQ
−=−==
=
&&&&
&&
η
Fajlagos gızhı
Gızkazán (Tisza II. 670 t/h)
1.2. Gızturbina
• Gızturbina (GT, 1-2o, 1-2): A nagy nyomású,
hımérséklető vízgız (belsı) termikus
energiájának forgási (mechanikai) energiává
alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60Hz).
• Tengelyteljesítmény:
irrTogirrTCT hhmQW ηηη )( 211 −== &&&
Fajlagos (technikai) munka
p2
p1
wT=h1-h2wT0
∆sirr
2
h
s
1
20
Gızturbina
• A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka:
• ηC=0,35-0,60 → f[ (p1,t1,ttv,tUH1,tUH2),
• (p2)]
• ηirrT> ηirr→ (hıvisszanyerés)
1T
2T
1
21T
TC −=η
Gızturbina
• A körfolyamat hatásfokának (ηC) növelése:– a gız kezdı nyomásának (p1) és hımérsékletének (t1) növelése,– megcsapolásos (regeneratív) tápvízelımelegítés (ttv növelése),– egyszeres (tUH1) és kétszeres (tUH1,tUH2) újrahevítés,– a gız végnyomásának (p2) csökkentése (p2≈0,03 bar) elérte a
határt.• Megcsapolásos tápvízelımelegítés: a kondenzálódott
folyadékfázisú 25-50 oC-os víz felmelegítése a kazánba lépıtápvíz minél nagyobb hımérséklete (ttv) érdekében.
• (Gız) újrahevítés: a turbinában expandált gız kivétele és felmelegítése a gızkazánban pUH nyomáson.
Gızturbina-lapátok
• A GT eredı hatásfokát– a lapátok fokozati hatásfoka és– az expanzió mértéke határozza meg.
• A GT-fokozat hatásfokát befolyásolja a lapátfelület érdessége (<0,3-0,2 µm).
• Lapátfokozat– akciós (résveszteség csökkenthetı) termikus-kinetikus
energia átalakítás (állólapát-sor),– reakciós (sebességtıl függı súrlódási veszteségek
csökkenthetık) kinetikus-mechanikai energia átalakítás (forgólapát-sor),
– Fokozat: álló+forgólapát-sor.Eltérı követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.
Gızturbina-lapátfokozatok
h
∆há
akciós
∆hf
S
S
reakciósh
∆há
∆hf
Gızturbina-lapátok fejlesztése [Büki]a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményő lapátok
Hıséma: fı elemek
Gõzkörfolyamat
GT
K
póttápvíz
KT
csapadékvíz
GTT
fõcsapadékvíz
KE
NE
gõz
kazánvíz
GF
tápvíz
Hûtõvíz
Gızturbina (Tisza II. 215 MWe)
Gızturbina nagynyomású forgórész (Tisza II.)
Tápvízelımelegítı
1.3. Generátor és transzformátor
• Generátor, transzformátor: A gızturbina forgási energiájának 10-40 kV feszültségő villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére (120-400 kV).
• Hatásfokok:– ηTm=0,99-0,995,– ηG=0,99-0,995,– ηTR=0,99-0,998,– ηε=0,92-0,96,– ηmE=0,89-0,95.
TmETTRGTmKE WWP && ηηηηη ε ==
Generátor (Mátrai 215 MWe)
Transzformátor
1.4. Kondenzátor
• Kondenzátor (K, 2-2’): A gızturbinában munkát
végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgız
cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hı
elvonása a környezetbe a hőtıvíz-rendszerrel.
• Környezetbe távozó hıteljesítmény:
• Hőtıvíz-rendszerek:– frissvízhőtés (folyó, tó, tenger),
– nedves hőtıtorony,
– száraz hőtıtorony.
( ) )(1 '2221
1
22 hhmQ
T
TQ irrT −=
−+= &&
&& η
Fajlagos elvont hı
Kondenzátor
Csıkiosztás
Gız és gız-levegı keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]
Frissvízhőtés
tengerfolyó
tó
K
HSZ
)()( '222 bekihvgK ttcmhhmQ −=−= &&&
Nedves hőtıtorony
levegıK
HSZ
póthőtıvíz
)()()( '222 lbelkilllbekihvgK ttcVttcmhhmQ −=−=−= ρ&&&&
Száraz hőtıtorony
levegı
HSZFKSZ
)()()( '222 lbelkilllkibehvgK ttcVttcmhhmQ −=−=−= ρ&&&&
Nedves hőtıtorony (Mátrai Erımő)
Száraz hőtıtorony (Mátrai Erımő) kéntelenítıvel
2. Energetikai jellemzık
• Hatásfoka:
• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása:
üEmETCGK
ü
ümETCGK
ü
KEKE JJ
Q
Q
Q
P/)46,020,0( −==== ηηηη
ηηηηη
&
&
&
EüKE
KE kWhkJq /)783018000(36001
−==η
Energiafolyam ábra
KONDENZÁCIÓS ERİMŐ
H T E
Q2
1
1
21 Q
T
T&
−
1
1
2Q
T
T&
TP
2Q&
( )TmE1 Pη−
veszt2,Q&
ü( )
mH1 Q&η−
KEP
üQ&
3. Környezeti hatások
• CO2 kibocsátás → ηKE növelése, mert gCO2/kWh csökken.
• Hıszennyezés: (0,75-0,45)Qü környezetbe távozik, télıvíz max. 26-30 oC (O2 tartalom) → kapcsolt energiatermelés
• szén:– SOx: füstgáz kéntelenítés,– pernye: pernyeleválasztás,– salak: meddıhányók (minél kisebb Hü, annál több meddı)
→ tájrekultiváció.– NOx: DeNOx (NH3), fluid-tüzelés (SOx) és kisebb tláng.
• gudron, pakura:– SOx: füstgáz kéntelenítés,– NOx: DeNOx (NH3).
4. Telephely kiválasztás
• Tüzelıanyag közelében (bánya, olajfinomító), jó megközelítés.
• Hőtıvíz.
• Szakember, szakmakultúra.
• Villamos csatlakozás, ellátottság.
• Lakott területen kívül.
• Meglévı erımővek telephelyének
felértékelıdése, mindezek megvannak.
6.2.
Gázturbinás erımővek
Nyitott egytengelyes gázturbina
• Nyitott egytengelyes gázturbina fı berendezései:– Kompresszor (K): a levegı komprimálása a légköri
nyomásról 10-12 (15) bar-ra.– Égıtér (É): a tüzelıanyag elégetése, a levegı-üzemanyag
keverék (füstgáz) hımérsékletének növelése 1000-1300 (1500) oC-ra.
– Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban.
– Generátor (G), Transzformátor (Tr).
• Tüzelıanyag: csak CH,– földgáz (inertes gáz),– kerozin,– főtıolaj (állandó terhelésen).
Kapcsolás
Hıkörfolyamat
3
4
40
T
p0
p1
2
S
1
20
Gázturbina
• T belsı teljesítmény:
• K belsı teljesítmény:
• GT teljesítmény:
• Tüzelıhı-teljesítmény:
)( 211 hhmWT −= &&
)( 343 hhmWK −= &&
TrGmGTKTGT WWP ηηη)( && −=
)( 4311 üü
É
üüü hmhmhm
HmQ +−== &&
&&
η
Fokozati és eredı hatásfok
1
1
1
3
4
3
4
−
−
=irrKf
T
T
T
T
o
o
irrK
η
η
1
2
1
2
1
1
T
T
T
T
o
o
irrT
irrTf
−
−
=
η
η
3
440
T
2
S
1
20
T
K
Energiafolyam ábra
K
É
T
K0K
11
P
−
η
K0PKP
( ) ümÉ1 Q&η−
T0P( ) T0T1 Pη−
TP
netT,P
( ) netT,TrG1 Pηη−
2Q&
GTP
HHQ&
2HQ&
üQ&
Energetikai jellemzık
• A villamosenergia-termelés hatásfoka:
• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása:
( )üE
üü
TrGmGTÉKT
ü
GTGT JJ
Hm
WW
Q
P/)35,025,0( −=
−==
&
&&
&
ηηηηη
EüGT
GT kWhkJq /)1028014400(36001
−==η
Gázturbina
• p1=10-12 (20-30) bar, t1=1000-(1300-1500) oC,• p2=1 bar (légkör), t2=520-560-600 oC.• A körfolyamat Carnot hatásfoka:
• t1 növelése Ni-Cr szuperötvözető lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözetőbevonatokkal, miközben t2 is nı.
• Környezeti hatások: NOx (tláng=1100-1500 oC) → égıtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hőtés.
50,035,011
2 −=−=T
TCη
Gázturbina
Hatásfokjavítás
• Kombinált gáz-gız erımővek.
• A kilépı hıáramot maga a gázturbina hasznosítja:– hıregenerálás,
– gıztermelés és gızbefecskendezés (STIG),
– légnedvesítés.
• Többfokozatú kompresszió és expanzió.
Hıregenerálás
hőtés
K1 K2 T
É
6.3.
Kombinált gáz-gız erımővek
Kombinált gáz-gız erımő
• Gázturbinából kilépı füstgáz hımérséklete túl nagy (t2>500 oC), a füstgáz lehőthetıhıhasznosító gızkazánban, s a termelt gız gızturbinában expandál → füstgáz és gız munkaközegő turbinák kombinációja (kombinált gáz-gız erımő).
• Hıhasznosító gızkazán: gázturbinában expandált füstgáz (520-600 oC) lehőtése (180-100 oC-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60-90 bar) nyomású gız termelése. Póttüzelés lehetséges.
Kombinált gáz-gız erımő kapcsolása
GE LM6000 PD gázturbina generátor set
Vízszintes elrendezéső hıhasznosító gızkazán
Hıkörfolyamat
Energiafolyam ábra
üQ&
GT0PGTP
GT0TrGmGT )1( Pηηη−
HHQ&
ümÉ )1( Q&η− füstgázQ& 2,gkQ&
TPT0P
T0TrGmT )1( Pηηη−
Gızkörfolyamat
2Q&
EP
Teljesítménymérleg
• HH hıteljesítmény:
• Turbina teljesítmények:
)()( 11221 tvgHfgfgHH hhmttcmQ −=−= &&&
GTT
TGTE
PP
PPP
2
1≈
+=
Villamosenergia-termelés
• Hatásfok:
• qE=8000-6500 kJü/kWhE.
üEüpüÉ
TGT
ü
EE JJ
PP
Q
P/)55,045,0( −=
++
==&&&
η
Feltöltött kazánban integrált G/G erımő
gt
.
Pgt
Qü
.Q1gt
PGT
6.4. témakör
Tüzelıanyag-cellák
Tüzelıanyag-cellák
• Tüzelıanyag-cella (TC): a tüzelıanyagból – a reagensek közötti elektrokémiai reakciókrévén – közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hıtermelés és a hıkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka).– A TC anódos oldalára áramlik a redukáló,
hidrogén-tartalmú tüzelıanyag, – katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegı,– H2+1/2O2→H2O, és elektronok egyenárama, amit
inverterben váltóárammá alakítanak.
Tüzelıanyag-cella
½O2
Anód
H2 → 2H+ + e-
2H+ + ½O2 +2e-→ H2O
Elektrolit
H2
Katód
H2O
=~
2e-
2e-
ηHEo és ηTCo =f(T) [Büki]
1
21T
THEo −=η
H
ST
H
STH
G
GTCo ∆
∆−=
∆∆−∆
=∆
= 1η
Tüzelıanyag-cella
• Tüzelıhı:
∆H a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia
∆S a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.
HGQü ∆==∆
SHGE ∆−∆=∆=
Tüzelıanyag-cella
• A hımérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nı a T hımérsékleten távozó D=T∆Si disszipációs hı (∆Si a reakciótermék (pl. vízgız) entrópiakülönbsége). A disszipációs hıkapcsolt hıszolgáltatásra vagy gızerımőben hasznosítható.
• A disszipációs hı hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hımérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.
Tüzelıanyag-cella
• TC típusai:– Alkáli (Alkaline Fuel Cell-AFC),
– Polimer-elektrolit membrános (PolymereElectrolyte Membrane FC-PEMFC),
– Foszforsavas (Phosphoric Acid FC-PAFC),
– Folyékony karbonátos (Molten CarbonateFC-MCFC),
– Szilárd oxidos (Solide Oxide FC-SOFC).
A fejlesztett TC-k jellemzıi [Büki]
decentralizálterımővek
50-60keramikus anyag
(ZrO2) ←O2-
800-1000SOFC
villamosenergia
50-60karbonátok
(Li2CO3+K2CO3)( ← CO3
2-650MCFC
40-45
levegı
foszforsav (H3PO4)H+→
földgáz,széngáz,biogáz
200PAFC
hı-ésvillamosenergia(stabil)
40-55levegı,oxigén
polimerH+ →
80PEMFC
közlekedés(mozgó)
40-50oxigénkálilúg(KOH)
← OH-
hidrogén
40-200AFC
AlkalmazásVillamos
hatásfok
%
Oxidáló
közeg
(katód)
Elektrolit,
Iontranszport
Tüzelı-
anyag
(anód)
Hı-
mérséklet
°C
Jele
A fejlesztett tüzelıanyag-cellák jellemzıi
SOFC TC [Büki]a) csıelem, b) csıköteg, c) a teljes cella
Tüzelıanyag-cella
• A teljes TC igen nagyszámú elembıl áll. A megvalósított 100-200 kWe, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6-10 ezer elemet tartalmaz.