¾aj j.uvod...

L . U J E V I Ć Z . B U N T I Ć

LUKA UJEVIĆ ZIJADA BUNTIĆ

Elektrane

ŠKOLSKA KNJIGA ZAGREB 1993.

Sadržaj

j

.Uvod ........................................................................................................................ 11. Energetski izvori i potrebe za energijom ....................................................... 31.1. Postanak energije ............................................................................................ 31.2. Vrste energije .................................................................................................. 41.3. Rezerve i sastav prirodnih nositelia energije ................................................... 5

1.3.1. Ugljen .................................................................................................... 61.3.2. Treset .................................................................................................... 81.3.3. Nafta i zemni plin ................................................................................. 81.3.4. Uljeni škriljci i bitumenizirani pijesak ................................................. 101.3.5. Nuklearna energija ............................................................................... 111.3.6. Geotermička energija ............................................................................ 121.3.7. Vodne snage .......................................................................................... 121.3.8. Energija vjetra ....................................................................................... 131.3.9. Energija Sunčeva zracenja .................................................................... 131.3.10. Biomasa .............................................................................................. 141.3.11. Energija iz mora ................................................................................. 141.3.12. Vodik kao gorivo budućnosti .............................................................. 15

1.4. Potrošnja prirodnih vrsta energije ................................................................. 151.5. Električna energija ......................................................................................... 171.6. Elektroenergetski sustav ................................................................................ 191.7. Razvoj elektroprivrede i energetike Republike Hrvatske ............................... 211.8. Potrošnja električne energije .......................................................................... 241.9. Energetske karakteristike elektrana ............................................................. 272. Hidroelektrane ............................................................................................................ 292.1. Uvod ................................................................................................................ 292.2. Karakteristike hidroelektrana ........................................................................ 30

2.2.1. Hidrološke karakteristike ..................................................................... 302.2.2. Karakteristike akumulacije i pada ....................................................... 322.2.3. Energetske karakteristike hidroelektrana ........................................... 332.2.4. Gospodarske karakteristike hidroelektrana ........................................ 36

2.3. Dijelovi hidroelektrana .................................................................................... 362.3.1. Brane ili pregrade ................................................................................. 362.3.2. Zahvat .................................................................................................. 382.3.3. Dovod vode ............................................................................................ 382.3.4. Vodna ili tlačna komora ........................................................................ 392.3.5. Tlačni cjevovod ..................................................................................... 392.3.6. Strojarnica ............................................................................................ 40

V

2.3.7. Odvod vode ............................................................................................ 412.4. Vrste hidroelektrana ....................................................................................... 42

2.4.1. Niskotlačne hidroelektrane ................................................................... 422.4.2. Visokotlačne hidroelektrane .................................................................. 44

2.5. Vodne turbine .................................................................................................. 452.5.1. Peltonove turbine .................................................................................. 462.5.2. Francisove turbine ................................................................................ 472.5.3. Kaplanove turbine ................................................................................ 482.5.4. Cijevne turbine ...................................................................................... 482.5.5. Snaga i stupanj korisnosti vodnih turbina ........................................... 482.5.6. Izbor koeficijenta brzohodnosti i tipa vodnih turbina ......................... 502.5.7. Kavitacija ............................................................................................... 51

2.6. Crpno-akumulacijske ili reverzibilne hidroelektrane ..................................... 522.7. Hidroelektrane na plimu i oseku .................................................................... 542.8. Jednopolna shema i vlastita potrošnja hidroelektrane ................................... 552.9. Izvedbe hidroelektrana u Hrvatskoj ............................................................... 56

2.9.1. Reverzibilna HE Obrovac ...................................................................... 562.9.2. Hidroenergetski potencijal rijeke Cetine .............................................. 582.9.3. Hidroenergetski potencijal rijeke Drave ............................................... 62

3. Termoelektrane ............................................................................................ 653.1. Toplinska energija i njena pretvorba ............................................................... 65

3.1.1. Osnovni pojmovi o toplini ...................................................................... 653.1.2. Vodena para kao nositelj toplinske energije .......................................... 723.1.3. Goriva i izgaranje .................................................................................. 73

3.2. Postrojenja za proizvodnju i pretvorbu toplinske energije u elektriČnu ........ 75A. Termoelektrane s parogeneratorima na fosilna goriva .............................. 75

A.l. Parne termoelektrane ....................................................................... 75A.2. Termoelektrane toplane (TE-TO) ...................................................... 102A.3. Shema spoja termoelektrane ............................................................ 106A.4. Pokretanje parne termoelektrane .................................................... 107A. 5. Vlastita potrošnja ijednopolna shema termoelektrane ................. 109

B. Nuklearne elektrane .................................................................................. 112B. l. Nuklearna energija .......................................................................... 112B.2. Nuklearna goriva i nuklearni gorivi ciklus ....................................... 114B.3. Načelo rada nuklearne elektrane ...................................................... 116B.4. Značajke reaktora .............................................................................. 116B.5. Termički reaktori .............................................................................. 117B.6. Tipovi reaktora .................................................................................. 119B.7. Oplodni reaktor .................................................................................. 120B.8. Nuklearna elektrana s tlačnovodnim reaktorom .............................. 122B.9. Pokretanje i zaustavljanje nuklearne elektrane ............................... 126B.10. Sigurnost i utjecaj na okolinu .......................................................... 126B.ll. Radioaktivni otpad, zbrinjavanje i odlaganje .................................. 128B.12. Nuklearna energija u svijetu ........................................................... 130B.13. Nuklearna elektrana Krško (632 MW) ............................................ 132B. 14. Fuzijski reaktor ............................................................................... 135

C. Termoelektrane s plinskim turbinama ...................................................... 138C. l. Energetski procesi u plinskoj elektrani ......................................... 138C.2. Glavni dijelovi plinske elektrane ....................................................... 138

VI

C.3. Otvoreni proces plinske turbine ......................................................... 140C.4. Zatvoreni proces plinske turbine ....................................................... 141C.5. Postrojenja s plinskom turbinom i spremnikom

komprimiranog zraka ........................................................................ 142C.6. Ploveće plinske elektrane .................................................................. 143C.7. Usporedba plinskih i parnih termoelektrana ................................... 143C.8. Plinska termoelektrana Osijek .......................................................... 144

D. Kombinirana termoenergetska postrojenja (kombi-elektrane) .................. 144E. Magnetohidrodinamička pretvorba energije .............................................. 147F. Dizel-elektrane ............................................................................................ 150

3.3. Struktura cijene električne energije iz termoelektrana .................................. 1513.4. Termoelektrane u elektroenergetskom sustavu Republike Hrvatske ........... 1534. Ostali izvori električne energije .......................................................................... 1554.1. Energija Sunca ................................................................................................. 1554.2. Iskorištavanje energije vjetra - vjetroelektrane .............................................. 1604.3. Geotermalni izvori energije ............................................................................... 1644.4. Biomasa i njezino energetsko značenje ........................................................... 1655. Sinkroni generator u elektrani .................................................................... 1695.1. Osnovne veličine sinkronoga generatora ......................................................... 1695.2. Vrste sinkronih generatora ............................................................................... 1705.3. Sinkroni generator u pogonu ............................................................................ 1715.4. Regulacija napona sinkronih generatora ......................................................... 1745.5. Regulacija frekvencije i snage agregata ........................................................... 1836. Energija i ekologija ......................................................................................... 187

Literatura .................................................................................................................. 192

VII

Uvod

Energija je po svojoj prirodi uzrok i pokretač promjena. Adekvatno upotrije- bljena, nositelj je uspona čovjeka i njegova progresa. Potrebe za energijom na određen način odražavaju položaj čovjeka i društva u cjelini, te je kretanje čovjekovih potreba za energijom išlo paralelno s razvojem društva.

Dvadeseto stoljeće je vrijeme naglog razvoja tehnike, tehnologije, a naročito elektrotehnike. Zamjenjujući parni stroj i njegovu tehniku, električna energija donosi snažan poticaj industrijskoj proizvodnji, te pridonosi razvoju novih tehnologija. Uvođenjem automatizacije i kompjutorizacije tehnološki procesi su postali efikasniji i brži.

U kući i u svakodnevnom životu, čovjek se služi raznovrsnim elektroteh- ničkim proizvodima i raznovrsnim aparatima i uređajima koje pokreće električ- na energija.

U strukturi ukupnih energetskih potreba električna energija zauzima važno mjesto. U Hrvatskoj je to oko 40 %, a to je 1989. godine iznosilo kojih 15 milijardi kWh. Radi toga, elektroenergetika čini osnovu cjelokupne privredne djelatnosti a problemi proizvodnje, transformacije, prijenosa i primjene električne energije čine bitnu tehničko-tehnološku, ekonomsku i organizacijsku cjelinu. Zato je i problematika gradnje i održavanja elektrana bitan faktor cjelokupne privrede.

1

1. Energetski izvori i potrebe za energijom

1.1. Postanak energije

Energiju kojom raspolažemo dobivamo od Sunca, Zemlje i gravitacijskih sila Sunca, Mjeseca i Zemlje.

Sunce se sastoji od goleme količine užarenih plinova. Jake gravitacijske sile ubrzavaju atome plinova velikom brzinom prema središtu Sunca. To gibanje podiže unutrašnju temperaturu na otprilike 107 K i tlak na približno 1014 Pa, pri čemu trga elektrone iz atoma, te miješa atome i elektrone u plazmu. Pri takvim okolnostima zbiva se termonuklearna fuzija vodika, a kao rezultat te fuzije oslobađa se velika količina energije, nastaje helij i dolazi do "nestanka" mase (defekt mase). Energija koja tako nastaje u središtu Sunca protuteža je unutraš- njim silama gravitacije. Ako se reakcija fuzije uspori, gravitacijske sile ponovo ubrzavaju atome prema središtu, nakon čega se povećavaju reakcije fuzije, te se ponovo uspostavlja ravnoteža. Energija koja nastaje u središtu Sunca prenosi se na njegovu površinu, a odatle vraća u svemir.

Od ukupne energije Sunčeva zračenja samo mali dio dolazi na Zemlju. Međutim, i to je golema količina, procjenjuje se na približno l,0 5x l0y TWh godišnje, što je više od ukupnih rezervi energije nafte i ugljena.

Zemlja je sastavljena od istih osnovnih tvari kao i Sunce. Pretpostavlja se da su Zemlja i ostali planeti Sunčeva sustava nastali od Sunca od čestica užarenih plinova koji su se počeli vrtjeti oko Sunca i polako hladiti. Hlađenje Zemlje počinje na površini i ide prema središtu. Hlađenjem je nastala Zemljina kora, kontinenti, mora, biljni i životinjski svijet. Kruti dio Zemljine kore iznosi otprilike 50 km.

Različitim istraživanjima saznalo se da se Zemljina jezgra sastoji od rastalje- ne tvari s temperaturom približno 5 500 K i vrlo velikim tlakom od 345x10y Pa.

Od svog nastanka, pa i danas, mijenja se površina Zemlje pod utjecajem unutrašnjih i vanjskih sila, kao i pod utjecajem radioaktivnog raspada teških elemenata. Dokazi aktivne unutrašnjosti Zemljine kore su vulkani i potresi. Vanjske sile razaraju površinu djelovanjem razlike temperatura, razlike tlakova, zatim sudjelovanjem tekuće vode, valova, vjetra, leda, biljnoga i životinjskog svijeta, te, napokon, čovjeka.

Prosječni temperaturni gradijent Zemlje iznosi 1 K na svaka 33 m, a Zemlji- ne kore 0,3 K na 33 m, ali mjestimično može biti i viši. Za mogućnost iskorišta- vanja topline iz Zemlje bitan je toplinski gradijent, jer toplina se može koristiti samo ako postoji razlika temperatura.

3

Treći izvor energije na Zemlji posljedica je gravitacijskih sila koje djeluju između Sunca, Mjeseca i Zemlje, a utječe na razinu mora, odnosno na plimu i oseku.

1.2. Vrste energije

Sve vrste energije mogu se svrstati u dvije osnovne grupe:- u nagomilanu ili skupljenu energiju u nekom prostoru ili tijelu- u prijelaznu energiju.Nagomilana energija može se u određenoj vrsti održati dugo, dok je kratko-

trajnost pojave značajka prijelazne energije. Nagomilane vrste energije su potencijalna i unutrašnja energija. Unutrašnja energija može biti na razini molekula, atoma i atomskih jezgri. Energija na razini molekula je toplinska, na razini atoma kemijska i na razini atomske jezgre nuklearna. Nuklearna energija može biti energija spajanja (fuzije) i razdvajanja (flsija) atomskih jezgra.

Prijelazne vrste energije su mehanička, električna i toplinska energija.Vrste energije mogu se svrstati u tri skupine: prirodne, pretvorbene i korisne

vrste energije.Prirodne vrste energije su one čiji su potencijali ili nositelji u prirodi. Mogu se

podijeliti na dvije osnovne skupine:- prirodne vrste koje se ne obnavljaju- prirodne vrste koje se obnavljaju.U prvu skupinu ubrajaju se ugljen, nafta, zemni plin, uljeni škriljci, nuklear-

na goriva i Zemljina unutrašnja toplina.U drugu skupinu se ubrajaju drvo i otpaci, biomasa, bioplin, vodne snage,

energija vjetra, energija plime i oseke, energija morskih struja i valova, toplina mora i Sunčeva energija u užem smislu.

Između prirodnih vrsta energije koje se obnavljaju i onih koje se ne obnavljaju postoje razlike u konstantnosti, mogućnosti uskladištenja i transporta, ali i gleđe potrebriih ulaganja za gradnju postrojenja za njihovo korištenje, te troško- va za njihov rad i održavanje.

Za praktično korištenje prirodnih potencijala ili nositelja energije bitna je tehnička mogućnost i ekonomska opravdanost njihova iskorištavanja. S obzirom na te zahtjeve, prirodne se vrste mogu podijeliti na ove skupine:

1. vrste energije za koje nije riješen tehnički način korištenja (unutrašnja toplina Zemlje, nuklearna fuzija, morski valovi i morske struje);

2. vrste energije za koje je tehnički riješen način korištenja, ali je njihovo iskorištavanje ekonomski neopravdano (uljeni škriljci, toplina mora, Sunčevo zračenje, plima i oseka);

3. vrste energije za koje je riješen način korištenja, a iskorištavanje je ekonomski opravdano (ugljen, nafta, plin, drvo i otpaci, biomasa, bioplin, nuklearna fisija, vrući izvori i vodne snage).

Energija vjetra je na granici ekonomičnoga korištenja. Princip zaštite okoline sve je prisutniji pri odabiru vrste energije i proračunu ekonomičnosti korište- nja.

4

i

Prema fizikalnim obilježjima prirodne vrste energije se mogu podijeliti na nositelje:

- kemijske energije: drvo i otpaci, ugljen, nafta, zemni plin, uljeni škriljci, biomasa i bioplin

- nuklearne energije: nuklearna goriva- potencijalne energije: vodne snage, plima i oseka- kinetičke energije: vjetar, energije morskih struja i morskih valova- toplinske energije: geotermička i toplinska energija mora- energija zračenja: Sunčevo zračenje.Osim energije vrućih izvora, prirodne vrste energije se ne mogu upotrijebiti

u prirodnom obliku i potrebna je pretvorba energije do korisne energije. Kakav će se način pretvorbe primijeniti ovisi o vrsti energije. Korisne vrste su toplina, mehanička energija, kemijska energija te svjetlosna energija. Električna energija je najprikladnija vrsta pretvorbene energije s obzirom na mnogostruku moguć- nost primjene i ekonomičnost u transportu i upotrebi. Na slici 1.1. prikazana je pretvorba energije od prirodnih do korisnih vrsta.

pri rodne v r s te energ i je p re tvo rb a vrs ta energ i je kor isne v r s ie energ i je

Slika 1.1. Pretvorbe pojedinih vrsta energije

1.3. Rezerve i sastav prirodnih nositelja energije

Kada se govori o rezervama prirodnih vrsta energije, potrebno je znati da je jedan dio obnovljiv, a jedan neobnovljiv. Zato su kriteriji za određivanje rezervi različiti.

5

Kod neobnovljivih nositelja energije najveđi dio rezervi je ispod Zemljine površine, te je njihovo utvrđivanje dosta komplicirano. Za većinu neobnovljivih vrsta energije postupak utvrđivanja rezervi vezan je za bušenje Zemljine kore, pa se prema broju i gustoći bušotina procjenjuju rezerve. S obzirom na činjenicu da su neobnovljive vrste energije u Zemljinoj kori, njihove rezerve su ograničene. Trajanje rezervi ovisi o intenzitetu iskorištavanja.

Pri utvrđivanju rezervi treba razlikovati:- iskoristive rezerve- poznate rezerve- ukupne rezerve.Iskoristive rezerve su one rezerve koje se mogu iskoristiti uz današnje eko-

nomske i tehničke uvjete. U poznate rezerve se ubrajaju rezerve za koje se može pretpostaviti da se nalaze u Zemlji, a utvrđuju se na temelju kvalitete i debljine slojeva. Ukupne (geološke) rezerve se procjenjuju na temelju poznavanja uvjeta i sličnosti s poznatim nalazištima. U literaturi se obično navode iskoristive i ukupne rezerve.

Kod obnovljivih vrsta energije ne govori se o rezervama već o potencijalima energije. Potencijalne mogućnosti obnovljivih vrsta energije nisu konstantne nego se mijenjaju u funkciji vremena. Te promjene mogu biti vrlo brze ili sasvim spore. Statističkim praćenjem promjena potencijala moguće je utvrditi prosječne raspoložive količine u godini (brzine strujanja vjetra, vodne količine, Sunčevo zračenje). Poznato je da se većina obnovljivih vrsta energije ne može nagomilati u obliku u kojem se pojavljuje. To su samo vodne snage, i to kad je moguća i ekonomski opravdana gradnja akumulacijskih jezera. Isto tako je poznato da se te vrste energije ne mogu transportirati u obliku u kojem se pojavljuju.

1.3.1. U gljen

Ispitivanjima različitih vrsta ugljena spoznalo se da je on najvećim dijelom nastao od biljaka koje su rasle u močvarama. U prirodi se stalno odvijaju procesi izumiranja biljnih organizama. Izumrla biljna tvar tijekom vremena nagomila- vala se nošena vodom ili vjetrom. Ta tvar podliježe raznovrsnim procesima raspadanja, ovisno o uvjetima sredine. Izmjena biljne organske tvari i njezino pretvaranje u ugljen zbiva se pod utjecajem bioloških, fizikalno-kemijskih i geo- loških faktora. Procesi raspadanja i potpunog uništenja biljnih ostataka odvijaju se uz dovoljno kisika i uz mikroorganizme. Da bi se biljna masa pretvorila u ugljen, potrebna je sredina bez kisika i bez mikroorganizama, a to je mirna, stajaća voda.

Postanak različitih vrsta ugljena najviše ovisi o temperaturi i tlakovima, te kemijskim značajkama i količini vode. Suština pougljenjivanja je obogaćivanje tvari ugljikom uz sve manje vodika, kisika, dušika i sumpora, te uz stvaranje ugljik-dioksida i metana. U ugljenu su osim ugljika, još vodik, kisik, dušik i sumpor, a ponekad i fosfor, kalcij, željezo i magnezij. Prema energetskoj vrijednosti ugljen se dijeli na lignit, mrki ugljen i kameni ugljen (tablica 1.1.)

Zbog te raznovrsnosti ugljena, pri računanju rezervi uvodi se pojam tona ekvivalentnog ugljena (1 1 ekv. ugljena = 29,3 GJ).

6

Najveće rezerve ugljena na sjevernoj su polukugli, i to između 35° i 70° sjeverne širine, na području ZND, SAD i Kine. U te tri zemlje nalazi se približno 85 % svih rezervi ugljena. Svjetske zalihe procjenjuju se na kojih 11 000 milijardi tona ekvivalentnog ugljena (tablica 1.2.).

Tablica 1.1. Vrste ugjjena

Vrsta ugljena Energetska vrijednost [MJ/kg]

Sadržaj vlage [%]

Sadržaj ugljika [%]

lignit do 12,6 31 do 60 65 do 70mrki ugljen 12,7 do 23,9 11 do 30 71 do 80kameni ugljen 24,0 do 37,7 do 10 81 do 98

Tablica 1.2. Ukupne rezerve ugJjenapo kontinentima

Kameni ugljen Mrki i lignit Ukupno109 t ekv. ugljena

Q

10 t ekv. ugljena 109 t ekv. ugljenaAfrika 216 2 218Amerika bez SAD 120 299 419Azija bez ZND 1567 38 1605Europa bez ZND 588 99 687Oceanija 549 126 675ZND 2 610 2 024 4 634SAD 1286 1537 2 823

U Hrvatskoj su rezerve ugljena skromne. Intenzivna istraživanja provode se kontinuirano od 1976. godine. Prema saznanjima utvrđene rezerve su oko 70,4 milijuna tona ekvivalentnog ugljena (tablica 1.3).

Tablica 1.3. Rezerve ugljena u Hrvatskoj (106 t ekvivalentnog ugljena)

Kameni ugljen Mrki ugljen Lignit Ukupno13,8 5 51,6 70,4

Tako skromne rezerve su uglavnom manja nalazišta i ne mogu biti osnova za gradnju termoelektrana. Jeđino veće nalazište je Poljanica kod Konjščine. Utvrđene rezerve su oko 24 milijuna tona lignita energetske vrijednosti 8 MJ/kg. Moguća godišnja eksploatacija je oko 850 000 tona, što omogućuje gradnju TE snage oko 100 MW.

Najveća količina svih vrsta ugljena iskorištava se za dobivanje topline, bilo korisne bilo pretvorbene vrste energije pomoću procesa izgaranja. To je najčešće za proizvođnju električne energije, za proizvodnju pare i vrele vode u inđustriji, za potrebe kućanstava, te za potrebe ostalih potrošača. Jeđan manji dio koristi se u prirodnom obliku za kemijske procese i za proizvođnju građskoga plina.

Potrošnja ugljena u svijetu neprestano se povećava, što se vidi u tablici 1.4, u kojoj je prikazana potrošnja za neke karakteristične godine.

7

U našoj se zemlji godišnje troši oko milijun tona. Tako je 1989. godine potrošeno oko 940 000 tona, od toga 490 000 tona u industriji i prometu i 450 000 tona u širokoj i općoj potrošnji.

Te je godine u TE Plomin, koja je bila dugo u kvaru, potrošeno oko 100 000 tona ugljena što je oko 30 % njezine potrošnje.

Tabliea 1.4. Potrošnja ugljena u svijetu 106 t ekv. ugljena

1900. g. 1929. g. 1975. g. 1985. g.Afrika 1 15 65 95Amerika bez SAD 34 41 42 76Azija bez ZND 14 85 548 961Europa bez ZND 397 633 651 738Oceanija 8 12 34 . 47ZND 21 48 486 490SAD 224 507 434 613Ukupno 699 1341 2 260 3 020Indeks 100 191 323 32

1.3.2. Treset

Treset je najmlađe fosilno gorivo i ne može se smatrati ugljenom. Sastoji se od ostataka biljaka, a nastao je od tresetišta iz daleke prošlosti, kada je močvarna vođa ili materijal drugih biljaka izolirao ostatke biljaka od zraka. Slojevi treseta razlikuju se starošću i biljnom vrstom od koje su nastali. Nalaze se na dubinama od 1 do 7 metara, a prosjeena debljina nalazišta je od 9 do 12 metara.

Prosječna energetska vrijednost treseta je oko 10 MJ/kg. Najpoznatije rezerve treseta su u ZND, Finskoj, Poljskoj, SAD i Svedskoj. Treset se iskorištava lokalno, jer se prijevoz zbog niskih energetskih vrijednosti, ne isplati. Koristi se kao gorivo u kućanstvima i termoelektranama.

U Hrvatskoj nisu poznata nalazišta treseta. U Finskoj radi najveća termoelektrana na treset snage 155 MW, a godišnje troši oko 2,5 milijuna m3 treseta.

1.3.3. Nafta i zemni plin

Sirova nafta i zemni plin su smjese razlieitih ugljikovođika kojima se mole- kule sastoje od ugljika i vodika, a ponekad od spojeva s dušikom, kisikom i sumporom. Pri određenim tlakovima i temperaturama pojedini spojevi prelaze iz plinovitoga stanja u tekuće, i obrnuto. U nalazištima mogu biti u sva tri agregatna stanja.

Sirova nafta i zemni plin nastali su od bjelančevina, masti i ugljikohidrata kao ostataka niskorazvijenih biljnih i životinjskih planktona i bakterija, koje su živjele u vodi ili moru. Ti organski ostaci su se u posebnim geokemijskim uvjetima, procesom bitumeniziranja pretvorili u sirovu naftu i zemni plin, i to u mirnoj vodi s malom količinom kisika.

U nalazištima se gotovo uvijek pojavljuju zajedno nafta i plin. Omjer plina i nafte u nalazištima ovisi o tlaku.

8

Ugljikovodici u nafti su u sva tri agregatna stanja, ali najveći dio čine tekući ugljikovodici.

Procjenjuje se da u nafti ima oko tri tisuće različitih ugljikovodika. Zemni plin je smjesa plinova u kojima su najvažniji ugljikovođici, metan, etan, propan i butan.

Rezerve nafte i plina saznavaju se bušenjem. Kako je taj proces skup, i utvrđivanje rezervi je skupo ali i relativno nepouzdano. Utvrđene rezerve nafte u svijetu su oko 354 milijarde tona, a od toga je oko 66% u Saudijskoj Arabiji, Kuvajtu, ZND-u, Meksiku, Iranu i Iraku. Rezerve plina su utvrđene na približno 100 000 milijardi m3, a od toga je otprilike 63% u ZND, Iranu, Kataru i SAD (tablice 1.5. i 1.6).

U našoj se zemlji intenzivno istražuje u panonskom i jadranskom području, a u pripremi su istraživanja u Dinaridima. Potencijalne i geološke rezerve nafte i zemnog plina prikazane su u tablici 1.7.

Tablica 1.5. Deset zemalja s najvećim Tablica 1.6. Deset zemalja s najvećim rezervama nafte rezervama plina

Zemlja Utvrđene rezerve [10s t] Zemija Utvrđene rezerve

[10s m3]Saudijska Arabija 23,0 ZND 37 500Kuvajt 12,4 Iran 13 550ZND 8,6 SAD 5 670Meksiko 6,8 Katar 4 280Iran 6,6 Alžir , v 2 700Irak 6,0 Kanada ‘ ( 2 660SAD 4,4 Abu Dabi ' 2 650Abu Dabi 4,0 Saudijska Arabija 2 350Veneeuela 3,7 Norveška 2 236Libija 2,8 Meksiko 2 172

Tablica 1.7. Potencijalne i geološke rezerve nafte i zemnog plina u Hrvatskoj

Lokacija Potencijalne rezerve Geološke rezervenafte nafta zemni plin[106 t] [106 t] [109 m3]

Murska depresija 125,9 0,8 0,2Dravska depresija 231,9 82,7 50,8Savska depresija 710,3 159,3 31,9Jadran 1185,1 - 7Ukupno 2 253,2 242,8 89,9

Ovdje treba napomenuti da je INA suvlasnik nalazišta nafte u Angoli. Godi- ne 1988. godine u Hrvatskoj su proizvedena oko'tri milijuna tona, u što je uključeno oko 200 000 tona nafte iz Angole. Iste su godine proizvedene približno dvije milijarde m3 plina.

9

Nafta se u prirodnom obliku ne upotrebljava kao gorivo, vee se mora preraditi u rafinerijama u derivate.

Nafta i naftini derivati predmet su svjetske trgovine. Naime, prostorni raspored potrošnje nafte i njezinih derivata ne podudara se s prostornim raspo- redom proizvodnje nafte. Osnovni derivati nafte su rafinerijški plin, ukapljeni plin, benzin, petrolej, plinska ulja, loživa ulja, maziva, motorna ulja te kruti produkti: parafin, bitumen i petrolkoks.

Potrošnja nafte u svijetu neprestano se povećava. Od ukupne potrošnje, 70 % troše deset najrazvijenijih zemalja svijeta. Godine 1985. SAD su potrošile 724 milijuna tona, ZND 447 milijuna te Japan 201 milijun tona. Potrošnja zemnog plina također raste, a najveći potrošači su: ZND - 530 milijardi m3, SAD - 493 milijarde m3 te Kanada 56 milijardi m 3 1985. godine.

U našoj se zemlji potrošnja nafte i zemnog plina također povećava. U budućnosti će se naročito povećavati potrošnja plina. U Hrvatskoj su 1988. godine potrošena otprilike četiri milijuna tona nafte - tri milijuna iz vlastite proizvodnje i milijun tona iz uvoza. S obzirom na istraženost, tempo istraživanja te, osobito, zbog otkrivenih nalazišta nafte u jadranskom području, može se očekivati da će Hrvatska u skoroj budućnosti svoje potrebe za naftom zadovo- ljavati iz vlastitih izvora. Te 1988. godine u Hrvatskoj je potrošeno 2,8 milijardi m3 plina, a iz vlastite proizvodnje 2,1 milijarda m3. Ostalo je uvezeno. Od ukupne potrošnje nafte te je godine za proizvodnju električne energije potrošeno oko 600 000 t loživog ulja, te približno 300 milijuna m3 plina.

1.3.4. Uljeni škriljci i bitumenizirani pijesak

Uljeni škriljci su sedimentno stijenje s većim ili manjim sadržajem organske materije raspršene u stijenama kao mikroskopske čestice. Ta se organska masa zove ulje ili kerogen.

Uljeni škriljci su nastali u velikim plitkim jezerima ili u plitkim morima. Pretpostavlja se da su ugljikovodici ostaci algi, peludi i sitnih voštanih spora koje su prekrivene nanosom. Tako nastali tektonski slojevi mirovali su milijune godina. Izdizanjem tla i djelovanjem erozije, pojavili su se na površini. U središ- njim dijelovima starih jezera nailazi se na slojeve debele nekoliko stotina metara, a u morima su naslage debele i do 30 metara.

Bitumenizirani pijesak je smjesa pijeska, mineralnih materijala, vode i bitumena. Svako zrno pijeska prekriveno je bitumenom. Taj pijesak je, smatraju jedni, ostatak prirodno ishlapjele nafte, a drugi misle da je to mlađi stadij nastajanja nafte.

Uljeni škriljci i bitumenizirani pijesak najčešće su neposredno ispod površine tla.

Ulja, odnosno bitumena, u jednoj toni može biti od nekoliko litara do 400 litara. Prema nekim procjenama svjetske rezerve uljenih škriljaca su tolike da bi se moglo dobiti oko 500 milijardi tona kerogena. Međutim, prema procjenama čak 84% svih nalazišta imaju od 20 do 40 litara ulja po toni, 15% od 40 do 100 litara, a samo 1% od 100 do 400 litara po toni. Te su procjene još važnije ako se zna da je za dobivanje kerogena potrebna energija (toplina). To znači da se za svako nalazište mora napraviti detaljan proračun o opravdanosti dobivanja uglji-

10

kovodika iz uljenih škriljaca. Identičan je problem i s bitumeniziranim pijeskom. Energetska vrijeđnost uljenih škriljaca je od 6 do 12 MJ/kg,

Uljeni škriljci i bitumenizirani pijesak u Europi se eksploatiraju već od početka XIX. stoljeća. Mogu se upotrijebiti i kao gorivo bez prethodne prerade. Tako se u Estoniji loži oko 23 milijuna tona uljenih škriljaca godišnje u kotlovima termoelektrana. U Rumunjskoj se gradi TE snage 1 000 MW u kojoj će se ložiti uljeni škriljci.

No, uljeni su škriljci zanimljivi kao zamjena za naftu. U SAD je najprije izgrađeno eksperimentalno postrojenje kapaciteta 1 000 tona na dan, a od 1970. godine u pogonu je postrojenje za preradu 66 000 tona na dan. U Kanadi se proizvode oko dva milijuna tona ulja iz bitumeniziranog pijeska, a grade se postrojenja za godišnju proizvodnju 20 milijuna tona.

Pretpostavlja se da su u Hrvatskoj nalazišta uljenih škriljaca raspoređena u Lici, Dalmaciji i Istri. Smatra se također daje Lika najperspektivnija, jer je u selu Baljevci prije, a i poslije drugoga svjetskog rata radila minirafinerija koja je iz uljenih škriljaca proizvodila 2,5 tona ulja za liječenje. Posljednjih godina INAje u Lici počela istraživati i ostala važnija nalazišta kod Gračaca i Koreničkog vrela. Srednja energetska vrijednost je 7 MJ/kg. Pretpostavlja se da je energetski potencijal iz uljenih škriljaca dosta velik.

1.3.5. Nuklearna energija

Prema današnjim saznanjima tehnike, tehnologije i znanosti, nuklearnim fisijskim gorivima smatraju se uran i torij, a nuklearnim fuzijskim gorivima deuterij i tricij. Danas se uspješno provodi kontrolirana nuklearna fisija, dok se kontrolirana nuklearna fuzija očekuje početkom XXI. stoljeća.

Prirodno nuklearno fisijsko gorivo je U-235, a umjetna su goriva U-233 i Pu-239.

Plutonij se dobiva od U-238 koji je glavni sastojak prirodnog urana, a U-233 od torija nuklearnim reakcijama.

Prirodno nuklearno fuzijsko gorivo je deuterij, a tricij se dobiva iz litija.Urana i torija ima gotovo svuda u Zemljinoj kori, ali za eksploataciju je

zanimljiva ruda koja ima ekonomsko opravdanje. Za uranov oksid (U3O8) donja je granica od 0,05 do 1%, za uran je od 0,04 do 0,09%, a za torij 0,1%. Najpozna- tije rude od kojih se danas dobiva uran jesu: uranit, branerit, euksenit i karnatir, a torij se dobiva od monarita, torita i branerita. Urana ima i u morskoj vodi oko 3,33 /ng po litri. Za sva mora to iznosi oko 4,2 x 109 tona, što je golema količina, ali dobivanje urana iz morske vode nije ekonomski opravdano. Među najbogatije zemlje uranom ubrajaju se SAD, Kanada, Kolumbija, Nigerija, Indija, Svedska i Francuska. Torija ima najviše u Brazilu, Kanadi, SAD, Norveškoj i Indiji. Procje- njuje se da su svjetske rezerve oko 1 200 milijuna tona.

U našoj zemlji nisu poznate rezerve urana čija bi eksploatacija bila ekonomski opravdana.

Deuterij je izotop vodika koji čini oko 0,15 % prirodnog vodika. Nalazi se u vodi, pa se može zaključiti da ga ima u velikim količinama. Današnjim tehnologi- jama ekonomski je opravdano deuterij odvajati kroz tešku vodu. Budući da se

11

teška voda koristi kao moderator u termičkim reaktorima, proizvodi se u većim količinama u Kanadi, ZND i SAD.

Tricija nema u prirodi, a može se dobiti bombardiranjem litija (Li-6) neutronima, te se radi toga litij može smatrati osnovnim gorivom za nuklearne fuzije. U prirodnom litiju ima 7,24% Li-6, a predviđa se da će se moći koristiti u prirodnom stanju. Litija ima dosta i u morskoj vodi, i to mnogo više nego urana. Prema tome, ako se tehnički riješi nuklearna fuzija, rezerve goriva za te procese su goleme.

1.3.6. Geotermička energija

Za mogućnost iskorištavanja topline iz Zemlje bitan je toplinski gradijent. Prema današnjim mogućnostima i saznanjima, Zemljina bi se toplina mogla koristiti:

- pri primjeni toplotnih crpki~ pri energiji vrućih stijena- kao izvor vruće vode i pare.Prvi i drugi izvor energije bi davao goleme količine energije, ali današnja

tehnička rješenja su male efikasnosti. Treći oblik iskorištavanja energije poznat je odavno i koristio se za liječenje. U Italji je 1913. godine proradila elektrana snage 250 kW, temeljena na tom izvoru energije.

Temperatura najvećeg dijela izvora vruće vode je do 110 °C, a vrlo malog dijela viša od 150 °C, što je granična temperatura za dobivanje električne energi-je.

Danas se vrućom vodom i parom zagrijavaju stanovi, staklenici i zemljišta.U našoj zemlji vruće vode ima uglavnom u Panonskom bazenu, no ni količi-

na ni temperatura ne dolaze u obzir za dobivanje električne energije.

1.3.7. Vodne snage

Vodne su snage iedan od obnovljivih izvora energije. Godišnje se sa Zemlje ispari oko 400 x 10^2 m 3 vode. Najveći se dio,te vode na Zemlju vraća kao pađalina. Na kopno padne otprilike 100 x 1012 m3, od toga se 63% ponovo ispari, a ostatak protječe vodotocima u more. Kontinenti imaju prosječnu nadmorsku visinu 800 m, pa ukupna energija koja se godišnje može dobiti je oko 80 x 10đ TWh. Od toga je tehnički iskoristivo oko 20 x 103 TWh. Godine 1985. u svijetu su sve HE proizvele 2 x 103 TWh električne energije, što je približno 10% potreba za električnom energijom.

Dosad je iskorišteno samo 18% vodne snage, u Europi oko 40%, Africi 2%, a u Hrvatskoj oko 58%.

Od ukupno 110 TWh vodnih snaga u bivšoj Jugoslaviji na Hrvatsku otpada 21,33 TWh. Približan iznos vodnih snaga u Hrvatskoj prikazan je na tablici 1.8.

Dosad je u Hrvatskoj iskorišteno oko 7 TWh, što je oko 58%. Procjenjuje se da je još ekonomski iskoristivo oko 4 TWh u sređnjim i manjim HE (oko 40 HE), te oko 0,4 TWh u malim HE.

12

Tablica 1.8. Hidroenergetski potencijal u Hrvatskoj

Vodotok Teorijski iskoristive vodne snage (TWh)

Tehnički iskoristive vodne snage (TWh)

Drava (dio RH) 4,00 2,60Sava (dio RH) 3,80 1,00Kupa 3,03 2,00Una (dio RH) 0,20 0,10Rječina 0,56 0,20Mirna 0,08 0,04Raša 0,04 0,02Lika i Gacka 2,00 1,19Ličanka i Lokvarka 0,20 0,15Krka 1,02 0,66Zrmanja 0,20 0,10Cetina 5,70 3,50Trebišnjica (dio RH) 0,50 0,50Ukupno 21,32 12,17

1.3,8. Energija vjetra

Vjetar je posljeđica različito zagrijavane atmosfere i Zemljine površine Sunčevim zračenjem. Dva su različita gibanja zraka - vertikalno i horizontalno. Energija vjetra je kinetička energija, pa je vrlo važno poznavati brzinu vjetra. Brzina vjetra se neprestano mijenja, što podsustav regulacije vjetroturbinskog agregata čini složenim.

Teorijski količine energije vjetra procjenjuju se na približno 2,5 x 10 TWh godišnje, a od toga bi se moglo koristiti oko 104 TWh godišnje. Korištenje energije vjetra već je na granici ekonomičnosti, što u budućnosti može biti još povoljnije. Vjetroelektrane se već dosta koriste u SAD, Engleskoj, Danskoj, Svedskoj, Belgiji i Nizozemskoj. Mi imamo nekoliko malih vjetroelektrana snage do 10 kW. Sma- tra se da vjetroelektrane u kombinaciji s dizel-elektranama i Sunčevom energijom imaju dobru perspektivu na otocima.

1.3.9. Energija Sunčeva zračenja

Količina energije Sunčeva zračenja na površini Zemlje ovisi o geografskoj širini, godišnjem dobu i dužini dana. Intenzitet Sunčeva zračenja mijenja se tijekom godine, Za područje Splita potencijalna energija zračenja iznosi oko 2 450 kWh/m2 godišnje.

Iako je energija Sunca golema, njezine oscilacije, nemogućnost skladištenja i cijena limitirajući su čimbenik za veću iskorištenost. Zasad se koristi za dobivanje tople vode, grijanje postrojenja i proizvodnju električne energije. Gradnja solarnih elektrana je u fazi eksperimentiranja, tj. pomoću fotonaponskih ćelija izravna se konverzija solarne energije pretvara u električnu. Solarne ćelije proizvode napone od 0,5 do 0,7 V i jakosti struje do 20 mA/cm2. Površina svake ćelije' je od 5 do 10 cm2, Ćelije se mogu spajati serijski i paralelno, pa se dobiju moduli solarnih ćelija. Kod nas solarne ćelije proizvodi "Rade Končar" u Splitu. Cijena

13

električnoj energiji dobivenoj fotonaponskim ćelijama je dosta visoka, ali se ipak koristi (sateliti, svjetionici, izolirana planinska područja, otoci i sl.).

1.3.10. Biomasa

Biomasa se može definirati kao svi tipovi životinjskih i biljnih materijala koji se mogu pretvoriti u energiju. To uključuje drveće i grmlje, travu, alge, vodene biljke, poljoprivredne i šumske ostatke, te sve oblike otpadaka. Procjene su da se biomasom može podmiriti od 5 do 13% potreba u energiji. Među zemljama u razvoju biomasa je najvažniji izvor energije, poglavito u kućanstvima. Biomasa ili organska tvar, koja je polazna točka za procese pretvorbe energije, dobiva se na pet načina: prirodnom vegetacijom, speciflčnim energetskim prirodom uzgo- jnim samo zbog energetskog sadržaja, šumama koje brzo rastu, otpacima iz agroindustrijskih procesa ili ostacima iz poljoprivrede, te algama iz mora ili uzgojenima u jezerima.

U svijetu se biomasa upotrebljava za dobivanje toplinske i električne energije. U našoj se zemlji iskorištava u malim količinama, ali se planira mnogo veće dobivanje energije iz biomase.

1.3.11. Energija iz mora

Energija mora je energija plime i oseke, energija morskih struja i valova, te energija koja je posljedica termičkih razlika i različitog saliniteta.

Korištenje energije plime i oseke je veoma staro. Prvi mlin na plimu i oseku radio je već u XI. stoljeću. Procjenjuje se da je ukupna energija plime i oseke oko 23 000 TWh godišnje. Međutim, ona se praktično malo iskorištava. Naime, potrebne su amplitude veće od osam metara.

U svijetu radi nekoliko takvih hidroelektrana, a najpoznatije su u Francu- skoj "La Rance", Engleskoj "Severn" i u SAD u zaljevu Passamogoddy.

Više je značajnih projekata za korištenje energije plime i oseke u SAD, ZND, Kini i Australiji.

U Hrvatskoj, zbog malih amplituda, iskorištavanje energije plime i oseke ne dolazi u obzir.

U nekim zonama oceana s jakim vjetrom stvaraju se veliki morski valovi. Valovi se razlikuju visinom, dubinom i brzinom, pa je i njihova energija ovisna o tim veličinama. To znači da valovi imaju potencijalnu i kinetičku energiju. Snaga valova procjenjuje se približno na 2 x 109 kW. Neke zemlje, na primjer Japan, Velika Britanija i Danska, dosta ulažu u ispitivanje korištenja energije valova. U Danskoj je na zapadnoj obali Jiitlanda puštena u rad (probni) jedinica od 90 kW na dubinu 30 m. Stručnjaci smatraju da bi 3 000 - 4 000 takvih jedinica moglo u skoroj budućnosti davati 10 do 30% elektroenergetskih potreba Danske.

Hrvatska elektroprivreda predviđa u skoroj budućnosti iskorištavanje energije valova.

Oceanske struje su snažne struje s golemim količinama vode. One, preko morske površine i razlike u temperaturi uvelike djeluju na klrmu. Smatra se da su protoci morskih struja veći nego protoci svih rijeka na Zemlji. Međutim, iskorištavanje energije morskih struja nije tehnički riješeno, pa se od nje u doglednoj budućnosti neće dobivati ni električna energija.

14

Toplinska energija mora izazov je još od 1881. godine, kada je napravljena prva toplinska crpka. Količinu toplinske energije mora teško je procijeniti zbog dubinskih strujanja, količine tih strujanja te njihove brzine. Osim toga, u moru je neprestan radioaktivni raspad. U svijetu već ima projekata za iskorištavanje energije mora, ali još nema isplativih tehničko-ekonomskih rješenja.

1.3.12. Vodik kao gorivo budućnosti

Zbog sve skuplje nafte u mnogim se zemljama traže mogućnosti njezine zamjene. Razlozi su ekonomski i politički. Ekonomski je razlog visoka cijena, a politički ovisnost o mogućnosti nabave.

Europska ekonomska zajednica rješenje vidi u vodiku. Vodik je najjednostav- niji i najlakši kemijski element. Smjesa vodika i kisika (praskavac) dovoljno zagrijana eksplodira uz razvijanje velike količine topline. Smjesa vodika i klora eksplodira čim se izvrgne svjetlu, a smjesa vodika i floura eksplodira u mraku.

Vodik može biti kemijska osnova za industriju, a može biti pogonsko gorivo za elektrane i prijevozna sredstva.

Vodik se lako može transportirati. U prirodi ga ima dosta, ali u različitim spojevima. Razlog što nije zamijenio naftu je visoka cijena njegova dobivanja.

Do sada su poznate ove metode dobivanja vodika:- rastvaranjem vodene pare usijanim ugljikom- elektrolizom vode- izdvajanjem vodika iz koksnog plina- rastvaranjem vodene pare usijanim željezom- djelovanjem kiselina na cink- rastvaranjem tekućeg amonijaka.U Njemačkoj je u razradi dobivanje vodika strujom iz solarnih ćelija.

1.4. Potrošnja prirodnih vrsta energije

Početkom ovog stoljeća ugljenje zadovoljavao oko 95% potreba za energijom. Tada je služio kao gorivo za željeznički i brodski prijevoz, za industrijske pogone i za grijanje prostorija. Danas su pogonsko gorivo u transportu uglavnom tekuća goriva, a sve više i električna energija. Ugljen se upotrebljava uglavnom za proizvodnju koksa, a lošija kvaliteta za proizvodnju električne energije. Sirova je nafta glavni energetski izvor, jer se njezinim derivatima zadovoljava otprilike 45 % potreba energije. Posljednjih se godina naglo povećava upotreba zemnog plina, tako da se njime zadovoljava oko 20% potrebne energije. Potrošnja sirove nafte i zemnog plina još je u porastu. Ako se ne zamijene drugim izvorima, rezerve sirove nafte i zemnog plina bit će iscrpljene u prvim desetljećima sljedećeg stoljeća. Rezerve ugljena će potrajati mnogo duže. No ako se nastavi trošiti kao dosad, rezerve bi se mogle iscrpsti u sljedećem stoljeću. Energijom vodotoka zadovoljava se manje od 10% potreba za energijom. Rezerve urana kao fisijskoga goriva su povoljne, ali su visoki i troškovi eksploatacije. Posljednjih dvadesetak godina u svijetu je sagrađeno dosta nuklearnih elektrana. Poslije tragedije u Cernobilu (1986) i kvarova u drugim elektranama, usporava se gradnja nuklear-

15

nih elektrana. Neke zemlje, pod pritiskom javnosti i ekoloških sekcija, a sa željom provjere i poboljšanja sigurnosti nuklearnih sustava, donijele su Zakon o moratoriju za gradnju novih nuklearnih elektrana. Novi izvori energije, kao što su geotermička, solarna i nuklearna iz fuzije, još se ispituju iako im je cijena tolika da njihova šira upotreba nije ekonomična.

U tablici 1.9. prikazana je potrošnja prirodnih vrsta energije u svijetu od 1938. do 1984. godine, s napomenom da je u tablici navedena samo potrošnja električne energije proizvedene u HE i NE.

Tablica 1.9. Potrošnja prirodnih vrsta energije u svijetu

Vrsta goriva 1938.g. 1950.g. 1960.g. 1973.g. 1984.g.Cvrsta goriva 74,6 61,5 52,0 31,2 32,3Tekuća goriva 18,2 27,0 32,0 45,8 41,0Plinovita goriva 6,3 9,8 14,0 20,5 22,3Električna energija 0,9 1,7 2,0 2,5 4,4Ukupno 100 100 100 100 100

U bivšoj Jugoslaviji, dakle U Hrvatskoj, odmah poslije drugoga svjetskog rata uglavnom se trošio ugljen. Sezdesetih godina počinje nagla elektrifikacija i traženje nafte i plina. Sedamdesetih godina, zbog niskih cijena, povećava se potrošnja nafte. Krajem sedamdesetih godina sagrađena je Nuklearna elektrana Krško snage 664 MW. Poslije katastrofe u Cernobilu, i kod nas se sve više polemizira o nuklearnoj energiji, što je rezultiralo zabranom gradnje nuklearnih elektrana do 2000. godine. Spremanje nuklearnog otpada naglašen je problem za male zemlje kakve su Slovenija i Hrvatska. Stjecanjem nezavisnosti obje će države imati vlastitu koncepciju o razvoju elektroenergetike, što će im omogućiti dugoročno planiranje proizvodnje i potrošnje električne energije u skladu sa europskim nastojanjima. Potrošnja energije u Hrvatskoj posljednjih godina varira, što ovisi o cijeni i mogućnosti nabave nafte. Zadnjih desetak godina prosječna stopa porasta potrošnje energije je otprilike 3%, U strukturi potrošnje postupno se smanjuje postotak potrošnje ugljena i ogrjevnog drva, a povećava postotak potrošnje nafte, plina i električne energije. U tablici 1.10. pregled je udjela pojedinih vrsta energije u potrošnji energije u Republici Hrvatskoj od 1961. do 1984. godine. U tablici se podaci za električnu energiju odnose samo na električ- nu energiju iz HE i NE.

Tablica 1.10. Uđjeli pojedinih vrsta energije u potrošnji energije u Republici Hrvatskoj (%)

Gorivo/god. 1961. 1965. 1970. 1975. 1980. 1984.Cvrsta goriva 82,2 71,0 47,0 30,9 21,7 23,6Tekuća goriva 9,8 18,2 37,5 48,0 50,7 45,0Plinovita goriva 1,8 3,2 5,2 8,1 12,3 15,2Električna energija 6,2 7,6 10,3 13,0 15,3 16,2

Ukupno 100 100 100 100 100 100

16

1.5. Električna energija

Potkraj prošlog stoljeća električna energija stječe priznanje energetske osnove, a u naše vrijeme dobiva izuzetno značenje, postaje preduvjet razvoja društva i njegova gospodarstva. S obzirom na raznovrsnost primjene i ekonomičnosti u prijenosu, električna je energija najbolja i najprikladnija vrsta energije. Električ- na energija dobiva se pretvorbom drugih vrsta energije. Razlikuju se dva načina pretvorbe:

- neposredna pretvorba drugih vrsta energije u električnu- pretvorba neke energije u električnu posredovanjem mehaničke energije.Prvi način pretvorbe danas je još u fazi ispitivanja i usavršavanja. Razlikuju

se u tom smislu ove pretvorbe:1. Neposredna pretvorba toplinske energije u električnu:

a) termoelektričnim postupkom,b) termoionskim postupkom,c) magnetskohidrodinamičkim generatorima (MHD-generatorima);

2. Neposredna pretvorba Sunčeve energije u električnu;3. Neposredna pretvorba kemijske energije u električnu;4. Kombinacija fotoelektrične i kemijske pretvorbe.Tim se načinima dobivaju male količine energije. Energija dobivena nepo-

srednom pretvorbom pouzdana je, a izvori su jednostavni laganih konstrukcija i sigurni, što je vrlo važno za određena područja primjene, na primjer u astronau- tici. Za dobivanje velikih količina električne energije zanimljivi su samo magnetsko-hidrodinamički generatori, koji su još u fazi ispitivanja. Međutim, u ovisnosti o sve većim potrebama i razvoju novih tehnologija za pretvorbu tih energija i

Slika 1.2. Moguće pretvorbe različitih vrsta energije u električnu

2 Elektrane 17

navedeni izvori uskoro mogu biti značajan čimbenik u održanju elektroenergetskog sustava.

Pretvorba posredovanjem mehaničke energije omogućuje dobivanje velikih količina električne energije u postrojenjima koja se zovu elektrane. Za pogon električnoga generatora predviđeni su pogonski strojevi (vodne, parne i plinske turbine, motori s unutrašnjim izgaranjem i vjetroturbine), slika 1.2.

Elektrane se dijele na hidroelektrane, termoelektrane i vjetroelektrane. Hi- droelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pretvara u električnu. U HE pripadaju i elektrane na plimu i oseku. Termoelektrane su postrojenja koja upotrebljavaju različita goriva ili toplinu Zemlje i Sunca za proizvodnju električne energije. To su parne, plinske, dizel, nuklearne, geoter- mičke i solarne elektrane. U vjetroelektranama iskorištava se kinetička energija vjetra.

Prva javna elektrana puštena je u rad 4. rujna 1882. u New Yorku. U njoj je bilo postavljeno šest istosmjernih generatora ukupne snage 500 kW. Dvije godine poslije na tu je elektranu priključeno oko 11 000 žarulja i 600 elektromotora. Ubrzo je sagrađeno dosta elektrana snage 500 kW, a služile su uglavnom za električnu rasvjetu. Iako je 1882. godine patentiran prvi transformator, prošlo je dosta godina do veće upotrebe izmjenične struje. Preokret nastaje 1888. godine kada je Nikola Tesla patentirao izume u domeni višefaznih struja koje se temelje na okretnome magnetskom polju. Tim su patentima obuhvaćeni višefazni generatori i transformatori, višefazni prijenos električne energije, te višefazni i jedno- fazni indukcijski motori. To je omogučilo da se 1889. godine pusti u rad prva elektrana za trofaznu struju. Prva veća takva elektrana, snage 3,7 MW, sa- građena je 1895. godine na slapovima Niagare. Početkom XX. stoljeća grade se brojne elektrane značajne snage. Povećanjem snage, povećavaju se i prijenosni naponi, što omogućuje prijenos velikih snaga na velike udaljenosti. Do drugoga svjetskog rata gradili su se agregrati snage do 80 MW. Sezdesetih godina snaga agregata je 300 MW, a danas i do 1 300 MW. U Republici Hrvatskoj prva je elektrana sagrađena 1884. godine na rijeci Mrežnici u Dugoj Resi. Nakon toga gradi se HE Jaruga 1885. godine na rijeci Krki i tako redom. Godine 1945. u

Tablica 1.11. Razvoj instalirane snage i bruto-proizvodnje električne energije u Republici Hrvatskoj

GodinaInstalirana snaga [MW]

•

Bruto-proizvodnja [GWh]TE HE Ukupno TE HE Ukupno

1945 81 97 178 130 94 2241950 99 89 188 251 326 5771955 148 179 327 434 587 10211960 181 289 470 474 1 197 16711965 241 649 895 782 2 609 3 3911970 595 798 1334 966 3 656 4 6221975 505 1313 1878 2 298 3 641 5 9391980 1345 1577 2 922 2 955 6 253 9 2081985 1617 1951 3 568 4 160 5 481 9 6411989 1709 2 072 3 781 6 366 4 156 10 522

18

Hrvatskoj je sagrađeno nekoliko desetaka elektrana s instaliranom snagom od gotovo 200 MW i godišnjom proizvodnjom od 224 GWh. Nakon rata slijedi nagla elektriflkacija. Za samo 10 godina proizvodnja je udvostručena. Zadnjih godina, zbog ekonomske krize, proizvodnja stagnira. Razvoj instalirane snage i bruto- -proizvodnje električne energije prikazan je u tablici 1.11.

1.6. Elektroenergetski sustav

Osnovni zadatak elektrana je da proizvode potrebnu količinu električne energije u trenutku kada je potrošač traži. Danas se elektrane ne grade za točno određeno područje, već su sastavni dio elektroenergetskog sustava.

Elektroenergetski sustav se sastoji od elektrana za proizvodnju električne energije, rasklopnih postrojenja za razvod i transformaciju, vodova za prijenos i raspodjelu, te potrošača električne energije. Svi su ti dijelovi međusobno spojeni električno i magnetski, tako da prilike u jednom dijelu sustava ovise o prilikama u njegovim ostalim dijelovima. Elektrane su međusobno spojene paralelno i rade točno s određenom frekvencijom. Snaga potrošača koji su spojeni na elektroenergetski sustav je promjenljiva, i tu promjenu sustav mora pratiti po principu najveće ekonomičnosti. Prema tome, svi dijelovi elektroenergetskog sustava, pa tako i elektrane, moraju biti dimenzionirane tako da osiguravaju opskrbu potro- šača električnom energijom određenog napona i frekvencije.

Elektroenergetski sustavi mnogih zemalja su međusobno povezani, pa tada jedan sustav pokriva više zemalja. Za svaki elektroenergetski sustav vrijedi osnovna zakonitost u proizvodnji električne energije, a to je da proizvodnja električne energije u svakom trenutku bude jednaka potrošnji.

Elektroenergetski sustav Republike Hrvatske se razvijao unutar centrali- stičkog sustava bivše Jugoslavije. Osnovne karakteristike su manjak energije i slabo izgrađena 400 kV mreža. Republika Hrvatska se pri gradnji elektrana oslanjala na svoje resurse, a to su prije svega vodne snage, nafta i plin. Hrvatska je zajedno s drugim republikama gradila određene objekte, na primjer NE Krško,

Tablica 1.12. Proizvodni kapaciteti i bruto-proizvodnja u Hrvatskoj 1989. godine

Struktura Proizvodni kapaciteti [MW]

Bruto-proizvodnja[GWh]

Hidroelektrane 2 072 4 156- protočne 467 1336- akumulacijske 1329 2 613- reverzibilne 276 207Termoelektrane 1709 6 366- ugljen 217 815- nafta 965 1241- plin 195 1966- nuklearne 332 2 344

Ukupno HE + TE 3 781 10 522

19

TE Obrenovac, Gacko, Tuzla i Kakanj. Struktura proizvodnih kapaciteta i bru- to-proizvodnje 1989. godine prikazana je u tablici 1.12.

Iste je godine Republika Hrvatska imala na raspolaganju 600 MW snage TE izgrađenih u drugim republikama, s ukupnom isporukom 3 342 GWh.

Ukupne potrebe za električnom energijom 1989. godine bile su 15 085 GWh. Razlika od 1 221 GWh se nadoknadila uvozom.

Istodobno s gradnjom elektrana gradila se i prijenosna mreža, te sustav transformatorskih stanica i rasklopnih postrojenja (sl. 1.3).

NV\Obrovac

Manoj lovac^O^

dalekovod 400 kV

— dalekovod 220 kV

O rasklopno postrojenje 400 kV

• rasklopno postrojenje 220 kV

□ hidroelektrane

■ termoelektrane

Dubrovnik

Slika 1.3. Elektroenergetski sustav Hrvatske

Prijenosna mreža Hrvatske je relativno dobro sagrađena, (osim 400 kV mreže kojoj nedostaje transverzala Meline-Tumbri). Ta mreža, zajedno s distri- bucijskom mrežom, osigurava zadovoljavajuće napajanje potrošača električnom energijom, iako je distribucijska mreža još uvijek manja od optimalnih potreba

20

potrošača. Kvaliteta napajanja, unatoč nedostacima distribucijske mreže, postignuta je prije svega uvođenjem 110 kV napona u središtima potrošnje, kao i gradnjom suvremenih upravljačkih sustava. Optimalnim sustavom upravljanja distribucijskim mrežama racionalizirana je eksploatacija, a time su smanjeni gubici prijenosa i omogučeno pouzdano napajanje potrošača električnom energijom.

U tablici 1.13. prikazani su podaci za prijenosne i distribucijske mreže, a u tablici 1.14. za trafo-stanice prijenosa i distribucije u Hrvatskoj.

Tablica 1.13. Prijenosna i distribucijska mreža Hrvatske 1989. godine

Prijenosna mreža [km] Distribucijska mreža [km]400 kV 220 kV 110 kV 110 kV 35 kV 10 kV 0,4 kV733 1059 4 342 745 4 638 27 617 70 990

Tablica 1.14. Trafo-stanice u Hrvatskoj 1989. godine

Prijenosne trafo-stanice [MVA] Distribucijske trafo-stanice [MVA]400/kV 220/kV 110/kV 110/kV 35 kV 0,4/kV3 400 2 700 6 220 2 120 3 565 4 630

1.7. Razvoj elektroprivrede i energetike Republike Hrvatske

Energetska situacija Republike Hrvatske karakterizira izrazito siromaštvo prirodnih vrsta energije.

Bilančne rezerve prirodne energije Republike Hrvatske po stanovniku su manje otprilike šest puta od prosjeka bivše Jugoslavije i oko 32 puta od svjetskog prosjeka.

Godine 1986. uvezeno je iz drugih republika i inozemstva oko 35% prirodne energije, a očekuje se povećanje udjela uvoza.

Novija istraživanja pokazuju da se u našoj zemlji energija neracionalno iskorištava. Prema potrošnji energije po jedinici društvenog proizvoda u svjet- skom smo vrhu, kao i po potrošnji skupe električne energije.

Razvoj energetike zahtijeva relativno mnogo sredstava u usporedbi s ulaga- njem u druge privredne grane. Više od 2/3 sredstava uloženih u energetiku planira se za razvoj elektroprivrede.

Vrijeme ulaganja i trajanje gradnje je vrlo dugo. Za pripremu, projektiranje s istraživanjima i gradnju HE, TE i NE potrebno je desetak godina, a postrojenje se koristi od 30 do 50 godina. Glavna područja usmjeravanja razvoja energetike i elektroprivrede su:

- gradnja HE,- gradnja TE,- proizvodnja nafte i plina- novi i obnovljivi izvori energije

21

- gradnja NE- gradnja prijenosne mreže.Znano je da hidroenergetski potencijal u Hrvatskoj nije u potpunosti isko-

rišten. Neiskorišteno je još oko 4 TWh u srednjim i malim te 0,8 TWh u manjim hidroelektranama. HE su svrstane u tri grupe prema stupnju pripreme i projek- tiranja.

U prvom planu su HE Đurđevac na Dravi, HE Podsused i HE Prečko na Savi, HE Valići na Rječini, HE na Zrmanji te regulacija voda Livanjskog polja. U perspektivi su HE Barč, HE Moslavina i HE Osijek na Dravi, HE Drenje na Savi te nekoliko manjih HE na ostalim rijekama. Hrvatska elektroprivreda je 1980. godine odlučila do 2020. godine sagraditi oko 600 manjih elektrana s godišnjom proizvodnjom oko 0,8 TWh.

Gradnja termoelektrana u Republici Hrvatskoj moguća je isključivo na uvoz- no gorivo i to ugljen ili prirodni plin. Zato se izrađuje studija o pripremi gradnje i određivanja lokacije za oba tipa elektrana. TE na uvozni ugljen su u planu zbog povoljne i stalne cijene kamenom ugljenu. Međutim, TE na prirodni plin su konkurentne TE na uvozni ugljen. U takvim tzv. kombi-elektranama je kombinacija plinske TE s kotlom na otpadnu toplinu iz plinske turbine.

Energetska budućnost Republike Hrvatske uglavnom se temelji na korište- nju plina. Višegodišnjim istraživanjem utvrđena su bogata nalazišta u Podravini, dijelu Slavonije, a odnedavno i na jadranskom području. Pretpostavlja se da su te rezerve mnogo veće nego što je dosad utvrđeno. Zato se želi intenzivirati gradnja objekata za eksploataciju. U planuje da se proizvodnja plina od 2milijarde m , kolika je bila 1989. godine, poveća na 4,2 milijarde 2000. godine. Planira se gradnja plinovoda Virovitica-Kutina, Osijek-Vukovar, te Zagreb-Karlovac, a plin se uvozi i iz ZND-a, a u perspektivi planira se i uvoz iz Tunisa.

Proglašenjem nezavisnosti, Republika Hrvatska napokon postaje vlasnikom svojih nalazišta nafte. Procjenjuje se da ćemo ubrzo moći vlastitom proizvodnjom zadovoljiti svoje potrebe za naftom, osobito iz bušotina u jadranskom području, koje obećavaju dobra nalazišta. Godine 1990. INAje počela intenzivna istraživa- nja na području Dinarida. Osim toga, INA nastavlja istraživanja nafte i plina u Angoli, a počela je istraživati i u Tunisu.

Potencijal novih i obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj u budućnosti će biti sve izraženiji.

Ti se izvori energije mogu svrstati u tri kategorije:- racionalnije korištenje energije- obnovljivi izvori energije- uljeni škriljci.Potrebno je napomenuti da je racionalno iskorištavanje energije svrstano

među izvore energije, jer je svaka racionalnija potrošnja adekvatna novom izvoru energije.

Programi racionalnoga korištenja energije razrađeni su i provode se u razvijenim zemljama nakon prvoga "naftnog šoka" 1973. godine, a intenzivirani su poslije drugoga "naftnog šoka", te kvarova u NE Otok tri milje u SAD 1975. godine i NE Černobil 1986. godine. Republika Hrvatska je ozbiljniji program racionalizacije napravila tek 1988. godine. Proračuni pokazuju da se godišnje može uštedjeti od 2 do 4% energije, što nije mala vrijednost.

22

Obnovljivi izvori energije u našoj zemlji jesu:- biomasa (poljoprivredni, drvni i komunalni otpad)- Sunčeva energija- geotermička energija- energija vjetra- morski valovi.Bilanciranje energetskih potencijala tih energenata je složen zadatak. Na

osnovi proračuna i procjene došlo se do rezultata prikazanih u tablici 1.15. Kao što se vidi iz tablice, potencijal tih izvora je značajan i u budućnosti bi mogao smanjiti uvoz energije. Osim toga, ta je energija čista i ne onečišćuje okoliš.

Tablica 1.15. Godišnja bilanca obnovljivih izvora energjje u Republici Hrvat- skoj (1015J)

Izvor energije Sadašnjeiskorištavanje

Potencijalteorijski tehnički

B poljoprivredni otpaci 0,1 50 15I ratarstvo0 poljoprivredni otpaci - 10 3M stočarstvoA komunalni kruti otpaci — 15 6S komunalni otpaci vode — 5 2A drvni otpaci 0,3 10 4

ukupno 0,4 90 30Sunčeva energija 0,2 48 000 90geotermička energija 0,3 4 900 100energija vjetra - 350 15valovi — 100 10sveukupno 0,9 53 440 245

Pretpostavlja se da su nalazišta uljenih škriljaca u Republici Hrvatskoj raspoređena u Lici, Dalmaciji i Istri. Smatra se da je Lika najperspektivnija. INA je provodila skromna istraživanja, te se na temelju starih izvještaja i tih skro- mnih istraživanja došlo do energetskog potencijala uljenih škriljaca (prikazanog u tablici 1.16).

Tablica 1.16. Pretpostavljeni energetski potencijal uljenih škrUjaca u Republi- ci Hrvatskoj

Vrsta potencijalaRezerve [109 t]

God. proizvodnja za 100 godina

Energetskipotencijal[PJ/god]

teorijski 4,4 44 308tehnički iskoristivi 1,5 15 105ekonomski iskoristivi 0,75 7,5 52,5

Korištenje nuklearne energije u Hrvatskoj nije ni odbačeno ni prihvaćeno. Vjerojatno će se slijediti europski trendovi.

23

Za naredno je razdoblje predviđena gradnja 400 kV dalekovoda Meline - Tumbri te nužna dogradnja distribucijske mreže i tehničkog sustava upravljanja elektroenergetskim sustavom Hrvatske.

1.8. Potrošnja električne energije

Električna energija je najplemenitija vrsta energije. Njezin udjel u opskrbi industrije i malih potrošača sve je veći.

Stupanj razvijenosti neke zemlje ogleda se u potrošnji električne energije po stanovniku godišnje, odnosno po potrošnji po elektrificiranom kućanstvu. Po- trošnja električne energije po stanovniku različita je u raznim dijelovima svijeta. Te su razlike velike i među europskim zemljama. One su posljedica, s jedne strane, stupnja razvijenosti, i s druge strane, industrijske strukture te prošireno- sti upotrebe električne energije u kućanstvima, poglavito za zagrijavanje prostorija.

Razvijene europske zemlje troše i više od 20 000 kWh električne energije po stanovniku godišnje (Norveška 25 000, Island 18 000) a Hrvatska oko 3 000 kWh po staaiovniku, što je svrstava u samo dno europske ljestvice. U tablici 1.17. prikazan je razvoj neto-potrošnje, te potrošnja električne energije u kućanstvima u Republici Hrvatskoj.

Tablica 1.17. Potrošak električne energije u Hrvatskoj

Godina Neto-potrošnja po stanovniku [kWh]

Potrošnja u kućanstvima [KWh/stan.]

1960. 469 1001970. 1164 3391980. 2 495 7091990. 2 800 800

U elektroenergetskom sustavu velik je broj potrošača koji električnu energiju troše prema svojim potrebama, tj. kako žele i kada žele. Tome mora biti prilagođen elektroenergetski sustav s elektranama koje su u njega uključene.

Da bi se određeno potrošačko područje napajalo električnom energijom, potrebno je znati karakter potrošnje i promjene opterećenja u toku dana. Pro- mjenu opterećenja (potrošnje) tijekom dana pokazuje dnevni dijagram optereće- nja, odnosno potrošnje.

Tijekom dana (24 sata) opterećenje se neprestano mijenja, no važno je minimalno i maksimalno opterećenje (sl. 1.4). Dijagram je svaki dan drukčiji, jer ovisi o danu u tjednu i o godišnjem dobu.

Najveći problem u zadovoljavanju dnevnih potreba je osigurati potrebnu snagu i energiju pri maksimalnom opterećenju, odnosno u tzv. špicama opte- rećenja. Na dijagramu opterećenja dva su karakteristična opterećenja, maksimalno (Pmax) i minimalno opterećenje (Pmin). Površina ispod krivulje predstavlja proizvedenu, odnosno potrošenu energiju tijekom dana. Pomoću maksimalnoga i minimalnog opterećenja te dnevne energije deflniraju se značajke dnevnog dija-

24

Slika 1.4. Dnevni dijagram opterećenja: Wk - konstantna energija, Wv - varijabilna energija, Pmin - minimalno opterećenje, Pmax - maksimalno opterećepje

grama opterećenja. Odnos energije Wd i energije koja bi se mogla proizvesti maksimalnom snagom u toku dana jest činitelj opterećenja.

m = [kWh/kWh],max

Odnos minimalnoga i maksimalnog opterećenja predstavlja činitelj mQ.

m0 = P min P max

[kW/kW].

Na osnovi dnevnih dijagrama dobivaju se tjedni, mjesečni i godišnji dijagrami.Na dnevnom dijagramu opterećenja karakteristične su dvije vrste energije:

konstantna (Wk) i varijabilna (Wvar) energija. Elektroenergetski sustav mora zadovoljiti potrebe za konstantnom i varijabilnom energijom. Ovisno o vrsti elektrana zadovoljavaju se potrebe. S obzirom na karakter rada i elastičnost u pogonu, u donji se dio dijagrama opterećenja smještaju ponajprije novije TE s dobrim stupnjem korisnosti i protočne HE u kojima se prelijeva voda. Zatim dolaze starije TE s lošijim stupnjem korisnosti, pa, eventualno, NE. Akumulacij- ske HE, crpno-akumulacijska postrojenja i dizel-elektrane dolaze u gornji dio dijagrama opterećenja. Elektrane koje pokrivaju donji dio dijagrama zovu se temeljne, a koje pokrivaju vrhove opterećenja zovu se vršne.

U elektroenergetskom sustavu dijagrami opterećenja (potrošnje) različiti su i u radnim danima. Obično se snimaju svi dani, no karakteristične su srijede, jer se smatra da su to dani u kojima je opterećenje maksimalno. Na slici 1.5 dijagrami su opterećenja prosječne srijede 1986. godine u elektroenergetskom sustavu Hrvatske s područjima Splita, Osijeka, Rijeke i Zagreba.

Uloga elektrana nije unaprijed određena. U kišnom razdoblju godine većina HE, osim onih s velikom akumulacijom, rade kao temeljne, a TE se tada koriste kao vršne. U sušnom se razdoblju uloge zamjenjuju. Osim toga, uloga se elektrana mijenja i s razvojem elektroenergetskog sustava. Starije TE sve više rade kao vršne, a novije TE i NE preuzimaju ulogu temeljnih elektrana (sl. 1.6).

Raspodjela opterećenja na pojedine elektrane nije jednostavan posao. Ona ovisi o vrsti i snazi elektrana u sustavu. Eksploataciju elektroenergetskog sustava vodi dispečerska služba. Organizacija rada službe ovisi o veličini sustava. Postoji dispečerska služba sustava i službe regije ili većih gradova. U svim primjerima sve važne odluke donosi služba sustava. Osnovni zadaci službe su predviđanje dnevnog dijagrama opterećenja i, u skladu s tim, izrada plana rada elektrana za sutrašnji dan, uz brigu o optimalnoj eksploataciji sustava, određiva- nje korištenja akumulacijskih jezera HE, određivanje elektrana za stabilnost sustava (nositelj frekvencije), stalni nadzor nad pogonom elektrana i mreže, izrada planova remonta dijelova sustava, intervencije pri kvaru, obustavljanje ili

25

0 sati 24

Slika 1.6. Uloga elektrana u pokrivanju dnevnog dijagrama opterećenja:1 - akumulacijske i reverzibilne HE,2 - starije TE, 3 - novije TE, 4 - pro- točne HE i NE

Slika 1.5. Dijagram optere- ćenja u Hrvatskoj prosje- čne srijede 1986. g.

ograničavanje isporuke električne energije i slič- no. Da bi služba mogla obaviti navedene zadatke, potrebno je da bude stalno informirana o stanju u elektranama, glavnim trafostanicama i vodovi- ma. Zato su u elektroenergetskomrsustavu, nuž- ne telekomunikacijske veze, telesignalizacija, mogućnost daljinskog upravljanja i sustav za au- tomatsku obradu podataka kako bi služba mogla brzo i efikasno intervenirati u slučaju poremećaja tokova snage u sustavu. U elektroenergetskom sustavu Republike Hrvatske glavni je dispečerski centar u Zagrebu, a ima i regionalnih centara. Godine 1979. u elektroprivredi Hrvatske počeo se graditi sustav daljinskog vođenja. U Zagrebu je

sagrađen novi moderni dispečerski centar, koji podatke za nadzor i upravljanje dobiva iz centra daljinskog upravljanja. Radi toga su predviđeni i regionalni centri. Očekuje se da se ukupni program završi do 1995. godine, što će omogućiti automatsko upravljanje sustavom iz jednog mjesta.

Zbog strukture proizvodnje i potrošnje elektrodistribucijska poduzeća stimu- liraju opću potrošnju u vrijeme manjih opterećenja, uvodeći dvije cijene električ- noj energiji. Niža, jeftinija tarifa određuje se za energiju utrošenu npr. od 22 do 6 sati, te od 14 do 16 sati, a u ostalo vrijeme je viša, skuplja tarifa. Osim toga, postoji i tarifa maksimalne snage, ali se ona uglavnom primjenjuje za industrijske potrošače. Time se smanjuju maksimalna opterećenja. Zadnjih godina uvede- na je i sezonska tarifikacija: 1. travnja do 1. listopada je jeftinija tarifa, a ostale mjesece je skuplja, zimska tarifa. Moguće su i druge kombinacije.

Tako je Hrvatska elektroprivreda od 1. travnja 1991. uvela tri dnevne tarife: višu - od 18 do 22 sata, srednju - od 8 do 18 sati i nižu - od 22 do 8 sati. Osim toga, za kućanstva se uvodi tzv. doprinos za snagu koji ovisi o godišnjoj potrošnji.

26

Zapotrošače koji godišnje troše više od 5 000 kWh obveznaje ugradnja prekidača snage kojim se ugovorno određuje maksimalna snaga, a time i doprinos na nju. Pošto na tržištu nema trotarifnih brojila, zasada se primjenjuju samo dvije tarife.

1.9. Energetske karakteristike elektrana

Veličinu elektrane karakteriziraju snaga i moguća godišnja proizvodnja. Razlikujemo:

- instaliranu snagu (Pi)- maksimalnu snagu (Pm)- raspoloživu snagu (Pr)Instalirana snaga je aritmetička suma nazivnih snaga generatora (MVA),

odnosno kao aritmetička suma snaga agregata mjerenih na stezaljkama generatora (MW). Instalirana snaga je zapravo nazivna snaga elektrane.

Maksimalna snaga je najveća snaga koju elektrana kao cjelina može dati kada su svi dijelovi elektrane sposobni za optimalan rad.

Raspoloživa snaga elektrane je najveća snaga koju elektrana u danom trenutku može dati, polazeći od stvarnog stanja u elektrani. Za određivanje raspo- ložive snage kod HE treba uzeti u obzir raspoloživi dotok, pad i stanje akumulacije, a kod TE kvalitetu goriva, količinu i temperaturu vode.

Sve tri vrste snage definiraju se na stezaljkama generatora te na pragu elektrane. Snaga na stezaljkama je bruto-snaga, a na pragu elektrane je neto- -snaga. Neto-snaga se dobije kada se od bruto-snage oduzme vlastita potrošnja i gubici snage na transformatorima.

Moguća godišnja'proizvodnja elektrane je energija koju elektrana može proizvesti u godini dana pri realnim uvjetima rada.

Iz pogonskih godišnjih podataka elektrane može se odrediti maksimalno (Pmax) i minimalno (Pmin) godišnje opterećenje. Minimalno godišnje opterećenje elektrane najčešće je jednako nuli, jer sve elektrane imaju redoviti godišnji remont. Remont se obavlja kada je to optimalno za elektroenergetski sustav. Plan godišnjeg remonta elektrana donosi dispečerska služba, osim pri ispadu zbog nekog kvara. Maksimalno opterećenje elektrane praktično je jednako mak- simalnoj snazi.

Odnos proizvedene godišnje energije (Wg) i električne energije koju bi elektrana proizvela da cijelu godinu radi pod maksimalnim opterećenjem (Pmax) zove se činitelj opterećenja (m):

8760 Pmax[kWh/kWh]

Osim toga, iz pogonskih podataka može se odrediti i trajanje korištenja maksimalne snage elektrane. To je vrijeme potrebno da elektrana proizvede godišnju energiju kada bi radila maksimalnom snagom:

Stvarno vrijeme pogona elektrane je drukčije, što ovisi o ulozi elektrane u elektroenergetskom sustavu. Tako NE i nove TE rade i do 6 500 sati godišnje,

27

protočne HE oko 6 000 sati, stare TE oko 1 000 sati, a akumulacijske HE 2 000 - 3 000 sa|i godišnje.

Elektrane se ne grade kao izolirana postrojenja, već su sastavni dijelovi elektroenergetskog sustava. Zato se nabrojene energetske karakteristike proma- traju kao cjelina. Kako će se koristiti pojedina eiektrana određuje dispečerska siužba, a to ovisi o ukupnom stanju u sustavu i o sposobnosti elektrane da se što brže prilagodi potrebama sustava u određenome trenutku. Vrijeme korištenja elektraria i korištenje maksimalne snage ovisi o nizu činiteija; hidrološkim prilikama, pianiranom remontu, kvarovima i vremenskim prilikama.

Zadaci za vježbu1. Prosječna energetska vrijednost lignita je 10 MJ/kg, mrkog ugljena 18 MJ/kg, a

kamenog ugljena 30 MJ/kg. U tablici 1.3 prikazane su rezerve ugljena u Hrvatskoj u tonama ekvivalentnog ugljena. Kolike su stvarne rezerve lignita, mrkoga i kamenog ugljena, ako je 1 tona ekvivalentnog ugljena 29,3 GJ?

2. U elektrodistribucyskom poduzeću Hrvatske elektroprivrede u svome mjestu naba- vite dnevni dijagram opterećenja zimskoga i ljetnog dana, pa odredite Prninj Pmax, iVv, i Wk, te vrijeme i trajanje maksimalnog opterećenja.

Pitanja za ponav^janje i provjeru znanja1.

2.3.4.5.6.7.8. 9.

10.11.12.

13.14.15.16.17.18.19.20. 21 .

22 .

23.24.25.26.

Kako se dijele prirodne vrste energye prema tehničkoj mogućnosti i ekonomskoj opravdanosti korišter\ja?Kako se dijele prirodne vrste energije prema fizikalnim obilježjima?Kako je nastao ugljen?Kako je nastala nafta, a kako zemni plin?Kolike su rezerve i potrošnja ugljena, nafte i zemnog plina u Hrvatskoj?Koje zemlje imaju najveće rezerve nafte i zemnog plina?Koje su zemlje u svijetu najveći potrošači nafte i plina?Kakve su mogućnosti i budućnost nuklearne energije?Kako se uljeni Škriljci i bitumenizirani pijesak iskorištavaju kao energenti?Kako se može koristiti toplina Zemlje?Opišite hidroenergetski potencijal Hrvatske.Koje su osnovne karakteristike energije vjetra, te o čemu ovise mogućnosti njegova iskorištavanja?Kakve su mogućnosti i budućnost iskorištavanja energije Sunca?Sto je biomasa, kako se dobiva i kako se iskorištava?Kakve su mogućnosti i budućnost iskorištavanja energije iz mora?Kakva je budućnost vodika kao energenta?Opišite razvoj potrošnje prirodnih vrsta energije u Hrvatskoj.Nabrojte postupke neposredne pretvorbe vrsta energije u električnu energiju. Opišite razvoj instalirane snage i bruto-proizvodnje električne energije u Hrvatskoj. Koje su osnovne značajke elektroenergetskog sustava Hrvatske?Opišite potrošnju električne energije u Hrvatskoj od 1960. do 1990. godine i usporedite s potrošnjom u Europi.Skicirajte dnevni dijagram opterećenja i označite karakteristične veličine.Opišite ulogu elektrana u pokrivanju dnevnog dijagrama opterećenja.Kakva je uloga dispečerske službe?Koje su osnovne značajke tarifikacije potrošnje električne energije u Hrvatskoj? Koje su osnovne energetske karakteristike elektrana?

28

2. Hidroelektrane

2.1. Uvod

Hidroelektrane su postrojenja koja energiju vodotoka pretvaraju u elek- tričnu energiju. Energija vode u vodotoku je energija tlaka, energija položaja i kinetička energija, a one se preko turbine pretvaraju u mehaničku energiju. U sastav HE ubrajaju se svi objekti i dijelovi koji služe za skupljanje, dovođenje i odvođenje vode, te za pretvorbu i razvod proizvedene električne energije (sl. 2.1).

Prema tome, HE imaju ove glavne dijelove:pregradu ili branu (1), zahvat (2), dovod vode (3), vodnu komoru (4), tlačnicjevovod (5), strojarnicu (6) i odvod vode (7).Sve HE ne moraju imati sve navedene dijelove, a kod nekih jedan dio može

imati više funkcija, što ovisi o načinu korištenja vode. Prema načinu korištenja vode razlikujemo protočne i akumulacijske HE. Protočne HE iskorištavaju vodu onako kako dotječe, a akumulacijske imaju akumulacijsko jezero u kojem se voda čuva i koristi prema potrebi energetskog sustava. Prema visini pada vode koja se koristi u HE razlikujemo niskotlačne do 50 m pada i visokotlačne HE s više od 50 m pada. Strojarnica HE može biti smještena uz samu branu ili udaljena od nje. U

prvu grupu pripadaju pribranske HE, a u drugu derivacijske. Posebna su vrsta HE crpnoakumulacijska postrojenja i HE na plimu i oseku.

2.2. Karakteristike hidroelektrana

Osnovne karakteristike hidroelektrana su hidrološke karakteristike, akumulacije i pada, te energetske i ekonomske karakteristike.

2.2.1. Ilidrološke karakteristike

Da bi se mogla odrediti potencijalna energija vodotoka, potrebno je znati kolika je količina vode u vodotoku. Količina vode u vodotoku i njezin vremenski raspored ovisi o nizu faktora, od kojih su najvažniji: količina oborina, sastav i topografija terena, biljni i životinjski svijet, temperatura okoliša i slično. Očito je da se količina vode mijenja iz dana u dan. Visina vode vodotoka zove se vodostaj. Da bi se dobila približna slika o tzv. srednjem vodostaju, vodostaj se mora mjeriti svaki dan. Na osnovi dnevnih vodostaja mogu se dobiti tjedni, mjesečni i godišnji. Međutim, kako se godine po padalinama razlikuju, za ocjenu vodostaja mjerodavno je višegodišnje razdoblje, najčešće četrdesetogodišnje.

U mnogim zemljama, a i u Hrvatskoj, za određivanje optimalnih dotoka mjerodavno je četrdesetogodišnje razdoblje. Riječni su tokovi veoma podložni utjecaju klime. Značajke dotoka vode ovisne su o kišnim jesenskim razdobljima, kišnim proljećima i topljenju snijega, te dugim sušnim ljetima.

Protok vode se određuje na osnovi praćenja vodostaja u određenom vremenu. Protok vode (Q) čini volumen vode V koja proteče vodotokom u jeđinici vremena (t).

« = jGodišnji protok dobije se slaganjem dnevnih protoka. Promjene protoka tijekom godine pokazuje krivulja dijagrama godišnjeg protoka (sl. 2.2).

Površina ispod krivulje je volumen V0 vode koja kroz godinu dana protekne kroz određeni presjek vodotoka.

V 2. 3. 4. 5. 6! 7. 8. 9. 10. 11. 12. mjeseci

Slika 2.2. Prosjećni godišnji dijagram protoka

30

Srednji godišnji protok definira se kao odnos:

Qsr —Vo

31,54 106[m3s-1 ],

gdjeje:V0 - volumen vode [m3]31,54 106 - broj sekundi u godini.

Godišnji dijagram protoka može se prikazati i krivuljom trajanja protoka, koja se dobije iskazivanjem količine protoka u jednogodišnjem trajanju (sl. 2.3).

Slika 2.3. Godišnji dijagram trajanja protoka

Protok se kreće između minimalnog i maksimalnog (Qmin i Qmax). Međutim, iskorištavanje snage vode ograničeno je veličinom izgradnje hidroelektrane. Ve- ličinom izgradnje zove se najveći protok koji se može koristiti u hidroelektrani, i prema njemu su dimenzionirani svi dijelovi HE. To je instalirani protok turbinaQi.

Određenoj veličini izgradnje Qi odgovara iskoristivi volumen vode Vi, koji je zapravo površina OABT na slici 2.3.

Na osnovi iskoristivog volumena moguće je odrediti i srednji iskoristivi protok u godini:

Qsi —V j

31,54 106[m3s-1 ].

Srednji iskoristivi protok manji je od srednjeg protoka, a njihov je odnos stupanj iskorištenja vodotoka. Kako je instalirani protok, prema slici 2.3, uvijek manji od maksimalnoga, da se voda pri visokim vodostajima ne prelije grade se akumulacijski bazeni. Oni zadržavaju vodu kad su protoci veliki, a ona se iskorištava za vrijeme suše. Odnos instaliranog protoka i srednjega godišnjeg protoka ovisi o tipu hidroelektrane. Kod protočnih i derivacijskih HE instalirani protok je od 1,5 do 2,5 veći od srednjeg protoka, a kod akumulacijskih i reverzibilnih HE od 2 do 5 puta veći od srednjeg protoka.

31

2.2.2. Karakteristike akumulacije i pada

Akumulacijsko jezero ima svoj volumen, a to je ukupna količina vode koja može u njega stati. Taj se volumen zove geometrijski volumen vode. Međutim, zbog više razloga, sva se voda ne može iskoristiti. Volumen vode koji se može iskoristiti u normalnom pogonu zove se korisni volumen vode.

Minimalno vrijeme potrebno da korisni volumen isteče kroz turbine, a da nema dotoka, zove se vrijeme pražnjenja akumulacijskog jezera. Ako je to vrijeme kraće od 2 sata, tada se govori o protočnoj hidroelektrani. Ako je vrijeme od 2 do 400 sati, riječ je o HE s dnevnom akumulacijom, a ako je vrijeme pražnjenja dulje od 400 sati, onda su to HE sa sezonskom akumulacijom.

Akumulacijsko jezero karakterizirano je i tzv. energetskom vrijednošću bazena, a to je količina električne energije koja bi se proizvela u vlastitoj HE i u svim nizvodnim HE kada bi se ispraznio korisni volumen bez dotoka i gubitka vode.

Iskorištavanje vode iz akumulacijskog jezera u elektroenergetskom sustavu ovisi o prilikama u sustavu i o hidrološkim prilikama u određenom razdoblju. U elektroenergetskom sustavu Hrvatske akumulacije se čuvaju za sušna ljetna razdoblja, kada se obavlja remont termoelektrana.

Akumulacijska jezera za različite tipove HE imaju različite uloge zbog promjenljivog načina rada tijekom dana, tjedna ili sezone. Radi regulacije protoka akumulacijska jezera imaju određene funkcije, odnosno određene veličine. Dnev- na regulacija protoka potrebna je radi što veće varijabilne energije tijekom dana. Kako je dotok tijekom dana približno stalan, a potrošnja vode promjenljiva, voda se mora akumulirati za vrijeme noćnog slabijeg opterećenja. Tijekom tjedna, zbog radnih i neradnih dana, opterećenje se mijenja. Ako na određenom vodotoku nema većih akumulacijskih jezera, potrebno je napraviti tjedne akumulacije kako bi se voda sačuvala za radne dane.

Mnogo važnija od dnevne i tjedne regulacije je godišnja i višegodišnja regulacija protoka.. To je potrebno zbog sušnog i vlažnog razdoblja, pogotovo u području jadranskih rijeka, zbog jakog takozvariog bujičnog režima.

Zato se grade velike akumulacije čiji je volumen i po nekoliko stotina milijuna m3 vode. Takvo je i jezero Buško blato HE Orlovac, čiji je volumen 800 milijuna m3.

U HE se definiraju različite vrijednosti pada. Razlika gornje dotočne razine vode i donje razine odvodne vode zove se statičkim padom Hst (sl. 2.4). je geodetska visina, a Hd visina vode’na odvodu. Ukupni pad HE zove se bruto-pad, Hh. Taj je pad zapravo statički pad povećan za kinetičku energiju ulazne mase vode umanjen za kinetičku energiju vode na odvodu.

Hb = H rt + | | -| | [m],

gdje su:ci - brzina ulazne vode [m s"1],C2 - brzina izlazne vode [m s"1],

og - ubrzanje Zemljine teže [ms" ].

32

Slika 2.4. Padovi vode u HE: a - pretlačnih turbina, b - turbina sa slobodnim mlazom

Ako zanemarimo razlike kinetičkih energija ulazne i izlazne vode, tada je bruto- -pad jednak statičkom padu.

Neto-pad ili raspoloživi pad pri tome je:

Hn = Hb - hu [m],gdjeje:

hu - gubitak u zahvatu, dovodu i tlačnom cjevovodu [m].Kada su u HE instalirane Peltonove turbine neto-pad je:

Hn = Hb - h u- h t [m], gdjeje:

ht - visina mjesta gdje mlaz vode udara u lopatice turbine iznad razine donje vode.

Promjene razine gornje vode mogu nastati zbog preljeva velikih voda preko brane, što se događa kad se sva suvišna voda ne može propustiti kroz ispuste. Tada je razina gornje vode ovisna o protoku. U pribranskim i akumulacijskim HE s tlačnim dovodom bruto-pad i neto-pad ovise o volumenu akumulirane vode.

Promjena razine donje vode ovisi o količini vode koja protječe koritom rijeke na kraju odvoda, bez obzira na to dotječe li voda koritom mimo HE ili kroz turbine HE. Razina donje vode raste povećanjem protoka. Bruto-pad je najveći u doba najmanjih protoka.

Promjena pada ima velik utjecaj na snagu i moguću proizvodnju HE s padom do 50 m, a za veće padove utjecaj promjene pada je beznaČajan,

2.2.3. Energetske karakteristike hidroelektrana

Energija vode koju rijeka ima na svom izvoru iscrpljuje se u prirodnom toku do njezinog ušća u more ili u jezero. Prirodni tokovi vode mogu biti različiti. Na slici 2.5 prikazano je nekoliko mogućih oblika prirodnih vodnih tokova, na kojima se može iskorištavati raspoloživa energija. 3

3 Elektrane 33

nn

\2

Slika 2.5. Oblici prirodnih vodnih tokova

Vodni tok se, prema slici* 2.5, u općem slučaju koristi od presjeka 1-1 do presjeka 2-2. Ako pretpostavimo da se protok vode uzduž toka ne mijenja te ako se zanemare gubici, jednadžba održanja energije od presjeka 1-1 do presjeka 2-2 glasi:

W = [ ( Z i - Z 2) g + ^ ^ + ^ ^ ] p - V [J]

gdje su:Z \\Z 2- geodetske visine označenih presjeka [m],p i ip2 - tlakovi na presjecima [N m" ],ci i C2 - srednje brzine vode u presjecima [m s '1],

oV - volumen vode [m ],

o _p - gustoća vode [kg m" ],

9g ~ Zemljino ubrzanje [m s" ].

Ako pretpostavimo da su brzine strujanja ci i C2 jednake, te da je za otvoreni tok tlak uzduž toka isti, a da je geodetska razlika presjeka Hg = Z\ - Z 2, tada se iz vodnog toka može dobiti ukupna energija:

W = g Hg V-p [Ws].Raspoloživa snaga jednaka je:

p = g H g Q P m .

Prema tome, ako HE ima neto-pad Hn i radi sa stupnjem korisnosti rj, tada se u njoj može iskoristiti energija:

Wk = g H n V'p-rj [Ws].

34

n

Ako uzmemo da je gustoća vode p ~ 1 000 kg - m , a Zemljino ubrzanje g = 9,81 m-s"2, snaga HE se može izračunati po formuli:

-Pk = 9.81 Q Hn [kW].Korisna energija HE Wk prosječna je energija koju HE može dati. Zbog toga se definira moguća dnevna ili godišnja proizvodnja HE kao ona količina energije koju bi HE mogla proizvesti s obzirom na stvarni protok, pad i stupanj korisnosti. Osim toga, HE se karakterizira mogućom srednjom godišnjom proizvodnjom koja je određena kao aritmetička sredina mogućih višegodišnjih proizvodnji. Stvarna proizvodnja HE redovito je uvijek manja od moguće.

U HE se često određuje i srednji energetski ekvivalent. Definira se kao utrošak vode za proizvodnju 1 kWh električne energije. Srednji energetski ekvivalent ovisi o padu i stupnju korisnosti.

U svijetu, a i u nas, grade se HE vrlo velikih snaga. U tablici 2.1 navedene su veće HE u svijetu.

Tablica 2.1. Veće HE u svijetu

HE Zemlja Instalirana snaga [MW]

Itaipu Brazil' 12 600Grand Coule SAD 9 800Paulo Alfonso Brazil 6 700Krasnojarska ZND 6 000La Grande Kanada 5 300Bratska ZND 4 500Cabora Basa Mozambik 4 000Chicoasen Meksiko 2 400

Tablica 2.2. Važnjje HE u Hrvatskoj

HE Rijeka H[m]

Pi[MW]

W god. [GWh]

Zakučac Cetina 220 270 486 1700Obrovac sliv Zrmanje 60 560 276 430Orlovac sliv Cetine 70 400 225 800Senj Lika i Gacka 60 436 216 1100Dubrovnik Trebišnjica 90 295 214 1560Varaždin Drava 2x225 23 86 426Vinodol Ličanka i Lokve 15 658 84 130Cakovec Drava 2x250 18 80 418Dubrava Drava 2x250 18 75 448Gojak Dobra i Mrežnica 50 134 48 200Peruča Cetina 120 41 41,6 120Đale Cetina 110 21 40,8 158Rijeka Rječina 21 228 37 98Manojlovac Krka 30 105 24 128Sklope Lika i Gacka 45 70 22 80

35

U Hrvatskoj je prva veća HE sagrađena na rijeci Cetini 1907. godine. To je HE Kraljevac snage 2 x 12,8 MW. Gradnja HE u Hrvatskoj bila je značajnija 60-tih godina. Sagrađeno je dosta HE, pa se može reći da je gradnja velikih i većih HE završena (tablica 2.2). Predstoji gradnja četrdesetak srednjih i manjih HE.

2.2.4. Gospodarske karakteristike hidroelektrana

Gospodarske karakteristike hidroelektrana određuju troškovi gradnje i cijena proizvodnje električne energije.

Troškovi gradnje su različiti za svaku hidroelektranu. U njih pripadaju sva ulaganja od gradnje brane do odvoda vode, troškovi za eventualno poplavljeno zemljište i naselja, premještanje prometnica, omogućivanje plovidbe, osiguranje vode za nizvodna naselja ako se mijenja riječni tijek i sl. Ti dodatni troškovi ovise o veličini akumulacije te o konfiguraciji terena. Ponekad se zahvatima pri gradnji HE, a posebno akumulacijskih jezera, rješavaju problemi glede poplava i podzemnih voda. Troškovi gradnje najviše ovise o veličini i tipu HE. Tu se prvenstveno misli na veličinu dovoda, odvoda, brane, tlačnog cjevovoda i ostalo- ga. Radi uspoređenja troškova gradnje definiraju se specifične investicije: speci- fične investicije po jedinici energije (Din/kWh) i specifične investicije po jedinici snage (Din/kW). Proizvodna cijena električnoj energiji ovisna je o specifičnim investicijama. Na proizvodnu cijenu će utjecati i ponašanje HE u elektroenergetskom sustavu, odnosno, da li će HE tijekom godine proizvesti moguću energiju.

2.3. Dijelovi hidroelektrana

2.3.1. Brane ili pregrade

Brane ili pregrade su građevine koje imaju višestruku namjenu: da skrenu vodu s njezinog prirodnog toka prema zahvatu HE, da povise razinu vode radi većeg pada i da akumuliraju vodu. Dva su osnovna tipa brana - niske i visoke. Visoke su brane one čija je visina, od temelja do krune, veća od 15 m, te brane više od 10 m, ali s krunom dužom od 500 m. Sve ostale brane su niske. Odluka o tome koja će se vrsta brana graditi ovisi o geološkom sastavu terena i o veličini brane. Brane mogu biti masivne i nasute, ovisno o materijalu od kojega se grade.

Masivne brane grade se od kamena, a češće od armiranog betona. Prema konstrukciji, masivne se brane mogu podijeliti na gravitacijske, lučne i raščlanje- ne. Gravitacijske brane se opterećenju vode i drugih sila odupiru vlastitom težinom. Lučne brane su zakrivljene ploče preko kojih se opterećenje dijeli na temelje, dno i bokove. Ponekad imaju neke elemente gravitacijske brane, pa se zovu lučno-gravitacijske, slika 2.6. Lučne brane se ponekad izvode kao dijelovi rotacijskih tijela, i zovu se ljuskaste ili kupolne brane.

Raščlanjene brane čini više elemenata, odnosno stupova ili potpora na koje se naslanjaju betonske ploče ili svodovi. Nasute brane su zemljane, a grade se od homogenog ili nehomogenog materijala. JJ homogene materijale ubrajaju se laporita zemlja i pijesak sa 15-25% gline. Cešće se grade brane od nehomogenog materijala u slojevima od gline do kamenog nasipa (sl. 2.7).

36

Za neke se brane kao završni uzvodni dio upotrebljava beton.Pri izgradnji brane treba brinuti o djelomičnom ili o potpunom pražnjenju

akumulacijskih jezera, te o ispustima za velikih voda. Osim toga, treba imati na umu mogućnost normalnog toka kod protočnih elektrana, te prijelaz riba, a na plovnim rijekama i prolaz brodova. Za to služe preljevi, ispusti i protočna polja. Nasute brane ne dopuštaju prelijevanje, pa su organi za te prijelaze uvijek izvan brane. Ako masivne brane nisu suviše visoke, prelijevanje preko njih je moguće.

Preljevi mogu biti otvoreni ili zatvoreni. Otvoreni preljevi mogu biti na samoj brani ili izvan nje i mogu biti slobodni ili s ustavama. Preljevi se dimenzioniraju za velike vode koje bi se mogle pojaviti jedanput u tisuću godina. Za pražnjenje akumulacijskih jezera, u brane se ugrađuju ispusti. Kod masivnih brana ispusti

37

Slika 2.9. Brana Kazaginac HE Orlovac

prolaze kroz tijelo brane, a kod nasutih brana vezani su za obilazne tunele. Na slici 2.8 prikazana je lučno-gravitacijska brana HE Zakučac, a na slici 2.9 nasuta brana Kazaginac HE Orlovac.

2.3.2. Zahvat

Zahvat ima zadatak da vodu zaustavljenu branom primi i usmjeri prema strojarnici. Razlikuju se dva tipa, ovisno o visini brane. U niskih brana, gdje je razina vode praktički stalna zahvat je na površini vode. Ako razina vode u jezeru varira, brana je visoka, a zahvat je ispod površine vode. Prolaz vode kroz zahvat regulira se zapornicima (2) (sl. 2.10).

2.3.3. D ovod vode

Dovod vode spaja zahvat s vodnom komorom. Može biti sagrađen kao tunel ili kao kanal, ovisno o konfiguraciji terena i pogonskim uvjetima koji se postavljaju hidroelektrani. Tunel se može izvesti kao gravitacijski ili tlačni. U gravita- cijskom tunelu vodom nije ispunjen cijeli tunel, pa je za promijenjeno dotjecanje vode potrebno mijenjati otvor na zahvatu. Kod tlačnog tunela, tunel je ispunjen vodom i za promijenjeno dotjecanje vode ne treba mijenjati otvor na zahvatu. HE s tlačnim tunelom su elastičnije u radu.

38

2.3.4. Vodna ili tlačna komora

Vodna ili tlačna komora smještena je na kraju dovoda, a na početku tlačnog cjevovoda. Zadatak vodne komore je da porast tlaka koji nastaje naglim zatva- ranjem turbine ili pritvaranjem dovoda vode ograniči na relativno nisku vrijednost. Volumen vodne komore mora osigurati prethodni uvjet. Ako je dovod gravitacijski ili kanalni, tada je to otvoreni bazen, a ako je dovod tlačni tunel, povišenje na kraju dovoda mora se izvesti kao vodna komora da zadovolji sve uvjete elastičnog rada. Kada god je moguće vodna komora treba biti otvoreni bazen radi lakšeg "disanja". Na prelasku vođne komore u tlačni cjevovod stavlja se zapornica (4) koja djeluje automatski pri oštećenju cjevovoda (sl. 2.11).

Slika 2.11. Vodna komora: 1 - akumulacija, 2 - dovod, 3 - vodna komora, 4 - zapomica, 5 - tlačni cjevovod

2.3.5. Tlačni cjevovod

Tlačnim se cjevovodom dovodi voda od vodne komore do turbine. On je od čelika, a za manje padove od betona. Može biti postavljen na površini zemlje ili u tunelu. Na ulazu u cjevovod je zapornica, a njezina izvedba ovisi o tlaku na početku cjevovoda. Postavljanje zapornica na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina spojenih na jedan cjevovod i o pogonskim zahtjevima hiđroelektrane.

Na ulazu u cjevovod (sl. 2.12) pored glavne (2) postoji i pomoćna zapornica (1) koja omogućuje pregled i popravak sigurnosne zapornice. Osim glavnog cjevovoda (5) na početku je i obilazni cjevovod (4), mnogo manjeg promjera od glavnog cjevovođa. On služi za punjenje glavnog cjevovoda, što omogućuje lakše otvaranje zapornica, jer se tako s obje njezine strane izjednačava tlak. Na glav- nom cjevovodu, iza zapornica, ventil je za ođvođenje i dovođenje zraka u tunel (3).

Turbina se s vodnom komorom može spojiti tlačnim cjevovodom na različite načine. Jedan od njih jest da svaka turbina ima vlastiti cjevovod. Drugi način je

Siika 2.12. Priključak tlačnog cjevovoda: 1 - pomočna zapornica, 2 - sigurnosna zapornica, 3 - ventil za zrak, 4 - obilazni cjevovod, 5 - tlačni cjevovod

Slika 2.13. Spajanje cjevovoda i turbine, a - svaka turbina ima svoj cjevovod, b - jedan cjevovod za više turbina (1 - zapornica, 2 - cjevovod, T - turbina)

39

da sve turbine imaju zajednički cjevovod. Zaporni organ se postavlja ispred turbina, poglavito ako je tlačni cjevovod zajednički. Na slici 2.13 prikazano je spajanje cjevovoda i turbine.

2.3.6. Strojarnica

Strojarnica je zgrada u kojoj su smještene turbine, generatori, mosna dizalica, turbinski zatvarači, kućni transformator, električna komanda, akumulator- ska baterija, kompresorsko postrojenje, crpke za rashladnu vodu, uređaji za gašenje požara, ventilacijski uređaji i slično.

Rasklopno postrojenje je obično izvan strojnice.Strojarnica može biti nadzemna i podzemna, što ovisi o konflguraciji terena

i o sigurnosnim razlozima. Izbor položaja strojarnice pripada u kompleks rješavanja dispozicije, a prethode mu dugotrajna i složena istraživanja i teh- ničko-ekonomske analize.

Veličina strojarnice ovisi o broju agregata i o njihovoj snazi, te o smještaju transformatora i niskonaponskog razvoda. Sirinu zgrade određuje i položaj dovodne cijevi, te položaj i tip turbinskog zatvarača.

Nosivost mosne dizalice određuje se prema težini rotora generatora.Kod podzemnih strojarnica transformatori su u glavnoj hali ili u posebnom

prostoru. Predturbinski zatvarači mogu biti unutar strojarnice ili u posebnom prostoru. Prostor za transformatore nalazi se uz pristupni tunel, što bliže generatorima.

V '!§

V

40

U nadzemnim strojarnicama transformatori su ispred ili iza njih, a rasklopno postrojenje nižeg napona u posebnoj zgradi. Strojarnica ima sustav drenaže koji onemogućuje poplavu prostorija ispod razine donje vode.

Podzemne strojarnice moraju imati dobru ventilaciju i klimatizaciju radi sprečavanja kondenzacije vlage na strojevima i aparatima. Na slici 2.14 prikazana je strojarnica HE Manojlovac, a na slici 2.15 turbinski kat strojarnice HE Zakučac.

2.3.7. Odvod vode

Zadatak odvoda je da vodu nakon iskorištenja u turbinama vrati u korito vodotoka ili do zahvata druge HE. Kod nadzemnih strojarnica voda iz strojarnice otječe neposredno u rijeku ili, ako je strojarnica udaljena od rijeke, u kanal. Iz podzemnih HE voda se odvodi svinutim difuzorom do korita rijeke ili do odvod- noga kanala. Ako je put do kanala dug, a protok velik, voda otječe pod tlakom, pa je potrebna donja vodna komora slična gornjoj komori. Ako voda utječe u more posebnom cijevi, cijev se mora zaštititi od utjecaja morskih valova.

41

2.4. Vrste hidroelektrana

Radi racionalnijeg iskorištavanja vodnih snaga treba prije gradnje postrojenja izraditi osnovni projekt iskorištenja vodotoka od izvora do ušća. Pritom treba imati na umu ne samo energetsko korištenje vode, nego i zaštitu poljoprivrede, flore i faune, opskrbu stanovništva vodom, eventualno iseljavanje, mogućnost plovidbe i ostalo.

Osim toga, izvedba hidroelektrane ovisi i o topografskim uvjetima, geo- loškim prilikama i pogonskim zahtjevima koji se postavljaju postrojenju.

Ovisno o mjestu strojarnice prema brani, razlikuju se'dva osnovna tipa hiđroelektrana: pribranske i derivacijske. Gradnjom brane i elektrane u koritu rijeke najjednostavnije se podiže razina vode. To je pribranski tip hidroelektrane. Ako je strojarnica u sastavu brane, i tako preuzima dio tlaka vode, tada je riječ o riječnoj ili ubranskoj hidroelektrani.

Derivacijske hidroelektrane se grade u brdovitim predjelima ili u ravnici, kada se samo gradnjom brane ne ostvaruje ekonomičan pad vode. Tada se voda dovodi tunelom ili kanalom. Derivacijske hidroelektrane mogu biti gravitacijske i tlačne.

Prema visini pada, hidroelektrane se dijele na niskotlačne i visokotlačne. Niskotlačne hidroelektrane grade se kao riječne, pribranske i derivacijske, na padu do 50 m, a visokotlačne kao pribranske i derivacijske na padu većem od 50 m.

2.4.1. Niskotlačne hidroelektrane

Niskotlačne hidroelektrane se grade kao riječne ili ubranske, pribranske ili derivacijske na padu, kako je rečeno manjem od 50 m.

Riječna hidroelektrana je tip elektrane u kojoj je strojarnica dio brane. Ima različitih varijanti ovisno o smještaju strojarnice. Ako su rijeke međudržavne granice, a gradnja HE zajednička, tada su strojarnice na objema obalama. U ostalim varijantama strojarnica je na jednoj od obala, i to na pristupačnijoj, ili je pak ugrađena po cijeloj brani, tako da se po jedna turbina ugradi u za to predviđen stup brane. U hidroelektrane ovog tipa ugrađuju se najčešće Kaplano- ve turbine. Kod niskotlačnih hidroelektrana dio brane s protočnim poljima za propuštanje velikih voda može biti u sredini rijeke ili uz jednu od obala. Ako je rijeka plovna, u sklopu brane je i provodnica za prolaz brodova.

Kada je pad veći od 20 metara, zgrada strojarnice mora se odvojiti od brane i postaviti na njezino podnožje. Takav tip je pribranska HE. Voda se dovodi do turbina kroz tlačne cijevi koje su u tijelu brane. Turbine su propelerne.

Grade se dva tipa hidroelektrana, i to s preljevima preko krune brane ili s preljevom na obalama, pomoću obilaznih tunela. Takve hidroelektrane imaju temeljni ispust i na dnu brane koji svojim kapacitetom može zadovoljiti potrebe nizvodnih korisnika vode.

Derivacijska niskotlačna hidroelektrana se izvodi samo kao gravitacijska. Takve hidroelektrane obično imaju višestruku namjenu u srednjem i donjem toku rijeke, gdje su padovi manji. Branama se ne može postići veći pad, pa se za njegovo povećanje grade dovodni i odvodni kanali. Tako se mogu u jednoj stepe-

42

nici koristiti relativno dugi potezi rijeka. Plovidba dovodnim i odvodnim kanalima je lakša i jeftinija nego prirodnim koritom rijeke. Istodobno se povećava sigurnost od poplava, poboljšava opskrba vodom , a kanal se m ože koristiti za šport i rekreaciju. Kod nas su sagrađene tri stepenice na Dravi (HE Varažđin, Cakovec i Dubrava), a u planu je još nekoliko stepenica. Karakteristični raspored takvih hidroelektrana je H E Varaždin (sl. 2.16).

I Slika 2.16, Ilaspored IIE Va- raždin: 1 - Drava, 2 - obođni nasipi, 3 - brana, 4 - usporni bazen, 5 - dovodni kanal, 6 - strojarniea, 7 - ođvodni ka nal

U koritu rijeke gradi se brana kojom se voda usmjerava u dovodni kanal. Brana u korito propušta biološki m inim um . D ovodm kanal je često poluukopan. Strojarnica je sm ještena na nekoj prirodnoj stepenici na terenu. Odvodni kanai je dublje ukopan, i to na cijeloj duljini. D ovodni i odvodni kanali dugački su od 10 do 15 km. Brana i strojarnica moraju biti izvedene tako da om oguće rad elektrane, prolaz brodova ako su kanali plovni i ispuštanje vode iz dovodnog u odvođni kanal kada elektrana ne radi, U tim elektranam a se obično koriste Kaplanove turbine, a zovu se kanalnim hidroelektranama. N a slici 2.17 prikazana je pribranska H E Dubrava.

43

2.4.2. Visokotlačne hidroelektrane

Ilidroeiektrane s padom većim od 50 m mogu biti pribranske i derivacijske.Pribranske hidroelektrane najčešće imaju akumulacijsko jezero s djelomič-

nom ili potpunom godišnjom regulacijom protoka i m ogučnošću vršnog rada tijekom dana. Mogu biti podzem ne ili nadzemne. Mjesto strojarnice ovisi o širim rječnog korita. Ako je rijeka uska strojaimica zauzima cijelu širinu riječne doline, ali se gradi uz branu. Malokad je strojarnica u tijelu brane. Turbme su najčešće Francisove, a ako su protoci mali, i Peltonove. Brane su najčešće lučne, a grade se u uskim kanjonima. Tim e se smanjuju troškovi akumulacijskog jezera, ali je problem strojarnica za koju u koritu rijeke nema dovoljno mjesta. Tada se gradi podzem na strojarnica, a m ože biti i nadzemna, položena uz branu ili paralelno s rijcčnim koritom.

I3erivacijske IIE grade se kao gravitacijske ili tlačne.Gravitacijske visokotlačne hidroelektrane grade se samo na rijekama na

kojima se iz topografskih razloga ne m ože usporiti vođa i povećati pad. To je slučaj iznad prirodnih vodopada. Voda se dovođi kanalom, ako su obale podesne, ili tuneiom, kroz koji voda teče gravitacijski. Takve HE mogu rad.'ti sam o kao protočne.

U nas su tlačne đerivacijske hidroclektrane najčešće. Dvije su vrste tih hidroelektrana i to švedska i alpska ili dinarska.

Kod šveđske vrste, slika 2.18, dovod je kratka tlačna cijev. Strojarnica je uvijek podzemna, a odvodni tunel gravitacijski. Grade se na čvrstim granitnim stijenama kakvih ima u Svedskoj.

Alpsku lli dinarsku vrstu hidroelektrana karakterizira dugi i relativno visoko položeni dovodni tlačni tunel i tlačni cjevovod. Strojarnica m ože biti nadzemna ili podzemna. Ta vrsta HE gradi se u propusnim i raspucalim stijenama.

Slika 2.18, Švedske izvedbe derivacyske HE: 1- brana, 2 - ejevovod, 3 - podzemna strojarnica, 4- donja vodna komora, 5- ođvodni kanal, 6 - kori- to rijeke, 7 - pristupno okno, 8 - brdoviti teren

Slika 2.19. Alpska derivacijska HE: 1 - brana i jezero, 2- ulazna gradevina, 3 - tiačni tunei, 4 - vodna komora, 5 - tlačni cjevovod, 6- podzemna strojarnica, 7 - odvodni tunel, 8 - korito rijeke, 9 - pristupni tunel, 10- planinski leren

44

Slika 2.20. HE Or-lovac

i1 gdje ima podzemnih voda, primjerice u Alpama i u našem kršu. Kako skretanjem ■ vode u podzemnu derivaciju korito ostaje suho ili s biološkim m inim um om ,

hidroelektrana se m alokad gradi uzduž glavnog toka rijeke.Izvodi se u složenim sustavima iskorištavanja vode ili u uzvodno slabo

naseljenim područjima. Derivacije služe i za odvod vode s plavljenih kraških polja, dovod vode gdje ona nedostaje, odvod u more, ali uz prethodno iskorišta- vanje. Tako je građena H E Zakučac, koja se koristi glavnim padom rijeke Cetine, ali i vodama iz Livanjskog polja, koje se, iskorištene u HE Orlovac, odvode u rijeku Cetinu.

Na slici 2.19 prikazana je shema alpske derivacijske hidroelektrane.Na slici 2.20 prikazana je derivacijska HE Orlovac.

2.5. Vodne turbine

Vodne turbine su rotacijski hiđraulički strojevi koji energiju vode pretvaraju u mehanički rad, Zovu se još i hidraulički motori.

'Prva vodna turbina konstruirana je 1837. godine. Poslije su se razvila tri tipa turbina. Francisova turbina je konstruirana 1847. godine, a koristi se za padove do 500 m. Peltonova turbina je konstruirana 1878. godine, i koristi se za padove veće od 500 m. Kaplan je 1922. godine konstruirao turbinu za padove do 30 m. Vodne turbine mogu se podijeliti na tri načina:

- prema stupnju reakcije (stalnosti tlaka)- prema pravcu strujanja vode u radnom kolu- prema koeficijentu brzohodnosti.Prema stupnju reakcije, turbine se dijele na akcijske i reakcijske. Turbine

koje rade bez promjene tlaka od ulaza do rotora zovu se akcijske ili stalnotlačne.

45

Kod njih se brzina vođe mijenja od c\ na ulazu u rolor do C2 na izlazu iz rotoi’a, pri čemu je C2 m nogo manja. Toj skupini pripada Pelton-turbina. Turbine kod kojih se dio energije do ulaza u rotor pretvara u brzinu, a preostali dio energije čini tiak na ulazu u rotor reakcijske su ili pretlačne. U tu skupinu pripadaju propelerna turbina i Francisova turbina.

Prem a pravcu strujanja vode u radnom kolu (rotoru), turbine se dijele na:- aksijalne (propelerne)- radijalno-aksijalne (Francis)- tangencijalne (Pelton).Danas se vodne turbine grade za koeficijente brzohodnosti od ns = 2 do ns —

= 1 200. Općenito, turbine većeg koeficijenta brzohodnosti su brže, imaju veći protok i manji pad. Prem a koeficijentu brzohodnosti turbine su svrstane u tri grupe:

1. Peltonova turbina: ns = 2 - 10, sporohodnens = 10 - 20, normalne, ns = 20 - 50, brzohodne;

2. Francisova turbina: ns = 40 - 180, sporohodne,ns = 180 - 250, normalne, ns ~ 250 - 550, brzohodne;

3. Kaplanova turbina: ns = 400 - 1 200.U hiđroelektranama se koriste Peltonove, Francisove, Kaplanove turbine i

cijevne turbine.

2.5.1. Peltonove turbine

Peltonove turbine koriste isključivo kinetičku energiju vode. Na mlaz vode djeluje atm osferski tlak, pa se turbine još zovu i turbine slobođnog mlaza. Grade se za koeficijente brzohodnosti od 2 do 50. Upotrebljavaju se u hiđroelektranama brdskih predjela gdje su padovi od 400 do 2 000 m i protoci vođe mali. Glavni dijelovi tui'bine su radno kolo, mlaznice i kučište (sl, 2.21).

Voda (1) u turbinu se dovodi tlačnom cijevi u jednoj mlaznici, dvije mlaznice ili više njih (3). Mlaz tekućine udara u ulazni rub lopatice (6) pod kutom od 180° i izlazi izlaznim rubom iz lopatice. Prom jenom količine gibanja mlaza okreće se rotor turbine. Rotor je zatvoren u kućištu (7), a posebnim kanalom ispod turbine voda se odvodi u riječni tok. Mlaznice se uvijek izvode u kružnom presjeku, a opremljene su pom ičnom iglom za regulaciju protoka. Peltonove turbme izvode se s vertikalnim ili horizontalnim vratilom.

Slika 2.21. Presjek kroz Peltonovu turbinu: 1 - voda, 2 - servomotor za mlaznicu, 3 - mlaznica, 4 - rotor, 5 - skrelač mlaza, 6 - lopatice, 7 - kućište

46

Slika 2-22. Regulacija protoka vode kroz Peltonovu turbinu: 1 - kućište mlaznice, 2 - regulacijska igla, 3 - skretač mlaza, 4 - spoj sa servomotorom

3

Turbina se regulira tako da joj se mijenja snaga prema opterećenju, a da pri tom brzina ostane ista (sl. 2.22). Naim e m laznica (1) pom oću regulacijske igle (2) više se ili m anje otvori, odnosno zatvori, i tim e poveća ili smanji količina vode koja struji prem a lopaticam a turbine. Oblik m laznice i igle m ora biti takav da ne smeta strujanju vode kroz mlaznicu. Ako se opterećenje naglo promijeni, m ora se brzo regulirati količina vode koja izlazi iz m laznice. Kako voda dolazi do turbine dugačkim cjevovodom , naglo zaustavljanje vode uzrokovalo bi hidraulički udar u cjevovodu. Da bi se to spriječilo, količinu vode treba mijenjati postupno, pa se zbog toga količina dotoka vode u turbini regulira autom atskim skretačem m laza (3).

Skretač m laza ima zadatak da pri sm anjenom opterećenju turbine brzim djelovanjem skreće dio m laza od lopatica u odvodni kanal, i tako smanji količinu vode koja je djelovala na lopatice turbine. U m eđuvrem enu se regulacijska igla polako pomiče, sve dok se otvor m laznice ne smanji koliko je potrebno u odnosu prema opterećenju, a skretač m laza se istodobno vraća u svoj prvobitni položaj.

Osim skretača mlaza, na dovodnu cijev m laznice postavlja se i regulator tlaka. Ako tlak poraste više od dopuštene granice, regulator autom atski pušta tlačnu vodu u odvodni kanal, sve dok se ponovo ne uspostavi norm alan rad fcurbine.

2.5.2. Francisove turbine

Francisove turbine su reakcijske turbine s koeficijentom brzohodnosti od 50 do 550, te za padove od 25 do 500 m. To su radijalno-aksijalne turbine. Voda lopaticama rotora stiže po cijelom obodu preko lopatica statora. Glavni dijelovi Francisove turbine (sl. 2.23) jesu: spiralno kućište (1), statorsko kolo (2) s pomičnim lopaticama, radno kolo (rotor) (3) s profiliranim lopaticam a (5), te aspirator ili difuzor (4) za odvod vode iz radnog kola. Francisove turbine mogu imati horizontalno ili vertikalno vratilo. Vertikalna izvedba je češća i stabilaija, jer su vibracije manje. U z turbinu je i servom otor za regulaciju rada turbine koja se provodi reguliranjem položaja statorskili lopatica.

Slika 2.23. Presjek kroz Francisovu turbinu: 1 - spiralno kućište, 2 - statorsko kolo, 3 - rotor, 4 - đifuzor, 5 - lopatiee rotora, 6 - dotok u spiralno kućište i izlaz iz difuzora

47

2.5.3. K aplanove turbineKaplanove turbine su aksijalne reakcijske turbine velikog koeficijenta brzo-

hodnosti od 400 do 1 200. Koriste se za padove do 30 m. Na slici 2.24. prikazan je presjek kroz Kaplan-turbinu. Iz spiralnog kućišta (1) voda ulazi kroz statorske

lopatice (2) i (3) u radno kolo koje ima pomične lopatice (4). Prom jenom položa- ja lopatica rotora bolje se iskorišt.ava energija vode pri promjeni režima strujanja vode.

Slika 2.24. Presjek krojt Kaplanovu lurbi- nu: 1 - dotok vode u spiraLno kućiŠte, 2 i 3- statorske lopatiee, 4 - lopatice rotora, 5- izlaz vode iz difuzora

2.5,4. Cijevne turbine

Za velike količine vode i male padove od nekoliko metara koriste se cijevne turbine. U cijevnim je turbinama spiralno kućište Kaplanove turbine zamijenje- no cijevju kojom se voda usmjerava prema sprovodnom kolu. Tako se dobije jednostavnija i jeftinija konstrukcija. Turbina (3) je aksijalna, i generator (2), (u specijalnoj brtvijenoj metalnoj čahuri), smješteni su u cijevi (6) kroz koju prolazi voda (sl. 2.25).

Slika 2.25. Shematski prikaz cijevne turbine: 1 - brana, 2 - električni generator, 3 - turbina, 4 - lopatiee statora, 5 - eijev za električne priključke generatora, 6 - eijev za usrpje- ravanje vode sprovodnom kolu

Najveći problem cijevnih turbina je izrada brtvljene metalne čahure u kojoj je generator okružen vodom. Cijevne turbine izrađuju se za koeficijente brzohodnosti od 800 do 1 000,

2,5.5. Snaga i stupanj korisnosti vođnih turbina

Ukupna raspoloživa snaga vode koja se na dijelu toka može u turbini pretvoriti u okretni m om ent može se, prema formuli za raspoloživu snagu (pogl. 2.2.3) izraziti fonnulom :

P = g - p Q - H n -V [W],

48

gdje su:Q - nominalni protok vode kroz turbinu [m l1 s 1],Hn - neto-pad [m],r] - ukupni stupanj korisnosti turbine.

Količina transformirane energije u radnom kolu turbine ovisi o promjeni količine gibanja vode od ulaza do izlaza iz radnog kola. M oment koji se pojavijuje na vratilu turbine jest razlika ulaznoga i izlaznog mornenta količine gibanja. Pocl djelovanjem tog m om enta radno kolo će se okretati brzinom tu, pa će se električ- nom generatoru na vratilu predati snaga;

Pm=M- oj [W], gdje su:

M - obrtni m om ent [Nm], oj - kružna brzina [s"1]

Stupanj korisnosti reakcijskih turbina definira se kao:

rj = rj]x-rjv -rjm,

je hidraulički stupanj korisnosti, a definira se preko gubitaka u statoru, rotoru i difuzoru, koji nastaju zbog trenja i promjene brzine.

Vv je stupanj korisnosti koji uzima u obzir gubitak vode. Nainie, sva količina vode koja prođe kroz stator ne uspije proći kroz rotor, jer se jedan dio gubi kroz raspore između statora i rotora.

r/m je mehanički stupanj korisnosti, a definira se preko gubitka trenja u ležištima i brtvama turbine, te preko gubitaka koji nastaju trenjcm zbog vrtnje rotora.

Stupanj korisnosti akcijskih turbina definiran je:

rj = tjb. ' rjm.

Akcijske turbine, za razliku od pretlačnih, nemaju ni gubitke vode ni gubitke u difuzoru.

Pojedini stupnjevi korisnosti i ukupni stupanj korisnosti, ovisni su o brzini strujanja, vrst.i strujanja, hrapavosti, izvedbi i snazi turbina.

Ovisnost stupnja korisnosti o snazi turbine i njezinu protoku radne su karakteristike vodnih turbina. Karakteristika rj = f (P) (sl. 2.26) pokazuje efika-

Slika 2.26* Dijagram ovisnosti stupnja korisnosti o snazi turbine: 1 - Peltonova turbina, 2 - Kaplanova turbina, 3 - Franci- sova turbina

T| “/.

4 Elekti-ane 49

Ovisnost stupnja korisnosti o protoku. m alnog protoka vidi se na slici 2.27.

Slika 2.27. Dijagram ovisno* sti stupnja korisnosti o protoku vode kroz turbinu: 1 - Peltonova turbina, 2 - Ka- planova turbina, 3 - Franci- sova turbina, 4 - propelerna turbina

snost rada turbine pri promjeni opterećenja. Na slici se vidi da najveći stupanj korisnosti imaju Francisove turbine, najpovoljniju korisnost Kaplanove turbine, a Peltono- ve turbine najmanju ovisnost stupnja korisnosti o snazi.

odnosno o odnosu protoka i maksi-

2.5.6. Izbor koeficijenta brzohodnosti i tipa vodnih turbina

Vodne turbine su veliki i skupi uređaji. Zato projektanti trebaju ođređiti njihov oblik, dimenziju i brzohodnost za pretvorbu energije uz što manje gubitke. Za ispitivanje se izrađuju laboratorijski modeli turbina. Oni moraju ostvariti strujanje potpuno slično strujanju u stvarnim turbinaina. Dotjeran model vodne turbine, koji je pri ispitivanju dao dobre energetske i druge rezultate, može poslužiti kao osnova za projektiranje tog tipa turbina različitih veličina. Hidra- uličke karakteristike će biti slične. Između modela i stvarne turbine m ora postojati geometrijska, kinematička i dinamička sličnost. Karakteristične veličine koje čine parametre sličnosti jesu pađ, protok i gustoća vode, zatim brzina vrtuje, Zemljino ubrzanje, te promjer i jedinična energija. Jedna od bitnih karakteristika pri izboru tipa vodmh turbina je koeficijent brzohodnosti. On se ođređuje iz relacija siičnosti između modeia i stvarne turbine, a računa se prema fovmuii:

_ n\^Q

n s = V g V

gdje su:n - brzina vrtnje stvarne turbine [m],

- protok [m 3 s '1], g - Zemljino ubrzanje [ms' ],H - pad [m ].

Koeficijent brzohođnosti izračunava se iz relacija šličnosti te je bezdimenziona- lan.

Pošto je snaga turbine

50

1

P = g H Q p - y [W],to se koeficijent brzohodnosti m ože izračunati i preko snage:

n'J~Ptls = , / r - •

Koeficijent brzohodnosti iznosi od 2 do 1 200, što ovisi o tipu vodne turbine. U području prekiapanja koeficijenata brzohodnosti 40 50 (Pelton i Francis) te d()0 - 500 (Francis i Kaplan) oba tipa mogu dobro raditi, Tehnićko-ekonoinskom analizom se odlučuje koji će se tip turbine pri preklapanju odabrati,

Porastom brzohodnosti za istu snagu i pad turbine smanjuje se pronijer radnoga kola, ali se brzina strujanja vode naglo povećava pa se stvaraju povoljni uvjeti za neželjenu kavitaciju. Smanjenjem brzohodnosti, dimenzije turbine se povećavaju, što utječe na njezinu cijenu. Zato je potrebno odrediti granice brzohodnosti za dane uvjete.

Brzina vrtnje turbine mora biti usklađena i s frekvencijom generatora koja je 50 ili 60 Hz. PraktiČki je brzina vrtnje ograničena raspoloživim padom, a to je u izravnoj vezi sa snagom turbine.

Ako se uzmu u obzir svi čimbenici koji utječu na izbor tipa vodene turbine, može se zaključiti da se ograničena područja primjene mogrn preklapati, što se najbolje vidi na slici 2.28. Na slici su prikazana područja primjene vodnih turbina u ovisnosti o padu i protoku.

Vodna turbina i generator čine cjelinu, zvanu hidroagTegat, Hidro- agregat je dakle složeno postrojenje; turbina preko spojke pokreće generator, pa im je sustav okretnih dijelGva i njihovih oslonaca (ležaje- va) zajednički. Broj (količina) agregata ođređuje se na osnovi tehničko- -ekonomskih anahza, uzimajući u obzir ulogu hidroelektrane u elektro- magnetskonr sustavu. Kada je poznata snaga HF, analiziraju se dvije do tri rnoguće varijante broja agregata. Za svaku se varijantu izraču- nava snaga agregata, snaga turbine, parametri i dimenzije turbine i generatora, đimenzija zgrade, prora- čun gradevinskih i montažnih rado- va te ulaganja, godišnji troškovi HE l troškovi proizvodnje energije. Oda- bire se na kraju optimalna varijanta

2.5.7. Kavitacija

Pod kavitacijom se razumijeva pojava i nastajanje mjehurića pare pri strujanju vode kroz turbinu.

I J U U

1200 1100 1000

900aoo700600500

too300

200

150

10050

25

----Ns

>\

\1

/

Pelton i Frar cis

^ J\ ( \ ,

l( Fr<incn

F8.

\ rancisT

<df l<ir‘

KapLan L k0 5 10 15 20 30 40 50 60 80 100 140 180 200

Q m3/sSlika 2.28. Područje primjene vodnih turbina

51

r

Mjehurići pare nastaju isparavanjem vode pri atm osferskom tlaku i pri temperaturi zasićenja od 100 °C. Međutim, u vodnim turbinama temperatura vode je od 14 do 30 °C i u turbini voda se može ispariti na onim mjesthna gdje se tlak spustio na tlak zasićenja. Tako nastali mjehurići pare dođu u područje višcg tlaka i tu bivaju razoreni. Razaranjem tih mjehurića, nastaje, pri vrlo visokim tlakovima u mlazu vode niz hidrauličkih udara i oslobađa se energija u obliku valova pritisaka koji se šire po turbini i izazivaju vibracije karakterističnog šuma. Ako se mjehurići razaraju uz povrsinu lopatice turbine, tada postupno erodira i materijal turbinske iopatice. Dužim djelovanjem kavitacije lopatica se potpuno razori. Prema tome, kao posljedica kavitacije vode m ože se pojaviti i erozija (izjedanje) lopatica turbine. Pošto mjehurići kavitacije razbijaju ujednačenost strujanja vode kroz turbinu, kavitacija može utjecati i na energetske karakteristike agregata, U vodnim turbinama potlačno stanje nastaje na izlaznoj strani lopatičnoga kanala, Analizirajući strujanje vode na izlaznoj strani lopatičnoga kanala, a slijedeći strujanje kroz rađno kolo i aspirator do razine izlazne vode, inože se doći do koeflcijenta kavitacije. On određuje veličine koje izravno utječu na kavitaciju. To su brzina stm janja i protok vode na izlaznom rubu lopatice, te visina osi agregata prema izlaznoj vodi. Ođređivanje i proučavanje utjecaja kavitacije na konstrukciju i montažu turbine složen je zadatak. Ćesto je zbog visoke cijene teško postići beskavitacijski rad turbine, no kavitacija se svakako mora svesti u podnošljive okvire.

2.6. Crpno-akumulacijske ili reverzibilue hidroelektrane

Crpno-akumulacijske ili reverzibilne hiđroelektrane postrojenja su koja rade kao i sve hidroelektrane, ali imaju m ogućnost vraćanja iskorištene vode u akumulacijsko jezero (sl. 2.29).

Te hidroelektrane imaju gornji akumulacijski bazen i donji bazen za skupljanje vode. Ponekad nemaju donji bazen već se voda iz riječnog korita prebacuje u gornje jezero. Tada tok rijeke rnora zadovoljiti potrebe za vodom. U gornji akumutacijski bazen ponekad ne dotječe voda, već se puni iz donjeg bazena. Ćesti su primjeri da se akumulacijsko jezero puni prirodnim dotokom koji najčešće nije dovoljan. Reverzibilne HE imaju dvije vrste pogona: turbinslu i crpni. U turbinskom pogonu hidroelektrana radi kao i svaka druga. U crpnom pogonu eiektrana radi kao potrošač električne energije, pri čomu generator radi kao elektromotor,

Slika 2.29. Shema crpnoakumulaeljskih HE: 1 - donji bazen, 2 - gornji bazen, 3 - generator, 4 - turbina, 5 - crpka, 6 - cjevovod, 7 - zapornica, 8 - električna mreža

52

Neka postrojcnja iraaju zasebnu crpku i to su tzv, trojna postrojenja. Radi smanjenja Lroškova odnedavno se primjenjuju dvojna postrojenja, koja se sastoje od hidrauličkog stroja (turbina - erpka) i električnog stroja (generator - olektro- motor).

U svakom slučaju, ta su postrojenja potrošači električne energije. Osim toga, imaju ulogu da oplemenjuju jeftinu energiju (noćnu ili sezonsku) u skupu energiju. Kada postrojenje radi, u crpnom pogonu troši električnu energiju :

= P J L Q c n t ‘ [ws],Vc

gdjeje:O

p - gustoča vode [kg m ], g - gi’avitacija [m s" ],Qc - protok vode kroz crpku [m 'V 1],Hc - visina crpljenja [m],tc - trajanje crpnog pogona [s],rjc - stupanj korisnosti crpnog pogona.

Kada postrojenje radi, u turbinskom pogonu proizvodi električnu energiju:

W t = p - g - Q f H - t f 7 ] t [Ws],gdje su:

p - gustoća vode [kg m"3],-2g - gravitacija [m s" ],

Q t- protok vode kroz turbinu [m3s" *],H _ neto pad [m],d - trajanje turbinskog pogona [s],rjt - stupanj korisnosti turbinskog pogona.

Ako usporedimo potrebnu električnu energlju za crpljenje i proizvedenu energiju u turbinskom pogonu za jednaki volumen vođe i za jednaki pad, dobiva se:

Qt' tt — Qc1 tc Poštoje:

Q f t t ~

toje;

Wt

Wtp-g-H-r j t

Wc-rjc

Qc'tc

p- g - H - r j t p - g - H

Wc'7jc_p g - H

Wt = Wc -rjc -7]t

Prema tome, dobivena električna energija u turbinskom pogonu uvijek je manja od utrošene energije u crpnom pogonu.

Cradnja reverzibilnih elektrana ne m ože se opravdati povećanjem proizvodnje električne energije (u načelu), već u smanjenju potrebe za gradnjom drugih tipova elektrana, poglavito onih za pokrivanje vršnih opterećenja. Gradnja može

53

biti pogodna ako je visina crpljenja manja od pada na kojem se koristi tikurnula cijska voda. Takav tip HE je povoljan kad se kombiniraju klasične HE i crpno- -akumulacijske. Takav je primjer KHE Obrovac. Budući da su te HE najčešće dodatna postrojenja u elekt.roenergetskom sustavu, njihova je ekspiotacija ovisna o prilikama u sustavu. Zato opravdanost njihova rada i njihova proizvodnja ovise o potražnji, m ogućnosti proizvodnje hidroelektrana i karakteristikama termoelektrana. Zbog toga se bitno razlikuju postrojenja s dnevnom i sezonskom akumulacijom. Postrojenja sa sezonskom akumulacijom (RHE Obrovac) u kišnom mzdobiju rade u turbinskom pogonu, pogotovo ako je dot.ok vode relativno velik. Takve RHE se grade s veiikim instaliranim protokom u usporedbi sa srednjim protokom, kako bi što duže radile maksirnalnom snagom.

2.7. Hiđroelektrane na plimu i oseku

Plima i oseka se ođavno iskorištavaju kao energetski izvor. Prvi nilin na plimu i oseku radio je već u XI. stoljeću. Procjenjuje se da je ukupna energija plime i oseke oko 23 000 TWh godišnje. Međutim, ta se energija maio iskorištava jer su za to potrebne velike amplitude. Hidroelektrane koje se koriste energijom plimc i oseke posebne su izvedbe. Osim toga potreban je, uz amplitudu između 4 i 12 m, i pogodan zaljev koji se može lako pregraditi, čime se dobiva dovoljno velik akumulacijski bazen. Strojarnica se ugrađuje u samu branu.

Prem a načinu korištenja vode, dvije su izvedbe:- postrojenja s jednostrukim iskorištenjem vođe- postrojenja s dvostrukim iskorištenjem vode.Postrojenja s jednostrukim iskorištenjem vode imaju jedan akumulacijsld

bazen i turbine koje rade samo u jednom snijeru (sl. 2.30).Bazen se puni za vrijeme plime. Tada se otvaraju zapornice, a turbine ne

rade. Korisni pad, nastao zbog razine vode u bazenu i morske vode, koristi se samo za vrijerne oseke. U takvu su pogonu četiri faze rada. U prvoj fazi, za vrijeme plime, akumulacijski se bazen puni dok se ne postigne maksimalna razina vode. U drugoj se fazi zatvaraju zapornice, i bazen je pun dok ne počne

oseka. U trećoj se fazi pokreću turbine, i voda iz bazena otječe u more sve dok se ne postigne maksi- rnalni pad. U četvrtoj se fazi turbine zaustave i čeka se izjednačenje razine u moru i bazeuu, a onda ponovo počinje punjenje bazena i tako redom.

U takvim se postrojenjima more može crpsti u bazen. Crpljenje počinje kada je razina vode u bazenu najvcća. Ono povećava energetsku vrijednost postro-

Slika 2.30. Shema HE na plimu i oacku s jednostrukim iskorištenjem: 1 - zaijev, 2 - brana, 3 - zapornica, 4 - turbina

jenja, jer se voda erpe pri malim raziikama razina, a koristi pri većim, tj. pri većem padu. Jedncstruka postrojenja mogu raditi u turbinskim pogonima i za vrijeme pliine, a bazen se prazni za oseke kroz zapornice. Međutim, veći se pad ostvaruje u prvom primjeru,

Postrojenja s dvostrukim iskorištenjem vode imaju bazen 1 turbine, a energiju vode koriste u oba smjera, tj. za vrijeme plime i za vrijeme oseke.

Time se vrijeme iskorištavanja postrojenja produljuje. No konstrukcija tih hidroelektrana m nogo je sioženlja i skuplja. Istodobno, dvostrukim korištenjem vode ne postiže maksimum plime kao kod jednostrukog pogona. Da bi se uklonio taj nedostatak, turbine se koriste i kao crpke. Turbine počinju raditi kao crpke u trenutku kada je razina vode u moru i bazenu izjednačena. Crpljenje se odvija do unaprijed ođređene razine, koja ne mora biti jednaka maksimumu plime. Crpsti se može i pri oseki, međutim, tada turbine moraju raditi kao dvosmjerne turbine i kao dvosmjeme crpke.

Zbog stalnog variranja veličine pada vode, koji se ovdje koristi u oba slučaja, snaga tih posLrojenja nije stalna, tj. varira izmedu maksimalne i minimalne.

Moguća proizvodnja električne energije u lakvim hidroelektranama izravno je proporcionalna površmi bazena koji nastaje pregradnjom zaljeva i kvadratu amplitude plime. Ako su plime dovoijno velike, gradnja takvih elektrana je ekonomična. Naiine, pri građnji elektrane najskuplja je pregradnja, odnosno brana. Za takve HE povoljne su zapadne obale Francuske i obale Engleske, gdje su plime oko 12 m. H svijetu radi sam o nekoliko takvih FIE, a prva je izgrađena na ušću rijeke La Rance na zapadnoj obaii Francuske. Poslije toga je izgrađena takva HE u SAD u zaljevu Passamogoddy, te HE Severn u Engleskoj. U SAD, ZND, Kini i Australiji realizira se nekoliko takvih projekata. U našoj zemlji nema uvjeta za gi’ađnju takvih hidroelektrana.

2.8. Jednopolna shema i vlastita potrošnja hidroelektrane

Hidroelektrane se ne grade kao odvojena postrojenja, već kao sastavni dijelovi elektroenergetskog sustava. Jednopolna shema je shema spoja IIE na elek- tričnu prijenosnu mrežu i shema spoja za napajanje vlastitog potroška.

Izbor jednopolne sheme ovisi o pogonskim zahtjevima, m ogućnostim a izvedbe o cijeni. Pogonske zahtjeve određujc visina prijenosnog napona, potreba odvo- jenog pogona, opskrba vlastite potrošnje i sigurnost pogona. Na izbor jednopolne sheme utječe i veličina generatora, Lransformatora, prekidača, pri čemu treba brinuti i o mogućnostima transporta do IIE.

HE manje snage obično napajaju mrežu neposredno bez transformatora, bilo da se upotrijebe jednostruke, bilo dvostruke sabirnice.

HE se, u praviiu, priključuju na mrežu napona koji je veći od napona generatora, U praksi se primjenjuju dva naČina prikijučka: blok-spoj genei'ator-transformator i priključak s generatorskim sabirnicama. Biok-spoj se češće koristi, osobito u HE veće snage, Vrlo često se veća HE priključuje na dvije mreže višeg napona. Tada se blok-spoj transformator-generator često koristi kao spoj s mre- žom višeg napona, a veza s drugom mrežom je preko transformatora.

55

Svaka HE ima pomoćne uređaje, nužne za stabiian, siguran i trajan pogon. 'l'i se uređaji moraju stalno 1 sigurno napajati eiektričnom energijom. U HE je trofazna izmjenična struja potrebna za sve sljedeće pomoene, odnosno vlastite potrošače ili za neke od njih:

- pogone hidromehaničke opreme na brani. vodnoj komori, turbini i ođvoclu.- erpke za tiačuo ulje za regulaciju turbina- crpke za vodu za hlađenje- drenažnecrpke- motore montažne dizalice i drugih dizalica- radionice- rasvjetu, grijanje, ventilaciju i klimatizaciju- ispravljače za punjenje akumulatorske baterije- kompresorski urađaj za pneumatski pogon msklopnih aparata- ventilatore za dođatno hiađenje transformatora- ostale uređaje u HE na električni pogon.Ukupna snaga vlastitih potrošača ovisi o veličini HE i iznosi od 3 do 5 % od

ukupne snage.Zbog'važnosti pogona vlastita potrošnja m oi’a imati najmanje dva neovisna

izvora napajanja. Ona mogu biti:- kućni agregat na pogon vodnom turbinom

kućni dizel-agregat- lokalna distribucijska mreža srednjeg napona- kućni transformator priključen na generatorske sabirnice ili druge sabir-

nice srednjeg napona- transformator na odcjepu generatora

pomoćni namot na glavnim transformatorima- posebni "pogonski đalekovođ" koji povezuje susjcdnc elektrane isključivo

radi međusobnog napajanja električnom energijom za vlastitu potrošnju.Koji će se način napajanja vlastite potrošnje odabrati, ovisi o izboru jednopol-

ne sheme HE. U svakom slučaju, moraju se odabrati dva sigurna izvora. Kada se prekine napajanje iz glavnog izvora, napajanje vlastitog potroška mora se automatski prebaciti na rezervni izvor.

Na slici 2.31. prikazana je jednopolna shema hiđroelektrane srednje snage.

2.9. Izvedbe hidroelektrana u Hrvatskoj

U ovom poglavlju bit će opisane važnije HE u Hrvatskoj. To su RH E Obro- vac, kao jedina RU E u našoj zemlji, te HE na rijekama Cetini i Dravi, koje imaju najvcći hidroenergetski potencijal u Hrvatskoj. Riđroenergetski potencijal rijeke Cetine je iskorišten približno 90%, a rijeke Drave oko 45%.

2.9.1. Reverzibilna HE Obrovac

Hidroelektrana Obrovac smještena je na donjem toku rijeke Zrmanje, 10 km uzvodno od Obrovca. Gmdila se ođ 1978. do 1985. godine.

56

dalekovod I. dalekovod II. dalekovod 111.

Sfika 2.31. Jednopolna sKema IIE: P - prekidač, R - rastavljač, T - transformator, RT - regulaeijski transformator, NT - napouski transformator, G - generator

Hidroelektrana je građena s m anjim akumulacijama i reverzibilnom hidro- elektranom. Akumulacija je na gračačkoj visoravni, a potapa područja koja su i u prirodnim uvjetima bila poplavljena. Energetska vrijednost akumulacije je 14,8 GWh. Voda se dovođi u strojarnicu tunelom dugačkim 8 200 m i nadzemnim tlačnim cjevovodom dugim 2 100 m. Voda se koristi na padu od 550 m. Relativno visokim instaliranim protokom od = 5,25 QSr osiguran je visok stupanj iskoristivosti voda u viažnom razdoblju.

U sušnom razdoblju om ogućen je reverzibilni pogon, Elektrana je projektira- na zasrednju godišnju proizvodnju od 430 GWh. Medutim, sam oje 1986. godine ostvarena srednja godišnja proizvodnja, a ostalih je godina mnogo manja. Tako je 1989. godine godišnja proizvodnja bila samo 207 GWh. Reverzibilni pogon HE se posljednjih godina slabo koristio.

Od 1985. do 1989. gođine elektrana je samo 1986. i 1989. radila u reverzibilnom pogonu, i to s ukupnom energijom crpljenja od 18 GWh. Prema tome, može se zaključiti da HE, iako je građena kao reverzibilna, većinu energije koristi od prirodnog dotoka, a vrlo malo u reverzibilnoni pogonu.

57

Tehnički podaci:- korisni volumen akumulacije 12 h m 3- konstruktivni pad turbme 517 m- konstruktivni napor crpke 559 m- instalirani protok turbine 2 x 30 m 3 T 1- instaliram protok crpke 2 x 20 m 3- snaga turbina 2 x 140 MW- snaga generatora 2 x 138 M W- snaga m otora 2 x 120 MW- instalirana snaga elektrane 276 MW- sređnji energetski ekvivalent 1,25 kWh m"Agregati su izvedeni tako da zadovoljavaju:- turbinski pogon- crpni pogon- kompenzaeijski pogon.Agregati se u crpnom pogonu pokreću statičkim pretvaračem frekvencije.Uređaj za frekvencijsko pokretanje sastoji se od energetskog dijela i dijela u

kojem se obavlja regulacija i upravljanje. Energetski dio se sastoji od transforma- fora, tiristorskog ispravljača, tiristorskog izmjenjivača i prigušnice. U tom ure- đaju se trofazna izmjenična struja iz mreže pretvara u trofaznu izmjeničnu struju promjenljivog napona i frekvencije, pa se za vrijeme zaleta dovodi na statorski namot sinkronog stroja. Pri zalijetanju napon sinkronog stroja raste proporcionaino frekvenciji do nazivne vrijednosti. Pri brzini koja je nešto veća od sinkrone, uređaj za pokretanje se isključi i stroj se sam sinkronizira pa radi kao m otor preko blok-transformatora, priključen na mrežu od 400 kV. Ukupno vrijeme trajanja pokretanja je 220 sekundi.

Proces rada u IiE Obrovac potpuno je automatiziran. Proccsno računalo s daljinskim stanicama omogućuje daljinski nadzor iz Vrborana u Splitu i repu- bličkog dispečerskog centra u Zagrebu.

2,9.2. Hidroenergefcski potencijal rijeke Cefcine

ttijeka Cetina ijna najveći energetski potencijal u Hrvatskoj. To je tipična kraška rijeka s relativno malim količinama vođe, ali s velikim padovima. Hidro- energetski potencijal Cetine je iskorišten otprilike 90%, pa preostaje gradnja odredenog broja malih HE.

Itijeka Cetina, sa svojim širim slivnim područjima od oko 4 000 km 2, ubraja se mcđu najveće rijeke dinarskog krša, Voda je jedan od glavnih čimbenika koji su utjecali na postanak i razvoj krša. Ona je stvorila krš sa svim njegovim bogatstvom inorfoloških oblika i prirodnih ljepota. Dinarsko područje izvanredno je bogato oborinama koje dosežu do 5 000 rtnrt godišnje, uz velik intenzitet dnevnih oborina. Međutim, oborine izostaju u toplom vegetacijskom razdoblju, tako da područje krša trpi veiike suše tijekom Ijeta.

Topografske karakteristike su, među ostalim i velike stnnine prema moru s kraškim poljima kroz koja teku duži iii kraći vođotoci. To omogućuje da se relativno kratkim derivacijskim tunelima ili kanalima postižu veliki pađovi i vrlo ekonom ično iskorištava snaga vode. Te su pogodnosti pridonijele iskorištenju

58

GS

qi) uiofupm y ■ DLjAgftF.i t [qj-[ £0ji?(2 g ;jj n psuoij i tiuij8q n ipoApo‘3BAOjj.Q n nuajsuoifSi as nfrnj ufjod .doijsfuuAFj; uiopOA as ijsuoij ot?aqjj;q jjpj '3Utjoq m joj uiefiuod n of n o n ja j g j j nzaA n>jso[o.ipiij nuumzpod OAionf[>jsi mm butj3Q iuifo>j s ‘ausog aupuduzoSnf ufjod 'b>jsgj>j 0fonjpod bjts u ‘tnjofu uuins uno afonjpod ozpj ujefjp BAp t?u ouafjafipod uiooiugauiRjg i uiojbutq af oujjaj) efonjpod oiiAjjg 'ui ggg ouzijqijd po uiopud ULiudn>jn s uiij go j oqo BTjpudnp af uTjafijj ■ s ui p [ j ef 0UTj9[) npsn uu ijo jo jd ifusipoS ifupajg 'euijej) ujufiouojodojpui

(V

hidroelektrana potencijal Cetine je iskorišten oko 90 %. Godišnja je proizvodnja elektrana na Cetini oko 2,5 niilijardi kWh. Na sliei 2.32 shema je postrojenja i akumulacija siiva rijeke Cetine. Osim već sagi'ađenih hidroelektrana, u prvoj će se fazi graditi HE s biološkim minimumom, i to HE Peruča l HE Kraljevac. Planira se nadgradnja brane H E Peruća, gradnja niza novih HE na cijeloj dužini rijeke Cetine te nekoliko manjih na pritocima rijeke Cetine. Na slici se vidi da je predviđena daljnja regulacija Livanjskoga i Duvanjskog polja s gradnjom nekoliko novih akumulacijskih jezera i nekoliko manjih hiđroelektrana. Tim e bi hidroenergetski potencijal rijeke Cetine bio potpuno iskorišten.

H E K ra lje v a c

Na Cetini, 21 km uzvodno od ušća, kod sela Zadvarje, izgrađenaje hidroelektrana Kraljevac. Prva je etapa izgrađena 1907, a druga 1932. godine. Snaga prve etape je 2 x 12,8 MW, a druge 2 x 20,8 MW. Proizvodnja eiektrične energije u IIE Kraljevac je znatno smanjena od 1962. godine kada je sagrađena IIE Zakučac. Tim e je voda u elektrani ostala na minimumu, a radila je samo za vrijeme velikih voda preljevom preko brane Prančević. HE Kraljevac straLeškoga gledišta, vrlo je važan izvor eiektrične energije, a značajna je i u izvanrednim prilikama, primjerice zbog kvarova na uzvodnim HE. Da bi mogla i dalje udovcljavati potrebam a elektroenergetskog sustava, u toku su značajni zahvati zamjene i rekonstrukcije opreme i postrojenja te zahvati na ugradnji posebne opreme za rad na biološkom minimumu snagom od približno 5 MW.

Tehnički podaci:- korisni pad l lO m

3 1 3 - 1- instalirani protok 2 x l 5 m s' i 2 x 25 m s- snaga turbine tipa Francis 2 x l 2 , 8 M W i 2 x 20,8 MW- snaga generatora 2 x 12,8 MW i 2 x 20,8 MW- instalirana snaga 67,2 MW.

H E P eru ča

Hidroelektrana je sagradena u gornjem toku Cetine 15 km sjeverozapadno od Sinja, Građila se od 1954. do 1960 godine. Akumulacija HE Peruča je prva velika akumulacija u kršu. Gradnjom brane i stvaranjem akumulacije utječe se na vodeni režim Cetine, poboljšava odvodnja vode sa Sinjskog polja i sprečavanje poplava u kišnom razdoblju. Osim toga, brana čuva rezerve vode za natapanje i vodoopskrbu u sušnom. razdoblju. Hidroeiektrana je pribranska s dvije vertikalne Francisove turbine.

Tehnički pođaci:541. h m ?- volumen akumulacije

- instalirani protok- korisni pad- instalirana snaga- srednji energetski ekvivalent 0,089 kWh m"- prosječna godišnja proizvodnja 120 GWh.

2 x 60 m'1 s"1 41 m2 x 20,8 MW

60

HE Zakučac

Hidroelektrana Zakučac izgrađena je na rijeci Cctini kod Omiša. Prva etapa je puštena u rad 1902. godine, a druga 1981. godine. To je po snazi i proizvodnji elektricne energije, najveće postrojenje u slivu Cetine. Smješteno je u donjem toku rijeke, gdje je koncentriran najveći raspoloživi pad rijeke. Reiativno kratka derivacija čini ga iznim no ekonom ičnim . Gradnjom betonske brane Prančević ostvaren je kompenzacijski bazen volumena 6,7 milijuna m 3, Kroz dva dovodna tunela i četiri tlačna ejevovoda voda se dovodi do podzem ne strojarnice u kojoj su ugrađena četiri agregata.

Tehnički pođaci:- volumen jezera- korisni pad- srednji energetski ekvivalent- snaga turbiue (Francis)- snaga generatora- instalirana snaga elektrane- instalirani protok- prosječna godišnja proizvodnja

HE Orlouac

Hidroelektrana Orlovac smještena je u selu Ruda, sjeveroistočno od Sinja. IJ redovnoj proizvodnji je od 1974. godine. Siri sliv Cetine obuhvaća kraška polja jugozapadne Bosne s površinskim vodotocim a koji hidrološke veze s Cetinom imaju isključivo podzemnim tokovima. Livanjsko polje, s površinom oko 400 km , najveće je naše kraško polje. Opća mu je hidrološka karakteristika to da su stalna ili povremena vrela na njegovu sjeveroistočnom rubu, a ponorska zona uzduž njegova jugozapadnog dijela. U vlažnom razdobiju godine pojavljuju se m nogo- brojna lzdašna vrela čiju vodu ponori ne mogu gutati, pa poplavljuje oko 80% Livanjskog polja. Osnovna koncepcija cnergetskog rješenja je da se površinske vode Livanjskog polja privedu u akumulaciju Buškog Blata i koriste na padu od približno 400 m do Sinjskog polja, a potom nizvodno do ostalih hidroelektrana. Tako se zaštićuje veiik dio polja od poplava. H E Orlovac, zbog energetskih vrijeđnosti akumulacije Buškog Blata, najznačajnije je postrojenje u cijelom slivu Cetine. Akumuiacijom se Buško Biato puni vodom vlastitog sliva i vodom s horizonta Livanjskog poija koja se privodi u akumulaciju sustavom kanala razli- čitih kapaciteta, dugačkih 80 km. Reverzibilno postrojenje u crpnoj stanici Buško Blato, kapaciteta 70 m 3 s '1, prebacuje vodu iz reverzibilnog kanala u akumulaciju ili iz akumulacije u kanal i dalje prema elektrani. Akumulacijsko jezero Buško Blato je volumena 800 milijuna m 3. Ima dvije brane, i to Kazaginac i Podgi’adinu. Obje su nasute brane. Crpna stanica Buško Blato smještena je u brani Podgradi- na. Instalirana su tri agregata koji zadovoljavaju postavljene uvjete rada:

1. crpljenje vode iz reverzibilnoga kanala u akumuiaciju,2. turbinski pogon pri pražnjenju akumulacije, kada agregati proizvode

električnu energiju,3. erpljenje vode iz akumulacije kod nižih kota vode u akumulaciji da bi se

zađovoljila potrebna količina vode za pogon HE Orlovac.

6,7 h m3 250,4 m 0,6 kWh m"32 x 110,5 M W + 2 x 138,3 M W 2 x 108 M W + 2 x 135 MW 486 M W2 x 50 m 3 s"1 + 2 x 60 m 3 s"1 1 700 GWh.

61

Svaki agregat je snage 3,4/1,6 MW. Turbinaje propelerna, a m otor-generator dvobrzinski asinkroni stroj.

Voda iz akum ulacijskog jezera teče do korapenzacijskog bazena Lipa, a odatle do Kam ešnice kanalom i tunelom do HE. Dovodni kanal je dug oko dvanaest kilometara.

Tehnički podaci:- korisni padsnaga turbina (Francis)- snaga generatora- sređnji energetski ekvivalent- instalirana snaga- instalirani protok

380 m 3 x 79 M W 3 x 79 M W 0,94 kWh rn’ 237 M W70 m 3 -1

- prosječna gođišnja proizvodnja 500 GWh.

H E Đale

Ilidroelektrana Đale na rijecije Cetini, 5 km nizvodno od Trilja. Puštena je u probni rad u svibnju 1989. godine. HE Đale je pribranska hidroelektrana tako sm ještena da pregrađuje prirodni kanjon Cetine. Tako se koristi energetski potencijal na padu od 21 m između Sinjskog polja i akumulacije Prančevići. Za proizvodnju eiektrične energije koristi se već reguliranim vodam a sliva Cetine. Brana je izvedena kao arm iranobetonski gravitacijski objekt koji se sastoji od strojarnice smještene na desnom boku i sustava za pražnjenje sa slapištern na iijevom boku. Ckupni kapacitet sustava za pražnjenje je 1 000 ni s_i, što je om ogućeno jednim preljevnim poljem i dvam a temeljnim ispustima. U zvodno od brane je nastalo jezero volumena 3,7 milijuna rn vode. D onja voda je već izgrađeno jezero Prančevići, Rasklopno postrojenje je izvedeno u oklopijenoj tropolnoj izoliranoj izvedbi sa sum por-heksafluoridom (SFe). U H E je ugrađena daljinska stanica radi daljinskog upravljanja iz Splita.

Tehnički podaci:- korisni pad- instalirani protok- snaga turbine (Kaplan)- snaga generatora- srednji energetski ekvivalent- srednja godišnja proizvodnja

21 m110 m 3 s"1 2 x 20,4 M W 2 x 20,4 M W 0,05 kWh m ’3 157,5 GWh.

I

2.9.3. Hidroenergetski potencijal rijeke Drave

Rijeka Drava pripada među najveće i najvažnije riječne tokove u našoj zemlji. Drava je dugačka 707 km, od toga je 437 km u Hrvatskoj. U svom gornjem toku, tj. u Sloveniji, Drava je energetski potpuno iskorištena na osam kaskada ukupne snage 523 M W i prosječne godišnje proizvodnje 2 676 GWh. Kroz Hrvatsku Drava im a veći protok nego kroz Sloveniju, ali blaži pad, te je energetski nepovoljnija. No, unatoč tome, važan je energetski potencijal. Tehnič - ki iskoristivi potencijal Drave kroz Hrvatsku je oko 2 600 GWh. Dosad su izgrađene tri stepenice: IIE Varaždin, HE Čakovec i H E Dubrava, a u pripremi je IIE Đurđevac. Prem a projektnoj dokumentaciji planira se još i građnja stepe-

62

I

nica; HE Barč, HE Moslavina, HE Osijek i još nekih, koje će se gi'aditi u suradnji s Mađarskom. Ukupna snaga đosadašnjih elektrana je 240 MW, a sagradit će se još toliko.

HE Varaždin

HE Varaždin prva jo kaskada Drave u Hrvatskoj. Brana je sagradena kod Ormoža. Visoka je 6 m, a dugačka 10,4 km. Armiranobetonska je sa šest preljev- nih polja širokih 17 m, Uz branu je ulaz u dovodni kanal dugačak 7 km, koji vodi do strojarnice. Tako sagrađena akumulacija omogućuje povećanu zaštitu od poplava i natapanje. Biološki minimum koji se ispušta u staro korito Drave ima pad 7 m i koristi se u agregatu s kojih 0,5 MW.

Tehnički pođaci:3akumulacija

korisni padsnaga turbine (Kaplan) snaga generatora srednji energetski ekvivalent instalirani protok

11,6 h m"23 m2 x 45 M W 2 x 50 MW 0,053 kWh m 2 x 225 m 3 s

-31

prosječna godišnja proizvodnja 426 GWh.

HE Čakouec

HE Čakovec drugaje kaskada Drave u Hrvatskoj. Sličnih je karakteristika kao i HE Varaždin.

Osim proizvodnje električne energije, HE Cakovec povećava sigurnost od poplava, poboljšava odvodnju i opskrbu vodom, te korištenje akumulacije za šport i rekreaciju.

U elektrani se koristi pad Drave od Varaždina. Brana je kombinacija nasute i betonske brane, Na betonskom dijelu brane sagrađena su četiri preljevna polja.

Tehnički podaci:51 h m 3 18,4 m 2 x 40,3 MW 2 x 42 MW

- akumulacija- korisni padsnaga turbine (Kaplan)- snaga generatora- instalirani protok- srednji energetski ekvivalent- srednja godišnja proizvodnja

2 x 250 m 3 s '1 0,042 kWh m 418 GWh.

■3

Zadaci za vježbu3-11. Srednji godišnji protok rijeke Cetine na ušću iznosi 116 m s" . Koliko se vode iz

Cetine godišnje slije u more?2. Volumen akumulacijskog jezera HE je 800 hm3. Koliko se energije može proizvesti

ako HE ima pad 250 m i ako radi sa stupnjem korisnosti 0,85?3. Izračunajte snagu HE koja radi sa stupnjem korisnosti 0,85, ako ima pad H = 200

m i protok 100 m 3 s "1.4. Izračunajte srednji energetski ekvivalent HE koja ima pad 110 m i radi sa stupnjem

korisnosti 0,80.

63

1. Nabrojte osnovne dijelove hidroelektrane.2 . Objasnite godišnji dijagram trajanja protoka.3. Objasnite kako se određuje veličina lzgradnje HE.4. Objasnite zašto je potrebna gradnja akumulacijskih jezera HE.5 . Objasnite padove vode u HE s turbinama slobodnog mlaza.6. Objasnite padove vode u HE s pretlačnim turbmama.7. Napišite i objasnite formulu za određivanje snage HE.8 . Nabrojte najveće H E u svijetu.9 . Nabrojte najveće H E u našoj zemlji.

10. Objasnite funkciju i vrste brana.11. Skicirajte vodnu komoru i objasnite njezinu funkciju.12. Skicirajte i objasnite povezivanje vodnih turbina i tlačnog cjevovoda.13. Opišite razliku između riječnih, pribranskih i derivacijskih niskotlačnih HE.14. Opišite razliku između pribranskih i derivacijskih visokotlačnih HE.15. Skicirajte i objasnite švedsku izvedbu derivacijskih HE.16. Skicirajte i objasmte dinarsku izvedbu đerivacijskih HE.17. Skicirajte i objasnite princip rada turbina sa slobodnim mlazom.18. Skicirajte i objasnite princip rada pretlačnih turbina.19. Definirajte i objasnite stupanj korisnosti turbina sa slobodnim mlazom.2 0 . Definirajte l objasnite stupanj konsnosti pretlačnih turbma.2 1 . Objasnite ovisnost stupnja korisnosti turbina o snazi.2 2 . Objasnite ovisnost stupnja korisnosti turbina o protoku.2 3 . Objasnite lzbor brzine vrtnje vodnih turbina.2 4 . Opišite područje primjene vodnih turbina u ovisnosti o padu, protoku i brzini vrtnje.2 5 . Objasnite trošenje dijelova vodnih turbma i kako se ono smanjuje.2 6 . Skicirajte i objasnite način rada reverzibilnih HE.2 7 . Skicirajte i objasnite način rada HE na plimu i oseku.

Pitanja za ponavljanje i provjeru znanja

r

3. Termoelektrane

3.1. Toplinska energija i njena pretvorba

3.1.1. Osnovni pojmovi o toplini

Tvari promatrane kao makroskopski objekti sastavljene su od velikog broja atoma. S obzirom na rneđusobni raspored atom a ili molekuia i njihovo ponašanje tijekom vremena, tvari općenito m ogu biti u čvrstom e, tekućem i plinovitom stanju. Prijelaz iz jeđnog agregatnog' stanja u drugo m oguće je ostvariti dovode- njem ili odvođenjem energije, odnosno promjenom unutrašnje energije tvari.

Kaotično gibanje čestica unutar tvari zove se toplinsko gibanje, a dio znanosti koji proučava toplinske promjene zove se znanost o toplini. Term odinam ika je dio znanosti o toplini koji proučava makroskopske promjene na sustavima, uzrokovane promjenama unutrašnje energije.

Tri su moguća načina prijelaza energije s jednog sustava na drugi: u procesu rada, u procesu topline i u procesu izmjene mase.

Toplina kao prijelazni oblik energije temelj je energetskih pretvorbi u termoelektranama. U energetskim postrojenjima toplina se najčešće dobiva pretvorbom kemijske energije goriva (izgaranjem) ili iz nuldearnih reakcija u procesu fisije.

Da bi se iz toplinske energije dobio mehanički rad potrebno je ostvariti kružni proces. Pritom se kao nositelj energije koriste plinovi ili pare. Tijekom kružnog procesa para prelazi iz jednog agi-egatnog stanja u drugo, a plinovi ne mijenjaju agi'egatno stanje.

Plinovi izgaranja mogu se izravno koristiti u toplinskom stroju za dobivanje mehaničkog rada (npr. plinska turbina). M oguće je, međutim, dio imutrasnje energije plinova izgaranja prijelazom topline predati vodi ili vodenoj pari (npr. u parogeneratoru). Zagrijana para m ože se koristiti za različite tehnološke procese, ali i za pogon parne turbine.

Da bi se kružni proces djelatne tvari (radnog medija) u tennoelektranam a mogao lakše razumjeti, potrebno se ukratko podsjetiti nekih osnovnih termodi- namičkih pojmova i zakona.

Toplinsko stanje plina. Velieine koje jednoznačno određuju toplinsko stanje plina jesu: temperatura, tlak i volumen. Nazivamo ih v e l i č i n c s t a n japlina.

5 Elektrane 65

Temperatura je mjera lntenziteta brzine gibanja molekula. Jedinica apsolutne temperature (T) je Kelvin (K), a relativne stupanj Celsiusa ( °C). Kelvinova temperaturna ljestvica ima istu veličinu jednog stupnja kao Celsiusova ijestvica 1 K = 1 °C. Temperatura po Kelvinovoj Ijestvici T može se izraziti preko temperature ($) po Celsiusovoj ljestvici:

T = (J + 273,15) [K]

Tlak je deflniran silom koja normalno djeluje na jediničnu površinu tijela (stijenke). Jediniea za tlak je paskal (lP a). Tlak plina razmjeran je prosječnoj kinetičkoj energiji gibanja molekula u danom volumenu.

Volumen određuje stanje plina kao predodžbu o prostoru danom razmacima između moiekula. Jedinica za volumen je (m 3).

Opći plinski zakon i jednadžba stanja plina. Opći plinski zakon određuje odnos osnovnih veličina stanja plina;

p Vm - Ro '■ T ili ^ rJ m = const;

gdje su:p - tlak [Pa]T - temperatura [K] o -1Vm - molni volumen [m mol" ]Ro - 8,315 [J mol"1 K"1] - opća plinska konstanta po francuskom fizičaru

Regnaultu.Mol je količina tvari sustava koja sadrži isto toliko strukturnih jedinki (molekula, atoma, iona iii elektrona) koliko atoma sadrži 0,012 kg nuklida C 12. Broj struk-

n n _i

turnih jedinki u jednom e molu iznosi Na = 6,02486-10 [mol' ] (prirodna konstanta ili Avogardova konstanta). Jedan mol bilo kojeg plina ima uvijek isti broj molekula, te 1 mol svakog plina pri istom tlaku i temperaturi zauzima isti volumen.

Specifični toplinski kapacitet. Specifični toplinski kapacitet je količina topline potrebna da se jeđiničnoj količini neke tvari temperatura povisi za 1 K. Označava se slovom c [J kg’ 1 K ’ 1]. Količina plina može biti dana u kg, mol, m3n (normni kubni metar). Količina topline je toplinski oblik energije koji neko tijelo sadrži, Označava se slovom Q [J ili Ws], Toplina koju neko tijelo zagrijavanjem primi ili hlađenjem preda jednaka je umnošku mase tijela m, konstante c (speci- fični toplinski kapacitet) i promjene temperature Ad:

Q — m ■ c • [ J] ,

gdje su:m - masa [kg]c - specifični toplinski kapacitet [J kg’ 1 K’ 1] AJ - promjena temperature [K ].

66

Unutrašnja energija, entalpija i entropija. Unutrašnja energija (U) ukupan je iznos srednje kinetičke i potencijalne energije svih niolekula neke tvari. Kod realnih plinova unutrašnja energija ovisi o temperaturi i gustoći plina. Toplina dovedena plinu pri stalnom volumenu sva se troši na povećanje njegove unutarnje energije.

Q = U = m ■ c • &$ [ J] ,gdje su:

Q - količina topline [J]U ~ unutrašnja energija [J].

Entalpija H ukupan je sadržaj energije nekog plina, a sastoji se od unu- trašnje energije U i term odinam ičkog potencijala p -V.

H = U + p -V [J];gdje su:

H - entalpija [J]U - unutrašnja energija [J] p - tlak [Pa] 3V - volumen [m ]

Kod danog stanja plina entalpija određuje ukupnu raspoloživu energiju. Entalpi- ja 1 kg plina zove se specifična entalpija i označava se sa h [J kg"1] .

Entropija (S) nekog sustava je term odinam ička veličina kojoj se prirast pnkazuje kvocijentom beskonačno male količine topline dovedene sustavu i apsolutne temperature sustava. Analizira se sam o ako se određuje njezin prirast. Entropija je, upravo, mjerilo savršenosti pretvorbe toplinske energije u m ehanič- Id rad. Jedinica za ukupnu entropiju je [J K"1], a za specifičnu entropiju [ J kg"1 K'1]. Prvi zakon termodinamike zakon je o održanju energije proširen na meha- niku i toplinu. M ože se izraziti jednadžbom :

U = Q - W [J]; gdje su:

U ~ unutrašnja energija [J]Q - toplina [J]W - rad [J],

Sustav može povećati unutrašnju energiju U primljenom toplinom Q ili radom W, što ga nad njim izvrši neki drugi sustav.

Promjena stanja plina. Svaki toplinski proces određen je prom jenom stanja radnog medija, pri čemu se mijenja jedna osnovna veličina, dvije ili čak sve tri osnovne veličine.

Izotermna p rom jena stanja p lin a (T = const) predstavlja prom jenu stanja piina^n"staTS^Tempera*turi, a prikazana je n a p - V i T - s dijagramu (sl. 3.1). Pritom vrijede odnosi:

p iV i = P 2 V2 = p V = const.

67

Sltka 3.1. Izotei'mna promjena stai^ja plina: 1 - 2 ekspanzija s obavJjenim radom, 2 - kompresija uz utro- šeni rad

Vrijednost umnoška tlaka i volumena plina na određenoj temperaturi je stalna {BoyJe-Mariotteov zakon). Kocl izotermne ekspanzije nekog plina rad se obavlja isključivo privedenom toplinom.

Izohorna prom jenastan ja plina (V = const) jest prom jena stanja pLna pri s ta J n o m ^ ^ u in e m T r r r T z o h o r n o m procesu raste tlak plina, ali plin ne može izvršiti rad (W = O ), jer je:

V i = V‘j = V = const.

Na slici 3.2 p - V i T s dijagramom priltazana je izohorna promjena statija plina.

pp2 — ,2

P1_____

■1

0 V

Sllka 3.2. Izohnrna promjena stapja plina: 1 - 2 zagrjjava- nje, 2 - 1 Mađenje

Ako na temperaturi 0 °C tlak plina iznosi p 0, izraz za relativno povećanje tlaka plinap na temperaturi d deflniran je Charlesovim zakonom:

P = P o ■ (1 + £ 0 ) .Uz konstantan volumen, tlak dane mase plina raste linearno s temperaturom. Pritom je:

273 K 0,00336 K 1 - toplinski koeflcijent tlaka plina.

Toplinski koeficijent tlaka plina pokazuje za koliko se povećava tlak plina p 0 kad mu se temperatura povisi za 1 K.

Izobarnaj>rom jerm sta n ia plina (p = const) defmira zakonitost toplinskog širenja plina uz sta lantlak . Izobaran proces prikazan je na p - V i T - s dijagramu (sl. 3.3). Pritom vrijeđe odnosi:

p l = P2 = p - const, odnosno

Vl = V2 = V T i "T2 T

6 8

I

Siika 3.3. Izobarna promjcna stanja plina: 1 - 2 ekspanzija s obavljenim radom, 2 - 1 kompresija uz utrošeni rad

Za razlieita stanja plina om jer volumena V i temperature T je uvijek isti. Obav- ljen rad niože se izračunati jednadžbom :

W = p (V2 - V i ) .

Ako na temperaturi 0 °C volumen plina iznosi V0, izraz za relativno povećanje volumena plina V na temperaturi d definiran je Gay - Lussacovim zakonom:

V = V0 ( l + ^ ) .Uz konstantan tlak volumen dane mase plina raste linearno s temperaturom.Pritom je:

P =1

273 K = 0,00336 K 1 - toplinski koeficijent širenja plina.

Procesi pri stalnom tlaku u tehnici su dosta česti. Posebno su važni za radizmjenjivača topline.

4 đijabatska p rom jena stanja p lina nastaje ako tijekom odvijanja procesa ne dolazi đoizm jenefop im eizineđu sustava i okoline (Q = 0 , sl. 3.4):

Q = U + W = Oodngsno

f/ = -W ,gdje su:

Q - toplina [JJ U - unutrašnja energija [J]W - rad [J ] .

Slika 3.4. Adijabatska pro mjena stanja plina

T

T ,------------ ol

--------—o 2

s

Plin dakle obavlja rad na račun svojo unutrašnje energije. U m nožak tlaka i volumena (p- V) nema stalnu vrijednost nego se smanjuje s padom tcmperature plina.

69

K ružni proces. Niz ponovljenih prom jena stanja kojim a se radni medij periodičld vraća u početno stanje predstavlja kružni proces. Da bi bio moguć kružui proces, a to vrijedi za proces s bilo kojom djelatnom tvari, treba na pogodan način dovoditi i odvoditi toplinu. Da bi se razdvojili dijelovi procesa kojim a se toplina dovodi od onih kojima se topiina odvodi, krivulje kojima su određene prom jene stanja nalaze se između dviju adijabata (sl. 3.5).

U dodirnim tockam a A i B krivulje promjene stanja podudaraju se s adijabatama, pa su to jedi- ne točke u kojim a se ne dovodi i ne odvodi toplina. U svim ostalim dijelovima procesa m ora se dovoditi ili odvoditi toplina. Ako se đjelatnoj tvari dovodi toplina u području B, 1, A, a u području A, 2, B toplina odvodi, kružni proces je đesnokretni, Za lijevokretni proces vrijedi obrnut slijed. Za dovođenje i odvođenje topline djelatnoj tvari potrebna su dva toplinska sprem nika od kojih je jedan ogrjevni sprem nik (izvor topline), a drugi hladni sprem nik (ponor topline), D ovod i odvod topline ne uzrokuju prom jene u djelatnoj tvari, je r se na kraju procesa ona vraća u početno stanje. Prijelaz topline iz toplog sprem nika preko kružnogprocesa u hladni sprem nik pravi je izvor

m ehaničke energije. Pritom je đjelatna tvar samo posrednik.

C arnotov kružni proces. Carnotov kružni proces prikazuje pretvorbu toplinske energije u mehanički rad u periodičkom kružnom ciklusu. Sastoji se od dviju izoterm nih i dviju adijabatskih prom jena stanja plina, Na slici 3.6 prikazan je u p - V dijagramu Carnotov kružni proces.

Pri adijabatskoj kompresiji tlak plina raste od stanja u točki 1 do stanja u točki 2. Istodobno volum en se smanjuje do vrijednosti Vz- N akon toga plin

ekspandira pri konstantnoj tem peraturi T od tia- k ap2 (točka 2) do tlakap 3 (točka 3).

Da bi se ođržala stalna temperatura za vrijeme ekspanzije, m ora se dovoditi toplina Q23 = Q Od stanja u točki 3 do stanja u točki 4 plin adijabatski ekspandira i pri tiaku p4 postiže temperaturu T q. Da bi se vratio u početno stanje (točka 1 ), plin se izoterm ički komprimira, pri čem u odaje toplinu Q n = Q0, hladnijem sprem niku (T 0 < T).

Slika 3.6. Camotov kružni proces: 1 - 2 adijabatska kompresija, 2 - 3 izotermićka ekspanzija, 3 - 4 adijabatska ekspanzija, 4 -

v2 A v - i izotermička kompresija

Slika 3.5. Dovod i odvod topline za kružni proces

70

Ako je Q količina topline dovedena stroju, a Q0 količina topline koja je prešla na hladniji sprenmik, tada je koristan rad jednak Q - Qa- Stupanj korisnog djelovanja (rj) jednak je omjeru korisnog rada i uložene toplinske energije:

Q — Qo" = - < r

Korisnost djelovanja stroja ne ovisi o tvari koja sudjeluje u procesu nego jedino o temperaturama T i T 0 koje imaju topli i hladni spremnik.

T - T o= - fr~

ili

1 ToVc = 1 - - jr .

Carnotov kružni proces utvrđuje optimalnu toplinsku korisnost, odnosno minimalni utrošak topline prerna dobivenom rađu. Takav proces nem oguće je ostvariti:

- zbog tehničke nesavršenosti dijelova postrojenja, odnosno svojstava i izvedbenih karakteristika generatora pare, turbina itd.

- zbog određenih fizikalnih karakteristilta medija s kojima se proces odvija. Carnotov proces ima teorijsko značenje, i to, za usporedbu, s tehnički izvedi-

vim procesima.

Jouleov kružni proces. Na termoenergetska postrojenja znože se primijo- niti Jouleov kružni proces koji se sastoji od dviju izobara i dviju adijabata. Na slici3.7. a i b prikazan je u p - V i T -s dijagramu Jouleov kružni proces.

Slika 3,7, Jouleov kružni proces: 1 - - 2 ađijabatska kompresija, 2 - 3 izo- p barna ekspanzija, 3 - 4 adijabatska ekspanzija, 4 - 1 izobarna kompresija

Ako se piin adijabatski konzprimira od stanja u točki 1 do stanja u točki 2, volumen se smanjuje, a temperatura rasle s vrijednosti T\ na vrijednost T 2 . Dovođenjem topline Q\ uz stalan tlak povećava se volunien i raste temperatura plina od vrijeđnosti T 2 na vrijednost T3- U daljern procesu zagi’ijani plin u turbini ađijabatski ekspaizdira do tiaka p4 i temperature T 4 . Odvođenjem topline Q iz uz stalan tlak uvjetno se zatvara ciklus i djelatna tvar se vraća u početno stanje.

Stvarni proces kompresije i stvarni proces ekspanzije odstupa od adijabate na desnu stranu. U T -s dijagramu pi'edstavljen je isprekidanim linijama (1 - 2 ’ ) i (3 - 4’), Temperatura T i je najniža, a T 3 najviša u procesu. Proces dovodenja i

71

odvođenja topline ostvarnje se prip = const, pa je dovedena toplina proporcionalna površmi 2-3-a-b,

Q\ ~ cP (Ta - T%),a odvedena toplina proporcionalna je površini 1-4-b-a:

Q ‘ž = cp (T4 - Ti).Korisna topiina je i’azlika tih topiina, a termički stupanj je om jer te razlike topiine i dovedene topline:

V t I - T4_-Th ~

TiT‘2

Term ički stupanj m ože se povećati ako se poveća om jer tlakova, pa je stupanj kompresije vrio važan za Jouleov kružni proces.

3.1.2. V odena para kao nositelj toplinske energije

Para se ćesto primjenjuje kao nositelj energije. Zbog latentne topline isparavanja u njoj se mogu akumulirati veiike koiičine topiinske energije pri relativno niskoj temperaturi, koja se pri isparavanju ne mijenja,

U energetici se para koristi kao posrednik pri pretvorbi energije goriva u eiektričnu energiju. Para se m ože koristiti i u različitim tehnoioškim procesima, u industriji za pogon i rad pom oćnih uredaja, u urbanim sredinama za grijanje itd.

Vodena para proizvodi se u načelu na dva načina:- u parnim kotlovim a (parogeneratorima) gdje se izgaraujem iskorištava

toplina goriva, prijelazom topline s plinova izgaranja na vodu koja se isparuje.

- u izm jenjivačim a topHne, površinskim načinom, gdje se voda isparuje hlađenjem neke druge tvari ili vodom višeg tiaka.

Da bi vođa prešla u plinovito stanje (paru), potrebno je povećati unutrašnju energiju, sto se obično čini dovođenjem i prijelazom topline. Količina topiine potrebna da se jedinica mase tekućine pretvori u plinovito stanje zove se iatentna toplina isparavanja ili, kraće, toplina isparavanja. Prijelaz tekućine u parovito stanje odvija se na tem peraturam a vrelišta tekućine. Tijekom vrenja temperatura se ne mijenja, volumen pare se povećava. Tako nastaje smjesa vreie tekućine i pare (m okra para). Kad ispari i posijednja kap tekućine, m okra para prelazi u suhu paru. U z daljnje dovođenje topline pri stalnom tlaku raste temperatura i suha p.ara prelazi u pregrijanu paru. Tlak pregrijane pare obrnuto je razmjeran njezinom volumenu, pa se pregrijane pare vladaju kao plinovi. Pregrijana para se m ože pretvoriti u m okru paru ili tekućinu smanjivanjem volum ena ili hlađenjem. Tako se povećava gustoća, a kad gustoća prijeđe maksimalnu vrijednost, para prelazi u tekuće stanje ili kondenzat. Prelazak pregi'ijane pare u kondenzat odvija se na temperaturi koja se zove rosište. N a slici 3.8 prikazan je p -V dijagram razgraničenja vode, m okre pare i pregrijane pare.

Između dviju graničnih krivuija leži područje m okre pare. Lijevo od donje granične krivulje (x = 0) hladnijaje kapljevina (voda). Desno od gornje granične krivulje (x = I) područje je pregrijane pare. U točki K (kritična točka) sastaju se

72

Slika 3.8. p-V dijagt'am razgvaničenja vode, mokre pare i pregrijane pare

krivulja isparivanja (vreiišta) i krivulja kortdenzacije frosišta). Omjer suhe pare i nkupne moiire pare označen je slovomJn

3,1.3, Goriva i izgaranje

Za dobivanje topline u termoelektranama koriste se sve vrste goriva. Najra- sprostranjenija su kruta goriva, a to su različite vrste ugljena (kameni, mrki, lignit) i uijeni škriljci.

Kao tekuča goriva koriste se nafta i njezini derivati, lako, srednje i teškoloživo ulje.

Od plinovitih goriva najčešće se koriste: prirodni zemni plin (većim dijelom metan)

- generatorski plin koji so đobiva plimiikaeijorn krutih goriva u genc- ratormia plina

- pojedinaćni plin (vodik, metan. propan, butan, etan itd.)- koksni plin i visokopećni (grotieni) plin,Glavni sastavni dijeiovi goriva su:

goriva tvar- voda- pepeo,Pri izgaranju goriva tvar izgori i prijeđe u piinovito stanje, voda se ispari, a

pepeo ostaje u krutom stanju ili se rastali. Goriva tvar, u šireni smislu, sastoji se od: ugljika (C), vodika (H), sumpora (S), kisika (O) i dušika (N), koji m ogu biti prisutni u elementarnom stanju ili u spojevima.

Ako so gorivo dovede u dodir s kisikom t pritom je osigurana dovoljno visoka temperatura, nastupit će brza burna oksidacija gorive tvari, odnosno izgaranje goriva, uz istovremenu pojavu topline i svjetlosti. Da bi se ostvarilo izgamnje, potrebno je postići temperaturu zapaljenja. To je ona granična temperatura iznad koje je oslobađanje topline oksidacijom brže, a ispod nje sporije od ođvođe- nja topiine.

Proces izgaranja odvija se po zakonu o održanju mase, Na siici 3.9 prikazan jc proees izgaranja.

Izgaranjem 1 kg goriva dobije se određena količina topline koja određuje energetsku vrijednost goriva. Izgaranje m ože biti potpuno i nepotpuno.

Gorivo je potpuno izgorjelo ako svi gorivi elementi potpuno oksidiraju. Pro- dukti izgaranja tada sadrže samo ugljik-dioksid (CO2 ), vodenu paru (H 2O) i sumporni dioksid (SO 2 ), ako gorivo sadrži i sumpor. Pri potpunom izgaranju iz

73

dim(otpadna tap lina)

Slika 3.9, Proces izgaranja

toplina za energetske ,^pretvorbe dimnjaka izlaze sivo-bijeli ili bezboj-

ni plinovi. Potpunim izgaranjem 1 kg goriva, pri čemu se iskorištava toplina kondenzacije vodene pare, dobije se gornja energetska vrijednost goriva Hg [J kg" ].

Da bi gorivi elementi potpuno izgorjeli, treba ispuniti ove uvjete:- u ložištu m ora vladati dovoljno visoka temperatura, koja om ogućuje pa-

ljenje- miješanje goriva i zraka m ora biti zadovoljavajuće- gorivo m ora biti pripremljeno za izgaranje- za proces izgaranja m ora biti predviđeno dovoljno vremena.Nepotpuno izgaranje nastaje kada gorive tvari djelom ično izgore. To se

događa kada pri izgaranju nema dovoljno zraka, npr. ne nastaje ugljik-đioksid (CO 2) nego ugljik-monoksid (CO).

Da izgaranje nije potpuno, m ože se utvrditi po crnom dimu s m nogo čađi, koji izlazi iz dimnjaka. Količina topline nastala potpunim izgaranjem 1 kg goriva, pri čem u se ne iskorištava toplina kondenzacije vodene pare, donja je energetska vrijednost goriva Hd [J kg"1]. S dimnim plinovima u atm osferu odlazi nekonden- zirana vodena para. Nepotpuna pretvorba kemijske u toplinsku energiju goriva čini proces izgaranja neekonom ičnim.

Za kontrolu izgaranja dovoljno je mjeriti sadržaj ugljik-dioksida (CO 2) ugljik- -monoksiđa (CO) i kisika (O2 ).

goriYQ

zrakiz g a ra n je

Pilanja za ponavljattje i provjern znanja

1. Koje veličme određuju toplinsko stanje plina?2. Objasnite pojam specifičnoga toplinskog kapaciteta 1 količine topline.3. Stoje entalpija i kakav je odnos unutrašnje energije i entalpije?4. Objasnite značajke izobarnog procesa.5 . Definirajte pojam kružnog procesa i naznačite što je sve potrebno da bi se mogao

ostvariti kružni proces.6. Kako se odvija pretvorba toplinske energije u mehamčki rad u Carnotovom kru-

žnom procesu?7. Objasnite Jouleov kružni proces i defmirajte termički stupanj djelovanja tog procesa.8. Koje su bitne značajke pare kao djelatne tvari?9. Objasnite sve faze u procesu nastanka pregrijane pare.

10. Koja se goriva mogu iskorištavati za dobivanje topline u TE?11. Sto je goriva tvar u gorivu?12. Koje uvjete treba ispuniti da bi nastupiio izgaranje gonva?13. Objasnite razliku između potpunoga i nepotpunog izgaranja.14. Defmirajte pojam energetske vrijednosti goriva i objasnite razliku između gornje i

donje energ'etske vrijednosti goriva.

74

3.2. Postrojenja za proizvodnju i pretvorbu toplinske energije u električnu

A. Tennoelektnme s parogeneratorima na fosilna goriva

Termoelektrmie (TK) su postrojenja 11 kojima se proizvodi toplinska i elek- tricna energija. Prema pogonskom stroju TE se mogu podijeliti na:

- parne termoelektrane (pogonski stroj jc parna turbina)- plmske termoelektrane (pogonski stroj je plinska turbina)- dizel-clektrane (pogonski stroj je dizel-motor).Prcma gorivu kojim se koriste za dobijanje toplinske energije, termoelektra-

ne se dijele 11a:- TE u kojima se koriste kruta, tekuća, plinovita i nuklearna goriva (parne

TE)- TE u kojmia se koriste tekuea i plinovita goriva (plinske TE)- TE u kojima se koriste samo tekuća goriva (dizel-elektrane).Parne termoelektrane mogu se podijeliti na;- TE s kondenzacijskim turbinama (kondenzacijske TE), u kojima se

isključivo proizvodi eiektrična energija- tennoeiektrane toplane (TE-TO), u kojima se proizvodi primarno toplin-

ska, a sekundarno električna energija,E svijetu se najvcći postotak eiektrične energije proizvođi u klasičnim TE, u

kojima se električni generatori pokreću parnim turbinama. U području velikih onergetskih jedinica električne snage nekoliko stotina MW, dominiraju nuklearna energija i. parm kotlovi na ugljenu prašinu. Parm kotlovi s ložištima na tekuća goriva koriste se u području manjih snaga, u industriji i toplifikaciji nasclja.

lako je pretvorba energije goriva u električnu energiju u konvencionalnim pnslrojenjima neracionalan i rasipan proccs, u uvjetima sve većeg konštenja oloktnčne energije, termoeiektrane na fosiina goriva još će dugo imati značajno mjesto,

A.l. Parne terraoelektrane !

Načelo rada i blok-shem a term oelektrane. Osnovna proizvodna jedinica elektroprivi’ede u suvremenim termoelektranama je blok. To je samostalna skupina uređaja ltoji su istodobno u pogonu, a osiguravaju odvijanje kom pletnog tchnološkog procesa za pretvaranje energije goriva u električnu energiju. Blolc se sastoji od jeđnog postrojenja za proizvodnju pare (parogeneratora), jedne kon- dcnzacijske turbine, električnog generatora i transform atorskog postrojenja. Termoelektrana m ože imati sam o jedan blok ili više njih istog ili različitog tipa. Na slici 3.10 pnkazana je osnovna shema term oenergetskog procesa u TE.

U ložištu parnog kotla (1) izgara gorivo. Toplina plinova izgaranja zagrijava vodu u parogeneratoru i voda se isparava. Pregrijana para odgovarajuće temperature i tlaka odlazi u parnu turbinu (2). U parnoj se turbini toplinska energija pnre pretvara u kinetičku energiju, a u rotoru nastaje pretvorba kinetičke ener-

75

rr

gonvovodazrak

gubici gubici

Slika 3.10. Osnovna shcma lermoenergetskog procesa u TE: 1 - parogenerator, 2 - parna turbina, 3 - električni generator, 4 - ejektridni transformator

gije parc u mehamčki rad. Preko vratila turbine rnehanićki rad se prcnosi na rotor električnoga generatora (3), U električnom se generatoru mehanički rad pretvara u električnu energiju. l'za generatora u elektrani nalazi se traiisforma- tor (4) koji transformira električnu energiju na naponsku razinu potrebnu za prijenos električne energije na đaljinu.

U procesu izgaranja nastaje kruti, tekući i plinoviti otpad, koji se odgovara- jućim uređajima odvodi iz parnog kotla. S otpađom se gubi veći dio toplinske cnergije. Para koja je obavila rad u turbini vodi se u uredaj za kondenzaciju pate (turbinski kondenzator). Određena količina pare m ože se oduzimati iz turbine za različite svrhe (npr. za predgrijavanje kondenzata). U procesu pretvorbe energije u parnoj turbini dio toplinske energije se gubi zbog nesavršenosti topiinskog stroja, a pojavljuju se i mehanički gubici zbog rotacije.

Pretvorba m ehaničkog rada u električnu energiju odvija se uz električne gubitke u generatoru, koji se pretvaraju u toplinu, i mehaničke gubitke zbog rotacije

Transform adja elektrićne energije na napon potreban za prijenos na daljiiiu uzrokuje elektnčne gubitlte u transformatoru koji se pretvaraju u toplinu.

Stupanj djclovanja cjelokupnog termoenergetskog procesa pri pretvorbi toplinske u eleklričnu energiju dosta je nizak t] ~ 0,4, pa su kao, u pravilu, termoelektrane ncdjelotvorna postrojenja.

Načelo rada TE prikazano je pojednostavnjeno. Pretvorba kemijske energije goriva u električnu energiju vrlo je složen proces. Uređaji i međiji koji sudjeiuju u Loj pretvorbi prikazani su na đetaljnijoj blok-shemi TE na slici 3.11.

Na blok-shemi TE naznačeni su svi mediji i tokovi medija u procesu proizvodnje električne energije, od pripreme goriva, zraka i napojne vode do električ- nih trošila.

Parogeneratori proizvode paru za parne turbine. Nakon obavljenog rada u parnim turbinama, para se kondenzira i vraća u proces. Da bi to bilo moguće, TE inora imati dobro izvedene sustave rashladne vođe. Sve otpadne tvari nastale tijekom rada TE posebnim se uredajima odvode na unaprijed određena odlagali- št.a.

U tem am a koje slijede bit će izloženi opisi uređaja, pripreme i tokova međija koji osiguravaju normalan rad TE.

76

f

Glavni dijelovi i značajke parnih term oelektrana. U glavnoj pogonskoj zgi'adi tennoelektrane smješteni su najvažniji dijelovi opreme:

- parni kotao (parogenerator)- parna turbina j- električni generator, \Za normalan rad termoelektrane potrebna je i dodatna oprema:- bunkerski prostor za ugljen- spremnici za. druge vrste goriva- uređaji i postrojenja za pripremu i dovod goriva- uređaji za pripremu i dovod zraka za ložište parogeneratora i za ras-

hlađivanje dijelova turboagregata- uređaji za kemijsku i termičku pripremu napojne vode- crpne stanice napojne vode- uređaji za odvod krutoga, tekućeg i plinovitog otpada iz parogeneratora- uređaji za pročišćavanje dimnih plicova- crpne staniee rashlađne vode za fcurboagregat

vanjska skladišta ugljena- skladišta teškog materijala (šamot, cijevi itd.)- skladišta rezervnih dijelova i sitnoga pogonskog materijala- tehnička uprava s laboratorijima- radionice za održavanje opreme TE- rasklopno postrojenje srednjega i visokog napona, itd.Na slici 3.12 prikaz je TE s najvažnijim dijelovima,

77

I

f

}■

ii

Slika ii.12. Osnovna oprema pame termoelektrane: 1 - priprema goriva (mlinovi), 2 - parogenerator, 3 - priprema vode za parogenerator, 4 - eiektrični generator, 5 - parna turbina, 6 - turbinski kondeuzator, 7 - rashladni toranj, 8 - rasklopno postrojenje, 9 - visokonaponski transformator

Da bi cjelokupno postrojenje moglo besprijekorno funkcionirati, u glavnoj pogonskoj zgradi najčešće su prostorije s uređajima za vođenjo i nadzor svih procesa u proizvodnji i prijeno.su električne encrgije

Parni kotao (parogeneratm^.Parogenerator je po zadaći izmjenjivač topline. IJ njemu se prijelazom topline s plinova izgaranje na kotlovsku vodu stvara pregrijana para. Osnovne značajke parogeneratora jcsu:

D - učin (kapacitet) parogeneratora [kg s"1]p - tlak u generatoru pare [Pa]tpr - temperatura pregrijane pare [ °C]Q - toplinski učin kotla [W].

Učin D parogeneratora određuje kolicina pare koja se proizvede u jedinici vremena [kg h"1] ili [t h"1],

Dopušteni tlak u generatoru pare je osnova za proračun čvrstoće stijenki cijevi, komora bubnja itd. To je najviši tlak pri kojem parogenerator radi. Izlazni tlak iz pregrijača pare je stvarni tlak koji se mjeri na izlazu \z generatora pare. Obično je 10 do 15 % niži od dopuštenog tlaka.

Temperatura pregrtjane pare je 540 °C za parogeneratore građene od ferit- nih čelika. Ako su pregrijači pare, cjevovođi od kotla do turbine, te dijelovi turbine od austenitnih čelika, temperatura pregrijane pare može biti do 675 °C. Izbor austenitnih čelika znatno poskupljuje postrojenje.

Toplmski učin kotla (Q) količina je topline prenesena u jeđmici vromena s plina na vodu, odnosno na paru. U praksi se toplinski učin mjeri u MW. Prema

78

količini proizvedene pare D [t h '1] toplinski učin kotla može se izračunati iz relacije:

Q ~ 0?6 D [MW],

Razdioba parogeneratora glede optoka (cirkulacije) vode. Prema načinu cirkulacije vode parogeneratori se mogu izvesti kao:

Generatori pare s prirodnim optocima, kod kojih je iskorištena razlika u gustoći vode i pare za ostvarenje prirodnog strujanja u kotlu. Pri višim tlakovima razlika između gustoće vode i pare postaje sve manja, pa se za tlakove u bubnju više od 18 MPa ne mogu upotrijebiti kotlovi s prirodnim strujanjem,

Kod ovih parogeneratora vodena i parna faza odvajaju se u isparivaču, u spojnim cijevima i u bubnju parogeneratora (sl. 3.13).

Generatori pare s prisilnim strujanjem; voda iz bubnja dotječe cirkulacijskoj crpki koja je tlači kroz sustav cijevi za isparavanje ponovno do bubnja, u kojemu se odvaja para od vode. Para prirodnim uzgonom odlazi u pregrijač, a voda ponovo u cirkulacijsku crpku, koja je ugrađena između bubnja i isparivača (sl. 3.14).

Generatori pare bez bubnja s prisilnim protjecanjem vode i pare (protočni kotlovi). Takav kotao sastoji se od većeg broja usporedno spojenih cijevi na jednom kraju napajanih vodom. U istoj cijevi voda se zagrijava i isparava, a na kraju cijevi se pojavljuje kao pregrijana para (npr. Benson, Sulzer, Ramsin),

Od 1972. godine uglavnom se proizvode kotlovi s prisilnom cirkulacijom, a razvoj parogeneratora uvjetovan je porastom tlaka pare. Na slici 3.15 područja su tlakova različitih sustava proizvodnje pare.

Parni kotlovi s prisilnim protokom nisu ograničeni glede tlaka pare s obzi - rom na sustav isparavanja. Granice tlaka određene su čvrstoćom materijala tlačnog sustava kotla. \

bubanj Slika 3.13. Parogenera- tor s prirodniiH. optokom

isparivač

t

Slika 3.14. Parogenerator s prisilnim optokom

79

Slika 3.15. Područja tlakova zličitih sustava proizvodnje pare

ra-

Glavni dijelovi parogenerato-ra. Generator pare se sastoji od:

- ložišta (prostora za izgaranje goriva)

- sustava izmjenjivača topline (ogrjevnih površina)

- pomoćnih uređaja u parogeneratoru i izvan njega,

Na siici 3.16 prikazana je jedna od mogućih izvedaba parnog kotla.

Ložište. S obzirom na vrstu goriva, odnosno način izgaranja, ložišta se mogu podijeliti na ove tipove:

- iožišta za izgaranje krutih goriva s raznim vrstama ne- pomičnih rešetaka i manjih resetaka na mehanički pogon

- ložišta za izgaranje krutih goriva u sloju s mehaničkom puzajućom rešetkom s raspo- djelom zraka po zonama re- šetke

- ložistn za izgaranje raznih vrsta otpadaka (industrijski i gradski otpaci)

- ložišta za izgaranje krutih goriva u prostoru (izgaranje ugljene prašine u letu)

- ložišta za izgaranje plinovitih goriva

Slika 3,16. Shema parnog kotla: 1 - komora izgaranja s isparivačkim eijevima, 2 - bu- baiy, 3 - pregrijač pare, 4 - pregrijač (međupregrijač) pare, 5 - zagr|jač vode, 6 - zagri- jač zraka

80

- lo ž iš ta z a iz g a ra n je tek u ć ih g o r iv a s v e lik im bro jem iz v e d a b a p la m e u ik a- lo ž iš ta za isto d o b n o iz g a ra n je v iše v r s t a g o r iv a s o d v o jcn h n p la m e n ic im a

z a s v a k u v r s tu g o r iv a ili k o m b in iran im p la m e n ic im a (p lin sk o -u ljn i p lam e-nici)lo ž iš ta za k o r iš te n je o tp a d n e top lin e (n pr, to p lin a p lin o v a iz v iso k ih peći itd .)

- lo ž iš ta z a iz g a ra n je u flu id iz iran o m slo ju .

Iz v e d b a lo ž iš ta tre b a zad o v o ljiti ove u v je te :- đ a iz g a r a n je bu d e p o tp u n o i p rav iln o- d a s e m ože je đ n o s ta v n o reg 'u iirati to p lin sk o o p te re će n je lo ž iš ta- s ig u r a n d ovod i p ro s tr u ja v a n je z r a k a- d a s e la k o re g u lir a p ro ce s iz g a r a n ja- d a se p r ip re m a i iz g a r a n je g o r iv a o s tv a r e s a š to m a n jc p o tro šk a e n e rg ije- d a je odvod tro sk e i p ep e la je d n o s ta v a n i e f ik a sa n- d a je lo ž iš te m an jih d im e n z ija i p r ik la d n o z a ru k o v a n je go r iv o m- d a o s ig u r a v iso k u te m p e ra tu ru k ak o bi se o stv a r iio k o n tin u iran o i p o tp u n o

iz g a ra n je- d a gu b ic i to p lin e u lo ž iš tu b u d u š to m an ji.

S tu p a n j d je lo v a n ja p a r o g c n e r a to r a (r/k) o v isi o izved b i lo ž iš ta i v r s t i g o r iv a . Za p a ro g e n e ra to re s lo ž iš t im a z a iz g a ra n je u p ro s to ru ?/k (0 ,8 7 - 0 ,9 0 ), a z a kotlove s lo ž iš t im a n a te k u ć a i p lin o v ita g o r iv a rjk (0 ,91 - 0 ,9 3 ).

S u s t a v iz m je n jiv a č a top line. U p a ro g e n e r a to r se d ovod i n a p o jn a v o d a pod tlak om m n o g o v iš im od a tm o s fe r sk o g a . O grjev n e p o v ršin e iz m je n jiv a č a to p lin e u ko jim a se v o d a z a g r i ja v a , isp a ru je i p r e g r i ja v a p a r a n a t r a ž e n u te m p e ra tu ru , za jed n o s a sp o je n im c jev o v o d im a , k o m o ra m a i b u b n jem č in e t la č n i d io p aro g e n e - ra to ra . . __

O sn o v n i dio g e n e r a to r a p a re je o g r je v n a p o v rš in a isp a r iv a č a vod e ( I ) (sl. 3 .16). T o je p o v r š in a k o ja je s je đ n e s t r a n e u d o d iru s d im n im p h n o v im a , a s d ru g e s tra n e s m je ša v in o m vode i vod en e p are . K o d g e n e r a to r a p a r e s p riro d n im optokom v od en i p ro s to r č in e c ijevn i s u s t a v isp a r iv a č a (1), z a g r i ja č a vode (5 ) i buban j (2) isp u n je n v ođ om do o d ređ en e v is in e (50 do 70% v isin e ). P r e o s ta h dio bu bn ja č in i p a rn i p ro sto r . K o d p a ro g e n e r a to r a s p r is iln im o p to k o m v o d a i p a r a često se iz ra v n o o d v a ja ju u c ijevn om s u s ta v u is p a r iv a č a bez b u b n ja .

U p o d ru č ju n a jv iš ih t e m p e r a tu r a p lin o v a iz g a r a n ja iz a is p a r iv a č a (1) sm je šte m su p re g r ija č i p a r e (3), P re g r i ja č p a r e s lu ž i za su še n je p a r e i p o v iše n je te m p e ra tu re do t ra ž e n ih v rijed n o sti. K o d su v re m e n ih p a ro g e n e r a to r a o gr jev n e p o vršin e p r e g r i ja č a p o d ije ljen e su n a v iše d ije lov a . T o p lin a se k o n v e k tiv n im p ro lazom i izm jen o m z ra č e n je m p re n o si od d im n ih p lin o v a n a v od en u p a ru k o ja stru ji c ije v im a p re g r ija č a .

O g r je v n e p o v rš in e z a g r i ja č a vode (5) im a ju z a d a ta k d a š to v iše sn iz e te m p e - ra tu ru d im n ih p lin o v a n a iz lazu iz p a ro g e n e r a to r a . T a k o se p o v e ć a v a isk o r isti- vost k o tla (r/k).

T e m p e r a tu r a z a g r i ja v a n ja vode u z a g r ija č im a je od 2 5 do 50 °C isp o d tem p e- ra tu re z a s ić e n e p a re . C e sto se u z a g r i ja č im a v o d a z a g r i ja v a i do te m p e ra tu re isp a r iv a n ja , a m o že se i p re d isp a r it i do 25% . O g ije v n e p o v ršin e z a g r i ja č a vode sm je šte n e s u u d im o v o d n o m k a n a lu iz a p re g i'ija č a p are .

6 Elektrane 8 1

Z agrijaČ z r a k a (6 ) n a la z i se u d im o v o d n o m k a n a iu iz a z a g r i ja č a vode, Z ra- k om koji se z a g r i ja v a o tp a d n o m top lin o m d im n ih p lin o v a su š i se i z a g r i ja v a goriv o 1 s tv a r a ju povoljn iji uv jeti iz g a ra n ja . Z a g r ija č z r a k a im a v iše s tru k u u logu :

- p o v e ć a v a te m p e ra tu ru u lo ž ištu- goriv o se la k še p a li i p o tp u n ije iz g a r a- bo lja je p r e d a ja to p lin e o grjevn o j p o v ršin i k o tia- v e ć a je p ro izv o d n ja p a re- m a n ji su gu b ici u lo ž ištu k o tla ,

V iše j e iz v e d a b a z a g r i ja č a z ra k a . N a slic i 3 .1 7 p r ik a z a n je L ju n g stro m o v z a g r ija č z ra k a ,

L ju n g stro m o v z a g r ija č z r a k a je re k u p e ra- tiv n i iz m je n jiv ač top lin e , a sa s to ji se od ro to ra s v e lik im bro jem u sk ih k a n a la . P r in c ip r a d a L ju n g s tro m o v a z a g r i ja č a z r a k a z a sn iv a se n a to m e d a is te o gr jev n e p o v ršin e u to m izm jen ji- v aču slu ž e k ao p re d a v a te lji i k ao p r im a te lji top iin e . P ro filira n i lim ovi ro to ra to g z a g r i ja č a ro tir a ju oko u sp ra v n e osov in e. U je d n o j polo- v in i ro tac ije n a la z e se u s tru ji d im n ih p lin o v a koji to p lin u p re d a ju ro to ru , a u d ru go j po lov in i ro tac ije ro to r p re d a je to p iin u s tru ji z ra k a . P re d n o sti t a k v a z a g r i ja č a su v e lik e re la tiv n e b rz in e s t ru ja n ja , m a le d im en z ije z a g r ija č a , te m a le n p o tre b a n sm je š ta jn i p ro sto r .

P o m o ć n i u r e đ a jip a r n o g kotla. P r e m a na- m jen i pom oćn i u re đ a ji p a r o g e n e r a to r a m o g u se g ru p ira t i n a u re đ a je za :

- dovod i p r ip re m u g o r iv a (k ru tih , p lin ovitih i teku ćih )- dovod i p r ip re m u zrn k a i- dovod i p r ip re m u n ap o jn e vode ^- odvod tro sk e i p e p e la- odvod i p ro č išć a v a n je d im n ih p lin o v a- n ad z o r, vođ en je i z a š t itu p o stro je n ja ,

Doprem a, istovar, iiskladištenje i priprem a goriva. K r u t o g o rivo . K ru - to se gorivo m o že d o p re m iti b ro d o v im a , k a m io n im a i ž e ljezn ičk im v ag o n im a . I s to v a r ovisi o n ač in u d o p rem e . U g lje n s e is to v a ru je su v re m e n im d iz a lic a m a ili sp e c ija ln im že ljezn ičk im v a g o n im a s h id rau ličk im u re đ a je m z a o tv a r a n je i z a tv a- r a n je p o d a . T o o m o gu ću je is to v a r u v re m e n u od 1 do 2 sek u n d e .

N a p u tu od m je s ta d o p rem e do b u n k e ra k o tlo vn ice u g ljen p ro laz i n iz f a z a p ro č išć a v a n ja i p r ip re m e .

P r ije d ro b lje n ja iz u g lje n a se o d stra n e sv i že ljezn i p re d m e ti u e ie k tro m a g n e t- sk o m bu b n ju , a za tim , o v isn o o n ač in u iz g a ra n ja , u g ljen se d rob i i m e lje do o d re đ cn e v e lič in e č e st ic a . P ro č išć e n i u s itn je n u g ljen se odvodi s u s ta v o m tra n s- p o rtn ih t r a k a u b u n k e rsk i p ro s to r k o tlo vn ice iii n a sk ia d ište .

ohlađeni hladnij O

prijenos topline----t--—

j t rvruciplinovi

ugrijamzrak

Slika 3,17. JLjungstromov za- grijač zraka

82

M je se čn a re z e rv a je n a jm a n ja količina, u g ljen a koju T E m o ra im a ti na sk la - dištu , S k la d iš ta su n a o tv o ren o m p ro sto ru , koji m o ra b iti ra v a n i o s ig u ra n k an a lizac ijo m z a odvod o bo rin sk ih vod a, N a sk la d iš tu se ne sm iju m ije ša t i raz li- čite v rste u g ljen a , zbog m o g u ćn o sti p o žara . Z a u sk la d iš te n je je n a jp o go d n iji s itn i ugljen (u g lje n a p ra š in a , je r se lak o m ože zb iti u k o m p ak tn u ra a su , č im e je zaštićen od sa m o z a p a ljiv a n ja ) .

V is in a s k la d iš ta ovisi o v rsti u g lje n a i izn osi od 2 do 6 m , K o lič in a u g lje n a dop rem ljen og n a sk la d iš te i u b u n k e r kotlovn ice k o n tro lira se v a g a n je m ili određ ivan jem v o lu m en a.

U T E n a k ru ta g o r iv a p o sto je i sp rem n ic i z a te k u ć a g o r iv a k o ja se k o r iste u dvije sv rh e :

- z a p o tp a ljiv an je k o tlo v a ložen ih u g ljen o m p ra šin o m ; n a jče šće je to n a f ta- k ao d o d atn p gorivo n isk o k a lo ričn im lig n itim a z a što se u g lav n o m up otre-

b lja v a ju je ft in ije v r s te m a z u ta .

T eku će go rivo . T e k u će se gorivo u e le k tra n e d o p re m a u v a g o n im a c iste rn a- ma. C r p k a m a s e p re b acu je u n ad ze m n e ili p o d zem n e sp re m n ik e . V isk o zn o st goriva t re b a b iti n a jv iše 4 - 5 °E (stu p n je v a E n g le ra ) k ak o bi se gorivo m oglo tran sp o rtira ti c ijev im a. U re đ a ji z a p rip re m u te k u ć e g a g o r iv a sa s to je se od filtra , zag rijača i crpk i. Z a d a ta k tih u re đ a ja je d a do m laz n ice u k om o ri iz g a r a n ja dovedu goriv o u potrebn o j količini, dovoljno č isto s p o treb n im v isk o z ite to m i potrebnim t la k o m z a ra sp r š iv a n je .

P lin o v it o g o rivo . P lin o v ito gorivo se dovodi c ijev im a pod tlak o m od 0 ,5 do 4 M Pa (5 do 4 0 b a ra ) i v iše . U p o seb n im re d u k c ijsk im s ta n ic a m a t la k p lin a se sn ižav a n a m a n je od 0 ,1 M P a uz istod obn o filtr ira n je i z a g r ija v a n je . U re đ a ji za priprem u p lin o v ito g a g o r iv a su je d n o sta v n iji od u re đ a ja z a p r ip re m u te k u ć e g a goriva.

D o v o d i p r ip r e m a zra k a . U lo ž ište p a ro g e n e ra to ra z ra k se dovodi v en tila to- rim a. P r ip re m a z r a k a z a lo žen je ra z u m ije v a z a g r ija v a n je z r a k a u d im n o m k an a- lu kako bi se o stv ar ilo k v a lite tn ije iz g a ra n je i sn iž a v a n je m te m p e ra tu re iz lazn ih plinova p o većao s tu p a n j d je lo v an ja k otla .

V Dovdd i priprem a napojne vode. K a o u re đ a ji z a dovod vode u p aro gen e- rator k o r iste se crp k e p o go n jen e e lek tr ičn o m e n erg ijo m i p aro m , te n ap o jn i cjevovodi. S ig u r n a o p sk rb a g e n e ra to ra p a re n ap o jn om vod om je je d a n od n ajb it- nijih u v je ta s ig u rn o sti p o go n a . N a p a ja n je se re g u lira u sk lo p u re g u lac ije gen era- tora p are . S iro v a p r iro d n a v o d a n ik ad se ne u p o tre b lja v a iz rav n o u g e n e ra to r im a pare. N a p o jn a v o d a ne sm ije s a d r ž a t i tv a r i koje iz az iv a ju koroziju (k ise lin e , slobodni k isik , lu ž in e itd .) n iti tv a r i koje s tv a r a ju k a m e n a c (CaCCU , M gCCU, C aS0 4 i t d .). P r ip re m a vod e z a n a p a ja n je p a ro g e n e ra to ra s a s to ji se od n iza tehnoloških p o s tu p a k a koji o s ig u ra v a ju p o tre b an s tu p a n j č isto će n ap o jn e vode. N a slici 3 .18 . p r ik a z a n je p ro ces p rip re m e n ap o jn e vode.

P rv i s tu p a n j p r ip re m e vode o b u h v aća u k la n ja n je g ru b ih n e č isto ć a i kolo idn ih čestica ta lo žen jem , z a tim u p o treb o m o d g o v ara ju ć ih k e m ik a lija i f iltr ira n je m .

U d ru go m stu p n ju provod i se p o stu p a k d e k arb o n iz ac ije s iro v e vode djelo- m ičnim ta lo ž e n je m o to p ljen a k a lc ije v a b ik arb o n a ta . D e k a rb o n iz ir a n a v o d a slu ž i

83

i

u kotaa

|______________________ j______ k ondgfižot

Slika 3,18. Proces pripreme napojne vode; 1 - filtriranje, 2 - dekarbonizacija, 3 - demineralizacija, 4 - otplinjavanje

za po tpu n o o m ek aavan je , odnosno za p ro ces potpun e d em in era lizac ije d o đ atn e n ap o jn e vode.

D e m in e ra iiz ac ija je p o stu p a k iz đ v a ja n ja ion a šte tn ih m in e ra ia u k a tio n sk im i an io n sk in i izm jen jiv ač im a (filtr im a).

K em ijsk i p rip rem ljen a n ap o jn a voda a k u m u lira se u sp re m n ik o đ ak le se u sm je ra v a u o tp lin jač na term ičk u p rip rem u vode. P rije u la sk a u p aro g e n o ra to r obično se iz rav n im z ag r ijav an je m n isk o tlačn o m p aro m iz tu rb in e iz n ap o jn c vode o d stra n ju ju plinovi - u g ljik -d ioksid i kiaik. O visno o tlak u , te m p e ra tu ra otp lin ja- v a n ja izn osi 105 - 2 2 5 °C , N a sp re m n ik o tp lin jača p rik lju ču je se u sisn i k o lek to r n apojn ih crpki.

Odvod troskc i pepela. Iz io ž iš ta parn ih k o tlova potrebno je odst-raniti sv e k ru te o s ta tk e iz g a ra n ja . U ređ a ji za odvod tro sk e i pepela , te o sta lih o tp ad n ih tv a r i m ogu se izvesti kao m eh an ičk i, h id rau ličk i i p n e u m atsk i. S obzirorn n a in s ta lira n e sn a g e T E , c jo lokupan p o stu p ak u k la n ja n ja tro sk e i pep ela je potpun o m eh an iz iran i izvodi se h id rau ličk im i p n e u m atsk im u red a jim a.

K od h id rau ličk o g a i kod p n e u m a tsk o g tr a n sp o r ta š lja k e d v a su su s ta v a ;- s u s ta v n isk o g t lak a- s u s ta v v iso k o g tlak a .

Izb o r p o stu p k a i s u s ta v a t r a n sp o r ta tro sk c i p ep e la ovisi u m n o gom e o tom e odvozi li se t ro sk a n a o d lag a lis ta , ubacu je li se pepeo ponovuo u lo ž ište kao kod k o tlo va s tek u ć im odvodom t.roske ili se p lan ira za k orištcn je u g rađ e v in a rstv u . P o tro šn ja e Jek tričn e en erg ije za o d šljak iv an je nije velika.

Odvod i pročišćavanje dimnih plinova, D im n i plinovi su sm je sa produ- k a ta iz g a ra n ja , a sa s to je se od: v

- su m p o r-d io k sid a (S O 2) koji n a sta je iz g a ra n je m su m p o ra (S)- su m p o r-tr io k sid a (S O 3) koji n a sta je o k sid acijo m S O 2- u g ljik -d io k sid a (C O 2) koji n a sta je p o tp u n im iz g a ra n je m u g ljik a (C)

u g ljik -m o n o k sid a (CO ) koji n a s ta je n epotpu n im iz g a ran je m u g ljik a (C)- d u š ik a (N ž) iz go r iv a i z ra k a koji se dovodi u Iožište

- k is ik a (O 2) p re o sta lo g u d im n im p lin o v im a zbog d ovoda ž ra k a u lo ž ište- vodene p a re (H 2O) k o ja n a sta je isp ar iv an je m vode iz go riv a te iz g a ra n je m

vod ika- sitn ih čest.ica pepela.

P r isu tn o st sv ih p r im je sa ovisi o v rsti g o r iv a i o k v a lite ti iz g a ra n ja u lo ž išt im a p arn ih kotlova . Z ato je potrebno piinove n a s ta ie iz g a ra n je m prije nego što n apu- ste d in m jak što tem eljitije p ro č istiti k ak o bi š to m an je o trovn ih sp o je v a i p ep e la

84

dospjelo u okolinu. Kako su TE veiiki onečišćivači okoliša, jedan od prioritetnih zadataka je smanjiti koncentraciju otrovnih plinova u atm osferi. U tom smislu termoenergetska postrojenja moraju ugraditi posebne filtre ili otprasivače, ure- đaje ?.a odsum poravanje i poduzeti sve potrebne mjere kako bi utjecaj na okolinu ispušnih plinova i pepeia bio što manji.

Odstranjivanje krutih čestica. Krute čestice pepela iz dim nih se plinova odstranjuju raznovrsnim filtrim a ili otprašivačima. Filtri ili otprašivači za proči- šćavanje dimnih plinova m ogu se izvesti kao:

- mehanički- električni- vlažni- kombinirani.M e h a n i č k i o t p r a š i v a č i rade na principu gravitacijske ili centrifugalne

sile. Koriste se sam o za kotlove s loženjem na rešetki. Na slici 3.19 prikazan je obični ciklonski otprašivač.

C i k l o n s k i o t p r a š i v a č sastoji se od cilindričnog dijela prem a doije suženog u lijevak. U ciiindrični dio dovode se plinovi izgaranja u tangencijalnom smjeru, pa zbog toga nastaje kružno gibanje. Djelovanjem eentrifugalne siie čestice se izbacuju prema rubu otprašivača, to više što je brzina plinova veća. N a stijenkama se skupljaju čestice prašine i pod djelovanjem sile teže padaju u lijevak. Plinovi izgaranja nakon nekoliko okretaja mijenjaju smjer i izlaze na vrhu otprašivača. Sto je brzina plinova veća, cikionski otprašivač bolje rađi. Za pokretanje ventiiatora potrebna je znatna količina energije. Za veće kotlove grade se otprašivači s paralelno spojenim ciklonima.

iziaz pima Slika 3.19. Običan ci-

ulazplina

klonski otprašivać

kanal za odvoa pražirie

izlaz pra ine

' plinovi izaaranio

Slika 3.20. Osnovna izvedba električnog otprašivača

otpraženiplinoviizgaranja

prašina

E l e k t r i č n i o t p r a š i v a č i (sl. 3.20) imaju bolji stupanj đjelovanja od ci- klonskih, troše manje energije, ali zahtijevaju veće investicije. Koriste se za kotlove ložene ugljenom prašinom. Elektrofiltar je zapravo električni lconđenza- tor velikih dimenzija u kojemu izmedu elektroda vlada snažno električno polje. Napon među elektrodam a od 50 do 80 kV dobiva se iz ispravljača. Jedna elektro-

85

r

da od N i-Cr žice u obliku okvira priključena je ua negativni pol. Druga elektroda od metalnih pločica s vertikalnim otvorima za prolaz dimnih phnova spojena je na pozitivni pol. Pod utjecajem jakog električnog poija ubrzani elektroni uzrokuju lavinu iona i elektrona. Pozitivni ioni putuju prema negativnoj elektrodi, a jicgativni elektroni prema pozitivnoj elektrodi. Na putu prema elektrođama veći dio iona i elektrona nataloži se na čestice prašine pa se tako ionizirana prašina skuplja na elektrodama, Specijalni uređaj vibracijom elektroda u određenim vremenskim intervalima otrese prašinu koja pada na dno otprašivača, a odatle se odvodi na odlagalištc troske.

V l a ž n i o t p r a š i v a č i rade na principu sile inercije, a čestice se zadržavaju tekućinmn.

K o m b i n i r a n i o t p r a š i v a č i se sastoje od mehaničkoga i iza njega posta- vljenog električnog filtra.

Odsumporauanje dim nih plinoua. Od plinovitih sastojaka dimnih plinova najnepovoljniji je utjecaj sumpor-đioksiđa (SO 2). Količina sumpor-dioksida ovisi o sadržaju sumpora u gorivu. Za smanjenje sumpornih spojeva dimni plinovi se propuštaju kroz specijalne uređaje za odsumporavanje. Ti uređaji ovisno 0 postupku izdvajanja sumpor-dioksida dosta su skupi i jako povisuju cijenu termo- encrgetskog postrojenja, ali su po propisima obvezni kako bi se zaštitila životna

36

sredina i sačuvao okoliš od daljnjih onečišćenja. Za uklanjanje sum por-dioksida iz dimnih plinova razvijen je veći broj postupaka.

Osnova je tih postupaka ispiranje plinova vodenom otopinom reagensa koji vežu sum por-dioksid. Pritom su potrebne znatne koiičine vode. Voda nakon ispiranja postaje kisela pa nastaje problem s pročišćavanjem vode i njezinim vraćanjem u vodotok. N ovom m etodom odsum poravanja dim nih plinova, utvrđe- nom u pokusnom uređaju u laboratoriju centra za nuklearna istraživanja u Karlsruneu u Njem ačkoj, korišten je prineip elektronskog zračenja. Stetni plinovi sum por-dioksida i dušični oksidi odvajaju se sim uitano suhim postupkom . Intenzivnim zračenjem dimnih plinova elektronim a u odgovarajuće konstruira- nom dim nom kanalu nastaju kemijski spojevi nazvani radikalima. Radikali rea- giraju sa sum pornim i dušičnim oksidima, te nastaju sum porna i dušična kiselina. D odavanjem am onijaka dobiva se praškasti am onijev sulfat i nitrat.

Da bi se plinovi izgaranja s preostalim prim jesam a raspršili na što većem prostoru, TE se grade s vrlo visokim dim njacim a (višim od 300 m).

Na slici 3.21 prikazana je TE Plom in s dim njakom u prvom planu.

' v .[ Uređaji za nadzor, vođenje i zaštitu parogeneratora. Pom oćni dijeiovil/ opreme potrebni za norm alan rad parogeneratora sastoje se od niza uređaja i

instrumenata. Grubi pom oćni uređaji obuhvaćaju pom oćne uređaje ložišta, kon- trolna vrata, otvore za nadgledanje itd. Fini pom oćni uređaji obuhvaćaju bitne dijelove za sigurnost rada:

- vodokazni uređaji, vodokazna stakla- tlakom jeri i toplom jeri- sigurnosni, zaporni i napojni ventili- glavni parni ventil, odzračni ventili, ventili za puštanje u pogon, za pra-

žnjenje itd.- razni priključci za instrum ente i uređaje za regulaciju i automatiku.Osnovna zađaća oprem a za nadzor, upravljanje i zaštitu parnog kotla jest:- uskladiti dovedenu energiju u obliku goriva s potrebnom toplinskom ener-

gijom koju proizvodi parogenerator- uskladiti odnose goriva i zraka da proces izgaranja u ložištu bude najpo-

voljniji- održati tlak u ložištu stalnim na potrebnoj razini u svim pogonskim uvje-

tima- održavati tem peraturu pregrijane pare stalnom- održavati sigurnu opskrbu napojnom vodom.Suvrem eni parni kotlovi s ložištima za izgaranje u prostoru (izgaranje uglje-

ne prašine u letu) najveći su kemijski reaktori u inđustriji uopće. Takvi paroge neratori rade učinom od 4 000 th , a dostigli su jedinične snage od 1 500 MWt. Visina ložišta je do 200 m, a poprečni presjek ložišta do 200 m . Pretpostavlja se da je teško ostvariti povećanje tih dimenzija, a da li je m oguće, pokazat će rezultati u razvoju parogeneratora u bližoj i daljoj budućnosti.

Turboagregat. Turboagregat je uz parogenerator najvažniji dio oprem c parne TE. Sastoji se od parne turbine i sinkronog turbogeneratora, a im a zada-

87

tak da poznatim energetskim pretvorbam a proizvede potrebnu količinu elekt.rie- ne energije,

U sklopu turbokom pleksa uz kondenzacijsku turbinu nalazi se i turbinski kondenzator. Po izlasku iz turbine, vodena para se kondenzira u turbinskom konđenzatoru i vraća u proces.

P a m a turbma, Parna turbina je pogonski stroj koji toplinsku energiju pare pret.vara u mehanički rad posrednim putem. U prvom stupnju procesa dolazi do ekspanzije pare, to jest do pada tlaka i tem perature te porasta volumena. Mlaz pare se ubrzava, te se toplinska energija pretvara u kinetičku. K inetićka energija parnog m iaza stvara obodnu silu na rotoru, koja pokreće rotor, N a rotor turbine preko spojke spojen je generator električne struje koji m ehanički rad pretvara u elektricnu energiju. Izgled parne turbine u presjeku vidi se na slici 3.22.

ulaz pare

Slika 3.22. Parna turbina u presjeku: 1 - ulazna sapnica, 2 - lopatice statora, 3 - lopatice rotora, 4 - kućište,5 - ležajevi, potporni i odrivni, 6 - prednji ležajni blok,7 - brtveniea, 8 - stražnji ležajni blok, 9 - spojke, 10 - vratilo radnog stroja, 11 - klin za centriranje, 12 - klin za vodenje

Para dolazi u ulazni kanal (1) kućišta (4) preko ventila za regulaciju i brzozatvarajućeg ventila, Proces ekspanzije teče postupno. Prolazeći kroz redove nepokretnih lopatica statora (2), mlaz pare se usmjerava na lopatice rotora (3). Profil lopatica, njihova dužina i međusobni položaj ovise o tipu turbine, a određe- ni su zakonom strujanja pare.

Red statorskih i red rotorskih lopatica čine jedan stupanj turbine. Turhine se, ovisno o jediničnoj snazi i param etrim a pare, mogu izvesti s jednim stupnjem, pa do nekoliko đesetaka stupnjeva. Statorske lopatice prvog stupnja zovu se ulazne sapnice, je r kroz njih ulazi para u protočni dio turbine. K od pretlačne turbine statorske lopatice su ucvršćene na kućišta turbine, a kućište je zavješeno na ležajne blokove. Ležajevi se izvode kao pdtporni i odrivni (5). Potporni nose vratilo, koje se u njima okreće, a odrivni fiksiraju vratilo u aksijalnom smjeru. U prednjem ležajnom bloku (6) smješten je regulator broja okretaja, crpka za podm azivanje i drugi pom oćni uređaji.

Presjeci za prolaz pare prema lzlaznom kraju turbine sve su veći (duže lopatice), jer se zbog ekspanzije volum en pare povećava. Brtvenice (V) sprečava- ju prolaz pare u okolinu na mjestu gdje vratilo iziazi iz kućišta s prednje i stražnje strane, te sprečavaju ulaz atm osferskog zraka u turbinu.

Više je vrata parnih turbina, a m ogu se podijeliti na nekoliko naoina. Uo- bičajena je pođjela prema načinu iskorištavanja pare parne turbine:

- stalnotlačne (jednakog tlaka) kod kojih para ekspandira sam o u sapnica- m a statora

- pretlačne, kod kojih para ekspanđira i u statoru i u rotoru; tlak pare ispred lopatica viši je od tlaka pare iza lopatica

- kombinirane turbine (kom binacija stalnotlačnih i pretlačnih na istom vratilu), preduji dio turbine za više tlakove uvijek je stalnotlačni, a iza njega je pretlačni za niže tlakove.

Stalnotiačne turbine imaju snažan protočni dio i veću sigurnost u pogonu. Sastoje se od m anjeg broja stupnjeva s većim lopaticama. K ako ispred i iza rotorskih lopatica vlada isti tlak, nem a opasnosti od bježanja pare okolnim putem u sljedeći stupanj.

Pretlačna turbina nije u stanju preraditi tako veliku razliku sadržaja topline u jednom stupnju kao stalnotlačna turbina. Zato se izrađuje s većim brojem stupnjeva (veći broj redova manjih i osjetljivijih lopatica). Mođutim, pretlačna turbina iraa bolju iskoristivost.

Na slici 3.23 prikažan je dijagram toka pare kod stalnotlačne (a) i pretlačnedvostupnjevite turbine (b).

Pl

k

\p

//

"v\c

\ X .\\\

Pl1X

////t

\\c\\

- //■ -/

J

\

\- J- fi>2J \ P2cll

S1 Ri S2 r2

lc2 tci

4

s, Ri S2 r2

c2

a b

Slika 3,23. Dijagram toka pare kod stalnotlačne (a) i pre- tlaene (b) turbine: Si i - prvi i đrugi stupanj statora, Ri,R-z - prvi i drugi stupanj rotora, p{, p > - tlak pare 11a ulazu i iziazu iz turbine, ci, c-± - brzina pare na ulazu i izlazu iz turbine

Analizom dijagrama m ože se vidieti da prolaskom pare kroz stator (S) tlak pare pada, a brzina raste 1 kod stalnotlačne i kod pretlačne turbine. U rotoru (R) stalnotlačne turbine tlak pare ostaje konstantan, a brzina pada. Kod pretlačne turbine prolaskom krcrz rotor tlak pare se smanjuje. Zbog ekspanzije i u rotoru brzina (relativna) pare raste, ali je apsolutna brzina na izlazu m anja nego na ulazu u rotor.

89

Preina sm jeru strujanja pare turbine m ogu biti:- aksijalne, para struji u smjeru vratila- radijalne, para struji radijalno prem a vratilu ili od njega.Prem a načinu ispuštanja iskorištene pare turbine m ogu biti:- kondenzacijske (izlazna para iz turbine ne iskorištava se za druge svrhe,

već se odvodi u kondenzator gdje se hlađenjem kondenzira)- protutlačne (para koja je već djelom ično ekspandirala u turbini iskorištava

se za toplinsko isijavanje, npr. za parno grijanje ili u industrijskim pogoni- m a za potrošače ogrjevne pare).

K ondenzacijska turbina m ože se izvesti s reguliranim ili nereguliranim oduzim anjem pare. Kakv će se tip turbine koristiti u elektroprivrednim i industrijskim postrojenjim a ovisit će o energiji koju proizvode. Ako je postrojenje predviđeno za proizvodnju isključivo eiektrične energije, upotrijebit će se kon- đenzacijske turbine, a ako je prim arna proizvodnja toplinske energije, m ogu se koristiti protutlačne turbine.

Parne turbine su golem i rotacijski strojevi i grade se za velike jedinične snage (1 500 M W ). N a slici 3.24 prikazan je rotor parne turbine.

Ovisno o frekvenciji, parne se turbine prave za brzine:- 1 500 m in"1 i 3 000 m in"1 za f — 50 Hz- 1 800 m in ’ 1 i 3 600 min 1 z a / = 6 0 H z .

Slika 3,24. Rotor parne turbine

90

Jedan od najvećih proizvođača parnih turbina u svijetu je švicarska tvrtka BBC (Brown-Boveri-Cie). Stručnjaci te tvrtke razradili su konstruktivna rješen- ja za turbine jedinične snage 2 500 MW.

U našoj republici tvornica turbina u Karlovcu proizvodi turbine i to manje snage prema vlastitoj dokumentaciji, a prema stranoj licenciji gradi turbine snage do 600 MW. U suradnji sa švicarskom tvrtkom BBC sagrađena je u Karlovcu nova tvornica za proizvodnju parnih turbina snage do 1 300 MW.

Turbinski kondenzator . Najveći element turbokom pleksa je turbinski kondenzator. Po funkciji to je toplinski izmjenjivač površinskog tipa. Sastoji se od velikog broja rashladnih cijevi kroz koje prolazi rashladna voda, a para ispunjava prostor oko cijevi. N a vanjskoj površini rashladnih cijevi kondenzira se para, a kapljice kondenzata padaju na dno kondenzatora. Iz sakupljača kondenzata crpkama se kondenzat usmjerava prema kotlovnici. Zrak i drugi plinovi koji ne kondenziraju odsisavaju se parnim ejektorom ili vakuum-crpkam a. Na slici 3.25 prikazan je uzdužni presjek turbinskog kondenzatora (dvotočna izvedba).

Slika 3.25. Uzdužni presjek turbinskoga kondenzatora: 1 - ci- jevni snop prvoga toka, 2 - ci- jevni snop drugoga toka, 3 - prednja vodna komora, 4 - stražnja vodna komora, 5 - plašt turbinskoga kondenzatora, 6 - pregrada vodne komore,7 - sakupljač kondenzata

Vodne kom ore kondenzatora m ogu se pregraditi pregradam a na različite načine, tako da se dobiva različit broj tokova rashladne vode. Kod dvotočne izvedbe, kao na slici 3.25, prazan prostor između cijevi prvoga (1) i drugoga (2) toka rashladne vode posljedica je ugradnje pregrade u prednjoj vodnoj kom ori (3). Tokovi rashladne vode poredani su odozdo prem a gore, tako da je najhladnija rashladna voda u donjem dijelu snopa cijevi. Najveći kondenzatori s rashladnom površinom reda veličine 10 000 m 2 izvode se obično kao jednotočni, tj. voda ulazi kroz prednju vodnu komoru, prolazi odjednom kroz sve cijevi snopa i izlazi kroz stražnju vodnu komoru.

Sinkroni turbogenerator, Generator električne struje u term oelektranam a je sinkroni turbogenerator koji m ehaničku energiju dobivenu preko vratila turbine pretvara u električnu energiju. Radi na načelu elektrom agnetske indukcije.

Osnovni konstruktivni dijelovi su stator i rotor. Stator čine kućište i jezgra. Jezgru čini šuplji cilindar u obliku prstena sastavljen od dinam o-lim ova debelih 0,5 m m do 1 mm. U utore statora smješteni su navoji koji se najčešće izvode kao trofazni. Izlazni naponi iznose 10 do 20 kV. Nazivne struje m ogu biti više desetaka tisuća ampera.

91

I

Turboagregat ima valjkasti rotor, a gradi se za jedan ili dva para polova, tako da su nominalne brzi ne pn f — 50 H z 3 000 m irf 1 ili 1 500 miiT 1

P L Jgdje su:

f - frekvenciia [Hz] n - brzina [s '1] p - broj pari polova.

U utore rotora smješteni su pobuđni navoji u koje se preko kliznih prstenova uvodi pobudna struja iz posebnogizvora istosmjerne struje. Vratilo turbogeneratora postavija se vodoravuo. Turbogencratori se grade za naztvne snage od 1 MW do 1 500 MW, Uskoro se očekuju konstrukcije turbogeneratora za snage 2 500 MW. Male jedinice hlade se zrakom, a veće jedinice imaju kombinirano hlađenje vodikom i vodom.

Na slici 3.26 prikazani su vodom hlađeui namotaji statora turbogeneratora ''Končar".

Slika 3.26. Vodom hlađeni namotaji statora turboge- ncratora

92

Slika 3.27. Turboagre- gat NE Krško

Sa stajališta elektrane, veće jeđiniene snage turbina i generatora (turboagregata) imaju niz prednosti:

- veću iskorištenost- m anje pogonske troškove- nižu cijenu po jednom kilovatu nazivne snage,Za elektroenergetski sustav veće jeđinične snage nisu povoljno rješenje, jer

ispad iz pogona stroja veiike jedinične snage m ože narušiti stabilnost elektroenergetskog sustava i izazvati njegov raspađ,

Na slici 3.27 prikazan je turboagregat N uklearne elektrane Krško.

Voda za rashlađivanje i rashJadni sustavi u 'W . Term oelektrane su veliki potrošači vode. N ajveća količina vode kod TE s kondenzacijskim turbina- rna troši se za hlađenje turbinskih kondenzatora. Za hlađenje generatora i ulja za ležajeve turboagregata, za napajanje parnog kotla i ostale potrebe u elektrani troši se relativno m alo vođe. Ako se ukupna potrošnja vode u konđenzacijskoj TE označi sa 100%, tada se 88 do 94% koristi za hlađenje tuvbinskih kondenzatora, a samo 6 do 12% vođe za ostaie potrebe elektrane. Ovisno o smještaju term oelektrane sustav hlađenja turbinskih kondenzatoTa i ostalih dijelova postrojenja može se izvesti kao protočni i kao optočni ili povratni.

93

Protočno hlađenje. Ako je TE smještena uz veći vodotok, obvezno se pred- viđa protočno hlađenje. Crpna stanica rashladne vode postavlja se na obali rijeke, jezera ili mora, odakie se voda tlačnim cjevovodom transportira u elektranu. N akon prolaska kroz turbinski kondenzator i kroz druge potrošače rashladne vode, hiadnjak ulja, hladnjak generatora, voda se povratnim cjevovodom vraća u vodotok. Zagrijavanje rijeke rashladnom vodom ne smije prelaziti dopuštene vrijednosti (2 - 3 °C ). Za vrijeme niskih vodostaja rijeke m ože se dogoditi da porast tem perature vode prelazi dopuštene vrijednosti. Tada TE m ora smanjiti snagu ili obustaviti rad. U našoj republici takvih problem a im a na rijeci Savi, a uzrokuju ih rashladni sustavi NE Krško.

Na slici 3.28 prikazan je protočni sustav hlađenja.D a bi se spriječio ulazak nečistoća u

rashladni sustav, crpke sišu vodu iz zahvatnog uređaja s betonskim sprem nikom i rešetkama različite finoće. Skupljene neči- stoće se odvajaju i izbacuju iz spremnika. Povraini cjevovod ili kanal m ora ulaziti u rijeku nizvodno od zahvata da se ne usisava već zagrijana voda. Protočni sustav je jednostavan, je ftin ijije od op točn ogu gradnji, održavanju i pogonskim troškovim a.

strojornica

turboagregat

Optočni ili povratni rashladni sustav. Ako je lokacija TE daleko od bogatijeg vodotoka, primjenjuje se optočni (povratni) sustav hlađenja. Osnovno načelo rada je da u sustavu cirkulira uvijek ista količina vode, obilazeći zatvoreni krug (turbinski kondenzator - hladnjak - turbinski kondenzator). Rashladne crpke tjeraju vodu kroz kondenzatore. Prijelazom topline s vodene pare na rashladnu vodu, voda se zagrijava.

Zagrijana voda odlazi u rashladni toranj gdje s određene visine slobodno pada raspršena u sitne kapljice. Kod tornjeva s prirodnim propuhom zrak ulazi sa strane, miješa se s raspršenom vodom, zagrijava i ovlažuje. Tako postaje lakši i struji prem a izlazu. Rashlađena voda pada u sabirni bazen na dnu tornja, odakle je crpke tlače ponovo u kondenzator. N a slici 3.29 prikazana je shem a povratnog hlađenja.

Slika 3.28. Protočni sustav hla denja

zasićeni zrak

I Mtorqnj za kondenzator

U U U I I I U | ------voda 1 rashiadna crpka odmuljivanje

Rashladni toranj radi na načelu oduzi- m anja topline vodi ishlapljivanjem. Zato je potrebno ostvariti što bolji kontakt rashladne vode i zraka. Dio vode se pritom

Slika 3.29. Optočni (povratni) sustav hla- đenja

94

isparava i m ora se nadoknaditi novoni, pročišćenom vodom . Kod rashladnih tornjeva s prirodnim propuhom ishlapljivanje iznosi 2 - 3%. Dimenzije hlađnjaka su goleme (viši su od 100 m), jer je u kratkom vrem enu potrebno ohladiti velike količine vode. Rashladni toranj je na gornjem dijelu otvoren i iznad njega se vide oblaci tople pare. Na slici 3.30 vidimo u prvom planu rashlađni toranj TE Gacko.

Smjcštaj termoelektrane i raspored njezinih objekata. Tzbor lokacije i raspored objekata TE temelji se na detaijnim analizama mnogih značajki, od kojih su najvažnije:

- geološke i hidrološke prilike- način i mogućnosti doprem e goriva- m ogućnosti i načini odlaganja troske i pepela- opskrba napojnom i rashladnom vodom- prom etne veze- zaštita okoline od štetnog đjelovanja otpadnih tvari i otpadne topline iz TE- klimatske prilike- priključak na elektroenergetski sustav.

Ako je prostor dovoljno velik, gradi se TE s oprem om razm ještenom u više objekata (dislocirani raspored opreme TE). Na užem građskom ili industrijskom području oprem a TE obično se koncentrira u jednom građevinskom objektu (koncentrirani raspored opreme TE).

Termodinamičke osnove rada termoelektrane. Da bi se odredila energetska bilanca parne turbine i cjelokupnog parnog procesa, prom otrit ćem o radni

95

a Lk9 K J b

Slika 3.32. h-s dijagram kružnog procesa u termoelektrani (a) i energetska bilanca parne turbine (b): (4-4 ) - zagrijavanje vode, (4 -1 ) - isparavanje vode ( l '- l ) pregrijavanje pare, (1-2 ) - idealni toplinski pad, (2 -3) - hlađenje (kondenzacije), (3-4) - tlačenje vode u kotao

proces u jednostavnoj term oelektrani s konđenzacijskom turbinom, prikazana na shem i 3.31.

N a shem i radnog proeesa obilježene su karakteristične točke bitne za analizu kružnog ciklusa. Sadržaji topline (entalpije) djelatne tvari u pojedinim đijelo- vim a kružnog precesa prikazani su na h -s dijagramu na slici 3.32.

Područja između pojedinih točaka h - s dijagrama predstavljaju:

- {h i - h i) - toplinu utrošenu na zagrijavanje 1 kg vode- (h i - h i ) - toplinu potrebnu za isparavanje 1 kg vode- ( h i - h { ) - toplinsku energiju utrošenu za pregrijavanje 1 kg pare

96

- ( h i - h i ) - idealan toplinski pad ekvivalentan idealnom m ehaničkom radu (w0) 1 kg pare

- ( h i - h 2 ) - stvarni toplinski pad ekvivalentan stvarnom m ehaničkom radu (it>i) 1 kg pare

- h i - specifičnu entalpiju pare na ulazu u turbinu [kJ k g 1]- h2 - specifičnu entalpiju pare na izlazu iz turbine [kJ kg"1]- /13 - specifičnu entalpiju kondenzata na izlazu iz kondenzatora [kJ kg"1]- /14 — specifičnu entalpiju napojne vode na ulazu u kotao [kJ kg"1]- h { - specifičnu entalpiju suhozasićene pare [kJ kg"1]- s - specifičnu entropiju [kJ K"1 kg"1].Od točke 1 počinje proces pretvorbe energije u turbini, a veličine tlaka i

temperature u toj točki određuju gornju ili ulaznu energetsku razinu pri toj pretvorbi. Donja ili izlazna energetska razina zadana je tlakom na izlazu turbine u točki 2, a tlak izlazne pare ovisi o tom e da li je turbina konđenzacijska ili protutlačna,

U iđealnim uvjetima ekspanzija pare u turbini odvijala bi se po liniji okomito od točke 1 do točke 2 ’ (to bi bila ekspanzija pare bez gubitaka). Razlika specifič- nih entalpija pare u tim točkam a određuje adijabatski ili teorijski toplinski pad koji je ekvivalentan idealnom mehaničkom radu (w0):

h i - h i = w0 k J k g "1

U praksi se proces odvija tako da se ekspanzija završava desno od točke 2 ’ u točki2. Rad koji se proizvodi u realnim uvjetima zove se indicirani rad (wi), a pred- stavljen je razlikom entalpija u točkam a 1 i 2:

hi - h2 = w i kJkg-1

Stvarni rad manji je od idealnoga zbog više razloga:- gubitka zbog pada tlaka u ulaznom kanalu- gubitka zbog nepotpune ekspanzije- gubitka zbog prigušivanja u izlaznom kanalu.Količina topline q koja s jednim kg pare dospije u turbinu jednaka je razlici

entalpije pare na ulazu u turbinu hi i entalpiji napojne vode na ulazu u parni kotao /14 :

q = hi - /i4 kJkg-1

Termički stupanj iskoristivosti idealnoga parnog procesa om jer je idealnog rada turbine w0 i dovedene topline q:

w0*t = T

h i - h i h i - h ^ ’

(rjt < 0,5),

Stvarni termički stupanj djelovanja je niži od idealnoga i ima najveći utjecaj na ukupan stupanj iskoristivosti TE.

Omjer stvarnoga i idealnog rada određuje unutrašnju iskoristivost turbine Vi-

7 Elektrane 97

_ wi _ h \ _h2w 0 h \ - h i

Kod parnih turbina velikih jediničnih snaga unutrašnji stupanj djeiovanja iznosi rji = (0,85 - 0,90). Omjer efektivnog rada na vratilu turbine i rada indiciranog u stroju predstavlja mehanički stupanj djelovanja turbine r/m:

Vra = ^ rjm = (0,86 - 0,99)

We = rjm ■ Wi

Efektivni stupanj djeiovanja određuje kvalitetu izveđbe parne turbine, a ■. Jređen je umnoškom mehaničkoga i unutrašnjeg stupnja korisnosti:

rje = rjm ■ fj[.

Ako se iz parnog kotla u turbinu dovodi D [kg h '1] pregrijane pare, teorijska snaga turbine bit će:

P 0 = D ( h i - l n )

p = D [ h i - h j )0 a 600

kJtr1

[ kW] .

Stvarna unutrašnja snaga turbine bila bi:

_ D (h i - h ‘i) 1 3 600

ili

[ kW]

Da bi se dobila elektriena iskoristivost turboagi'egata, treba izmnožiti stupanj djelovanja turbogeneratora (rjg) i efektivne iskoristivosti turbine (r/e)'.

Vel = VS ' Ve ■

Da bi se dobila cjelovita slika o mogućnostima iskoristivosti energije u TE, moraju se uzeti u račun svi gubici energije u kružnom procesu:

- toplinski gubici kotla- gubici na parovodu- gubici na turbonapojnim crpkama- izdvojena toplina za parna trošila u elektrani- gubici na kondenzatoru itd.Ukupan stupanj korisnosti na pragu TE:

3 600 Pi7u ~ B ■ H a

gdje su:Pi - električna snaga na pragu elektrane [kW]B - količina goriva [kg h'H,\ - donja energotska vrijednost goriva [kJ k g '1]

98

Iz energetske bilance parnog procesa vidljivo je da se iskoristivost m ože po- boljšati povišenjem tlaka i temperature na ulazu u turbinu ili snižavanjem energetske razine pare na izlazu iz turbine, tj. snižavanjem tlaka ispušne pare. Najveći gubitak energije kružnog procesa je izlazna toplina ispušne pare:

q2 — D h.2 [ k j h'~l] .

Potrošnja pare, goriva i topline u term oelektranam a. Protok pare kroz turbinu ovisi o električnoj snazi generatora (Pg), a m ože se određiti iz formule:

D = 3 6 0 0 P R k g?7e • rjg (h i - h i ) [ h

Specifična potrošnja pare svedena na jedinicu snage mjerene na stezaljkama generatora:

d = D_ = 3 600Pg Ve • r }g (h \ -h i )

kgkWh

Specifična potrošnja goriva koja izgaranjem oslobodi toplinu potrebnu za proizvodnju 1 kWh energije na pragu elektrane:

3 600 kg ■ Hd kWh

Prava slika o ekonom ičnosti cijelog turbinskog ciklusa m ože se dobiti iz podataka o specifičnoj potrošnji topline (qs). Ta veličina se definira kao količina topline potrebna za proizvodnju 1 kWh električne energije na stezaljkam a generatora:

qs =3 600 D (h\~ A4)

PgkJ

kWh

gdje su:D - količina pare [kg s '1]h\ - entalpija pare na ulazu u turbinu [kJ k g '1] h i - entalpija napojne vode na ulazu u kotao [kJ k g '1] Pg - električna snaga generatora [kW ].

M eđupregrijavanje pare. Iz analize energetske bilance parnog procesa uslijedio je zaključak da je ukupan stupanj iskoristivosti TE u najvećoj mjeri određen term ičkim stupnjem djelovanja, koji je u procesu i najmanji. Poboljšati parni ciklus i dobiti što bolji stupanj djelovanja cilj je dodatnih tehničko-tehnološ- kih rješenja koja se poduzimaju u TE. Kako na termički stupanj iskoristivosti najviše utječu tlak i temperatura pare, jedno od rješenja za poboljšanje ukupnog stupnja djelovanja je međupregrijavanje pare. N a slici 3.33 prikazana je osnovna shema kondenzacijske TE s međupregrijavanjem pare toplinom dimnih plinova.

Para koja je djelom ično ekspandirala u prvom stupnju turbine V T (visoko- tlačni dio turbine) ponovo se zagrijava toplinom dimnih plinova u m ed,,pregri- jaČu MPR.

99

Slika 3.33. Osnovna shema TE s međupregrija- vanjem pare: VT - visokotlačni dio turbine, NT - niskotlačni dio turbine, MPR - međupregrijava- nje pare, 1" - para koja iz VT dijela turbine odlazi na međupregrijavanje, 2" - para koja dolazi iz međupregrijača u NT dio turbine (ostale oznake kao na slici 3.31)

Pri neprom ijenjenom tlaku zagrijava se na tem peraturi koju je imala na ulazu u V T dio turbine, Iz M PR para odlazi u drugi stupanj turbine N T (nisko- tlačni dio) i ekspandira do kondenzatorskog tlaka. M eđupregrijavanjem se smanjuje i vlažnost pare, što je vrlo važno glede erozije na zadnjim lopaticam a turbine, gdje je granična dopuštena vlažnost pare oko 14%. N a slici 3,34 prikazan je h -s dijagram za TE s međupregrijavanjem pare.

Term ički stupanj iskoristivosti turbine s m eđupregrijavanjem pare iznosi:

= ( h l - h ' i ) + (h2 — h% )^ (h i - liA) + (h2 - h ' i ) '

Izraz u brojniku predstavlja količinu topline po 1 kg pare koja je u turbini pretvorena u m ehanički rad, Izraz u nazivniku predstavlja količinu topline po 1 kg pare koja je primljena u parogeneratoru i u međupregrijaču.

M eđupregrijavanje m ože povećati iskoristivost od 1 do 1,5%.U term oelektranam a se m eđupregrijavanje pare često izvodi u dva stupnja.

Slika 3.34. h-s dijagram kružnog procesa s međupregrijavanjem: h \ - entalpija pare na ulazu u VT dio turbine, h 1 - entalpija pare na izlazu iz VT dijela turbine, h% - entalpija pare na ulazu u NT dio turbine, h% - entalpija pare na izlazu iz NT dijela turbine

R egenerativno zagrijavanje napojne vode. U natoč svim m jeram a za snižavanje energetske razine pare na izlazu iz turbine preko konđenzacije, izlazna toplina ispušne pare q% toliko je velika da znači neusporedivo najveći gubitak čitavog parnog ciklusa. Zato se nastoji smanjiti količina pare koja odlazi u kondenzator. To se postiže regenerativnim zagrijavanjem kondenzata parom oduzetom iz turbine na različitim m jestim a uzduž protočnog dijela turbine. Regenerativno zagrijavanje napojne vode izvodi se izm jenjivačim a topline (Z).

100

Slika 3.35. Shema regenerativnog zagrijavanja kondenzata parom: Z - zagrijač vode (kondenzata), T - parna turbina, K - parni kotao, S - spremnik napojne vode, C - turbinski kondenzator, Ck - crpka kondenzata, cn - erpka napojne vode

K

Dio pare koji je već dao određenu količinu energije za pretvorbu u turbini oduzima se iz turbine i vodi u zagrijač kondenzata (Z) kao na slici 3.35.

Tako se kondenzacija tog dijela pare ne provodi rashladnom vodom nego kondenzatom, pa toplina oduzeta od pare u zagrijaču ostaje u sustavu. Zato je potrebno oduzeti što više pare da bi se ostvarila m aksim alno dopuštena tem peratura kondenzata prije ulaska u kotao.

Oduzeta količina pare ne odaje potpuno svoju energiju za pogon turbine, pa je potrebna nešto veća ulazna količina pare nego pri čistom kondenzacijskom procesu, Takvim postupkom m oguće je ostvariti uštede topline do 10%, što ovisi o param etrim a svježe pare, o konačnoj tem peraturi napojne vode i o broju oduzimanja. Velike turbine m ogu imati i do 10 stupnjeva za oduzim anje pare, a moguće je oduzim ati i do 30% ulazne količine pare.

Povišenje tlaka i tem perature pare, veći broj stupnjeva zagrijavanja kondenzata i upotreba međupregrijavanja, dovelo je do znatnog snižavanja specifičnog potroška topline u termoelektrani. N a slici 3.36 prikazano je poboljšanje parnog ciklusa m eđupregrijavanjem pare i regenerativnim zagrijavanjem kondenzata.

Iz parnog kotla (K) para odlazi u V T dio turbine (ulaz 1). Iz visokotlačnog dijela turbine para se izvodi na m eđupregrijavanje (M PR), a zatim se odvodi u drugi dio turbine (ulaz 3). Manji dio pare iz V T dijela turbine (izlaz 2) odlazi u zagrijač napojne vode Z\.

Iz drugoga dijela turbine dio pare se u dva stupnja (izlaz 4 i 5) odvodi do zagrijača napojne vode Z2 i Z 3 . Para k o ja je obavila rad u drugom dijelu turbine odlazi u kondenzator (izlaz 6 ). Kondenzat iz kondenzatora (7) odlazi kroz zagri- jače (8) Z 3, (9) Z2 i (10) Z \ u parni

Slika 3.36. Blok-shema pobolj- šanog parnog procesa: MPR - međupregrijač, Zi, Z2, Z3 - zagri- jači napojne vode, K - parni kotao, C - turbinski kondenzator, Ck - crpka kondenzata, cn - crpka napojne vode

kotao (11) K.N a tom putu napojna voda

izlazi iz zagrijača sa sve višom

101

tem peraturom . Para koja je služila za zagrijavanje napojne vode u zagrijačim a se konđenzira i vraća u kondenzator (12, 13 i 14).

Sustav za zagrijavanje kondenzata parom oduzetom iz turbine primjenjuje se vrlo široko gotovo kod svih kondenzacijskih turbina bez obzira na veličinu. Tlakovi oduzete pare ne reguliraju se. Kod većine term oelektrana baterije zagrija ča kondenzata smještene su u donjem dijelu strojarnice uz kondenzacijsko postrojenje izm eđu tu ooagregata i kotlovnice.

Iskoristivost toplinske energije uz navedena poboljšanja u suvrem enim TE iznosi približno 41%.

A .2. Term oelektrane toplane (TE-TO)

TE -TO proizvode toplinsku i električnu energiju, U korištenju energije prednost imaju potrošači topline (tehnološka para za industrijske potrebe, za toplifikaciju naselja itd,). Eiektrična energija je sekundarna.

N a slici 3.37 prikazana je blok-shem a term oelektrane toplane.

N a blok-shem i predviđeni su parogeneratori niskoga i visokog tlaka koji proizvode paru za parne turbine i parna trošila. Na shemi je također predviđena m ogućnost opskrbe vrelovodnih trošila, tako šlo postoje i generatori vrele vode.

Priprem a goriva, zraka i vode, te odvođenje otpadnih tvari isti su kao u termoeiektrani.

TE -TO se m ože graditi kao industrijsko postrojenje i kao gradska elektrana. Proizvodnja energije u TE-TO m ože biti spojna (kombinirana) ili odvojena. Na slici 3.38 prikazana je shem a term oelektrane toplane sa spojnom proizvodnjom , s kondenzacijskom turbinom i oduzim anjem pare.

1 0 2

< />

©o

ro

O

< / )

eO

ro

odvojena proizvodnja spojna proizvodnja

en, en.topl. el. en . en.

Slika 3.40. Usporedba djelotvornosti odvojene i spojene proizvodnje elek- trične i toplinske energije

Iz bilance energije prikazane na slici 3.40 može se vidjeti da se u spojenoj proizvodnji za jednaku količinu toplinske (35%) i električne (17%) energije troši 20% manje goriva nego u odvojenoj proizvodnji. Razlog su povećani gubici u termoelektrani i kotlovnici (33% plus 15%) dok u spojenoj proizvodnji iznose 28%. Zato je iskoristivost TE-TO sa spojenom proizvodnjom veća (0,65) od iskoristivosti s odvojenom proizvodnjom (0,52). Zbog manjih toplinskih gubitaka spojna proizvodnja manje opterećuje okolinu, pa je ekološki povoljnija. Te činje- nice su dobro poznate u svijetu, pa je spojna proizvodnja električne i toplinske energije često zastupljena. Termoelektrane toplane su ekonom ičnija postrojenja od termoelektrana s kondenzacijskim turbinama. Prem a namjeni, termoelektrane toplane u užem smislu riječi mogu se podijeliti na:

- industrijske TE-TO- javne (gradske) TE-TO.Industrijske TE-TO mogu se izvesti s kondenzacijskim turbinama ako je

pogon orijentiran za proizvodnju električne energije, a potrošnja topline je nez- natna. To je slučaj u željezarama (metalurgiji) kad se m ože koristiti otpadna toplina (grotieni plin ili koksni plin), a uvjet je sigurna opskrba električnom energijom neovisno o vanjskom sustavu mreže.

Za pogone koji su veliki potrošači ogrjevne pare industrijske se TE-TO najčešće koriste protutlačnim turbinama. Sustav je tako postavljen da kroz turbinu prolazi onolika količina pare kolika je potrebna za grijanje ili neke druge tehnološke svrhe, neovisno o potrebama električne energije. Generator koji po- kreće turbina u paralelnom je radu s vanjskom m režom. Ako energija koju proizvodi generator nije đovoljna za potrebe pogona, vanjska m reža osigurava razliku.

K od mdustrijske TE-TO s protutlačnom turbinom iskorištava se oko 80% utrošene topline, što je dva puta bolje nego kod kondenzacijske turbine.

Javne (gradske) TE-TO proizvode toplinsku i djelomično električnu energiju za šire gradsko područje. Najveća elektrana takve vrste u Republici Hrvatskoj je TE-TO Zagreb, koja ima instaliranu snagu 840 MW toplinske i 184 M W električ- ne energije.

Osnovni podaci za TE-TO Zagreb su u tablici 3.1.Elektrana-toplana građena je u dva dijela, oba rade na bazi teškoga loživog

ulja (40,18 MJ/kg) i prirodnog plina (36,0 MJ/kg) pri čemu se kotao m ože ložiti i jednim i drugim gorivom do 100% učina.

104

Tablica 3.1. Osnovni podaci TE-TO Zagreb

Snaga elektrane [M W ] I. etapa 2 x 3 2

II. etapa Ukupno 120 184

Kotlovi- tip kotlova strmocijevni radijacijski s prirodnom cirkulacijom- učin kotla- temperatura napojne vode

[t/h]

[°C]

2 x 16/220 500

na ulazu u kotao 200 230

Turbina- snaga- parametri svježe pare

[MW]

[MPa]

2 x 3 2 120

- tlak 8,92 12,74- temperatura- garantirani specifični

[°C]

[MJ/kWh]

520 555

potrošak topline - u kondenzacijskom pogonu 9,88 9,17- u protutlačnom radu 9,35 8,44

Generator- snaga [MVA] 2 x 4 0 150- faktor snage [cos ^] 0,8 0,8- napon [kV] 10,5 12,5- brzina vrtnje agregata [min'1] 3000 3000

Blok-transformator

- snaga [MVA] 2 x 4 0 150- prijenosni omjer [kV/kV] 10,5/110 12,5/110

U drugom dijelu građenom od 1975. do 1979. godine izgrađen je oduzim no kondenzacijski blok s dva toplifikacijska oduzimanja od kojih jedan s automat- skom regulacijom tlaka i sedam stupnjeva regenerativnog zagrijavanja kondenzata i napojne vode. Turbina je izvedena kao jednovratilni stroj s tri kućišta snage 110 MW. U tom su razdoblju izgrađeni, osim glavnog pogonskog objekta (kotlovnice i strojarnice), još i:

Slika 3.41. Potrošnja toplinske energije u Zagrebu

105

- dimnjak visok 200 m- postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda- skladište kisika i butana- kanalizacije, vodovod i ceste- rekonstrukcija zgrade drobilice u skladište rezervnih dijelova.Planirano je da se do 1992. godine izgradi novi blok od 200 M W koji bi

iskorištavao plin i ugljen s malim postotkom sumpora, vjerojatno iz uvoza. M eđutim, ti se planovi za sada ne ostvaruju kako je predviđeno. Najstariji blokovi 2 x 32 M W rade od 1962. godine i vrijeme da se zamijene novim a već je isteklo. Kako nije bilo prikladne zamjene, blokovim a je različitim zahvatima produžen vijek trajanja do uključenja u pogon bloka 200 MW. N a slici 3.41 dijagram om je prikazana potrošnja toplinske energije u Zagrebu od 1960. do 1980. godine. Vidljiv je velik porast potrošnje toplinske energije.

A.3. Shema spoja termoelektrane

U suvrem enim TE parna turbina i kotao rade u bloku, tj. jedan parogenerator proizvodi paru za jednu turbinu. Shema spoja TE odnosi se na spoj kotla i turbine. Shemu spoja takve veze vidimo na slici 3.42 i 3,43.

Slika 3.42. Shema spoja TE s kotlorn i turbinom u bloku

1

Slika 3.43. Shema spoja TE s kotlom i turbinom u bloku i rncđupregrjja vanjem

PS

Slika 3.44. Shema spoja TE s parnom sabirnicom

U starijim TE, građenim dok se još nisu proizvodili parni kotlovi velikih učina, primjenjivale su se veze s jednostavnim parnim sabirnicama, tako da je parna turbina m ogla dobivati paru iz bilo kojeg kotla uključenoga na parnu sabirnicu, kao na slici 3.44.

106

Slika 3.45. Shema spoja TE s pamom sabirnicom i zapornicama (zatvaračima) u parnoj sabirnici

■7*- PSNedostatak takvog spoja jest u tom e što je svaki kvar na parnoj sabirnici preki- dao rad cijelog postrojenja. Da bi se om ogu- ćio bar djelom ičan rad sabirnica u slučaju kvara, one su se zapornicim a m ogle podijeliti na više dijelova, kao na slici 3.45, Pove- ćanje broja zapornica m ože donekle povećati pogonsku sigurnost, ali su ventili i zapornice, nažalost, mjesta najčešćih kvarova.

Veća sigurnost postrojenja m ože se postići upotrebom dvostrukih parnih sabirnica, kao na slici 3.46.

Kao što se vidi na shemi spoja, velik broj zapornica (ventila) komplicira čitav pogon.

Kod bloka jedan kotao - jedna turbina shema je vrlo jednostavna i pregledna, a broj zapornica je minimalan. Međutim, kvar na jednom dijelu bloka izbacuje čitav blok iz pogona. Kako se danas u suvremenim elektranam a povećanje termičkog stupnja iskorištenja ostvaruje m eđupregrijavanjem pare, izvedba postrojenja s parnim sabirnicama se ne primjenjuje zbog složenosti takva rješenja.

A.4. Pokretanje parne term oelektrane

Pod pokretanjem parne TE iz hladnog stanja razumijeva se potpaljivanje kotla i proizvodnja pare do nazivnog tlaka i temperature, te postupno zagrijavanje i ubrzavanje turbine do nominalne brzine.

Svaki kotao građen je za određene pogonske uvjete, pa su ogrjevne površine prilagođene učinu kotla, temperaturi kom ore izgaranja i tem peraturi plinova izgaranja. Za vrijeme stavljanja u pogon uvjeti se bitno razlikuju od onih u normalnom pogonu. Potpaljivanje kotla ovisi o načinu strujanja vode u kotlu.

Protočni se kotlovi stavljaju u pogon stalnim protokom minimalne količine vode koja osigurava hlađenje svih paralelno spojenih cijevi i stabilno strujanje. U

107

početku grijanja na izlazu iz kotla je sam o voda, zatim m okra para, pa zasićena i napokon pregrijana para.

Prije stavljanja u pogon otvore se svi ventili za odzračivanje kotla da se ispusti zrak sakupljen u kotlu za vrijem e obustave.

N apojnom crpkom treba osigurati strujanje vode kroz zagrijač, isparivač i pregrijač da bi se nakon potpaljivanja kotla sigurno hladile sve ogrjevne površine. Ventil pred turbinom je zatvoren, a voda, smjesa vode i pare i para obilaznim cjevovodom odlaze u sprem nik napojne vode. Na slici 3.47 shema je za stavljanje u pogon Sulzerova kotla bez međupregrijavanja.

Slika 3.47, Shema spoja za stavljanje u pogon Sulzerova kotla bez međupregrijavanja: K - parni kotao, T - parna turbina, G - električni generator, C - turbinski kondenzator, S - spremnik napojne vode, - crpka kondenzata, cn - crpka napojne vode; 1 - hladnjak pare, 2 - odjelji- vač vode, 3 - obilazni vod

Iz kotla para odlazi u odjeljivač vode (2), zatim prolazi kroz pregrijač I, hladi se u hladnjaku (1), prolazi kroz pregrijač II. i obilaznim cjevovodom (3) odlazi u sprem nik napojne vode (S). N akon hlađenja u drugom hladnjaku (1) para se obilaznim cjevovodom vodi u turbinski kondenzator (C).

Kad para postigne nazivni tlak i temperaturu, otvaraju se turbinski ventili. Povećanim dovodom pare turbini zatvara se postupno obilazni cjevovod.

Para ulazi u turbinu preko nekoliko visokotlačnih regulacijskih ventila od kojih svaki opskrbljuje parom po jednu skupinu ulaznih sapnica. Kod turbina s m eđupregrijavanjem pare ispred dijela srednjeg tlaka također se postavljaju kom binirani regulacijski i brzozatvarajući ventili.

Za vrijem e stavljanja u pogon turbina se postupno zagrijava i ubrzava. Vrijem e zagrijavanja ovisi o konstrukciji i snazi turbine, a iznosi od desetak m inuta do nekoliko sati. Vrijeme potrebno za zagrijavanje propisuje proizvođač. Kada se u turbinskom kondenzatoru ostvari vakuum od 2/3 njegove nazivne vrijednosti, otvori se glavni parni ventil i turbina se počinje polagano vrtjeti. Zatim se ventil zatvori, pa se ponovo otvori dok broj okretaja ne dostigne 10-12% nn. D ok se turbina zagrijava, para se kondenzira i preko drenaže turbine izvodi van.

Kad se turbina zagrije, sve se više otvara glavni ventil i turbina se ubrzava dok ne dostigne nn■ Kad turbina dostigne nn, tada o održanju nn = const brigu preuzim a turbinski regulator.

Zbog izbjegavanja vibracija prilikom ubrzavanja, treba nastojati da turbina što prije "prođe" kroz kritičnu brzinu (ako je n^ < nn). Parne turbine zaustavljaju

108

se rasterećene. Kad je turbina rasterećena, isključi se generator s rnreže, ali uređaj za podmazivanje radi sve dok se rotor vrti. Brzozatvarajućim ventilom zatvaraju se svi regulacijski ventili, čim e se ubrzava zaustavljanje. Vakuum-si- saljka isisava zrak iz zaostale pare da bi turbina ostala što manje mokra, a zatim se ubacuje suhi zrak da se potpuno osuši kako bi se zaštitile lopatice od korozije. U toku rada turbine instrumentima se neprekidno kontrolira stanje u sistemu:

- tlak i temperatura pare kod glavnog ventila- vakuum u kondenzatoru- tlak pare u prvom stupnju turbine- temperatura ispušne pare- temperatura rashladne vode- temperatura i tlak ulja u ležajevima- potrošnja pare,

A.5. Vlastita potrošnja i jednopolna shema termoelektrane

Term oelektrane su postrojenja u kojima se za vrijeme rada nalazi u pogonu velik broj pratećih potrošača električne energije. Zato će sigurna i neprekidna opskrba potrošača električnom energijom u elektrani biti jedan od preduvjeta za normalan rad TE.

Najbrojnija trošila električne energije u TE su elektromotori koji se koriste za pogon:

- mlinova za ugljen- ventilatora- dizalica i kranova- uređaja za dopremu i pripremu vode- uređaja za otpremu troske i pepela- dijelova turboagregata- kompresorskih uređaja- napojnih i kondenzacijskih crpki- transportnih traka itd.Vlastita potrošnja u TE razdvaja se na opću vlastitu potrošnju (potrošači koji

ne pripadaju nijednom bloku) i vlastita potrošnja bloka.Vlastita potrošnja m ora imati m ogućnost napajanja iz najmanje dvaju neovi-

snih izvora električne energije. Kao izvori električne energije za vlastitu potroš- nju elektrane mogu se upotrijebiti:

- kućni agregat na pogon parnom turbinom- kućni transform ator priključen na sabirnice srednjeg ili visokog napona- dalekovod iz susjedne elektrane- transform ator na odcjepu generatora- pom oćni nam ot na glavnim transform atorima- lokalnu distribucijsku mrežu srednjeg napona- dizel-agregat i drugi.U suvrem enim TE vlastita potrošnja bloka napaja se s odcjepa generatora

preko regulacijskog transform atora prijenosnog omjera 1:1 da bi se ograničile struje kratkog spoja koje se mogu pojaviti na vlastitoj potrošnji bloka. Kada

109

nastane kvar na jednom bloku, vlastita potrošnja bloka m ože se priključiti na sabirnice za opću vlastitu potrošnju.

Na slici 3.48 prikazana je pojednostavljena jednopolna shema suvremene TE.

Generator i transform ator rade u bloku. Na dvostruki sustav sabirnica (si i sž) priključena su dva bloka (m ože biti veći broj blokova, što ovisi o instaliranoj snazi elektrane).

Izlazni napon generatora je 10 kV, a energetski transform ator transform ira električnu energiju na naponsku razinu potrebnu za prijenos na daljinu (na shemi je to napon 110 kV).

Na sabirnice su priključena četiri dalekovodna polja.Vlastita potrošnja bloka napaja se s odcjepa generatora preko regulacijskog

transform atora, a opća vlastita potrošnja ima m ogućnost napajanja s visokona- ponskih sabirnica (si i s 2) ili dalekovodom iz susjedne elektrane.

Zadaei za vjeibu

1 , Toplina Q nastala izgaranjem goriva predaje se vodi, odnosno pari sa stupnjem djelovanja rj \ = 0,82. Pretvorba toplinske energije pare Q u mehanički rad na vratilu turbine odvijase uz iskorištenje tj2 = 0,89. U električnom generatoru mehanički rad Wjn pretvara se u električnu energiju Wei sa stupnjem djelovanja 7/3 = 0,89.

1 1 0

Kolika je godišnja proizvodnja termoelektrane ako parni kotao troši na sat 30 t ugljena? Donja energetska vrijednost goriva je 21 MJ kg_1.TE radi godišnje 6 000 sati.Kolika je snaga agregata?

weiQ

K

| gorivo

2. Odredite protok pare kroz turbinu u TE u kojoj specifični potrošak topline lznosi 10 MJ kWh’ , ako je snaga na stezalikama generatora 300 MW, a razlika entalpija na ulazu i izlazu iz kotla 1 200 kJkg" .

3. Kolika je instalirana snaga elektrane koja radi s ukupnim stupnjem iskorištenja rju = 0,38. Gorivo je ugljen donje energetske vrijednosti 18 000 kJ kg’1.Dnevna potrošnja goriva je 3 156 t.

4. Izračunajte električnu snagu generatora i specifični potrošak pare ako je stupanj djelovanja generatora rjs = 0,95, efektivna snaga turbine 640 MW, a protok pare D = 3 000 th .

Pitanja za ponavljanje i provjeru znanja1. Objasnite načelo rada parne TE.2. Na čemu se temelji izbor lokacije i smještaj objekta TE?3. Koji su osnovni dijelovi opreme parnih TE?4. Definirajte i objasnite karakteristične veličine parnog kotla.5. Kako se mogu izvesti parogeneratori s obzirom na optok (cirkulaciju) kotlovske

vode?6. Vrste ložišta parogeneratora.7. Sto čini ogrjevne površine parogeneratora i ulogu pojedinih ogrjevnih površina?8. Priprema goriva za izgaranje s obzirom na agregatno stanje.9. Objasnite faze pripreme napojne vode za parni kotao.

10. Pročišćavanje dimnih plinova; vrste otprašivača.11. Uloga parne turbine u kružnom procesu TE.12. Kako se sve mogu podijeliti parne turbine?13. Objasnite ulogu turbinskog kondenzatora.14. Za koje se izlazne napone i jedinične snage grade turbogeneratori?15. Rashladni sustav TE; objasnite protočno i optočno hlađenje.16. Objasnite kružni proces u TE s kondenzacijskom turbinom.17. Analizirajući h - s dijagram, definirajte teorijski termički stupanj djelovanja TE.18. Koja veliČina najbolje pokazuje ekonomičnost termoenergetskog postrojenja?19. Definirajte specifičnu potrošnju pare?20. Kako se može poboljšati stupanj korisnosti parne TE?21. Objasmte proces međupregrijavanja pare i posljedice tog procesa.22. Sto se postiže regenerativnim zagrijavanjem napojne vode?23. Navedite razlike između TE i TE-TO.24. Objasnite načelo rada TE-TO sa spojenom proizvodnjom.25. Zašto industrijske TE-TO s protutlačnim turbinama lmaju visok stupanj djelova-

nja?26. Sto su nedostaci odvojene proizvodnje u TE-TO?27. Gdje je u Republici Hrvatskoj najveća TE-TO i koje sujoj karakteristike?28. Objasnite rad u bloku i shemu spoja TE.29. Opišite stavljanje u pogon parne TE.

111

30. 0 Čemu ovisi vrijeme trajanja stavljanja u pogon TE?31. Sto sve može poslužiti kao izvor napajanja vlastite potrošnje u TE?32. Napajaju li se sva trošila električne energije u TE iz istog izvora?33. Napravite jednopolnu shemu TE s priključkom vlastite potrošnje na neki od mogu-

đih lzvora napajanja.

R. Nuklearne elektrane

B.l . Nuklearna energija

Dva osnovna oblika materije, masa i energija, u međusobnom su odnosu izraženom fundamentalnom Einsteinovom relacijom:

E 0 = m ■ c2

gdje su:E 0 - energija mirovanja [J]m - masa [kg]c - brzina svjetlosti [ c = 3 ■ 108 m ■ s_ 1] .

U nuklearnoj fizici postoji jedinstven zakon o održanju mase i energije, koji određuje njihov međusobni odnos i pretvorbu. Otkriće prirodne radioaktivnosti, koja nastaje kao posljedica spontanog raspada jezgara nekih elemenata, bilo je poticaj za istraživanje i m oguće iskorištavanje nuklearne energije. Svaka stabil- na atomska jezgra vezani je sustav. Ako se želi atomska jezgra razgraditi na pojedinačne nukleone, potrebno je izvršiti neki rad. Taj rad je kvantitativno određen i jednak je onoj energiji koja povezuje nukleone (energija veze jezgre). Jezgre s većom masom građene su od većeg broja protona i neutrona, pa je i energija vezivanja za takve jezgre veća.

Pri nuklearnim reakcijama, u kojima nastaju jezgre s većom energijom vezivanja po nukleonu, dolazi do gubitka mase (defekt mase), to jest masa se oslobađa i pretvara u odgovarajuću količinu nuklearne enegije.

U načelu, energija se može osloboditi u području teških jezgara smanjenjem atomske mase, a u području lakih jezgara povećanjem atomske mase. Ako se u nuklearnim reakcijama želi dobiti energija, potrebno je izazvati cijepanje (fisiju) teških jezgara, ili spajanje (fuziju) lakih jezgara.

Fisija. Vanjskim djelovanjem na jezgru atoma m oguće je uzrokovati nuklearne transformacije. Godine'1935, O. Hahn i F. Strasman u Njemačkoj, te F. Joliot i I. Curie u Francuskoj gotovo su istodobno otkrili do tada nepoznat način razbijanja atoma. Bombardiranjem atoma izotopa urana U 28° sporim neutronima nastaje jez^ra U 236 koja je vrlo nestabilna. Nakon kratkog vremena novona- stala jezgra U236 se cijepa na dva dijela, pri čemu se oslobađa dio neutrona i određena količina energije Q.

Ne postoje dva određena elementa kao stalni i jedini produkti fisije. Među fragm entim a raspada m ogu se naći elementi od rednog broja 30 (cink) do 62 (samarij).

1 1 2

N a prim jer:

92U235 + o n ^ g ^ U 236 - 56B a140 + seKr94 + 2 c * 1 + Q

^•56Ba139 + 36K r94 + Son1 + Q - 5 5 C s 1 3 7 + 3?R b96 + Son1 + Q.

Prim jenom zakona o održanju mase i energije prije i poslije fisije jedne jezgre U235, utvrđeno je da oslobođena energija Q iznosi oko 200 MeV.

1 eV = 1,6 • 10“ 19 [ J'] = 4,45 • 10“ 26 [ kWh] .

Raspadom 1 g urana-235 dobije se 23 MW h energije.Uran se m ože cijepati neutronim a niske i visoke energije. Neutroni niske

kinetičke energije su spori ili term ički neutroni. Gibaju se brzinam a koje odgovaraju brzinam a term ičkog kretanja molekula.

N eutroni koji se oslobađaju u procesu fisije su brzi neutroni i imaju visoku kinetičku energiju. Jez- gre koje se raspadaju sporim neutronim a zovu se fisibilne jezgre. Sam oodržavanje fisije sporim neutronima m oguće je ako se po jednoj fisiji oslobodi prosječno oko 2,5 neutrona, a najmanje jedan novo- nastali neutron m ora izazvati novu fisiju. Tako se uspostavlja lančana reakcija. Da bi se lančana reakcija m ogla održavati, neutroni se m oraju usporiti do termičkih brzina. Pokusim a je utvrđeno da su najpogodniji usporivači (m oderatori) neutrona teška voda (D2O) i čisti grafit (C).

N a slici 3.49 prikazana je lančana reakcija U 235.G otovo svi produkti koji nastaju fisijom su radio-

aktivni. Energiju oslobođenu fisijom potrebno je za- držati na jednom e izoliranom e mjestu zbog opasnih radioaktivnih zračenja. Korisna energija u obliku topline, odgovarajućim tehničkotehnološkim rješe- njima izvodi se do m jesta pretvorbe. Proces kontrolirane fisije odvija se u nuklearnim reaktorima. Prem a brzini neutrona koji održavaju lančanu reakciju, nuklearni reaktori se dijele na term ičke i brze reaktore.

Fuzija. Proces stvaranja težih atom skih jezgara (spajanjem jezgara lakših elemenata suprotan je fisiji, a zove se nuklearna fuzija.

U svemiru, na zvijezdama, nuklearna fuzija se odvija neprekidno i izvor je energije zvijezda. N a Zemlji, čovjek je, nažalost, dosad primijenio fuziju za oslo- bađanje golem e energije u obliku vodikove (hidrogenske) bombe, dakle u cilju razaranja.

U nastojanjim a da stvore nove izvore energije znanstvenici širom svijeta već nekoliko desetljeća istražuju m ogućnosti ostvarenja kontrolirane fuzije. Istraži- vanja se provode s izotopim a vodika, teškim vodikom 1H 2 (deuterij, oznaka D) i superteškim vodikom 1H 3 (tricij, oznaka T).

n

Slika 3.49. Prikaz lan- čane reakcije U235

8 Elektrane 113

Fuzijom dviju jezgara lakog vodika 1H 1 nastaje nova jezgra deuterija, oslobodi se jedan pozitron i određena količina energije Q = 1,44 MeV.

iH 1 + 1H 1 - 1 H 2 + ie° + Q.

Fuzijom dvaju deuterona nastaje jezgra helija, oslobađa se jedan neutron i određena količina energije Q = 3,276 MeV.

lH 2 + iFT2 - 2kle3 + on1 + Q.

Deuterija u prirodi im a u izobilju. U jednoj toni vode im a 34 g deuterija. U m orim a se nalazi oko 52 .1012 tona deuterija. Prem a procjenam a znanstvenika sam o fuzijom deuterija iz vode m ogla bi se osigurati energija na neograničeno vrijeme.

N a temelju saznanja o fuziji danas, m nogo je lakše ostvariti fuziju deuterija (iH 2) i tricija ( jH 3):

lH 2 + iH 3 - 2H e4 + on1 + Q.

Fuzijom deuterija i tricija nastaje jezgra helija -4, oslobađa se jedan vrlo brz neutron i energija Q = 17,6 MeV.

Pojedinačnom fuzijom oslobađa se m anja količina energije nego pojedinač- nom fisijom. N o količina energije po jedinici m ase goriva pri fuziji je m nogo veća nego pri fisiji. Osim toga, postupak za dobivanje goriva za fuziju je m nogo jednostavniji i jeftiniji nego za fisiju.

G olem a nuklearna energija oslobođena fuzijom najvećim dijelom se pretvara u kinetičku energiju izbačenih neutrona, koji suđarima prenose energiju na okolnu tvar. Kako dobiti i iskoristiti tu energiju? Sto se javlja kao glavna prepre- ka ostvarenju kontrolirane fuzije i njezinom održavanju? N ešto više o tom e navest ćem o na kraju poglavlja o nuklearnim elektranam a pod tem om fuzijski reaktor.

B .2. N uklearna goriva i nuklearni gorivi ciklus

Najbolja fisijska goriva su uran-235, plutorhj-239 i uran-233. Jedino nuklearno gorivo koje se u svom prirodnom obliku m ože neposredno upotrijebiti je izotop U 235. Budući da u prirodnom uranu ima sam o 0,71% U 235, dugoročni razvitak iskorištavanja nuklearne energije temelji se na um jetnim nuklearnim gorivim a, plutonija p u 239 i izotopu uranu U 233.

Plutonij se dobiva iz urana-238. Prirodni uran sadrži 99,28% izotopa U 238, U ran-238 ne m ože se cijepati sporim neutronima. Važna osobina U 238 je da jako upija neutrone, te u nuklearnim reakcijam a zahvatom neutrona uran-238 prelazi u plutonij-239. Za term ičke reaktore uran-238 je balast, je r povećanjem fisibilnoga goriva nastankom plutonija-239 u energetskom smislu m anje se dobiva, nego što se izgubi zbog gubitka neutrona.

Zato se konstrukcijom term ičkog reaktora nastoje destimulirati procesi u kojima jezgre U 238 upijaju neutrone. To se postiže usporavanjem neutrona. Izotop U 233 dobiva se iz torija Th232 na isti način kao P u239 iz U 238.

Izbor goriva u term ičkom reaktoru ovisi o vrsti m oderatora. Kao gorivo se m ože koristiti prirodni uran, ako usporivač ne apsorbira ili vrlo slabo apsorbira

114

neutrone. Ako m oderator jače upija neutrone, gorivo se m ora obogaćivati izotopom U 235 da bi se kom penzirao gubitak neutrona u m oderatoru i lančana reakcija nesme- tano odvijala.

Nuklearni gorivi ciklus sastoji se od dvaju dijelova:

Predreaktorski ciklus obuhvaća priprem u goriva za izgaranje, a sastoji se od:

- industrijske prerade ruda urana do tehničkog koncen- trata

- rafiniranje i preradu tehničkog kon- centrata do nuklearno čistih spoieva(U F 6)

- izotopsko obogaće- nje urana; za lako- vodne reaktore (0,7 - 3,3)% U 235

- izrada gorivih elemenata.

Poslijereaktorski ciklus obuhvaća ove faze:

- preradu istrošenoga goriva uz izdvajanje fisibilnoga goriva

- obrada i odlaganje radioaktivnog otpada.

N a priloženim slika- ma prikazane su faze gorivog ciklusa bez prerade (sl. 3.50) i faze gorivog ciklusa s preradom i recikli- ranjem i urana i plutonija (sl. 3.51).

Slika 3.50. Faze ciklusa goriva bez prerade

Slika 3.51. Faze ciklusa goriva s preradom i reci- kliranjem urana i plutonija

115

B .3. N ačelo rađa nuklearne elektrane

N uklearne elektrane (NE) postrojenja su u kojim a se toplinska energija dobivena u nuklearnom reaktoru koristi za proizvodnju električne energije. Ter- m odinam ički ciklus isti je kao u klasičnoj parnoj elektrani, uz razliku što ulogu parnog kotla preuzim a reaktor s izm jenjivačem topline ili bez njega. N a slici 3.52 načelni je prikaz pretvorbe nuklearne energije u električnu energiju.

mehanički

otpad gubici gubici

Slika 3.52. Osnovna shema pretvorbe nuklearne energije u električnu energiju: 1 - nuklearni reaktor, 2 - parna turbina, 3 - električni generator, 4 - električni transformator

U nuklearni reaktor se unosi nuklearno gorivo i rashladno sredstvo. Fisijom nuklearnoga goriva u reaktoru se oslobađa velika količina topline. Proces fisije i proizvodnja topline se kontrolira. Rashladno sređstvo služi i kao sredstvo za odvođenje topline iz reaktora. Ovisno o izvedbi reaktora i izboru rashladnog sredstva, paru za pogon parne turbine m oguće je proizvesti izravno u reaktoru ili u izm jenjivaču topline. Proizvedena para iz reaktora ili iz parogeneratora odvodi se u turbinu, a pretvorba toplinske energije u električnu odvija se na isti način kao kod klasične TE na fosilna goriva. NE je elektrana s kondenzacijskim turbinama. Para koja napušta turbinu nakon kondenzacije u turbinskom kondenzatoru vraća se u proces. Tijekom rada u reaktoru nastaju radioaktivne tvari koje se kao radioaktivni otpad drže pod kontrolom .

Detaljniji opis nuklearne elektrane naveden je u temi NE s tlačnovodnim reaktorom . N akon upoznavanja sa značajkama i m ogućim izvedbam a reaktora lakše ćem o razum jeti rad NE.

B .4. Značajke reaktora

R eaktivnost reaktora. Faktor multiplikacije (k) definira stanje reaktora, a predstavlja om jer neutrona u dvije uzastopne generacije. Raspadom jezgre svi oslobođeni neutroni neće sudjelovati u lančanoj reakciji. Dio njih će biti apsorbi- ran u gorivu i ostalim m aterijalim a reaktora, a dio će pobjeći.

Kako je k ~ 1, upotrebljava se često višak faktora m ultiplikacije Ak = k - 1 ili se računa s reaktivnošću reaktora (p).

P =k - l

kA/2k

Ak.

116

Reaktor se m ora izraditi tako da ima ođređenu pozitivnu reaktivnost. "Ugrađena reaktivnost" je potrebna da bi se reaktor m ogao staviti u pogon i da se zbog utroška goriva, zatrovanja reaktora itd, kompenzira prom jena reaktivnosti tijekom vrem ena.

S obzirom na reaktivnost, reaktor m ože biti u tri stanja:- potkritično k < 1, p < 0

za smanjenje snage i zaustavljanje- kritično k = 1, p — 0

za stacionarno stanje- natkritično k > 1, p > 0

stavljanje u pogon i povećanje snage.Da bi se postigla željena reaktivnost, dio ugrađene reaktivnosti m ože se

kompenzirati šipkam a za regulaciju. Kad se utroši sav višak ugrađene reaktivnosti, dio istrošenoga goriva zamjenjuje se novim.

Za reaktor je potrebno poznavati još neke karakteristike:Udarni presjek. Udarni presjek je površina koja stvarno djeluje na neutron.

To nije konstanta, je r ovisi o vrsti jezgre, o energiji neutrona i vrsti reakcije neutrona i jezgre. Jedan isti neutron s jednom istom energijom (brzinom ) ima različite vrijednosti udarnog presjeka, ovisno o tom e da li se pogođena jezgra raspaia, da li je apsorbirala neutron bez raspada ili se sam o dogodio sudar jezgre i neutrona.

O točnosti određivanja udarnog presjeka ovisi točnost proracuna reaktora, jer udarni presjek određuje koliko će neutrona od jednog raspada biti sposobno da izazove raspad druge jezgre.

Konuerzija (faktorpretvorbe C). Konverzija je proces u nuklearnom reaktoru pri kojem trošenjem jednog fisibilnog nuklida nastaje drugi fisibilni materijal. Na primjer, U 238 apsorpcijom neutrona prelazi u novo fisibilno gorivo Pu239.

N astanak atom a plutonija karakteriziran je faktorom konverzije (C). Faktor konverzije definira se kao om jer broja jezgara um jetnoga nuklearnog goriva Pu239 i broj a raspadnutih jezgara.

Tako kod brzih reaktora nastaje više jezgara um jetnoga nuklearnog goriva nego što je utrošeno, pa je faktor pretvorbe C > 1.

Zatrovanje reaktora. Materijali ugrađeni u reaktor, sastojci goriva i produkti raspada m ogu intenzivno upijati neutrone oslobođene fisijom. Tako se smanjuje faktor multiplikacije. Izvedbom reaktora i izborom materijala nastoji se spriječiti ili umanjiti gubitak neutrona.

Pojava smanjenja faktora mulitiplikacije zove se zatrovanje reaktora, a produkti radioaktivnog raspada koji imaju visok udarni presjek apsorjDcije nazi- vaju se otrovi reaktora. Najjači otrovi su ksenon X e 135 i samarij S m 14 .

B.5. Term ički reaktori

Reaktori sa sporim neutronim a m ogu se izvesti kao hom ogeni i heterogeni. Kod hom ogenih reaktora gorivo i m oderator su izmiješani, a kod heterogenih gorivo i m oderator su odvojeni. Danas se grade i upotrebljavaju isključivo heterogeni reaktori.

117

- jezgra reaktora- reflektor- kontrolni i upravljački sustav- sigurnosni sust.av- biološki štit.Na slici 3.53 shematski je prikaz nuklearnog reaktora.

Glaviii dijelovi heterogenog reaktora su:

A 5

Slika 3,53. Shematski prikaz nuklearnog reaktora: 1 - jezgra reaktora, 2 - reflektor reaktora, 3 - biološki štit, 4 - kontrolni sustav, 5 - sigurnosni sustav, 6 - korisnik toplinske energije

Jezgru reaktora (1) čine nuklearno gorivo i sredstvo za usporavanje neutrona. U procesu lančane reakcije u jezgri se oslobađa golema količina topline. Kroz jezgru neprekidno struji rashladno sredstvo kojim se odvođi toplina korisniku toplinske energije.

Reflektor (2) ima zadatak da odbjegle neutrone iz jezgre vrati (reflektira) natrag, a osigurava i povoljniju raspodjelu neutronskog toka u reaktorskoj jezgi’i. Pi-avi se od debijeg sloja moderatora, a postavlja se oko reaktorske jezgre i priiikom centralnog sraza s reflektorom većina neutrona se vraća u jezgru. Zahvaljujući reflektoru, dimenzije jezgi'e za istu snagu su manje i cijena reaktora niža.

Kontrolni i upravljački sustav (4) većinom čini određen broj šipki od materijala koji iina veliku m oć apsorpcije neutrona, Ovisno o tipu reaktora, postoje i drugi načini kontrole reaktora, na primjer prom jenom razine moderatora kod teškovodnih reaktora.

Najpogodniji materijali za izradu kontrolnih šipki su bor, kadmij, srebro, indij, hafnij. Zadatak upravljačkoga i kontrolnog sustava je da regulira neutronski fluks i proizvodnju topline u reaktoru, da pušta u pogon, održava na određe- noj snazi i zaustavlja reaktor.

Sigurnosni sustav (5) ima zadatak da pri svim pogonskim uvjetima spriječi m oguće teže posljedice zbog kvara na nekom od dijelova postrojenja. Sastoji se od istovrsnih šipki kao kontrolni i upravljački sustav,

Biološki štit (3) sastoji se od čeličnog cilindra i arm iranobetonske konstrukcije, a ima zadatak da spriječi prodor radioaktivnog zračenja u okolinu. Debljina biološkog štita ovisi o snazi reaktora,

118

S obzirom na rashiadno sredstvo i moderator, više je tipova reaktora. Za hlađcnje se m ože koristiti obična (laka) voda, teška vocla, organske lekućine, plinovi ugijik-dioksid i helij, tekući natrij. Kao m oderator rnože se upotrijebiti berilij, grafit, organske tekućine, obična i teška voda.

Kod suvremenih konstrukcija reaktora kao m oderator i rashladno sredstvo najčešće se koristi obična voda, Takav tip reaktora poznat je pod nazivom lakovodni reaktor LW R (Light W ater K eactor).

Obična vođa ima nedostatak da intenzivno upija neutrone, pa je potrebno povećati koncentracijti U 2:!5 u gorivu, što se postiže obogaćivanjem.

U primjeni su dva tipa lakovodnih reaktora:- PW R (Pressursed W ater Reactor) tlačnovodni reaktor. Kod Log reaktora

voda je pođ dovoljno visokim tlakom (oko 16 MPa), pa je ispod vrelišta u reaktorskoj posudi.

N a slici 3.54 prikazan je PW R-reaktor.

B .6. T ip o v i r e a k to r a

Slika 3.54. PWR-reaktor: 1 - reaktorska zgrada (contai- nemeut), 2 - reaktor s jezgrom i kontrolnim sustavom, 3 - tlačni spremnik, 4 - parogenerator, 5 - crpka rashiadne vode

U reaktorskoj zgrađi (1) nalazi se reaktor (2) s gorivom, kontrolnim i sigurnosnim sustavom . Rashladna voda struji kroz reaktorsku jezgru i zagrijava se prijelazom topline oslobođene u nuklearnim reakcijama. Tlačni spremnik (3) ima zadatak da u reaktoru odrzava potreban tlak i drži vodu ispod točke vrelišta. Zagrijana voda iz reaktora struji u parogenerator (4), gdje predaje toplinu vodi iz turbinskog kruga. 0 izvedbi jezgre, tlacnog spremnika i parogeneratora bit če riječi u opisu NE s tlačnovodnim reaktorom.

- BW R (Boiling W ater Reactor) vrelovodni reaktor. To su rcaktori s vrelom vodom pod tlakom oko 7 MPa. Voda se isparava u reaktorskoj posudi pa reaktor neposredno proizvodi paru.

Ako je usporivač neutrona teška voda, koja slabo upija lieutrone, kao gorivo se koristi prirodni uran. Tri su Lipa teškovodnih reaktora H W R (Haevy Water Reactor):

- PIHVR, teška voda je pođ tlakom, a služi i kao m oderator i kao rashiadno sredstvo

- BW HW R, teškovođni reaktor s običnom vodom za rashlađivanje- GCHWR, teškovodni reaktor s ugljik-dioksidom za hlađenje.Reaktori hlađeni plinom, najčešće kao m oderator koriste grafit (sl. 3,55)Rashladno sredstvo je ugljik-dioksid (CO 2).U novije vrijeme istraživanja su usinjerena na visokotem peraturne reaktore.

H TR (High Tem perature Reactor). Gorivo im je srednje obogaćeni uran, a rashladno sredstvo helij.

119

Slika 3,55. Plinom hlađcn reaktor: (a)- primarni krug, (b) - sekundarni krug; 1 - reaktorska zgrada (biološki štit), 2 - reaktor, 3 - uranove šipke, 4- grafitne obloge (moderator), 5 - parogenerator, 6 - ventilator

U tablici 3.2 pregled je glavnih karakteristika reaktora prema gorivu, mode- ratoru i rashladnom sredstvu.

Tabliea 3.2. Podjela nuklearnih reaktora

Reaktori hlađeni plinom

Reaktor, kratica GCR AGR HTGR

gorivomoderatorrashladno sredstvo (plin)

prirodni uran malo obogaćeni uran obogaćeni uran grafit grafit grafit C 0 2 C 0 2 He

Reaktori hlađeni vodom . . .Reaktor, kratica PW R BW R

gorivo moderator rashladno sredstvo

malo obogaćeni uran rnalo obogaćeni uran H 20 pod tlakom H 20 kipuća voda H 20 pod tlakom H 20 kipuća voda

Reaktori hlađeni teškom vodom

lieaktor, kratica PHW R BHW R


prirodni uran prirodni uran D 20 pod tlakom D 20 kipuća teška voda D 20 pod tlakom D 20 kipuća teška voda

Brzi oplodni reaktori

Reaktor, kratica LMFBR


239pu + uran, visoko obogaćeni uran nema

tekući natrij

B.7. Oplodni reaktor

U konvencionalnim nuklearnim elektranama s termickim reaktorima 99% urana u gorivu ostaje neiskorišteno. Povećanje efikasnosti iskorištavanja urana m oguće je prim jenom oplodnih reaktora.

120

U oplodnom reaktoru gorivo m ora biti bogatije fisijskim jezgram a nego u konvencionalnom reaktoru. Zato se koristi smjesa urana i plutonija, gdje udio fisibilnih jezgara Pu239 u gorivu iznosi od 15 do 30%. Da bi se ostvarila efikasna oplođnja, potrebno je nekoliko tona plutonija (4-5 tona za reaktor od 1 000 MW).

Jezgra oplodnog reaktora m ora biti što kompaktnija, sa što m anjim prosto- rom izm eđu gorivih šipaka. Pri gradnji reaktora ne smiju se koristiti materijali s lakim atom im a koji usporavaju neutrone, jer se lančana reakcija održava brzim neutronima. Oko reaktorske jezgre je om otač od urana 238 ili torija 232, koji

Slika 3.56. Brzi oplodni reaktor hlađen natrijem: 1 - nisko- tlačna reaktorska posuda, 2 - jezgra reaktora, 3 - primarni izmjenjivač topline, 4 - među- krug

apsorpcijom neutrona prelaze u Pu239 ili U 233. Tako nastaje novo fisibilno gorivo (C > 1). O m otač oko jezgre, osim za oplodnju utrošenoga goriva, služi i kao reflektor koji odbija odbjegle neutrone natrag u jezgru.

G ustoća energije u unutrašnjosti reaktora je golem a (oko pola M W po litri volumena). Zato je potrebno osigurati vrlo efikasno hlađenje. N ajpogodnije hladi- lo je tekući metal-natrij, koji velikom brzinom cirkulira i odvodi toplinu iz reaktora.

N a slici 3.56 prikazan je tip brzog oplodnog reaktora hlađenog natrijem LM FBR (Liquid M etal Fast Breeder Reactor).

Jezgra reaktora i prim arni izm jenjivač topline potopljeni su u tekućem natriju, Zbog neutronskog zračenja, natrij u reaktoru postaje radioaktivan. Po- stavljanjem rashladnog m eđukruga sprečava se m ogući kontakt radioaktivnog natrija iz bazena i vode u parogeneratoru. U drugom izm jenjivaču topline natrij iz m eđukruga predaje toplinu vodi koja se isparava. Proizvedena para odlazi u turbinu.

Tekući natrij im a niz pogodnih osobina. N e izaziva koroziju m aterijala od kojih je građen reaktor. Pri atm osferskom tlaku ima visoko vrelište (890 °C), pa se m ože upotrebljavati i pod relativno niskim tlakom. Tlak pod kojim se nalazi reaktorska posuda u norm alnom pogonu je od atm osferskog do 1 MPa.

Natrij im a i nepovoljnih osobina. Vrlo burno reagira sa zrakom ih vodom . Zato je u radu potreban izuzetan oprez da se izbjegne požar ili "procurivanje" natrija.

Oplodni reaktori su tehnološki složeniji od konvencionalnih. U razvoju oplodnih nuklearnih reaktora najdalje su otišli Francuska i Rusija. Prijelaz s konvencionalne nuklearne energetike na oplodnu riješio bi problem urana za više tisuća godina. Vijek iskorištavanja urana iz bogatih ruda bio bi produžen, a eksploatacija urana iz siromašnih ruda bila bi isplativa.

— natrij

121

B.8. Nukleai-na elektrana s tlačnovodnim reaktorom

Najviše NE u pogonu i u izgradnji ima reaktor tipa P\VK. Nakon iskustva iz određenog vremena eksploatacije elektrane tog tipa su standardizirane i grade se za Lri veiičine snage na pragu elektrane (600, 900 i 1 200 MW).

Na slici 3.57 prikazana je osnovna shema N E s tlačnovodnim reaktorom.

Slika 3.57. Osnovna tehnološka shema NE s tlaćnovodnim reaktorom: (a) primarni krug NE, (b) sekmidarni krug NE, (c) rashladni krug NE;1 - reaktorska zgrada, 2 - reaktor PWE, 3, 3 - upravljaćki i sigurnosni sustav reaktora, 4 - crpka reaktorskog rashladnog sredstva, 5 - tlačni spremnik, 6 - parogenerator, 7 - crpka sekundarnog kruga, 8 - parna turbina, 9 - kondenzactjski i rashladni sustav, 10 - crpka kondenzacjj- skog i rashladnog sustava, 11 - rashiadni tornjevi, 12 - električni generator, 13 - mrežni transformator, 14 - izlaz u eiektričnu mrežu

Primarni krug clektrane (a) čini sustav za proizvodnju pare. Sastoji se od nuklearnog reaktora PW R (2), parogeneratora (6), cirkulacijske crpke reaktor- skoga rashladnog sredstva (4), tlačnog spremnika (5) i sigurnosnog štita (1).

Sekundarni krug (b) čini sustav za pretvorbu toplinske u električnu energiju. Sastoji se od turbine (8), turbogeneratora (12), turbinskog kondenzatora (9) i napojne orpke (7).

Za kondenzaciju pare u turbinskom kondenzatoru (9) NE m ora imati dobro izveden rashladni sustav (c). Na slici 3.57 vidimo optočni sustav s rashladnim tornjevim a (11).

Primarni krug NE. Najveća se pozornost u radu reaktora posvećuje stanju jezgre. Jezgra PW R-reaktora, koju čini gorivo s m oderatorom, jednostavne je izvedbe i minimalni su problemi s termičkim naprezanjima reaktorske posude. Reaktor sg kontrolira promjenom neutronskog toka pomoću upravljačkog sustava (3 ’ sl, 3.57). Neutronski se tok mjeri detektorima u jezgri reaktora, kao i detektorim a smještenim oko jezgre izvan reaktora. Temperatura u gorivu zavisi od neutronskog fluksa i termohidrauličkog stanja rashladnog sredstva u određe-

122

noj lokaciji jezgi’c. Postoje granične temperature goriva, pa se integritet goriva mora održati u svim m ogućim pogonskim uvjetima. Talište kom erdjalnog UOg je 2 760 0 do 2 87G °C, dok je najvisa temperatura goriva u reaktoru niža od 2 482 °C.

Projekt jezgi’e i kontrolni i sigurnosni sustavi reaktora (8 ! i 3) sprečavaju prijelaz graničnih temperatura. U protivnome došlo bi do taljenja goriva i kvara što je nedopustivo.

Gorivi elementi su napravljeni od UFg obogaćenog do 3,3% II235. Izrađuje so u obliku tableta promjera do 10 mm, koje se slažu u veće cjeline. Tako oblikovane cjeline se stavljaju u tanke cijevi od legure cirkonija zavarene nepropusno, da se spriječi prodor produkata raspada u rashladno sredstvo.

Ovisno o snazi reaktora, takvi gorivi štapovi dugi su od 2 do 4 m. Da se pojednostavni postavljanje i izmjena goriva, štapovi se skupljaju u čvrsto vezanu cjelinu koja se zove elem ent goriva. To su u stvari kvadratne m atrice sa 15 x 15, 16 x 16 ili 17 x 17 mjesta za štapove. Određen broj mjesta predviđen je za štapove za reguiaciju. Je- dan štap sadrži oko 1,72 kg urana.

Lakovodni reaktori u norm alnom pogonu se jedanput godišnje dopunjuju svježim gorivom. Pri- je zamjene gorivih elemenata cijeli se prostor oko reaktora i iznad njega ispuni vodom s bornom kiselinom, pa se tek tada podigne poklopac reaktorske posude. Svi radovi izvode se pod vodom, daljinski upravljani strojem za zamjenu gorivih elemenata.

Na slici 3.58 prikazana je m atrica gorivog elementa s kontrolnim šipkama (a) i dio gorive šipke s tabletama UO2 (b).

Parogenerator (6 na sl. 3.57) izmjenjivač je topline lzrađen od čelika u kojemu reaktorsko ras- hlađno sredstvo predaje dio svoje topline vodi iz sekundarnog kruga elektrane. W estinghausov parogenerator na slici 3.59 vertikalan je i sastoji se od isparivača s cijevnim snopom i prostora u kojemu su odjeljivači vode,

Voda iz reaktora đovodi se u primarnu komoru na dnu generatora pare, pa se nakon prolaska kroz snop cijevi odvodi iz drugoga dijela vodne komore. Napojna voda, dovedena iz turbinskog kondenzatora, isparava se u generatoru pare, a para se skuplja u gornjem dijelu. Da se odijeli para od kapljica vode, postavljeni su u gornjem dijelu grubi i fini odjeljivač, pa para izlazi iz parogeneratora s maksimalnim ostatkom vlage od 0,25%,

Približne veličine parogeneratora su: visina oko 20 m, promjer od 3,5 do 5 m, ogrjevne površi- ne oko 4 800 m 2 s otprilike 4 700 m U-cijevi.

SJika 3.58. Matrica gorivog elementa s kontrolnim šipkama (a) i goriva šipka s tabletama UOa(b)

1 2 3

Slika 3.5B. Parogenerator PWR-reaktora: 1 - primarna komora, 2 - snop eijcvi, 3 - grubi odjeljivač, 4 - parni prostor, 5 - fini odjeijivae

Protok rashladnog sredstva je približno 16 000 th 1 uz srednji tlak 16 MPa. Parogene- rator proizvodi oko 1 700 Ih '1 zasićene pare.

Cirkulacijska crpka reaktorskog rashladnog sredstva im a jedan stupanj i pogo- njena je asinkronim m otorom . Visina crpke s m otorom je 6-7 m. Za suvrernenija postrojenja grade se crpke za protok od 6 m 3 s 1 za razliku tlaka od 0,9 M Pa i snagu m otora 5,5 MW.

Tlačni sprem nik (5 na sl. 3.57) ima zadatak da stvori potreban tlak u krugu rashlađnog sredstva i da ga održava na potrebnoj razini. U posudi koja je ispunjena djelom ično vodom a djelom ično parom nalazi se grijač snage 1-1,5 MW. Regulira- njem struje grijača mijenja se isparena količina vode, a tim e i tlak u parnom prostoru, što se prenosi na cijeli prim arni krug elektrane. Volum en tlačnog sprem nika je oko 40 m 3.

Sigurnosni štit (1 na sl. 3.57) im a ulogu da odvoji primarni dio elektrane s dijelom pom oćne oprem e reaktora. Pri lomu neke od kom ponenata prim arnog kruga si-

gurnosni štit m ora zađržati vodenu paru i plinovite fisijske proizvode. Izrađuje se od arm irano betonske konstrukcije i čeličnog cilindra čija đebljina ovisi o snazi reaktora. U nutar sigurnosnog štita održava se podtlak s obzirom na okolinu; da u slučaju propusnosti štita radioaktivni plinovi ne prodru u okoliš.

S e k u n d a r n i k r u g N E. Sekunđarni krug N E izgledom i funkcijom sličan je postrojenju klasične TE. Kod elektrane s PW R-reaktorom obilježja su mu:

Radni medij je zasičena para relativno niskog tlaka. Takva para zahtijeva veliki protočni presjek i stvara teškoće zbog kondenzacije tijekom ekspanzije u turbini. Vlažnost pare smanjuje se separiranjem za vrijeme ekspanzije. Rad s takvom parom zahtijeva velik presjek parovoda i pa.rne turbine. Za istu snagu parna turbina u N E im a veće đimenzije nego u klasičnoj TE. Regulacija turbine povezana je uz regulaciju reaktora. Ako se generator naglo rastereti, brzi ventili zatvaraju dovod pare u turbinu, a proizvedena para se obilaznim cjevovođom odvodi izravno u kondenzator.

|___,_5000______ ^

jj' izlaz pare

124

N a siici 3.60 prikazana je ovisnost tem perature i tlaka o opterećenju PW R-reaktora.

Iz dijagrama se vidi da je kod PW R-reaktora pri punoj snazi na ulazu u parogenerator temperatura vode oko 320 °C, a na izlazu iz parogeneratora oko 293 °C. Tem peratura i tlak pare na izlazu iz generatora pare su 275 °C i 6 MPa, Tlačnovodni reaktor ne m ože dati tako visoke param etre pare, kao što je siučaj u kondenzacijskoj TE na klasicno gorivo.

Stupanj iskorištavanja NE manji je nego kod TE na fosilna goriva. N a dijagramu, slika 3.61 prikazan je usporedno stupanj djelovanja klasične TE i NE.

Analizom dijagrama stupnja djelovanja m ože se utvrditi da iskoristivost postrojenja ovisi o izboru rashladnog sustava u elektrani, o tem peraturi i tlaku u turbinskom konđenzatoru. Ako su tlak i tem peratura u kondenzatoru viši, neiskorište- na energija kao otpadna toplina bit će veća, a iskoristivost postrojenja niža, Protočno hlađe- nje turbinskih kondenzatora osigurava najbolji stupanj djelovanja.

Iz karakteristike stupnja djelovanja N E vidljivo je da se približno jedna trećina primarne energije pretvara u električ- nu, a dvije trećine preko rashladnih površina kondenzatora dospijevaju u toplinski po- nor, odnosno u okolinu elektrane.

od maksimalne snage

Slika 3.60. Ovisnost temperature i tlaka o optereeenju PWli-reaktora

temperatura u kondenzatoru °C

tlak u kondenzatoru MPa —

Slika 3.61. Neto-stupanj i bruto-stupanj djelovanja NE

125

odba

čena

ene

rgija

R.9. Pokretanjc i zaustavijanje nuklearne elektrane

Za pokretanje NE potrebne su opsežne pripreme, a sastoje se od sigurnog postizanja kritičnosti i m ogućnosti povećanja snage do nominalne. Pokretanje iz hladnog stanja nakon duže obustave i pokretanje u vrućem stanju neposredno nakon ispada iz pogona znatno se razlikuju. Ponovno uključivanje u vrućem stanju traje oko 1 sat, a iz hladnog stanja oko 13 sati.

Pokretanje iz hladnog stanja počinje odzračivanjem i uključivanjem grijanja u tlačnom spremniku. Kad se postigne tlak od približno 2,5 MPa, pokreće se rashladna crpka. Postupnim izvlačenjem kontrolnih šipki i sm anjivanjem koncentracije borne kiseline u rashladnoj vodi, reaktor postaje kritičan, pa se nuklearnom energijom povisuje tem peratura vode brzinom od 50 °C na sat. Potrebno je desetak sati da postrojenje preuzm e puno opterećenje.

Pri prestanku rada najprije se smanjuje opterećenje na 20% m aksim alne snage. T o se postiže norm ainom regulacijom reaktora. Opterećenje se dalje smanjuje snižavanjem tem perature rashladnog sredstva, a reaktor slijedi opte- rećenje turbine sve do konačnog isklapanja. Reaktor se hiadi najprije preko generatora pare, a zatim preko pom oćnog hladnjaka.

Da bi se zaustavljanje i normalan rad odvijali sigurno i bez teškoća, osim glavnog napojnog sustava postoji još i pom oćni (sigurnosni) napojni sustav, koji služi za hlađenje jezgre za vrijeme prekida rada ili pri pucanju cijevi rashladnog sustava.

Za vrijem e zaustavljanja pogona, kad tlak i tem peratura vode padnu ispod određenih vrijednosti, pokreće se pom oćna rashladna crpka. Pri pucanju cijevi i gubitku vode iz rashladnog sustava, pokreću se pom oćna i sigurnosna crpka. Tako se uključivanjem sigurnosnog rashladnog sustava sprečava oštećenje gorivih elem enata (taljenje jezgre) i oslobođenje radioaktivnih tvari.

Ako popucaju cijevi rashladnog sredstva, sigurnosna crpka dovodi vodu s bornom kiselinom iz poplavnog sprem nika u jezgru reaktora. Borna kiselina u vodi smanjuje faktor multiplikacije hladnog reaktora. Za vrijeme pokretanja treba smanjiti količinu borne kiseline u rashlađnoj vodi, što se postiže u posebnom isparivaču. Izdvojena borna kiselina se sprema i pri zaustavljanju reaktora ponovno se uvodi u rashladni krug.

Regulacija reaktora s tlačnom vodom je jednostavna. Ako se poveća dovod pare turbini, srednja ternperatura rashladne vode se snižava, jer se u parogeneratoru oduzim a veća količina topline. Smanjenje tem perature rashladnog sredstva i goriva povećava reaktivnost i opterećenje reaktora će porasti. Regulacija reaktora djeluje na kontrolne šipke. Pri brzim prom jenam a opterećenja u rashladnom krugu reaktora nastaju neznatne prom jene tem perature i tlaka, što se postiže iskorištavanjem energije akumulirane u generatorim a pare.

U elektroenergetskom sustavu NE radi kao tem eljna (više od 6 000 sati godišnje), a svojim se opterećenjem m ora prilagođiti zahtjevim a EE-sustava.

B.10. Sigurnost i utjecaj na okolinu

Dva su osnovna utjecaja NE na okolinu - term ičko opterećenje i opterećenje radioaktivnim zračenjem. Utjecaj term ičkog opterećenja NE sličan je kao kod

1 2 6

konvencionalnih TE. U klasičnim TE rashladnom vodom odvodi se od 45 do 55% energije goriva, a u NE dvostruko više nego što se pretvara u električnu energiju.

Stupanj iskorištenosti N E je od 0,3 do 0,33, pa ona m nogo više zagrijava rashladnom vodom rijeku ili jezero nego klasična TE. Konvencionalne TE opte- rećuju okolinu produktim a izgaranja u obliku različitih štetnih plinova (SO 2, CO 2 itd.) i čvrstim česticam a iz pepela. K od NE problem je delikatniji, jer pobjeg radioaktivnih tvari iz nuklearnog reaktora m ože imati katastrofalne posljedice za sav živi svijet. Osnovni zahtjev pri projektiranju N E sa stajališta sigurnosti jest da produkti radioaktivnog raspada u reaktoru u svim pogonskim situacijama i prilikom izm jene goriva ostanu strogo izolirani od okoliša, Pouzdana zaštita okoline postiže se prim jenom višestrukih barijera, kojima se sprečava prodor radioaktivnog m aterijala iz reaktora. Izbor lokacije i m ogući postupci pri sanira- nju eventualnih oštećenja m ogu se također uključiti u zaštitno djelovanje.

Nuklearni procesi zbivaju se u gorivim tabletama unutar gorivih šipki, pa u njima nastaju radioaktivni produkti. Znatan dio rađioaktivnih produkata (cezij, stroncij, plutonij) ostaje ugrađen u gorivu tabletu, M eđutim, dio radioaktivnih produkata plinovitih i tekućih, u slučaju napuklina na cirkonijevoj košuljici, dospije u vodu prim arnog kruga. Tako se u vodi prim arnog kruga m ože pojaviti širok spektar radioaktivnih čestica, pobjeglih iz gorivih šipki, ili onih nastalih neutronskim bom bardiranjem . Voda iz prim arnog kruga neprestano se pročišća- va u posebnim uređajima. U cijevima prim arnog kruga i sustava za pročišćava- nje, unatoč svim m jeram a opreza i vrlo pouzdanoj kontroli, voda m ože curiti. I za vrijeme izm jene goriva, kada se cijeli reaktor poplavi vodom , iz jezgre pobjegne dio radioaktivnih produkata. Nakon izm jene goriva i zatvaranja poklopca reaktora provodi se dekontaminacija. Radioaktivne čestice se ispiru vodom , a otpadna radioaktivna voda prolazi kroz poseban sustav za pročišćavanje, u kojem se odjeljuje veći dio radioaktivnih čestica. Pročišćena voda, koja sadrži malu količi- nu radioaktivnih atoma, od kojih najviše tricija, ispušta se u rijeku ili more. Količina ispuštenih radioaktivnih čestica prilagođava se protoku vode, tako da koncentracija nuklida ne bude veća od dopuštenih vrijednosti.

Za pročišćavanje zraka i izdvajanje plinovitih radioaktivnih Čestica koriste se filtri. M nogi radioaktivni atom i imaju kratko. vrijeme poluraspada, pa ih je potrebno zadržati m jesec ili dva da se u radioaktivnom procesu pretvore u stabilne elemente. T o je veom a važno za plemenite plinove za koje nema e fk a - snih filtera. Radioaktivni plinovi se neprestano kontroliraju, a nakon filtriranja ispuštaju u atm osferu. Apsorbirana doza zračenja m ora biti ispod dopuštenih vrijednosti (5 x 10"5 Sv).

Sigurnosni sustav prilagođen odabranoj tehnologiji u NE izvanredno je pouz- dan, tako da u norm alnim pogonskim uvjetima mali dio radioaktivnosti dospije u okolinu.

U natoč tome, zbog raznih grešaka, u nuklearnim se postrojenjim a gođiši je prosječno događa oko 3 500 akcidenata, koji uglavnom prođu bez posljedica. Ipak^ jedna od najtežih i najtragičnijih havarija dogodila se 26. travnja 1986. u NE Cernobil-4, kada je eksplodirala reaktorska posuda, a radioaktivni val obišao cijelu Zemlju. Nesreća se zbila za vrijeme jednog ispitivanja, pri čem u je osoblje elektrane prekršilo niz tehničkih propisa, a najteži propust bio je u lošem izolira- nju sigurnosnog sustava.

127

Posljeđice te havarije su goleme: veliki broj umrlih i ozračenih ljudi, uništene poljoprivredne površine, raseljeno pučanstvo, veća koncentracija nuklida koji u prirodi dugo žive, strah od zračenja koji će još dugo biti prisutan.

Buđući da je tehnologija u nuklearnoj energetici iz godine u godinu sve savršenija, treba se nadati da će sigurnost u radu biti veća, a broj incidenata u nuklearnim postrojenjima manji.

B.l ]. Radioaktivm otpad, zbrinjavanje i odlaganje

Prem a stupnju radioaktivnosti s obzirom na vrijeme poluraspada radioaktivni otpad (RAO) klasificira se na visokoradioaktivni otpad (VRAO), srednjeradioaktivni i niskoradioaktivni otpad (SNRAO).

istrošene šipke goriva iz reaktorske jezgre čine visokoaktivni otpad. Poslije vadenja iz reaktora, istrošene gorive šipke se odlažu u dobro zaštićene duboke bazene s vodom. Voda ih hladi i upija zračenje, u početku brzo, a poslije sve sporije. Tako odložen VRAO m ože stajati godinama, dok se ne otpremi na preradu ili na neko sigurno odlagalište. Pouzdano postupanje s VRAO i njegovo skladištenje osnovni su pi'oblemi u NE.

VRAO prerađuje se u postrojenju otapanjem pri čemu se iz njega kemijskim postupkom izdvaja uran i plutonij. Preostala tekućina koja sadrži RAO iz gorivih šipki izmiješan s kemikalijama, sprema se u hlađene čelične tankove i ostavlja da ođstoji nekoliko godina.

Nakon nelcoliko godina taj se tekući otpad pretvara u kruti miješanjem s piljevinom borsilikatnog stakla pri temperaturi 1 000 °C. Tako se VRAO ustak- ljuje, izlijeva u valjke i stavlja u bačve od nerđajućeg Čelika. Otpadni valjci se pohranjuju u betonska spremišta i stalno hlade. Tu ostaju nekoliko desetljeća. Deset godina nakon pohranjivanja zračenje zagrijava valjak na otprilike 250 °C. Posljednja faza zbrinjavanja VRAO bila bi ukopavanje duboko ispod površine zemlje (oko 1 000 m).

Pri trajnom zbrinjavanju VRAO treba naći takve lokacije na kojima će se izbjeći mogući negativni utjecaji na biološki svijet.

Rješenja koja se pređlažu, a neka su već i primijenjena jesu:- odlaganje RAO u oceanima:

u duboke vode oceanau oceanske tektonske rovove

- odlaganje u geološke formacije na kopnu: duboke bušotinenapuštene ruđnike soli

- odlaganje u antarktički led- odlaganje izvan Zemlje.Na slici 3.62 prikazano je odlagalište za VRAO u geološkoj formaciji soli. U

vodoravnim hodnicima razmaknutim 10 m blokovi VRAO su raspoređeni na razm acim a 10 m. To je potrebno da se ne bi previše povisila temperatura.

Srednjeradioaktivni j niskoradioaktivni otpad (SNRAO) čine: iskorišteni filtri, radioaktivni talozi, ozračeni predmeti iz reaktora, radna odijela, laborato- rijska oprom a i oruđe, evaporirani ostatak itd. Kompresibilni RAO se stlačuje, ugrađuje u cement, asfalt ili neki vezivni materijal i ulaže u čelične bačve

128

Slika 3.62. Odlagalište za VRAO u geološkoj formaciji soli

voluroena 210 1. Tako se osigurava dugotrajna stabilnost otpada, mala disperzibilnost, nezapaljivost i velika otpornost izluživanju nuklida.

Tehnologija odlaganja srednjeradioaktivnog i niskoradioaktivnog otpada zasnovana je na sustavu s m nogostrukim inženjerskim barije- rama kojim a se bačve s otpadom pohranjuju u betonske kontejnere i odlažu u tunel ili u jedinicu za plitko odlaganje. Jedinica za plitko odlaganje sastoji se od betonskog pokrova na kojem je nekoliko kompaktiranih slojeva, od kojih je je d a n nepropustan za vodu, i betonskog dna s drenažnim kanalima za skupljanje m oguće kon- tam inirane vode i njezinu obradu.Kontejneri s bačvam a povezuju se u jedinici za odlaganje ispunjavanjem m eđupraznina s betonom i tako for- miraju betonski m onolit otporan na prodor vode i izluživanje.

U konceptu odlaganje u tunel (sl. 3.63) betonski kontejner s bačvam a se polažu u seriju horizontalnih tunela iskopanih u velikom stijenskom bloku.

Kada se popuni kapacitet pojedinog ogranka tunela, m eđuprostor izm eđu oplate tunela i otpada ispunjava se kom paktiranim betonitom ili sličnim m ateri- jalom . Frontalni dio tunela se zatvara betonskim ziđom. D odatno cijeli se tunel zatvara posebnom konstrukcijom na ulazu.

Ostali objekti i pogon odlagališta uglavnom su istovjetni za oba koncepta odlaganja. Pogon uključuje prostor za inspekciju i pretovar, prihvatno i privre- meno skladište, prostor za punjenje kontejnera, prostor za naknadnu obradu

9 Elektrane 129

Sigurnost zbrinjavanja radioaktivnog otpada ograničcna je izborom prostora, osobito u maiim zemljama. Cijena zbrinjavanja otpada pribraja se cijeni energije NE.

Struktura radionuklida u srednjeradioaktivnom i niskoradioaktivnom otpadu prikazanaje u tablici 3.3.

Tablica 3,3. Struktura radionuklida u radioaktivnom otpadu

Nuklid Vrijeme poluraspada god.

U trenutku odlaganja%

250 godma nakon odlaganja %

Cs - 137 30,2 63,3 7,2C o - 60 5,3 13,7 /Ni - 63 100,0 11,3 70,1Fe - 55 2,7 3,9 /H - 3 12,3 4,7 /C - 14 5 370,0 0,004 14,5ostali - 3,2 8,2

( / ) - zanemarivo

B.12. Nuklearna energija u svijetu

Iako je nesreća u Černobilu privrem cno usporila gradnju NE u svijetu, posljednje se dvijc godine u m nogim zemljama intenzivira gradnja novih i dovršavanja započetih elektrana.

svjetska proizvodnja električrte energije u nuklearnim e lek tranam a

U svijetu radi više od 400 reaktora. Većina industrijaliziranih zemalja prihvatila je nuklearnu energiju kao energetski izvor ravnopravan s drugim energetskim izvorima. Francuska i Bclgija se oslanjaju na nuklearnu energiju kao jedini perspektivni encr- getski izvor.

U tablici 3.4 prikaz je nuklearnih reaktora u eksploataciji i gradnji potkraj 1988. godine (prema IAEA).

Na dijagramu na slici 3.64 navedeni su podaci o proizvodnji N E od 1965. do 1988. gođine za zemlje koje obuhvaća Ekonom ska komisija Uje- dinjenih naroda za Europu i za Japan i podaci o planiranoj proizvođnji do 2000. godine.

Slika 3.64. Svjetska prolzvodnja električne energije uN E

Tablica 3.4. Nuklearni reaktori u eksploataciji i gradnji 1988. g.

U eksploataciji U izgradnjiProizvođnja

energije u NE 1988. g.

Ukupiiskustv

1988

god.

10 radno o krajem godiiie

država brojjed.

ukupnoM W e

brojjed.

ukupnoM W e TW h

posto. od uku-

pnomj.

Argentina 2 935 -f1 692 5,1 11,2 20 7Belgija 7 5 480 40,6 65,5 86 niBrazil 1 626 1 1245 0,6 0,3 6 GBugarska 5 2 585 2 1906 16,0 35,0 43 8Kanada 18 12 185 4 3 524 78,2 16,0 206 0Kina 3 2 148Kuba 2 816Cehoslovačka 8 3 264 8 5120 21,7 26,7 44 1Finska 4 2 310 18,4 36,0 39 4Francuska 55 52 588 9 12245 260,2 69,9 488 1Njemačka 28 23 185 6 4 952 148,2 41,5 369 8Mađarska 4 1645 12,8 48,9 14 2Indija 6 1154 8 1760 5,4 3,0 72 8Iran 2 2 392Italija 2 1120 77 10Japan 38 28 253 12 10 931 167,8 23,4 394 0R Koreja 8 6 270 1 900 38,0 46,9 36 4Meksiko 2 1308Nizozemska 2 508 3,5 5,3 35 9Pakistan 1 125 0,2 0,6 17 3Poljska 2 880Rumunjska 5 3 300JAR 2 1842 10,5 7,3 8 3Spanjolska 10 7 519 48,3 36,1 82 7Svedska 12 9 693 66,3 46,9 135 2Svicarska 5 2 952 21,5 37,4 68 10Tajvan 6 4 924 29,3 41,0 44 1Velika Britamja 40 11921 2 1833 55,5 29,3 810 10SAD 108 95273 7 7 689 526,9 19,5 1261 2ZND 56 33 823 26 2 1230 215,7 12,6 687 2Slovenija iHrvatska 1 632 3,9 5,2 7 3

Sveukupno 429 310 812 105 84 871 1794,4 5 040

Ostvarena je proizvodnja u svijetu iznosila (NE):1975. 352 TWh1980. 673 TWh1985. 1 453 TW h1988. 1 817 TWh

a očekivana proizvodnja iznosi: 2000. 2 501 TWh.

131

izgradnja novih e le k t ra n a ( 1985-2 000 )

zemlje OECD

europske zemlje OECD

Slika 3.65. Izgradnja novih elektrana u zemljama OECD-a

Udio električne energije pro- lzvedene u NE u ukupnoj proizvodnji električne energije iznosi:

1975. 3,4 %1980. 8 ,17%1985. 15,02 %1988. 17,43 %2000. 18,60 %N a dijagramu 3.65 prikaz je

izgradnje novih elektrana od 1985. do 2000. godine za zemlje OECD-a.

B .13. N uklearna elektrana Krško (632 MW)

NE Krško locirana je na lijevoj obali rijeke Save, 40 km uzvodno od Zagreba, u neposrednoj blizini Krškoga. Izgrađena je zajedničkim sredstvim a elektroprivrede Republike H rvatske i Republike Slovenije, a gradila ju je am erička tvrtka Westinghouse. W estinghausov reaktor je tipa PW R sa dva rashladna kruga, a čine ga:

- reaktorska posuda s unutrašnjom oprem om i pokrovom visoka 12,5 m, od slabo legiranog čelika debelog 165 mm .-

- dva parogeneratora snage 1 882 M W- dvije centrifugalne crpke primarnog rashladnog sredstva- regulator tlaka- cjevovodi, ventili i pom oćni reaktorski sustavi.

Osnovni podaci dani su u tablici 3,5.

Prom jer čeličnog sigurnosnog štita je 32 m, a visina 72 m i u njemu je smješten primarni dio elektrane. Jezgra reaktora podijeljena je na tri zone. Prom jer jezgre je 2,45 m, a visoka je 3,60 m.

Protok rashladne vode kroz jezgru je 32 100 th ’ 1. Ulazna tem peratura rashladne v od e je 287,3 °C, a izlazna temperatura je 324,3 °C.

132

Tablica 3.5. Podaci o NE Krško

Instalirana snaga bloka (MW) 664

Parametri pare na lzlazu i z generatora pare- tlak (MPa) 6,08- temperatura (°C ) 279,5

Napojna voda- temperatura (°C) 221

Reaktor- tip PW R- toplinska snaga (MW) 1882

Turbina- snaga (MW) 664- garantni specifični potrošak (MJ/kWh) 10,71

Generator- snaga (MVA) 813- faktor snage (cos cp) 0,85

Blok-transformator- snaga (MVA) 2 x 4 0 0- prijenosni omjer (kV) 21/400

Slika 3.66. Tehnološka shema NE Krško: 1 - reaktor, 2 - reaktorske crpke, 3 - generatori pare, 4 - tlačna posuda, 5 i 6 - VT i NT dio turbine, 7 - generator električne struje, 8 - separator pare (odjeljivač), 9 - pregrijač pare, 10 - kondenzator, 11 - crpka kondenzata, 12 - NT predgrijač, 13 - napojne crpke, 14 - VT predgrijač, 15 - crpke rashladne vode, 16 - rashladni tornjevi, 17 - crpke rashladnih tornjeva, 18 - transformator

133

Element goriva je m atrica 1G x 16 sa 234 gorive šipke, a u jezgri se naiazi 121 gorivi element, svaki težak 404 kg. Vanjski prom jer šipke je 9,49 mm, a košuljica od cirkonija je debeia 0,57 mm.

Snaga eiektrane regulira se šipkam a smještenim u 21 regulacijski sklop, a sigurnost se ostvaruje sa 12 sklopova za brzo gašenje reaktora. Manipuliranje tim skiopovim a realizira se m agnetskim dizalicama,

Uz reaktorsku zgradu su strojarnica i objekti za pom oćne sustave, za hlađe- nje dijelova sustava, za postupak s gorivom i za pom oćne dizelske agregate.

Na sijc:i 3.66 Lehnološka je shema, a na siici 3,67 pogled na upravljačko središte NE Ki-ško.

Glavni izvor napajanja elektrane je jedan agregat TE Brestanica uz koju je N E Krško pGvezana 110 kV dalekovodom . Kao rezerva koriste se dva dizel- -agi'egata snage 2 x 3,5 MW.

Zahvatom na Savi osigurano je protočno hlađenje. Za slučaj vrio malih protoka u Savi, dograđeni su mokri rashladni tornjevi s prisilnom cirkulacijom zraka. K oncentracija radioaktivnih izotopa u Savi je ispod dopuštenih vrijednosti. Na nđaljenosti 500 m ođ reaktorske zgrade godišnje zračenje iznosi 3,7 x 10'5 Sv.

K oličina i aktivnosti srednjeradioaktivnog i niskoradioaktivnog otpada (SN RAO), nastale od početka rada N E Krško, vide se na slici 3.68.

134

Slika 3,67. Upravljačka prostorija NE Krško

računske i srednje aktivnostiSlika 3.68. Količine i aktivnosti SNRAO NE Krško

C f ' O

3Iz grafičkog prikaza vidi se da ~

je u N E Krško do prosinca 1990. g 2 godine najzastupljeniji otpad eva- "I porirani ostatak sa oko 4 700 bača- 5 1va i aktivnošću A = 5 TBq, Uku- pan volum en SNRAO bio je 1 222 m 3 s aktivnošću A = 21,2 TBq.

B.14. Fuzijski reaktor

Jezgre elem enata koje se fuzijom stapaju pozitivno su nabijene. Među njima vladaju snažne odbojne sile. Te sile su utoliko veće ukoliko jezgre imaju veći broj protona. Potrebno je dakle svladati te sile, da bi se ostvarila fuzija, a zato je nužno uložiti veliku energiju. Dva su m oguća rješenja. Jedno je da se energija dobije ubrzavanjem čestica u akceleratorima. Drugo je da se ostvare ekstrem no visoke tem perature (oko stotinu milijuna Celsiusovih stupnjeva). N a tim tempe- raturam a čestice dobivaju odgovarajuće brzine kojima svladavaju odbojnu elek- trostatičku barijeru, pa je m oguća m asovna fuzija deuterija (D) i tricija (T). U ređaj u kojemu se odvija takav proces zove se term onuklearni ili fuzijski reaktor.

D a bi se inicirao primjetan broj fuzijskih reakcija, smjesu D -T trebalo bi zagrijati do tem perature 6 x 107 K (5 keV), ( 1 e V odgovara tem peraturi od 11 600 K). Stvarni reaktorski zahtjevi su m nogo veći T > 2 0 keV.

N a tako visokim tem peraturam a m oguće je dobiti znatne količine energije, uz uvjet da se visokotem peraturna plazm a održava dovoljno dugo da dođe do fuzije D -T. Supervruću plazm u nije m oguće zatvoriti ni u kakvu materijalnu posudu. Svaki predm et koji takva plazma dotakne ispari na mjestu dodira.

Problem je, đakle, kako "zarobiti" i neko vrijeme zadržati plazmu da se ne raspadne suviše brzo, prije nego što se dogodi m asovna fuzija. Koiiko je potrebno vrijeme zadržavanja plazme ovisi ponajviše o njezinoj gustoći, Ako je gustoća plazme m nogo veća od normalne, potrebno vrijeme zadrške je izvanredno kratko, od 10~12 s do 10-11 s. Ako je plazma razrijedena poput plina, vrijeme zadrške m ože biti i nekoliko sekundi.

Vrijem e zadržavanja plazme je najmanja vrijednost vrem ena pri kojem oslo- bađanje energije iz fuzijskih reakcija počinje nadmašivati energetske gubitke koji nastaju zbog zračenja i bježanja plazm e iz područja zadržavanja.

U istraživanjim a fuzije koriste se dvije m etode "zarobljavanja" i zađržavanja visokotem peraturne plazme.

To su m etoda zadržavanja plazm e u m agnetskom polju ("m agnetska boca") i m etoda mikroeksplozije.

Najprije je razrađena ideja da se plazm a zadržava u specijalnim konfiguraci- jam a m agnetskog polja. M agnetsko polje je izvanredan regulator gibanja naelektriziranih čestica.

V= 1 222rrr

A = 21,2 TBq

1 | evaporirani ostatak

H | kompresibilni otpaci

j g istrošene smole

fT] f ittri

^ ostalo

f l j superkompaktirani otpad

0,067 0,90 0,018 0,4-2aktivnost TBq

135

Slika 3.69. Princip djelovanja tokamaka: 1 - magnetsko polje, 2 - plazmeni torus, 3 - navoji elektromagne- ta

Tako su nastali termonuklearni reaktori tipa tokamak. Na slici 3.69 prikazan je princip djelovanja tokamaka.

U magnetskom polju (1) koji stvaraju vrlo jaki supravođljivi magneti stvara se plazmeni torus (2). Efikasno grijanje plazme do temperatura potrebnih za fuziju postiže se snažnim električnim i magnetskim djelovanjem na plazmu. Magnetske sile djeluju na čestice plazme, tj. na gole jezgre i slobodne elektrone, tako da ih prisiljavaju na kružno ili spiralno gibanje. To sprečava plazmu da pobjegne iz određenog prostora. Može se reći da je plazma zatvorena u "magnet- sku bocu". U reaktorima tipa tokamak ostvarena je temperatura plazme 70 x 106 K, što je dovoljno za masovnu fuziju, ali još nije efikasno riješen problem vremena zadržavanja plazme.

Metoda mikroeksplozije zasniva se na tome da se od D i T napravi sićušna pilula u obliku kuglice, promjera desetinke mm. To je zapravo minijaturna hidrogenska bomba bez upaljača. Takva meta D-T gađa se vrlo jakim laserskim zrakama ili snopovima naelektriziranih čestica (ionskim i elektronskim). Krat- kotrajni laserski puls udara u vanjski dio pilule, izaziva eksploziju, koja unutraš- nji dio golemom brzinom potiskuje prema sredini. Meta se isparava i nastaje plazma goleme gustoće, koja se može održati dovoljno dugo da bi nastala fuzija deuterija i tricija.

U fuzijskom reaktoru najveći dio energije dobio bi se u obliku kinetičke energije izbačenih neutrona-projektila, kao neutronsko zračenje. Zato fuzijski reaktor mora imati debeli omotač koji bi upijao te brze neutrone.

Energija neutronskog zračenja u omotaču reaktora pretvarala bi se u toplinu. Toplina bi se odvodila iz omotača reaktora i dalje bi se sve odvijalo slično kao uT E .

Omotač reaktora gradio bi se od litija, jer bi neutron-projektil razbijanjem jezgri litija stvarao tricij. A tricij je bitan sastojak nuklearnoga goriva za fuzijski reaktor. Tricija u prirodi ima vrlo malo, i uglavnom se umjetno proizvodi.

Tako bi problem goriva za fuzijsku elektranu bio jednostavno riješen. Deute- rij bi se dobivao iz vode, a tricij bi proizvodila sama elektrana.

Na slici 3.70 prikazana je načelna shema fuzijske elektrane,Problemi koji prate istraživanja u području kontrolirane fuzije još su toliko

veliki da prema procjenama stručnjaka komercijalni fuzijski reaktor neće biti konstruiran u narednih 20 godina.

136

Zato se s nadom očekuje m oguća skora upotreba fisijsko-fuzijskih reaktora. Naime, brzi neutron-projektili nastali pri fuziji niogu uspiešno obavljati oplodnju U238 i T h232, pretvarajući ih u fisijske izotope Pu2 i U 2 3.

Proces oplodnje goriva, koji u oplodnim reaktorim a obavljaju neutroni nastali fisijom, ovdje bi obavljali neutroni nastali u procesu fuzije.

Slika 3.70. Načelna shema fuzijske elektrane: 1 - plazma, 2 - omotač, 3 - magnet, 4 - parogenerator, 5 - turbina, 6 - elek- trični generator

Om otač reaktora bio bi sam o jednim dijelom od litija (za proizvodnju tricija), a drugi-m đijelom od U 238 ili Th232 za proizvodnju Pu239 ili U 233. Takvi reaktori zovu se hibridni reaktori. Jedan hibridni reaktor m ogao bi proizvođiti dovoljno goriva za dvadesetak fizijskih reaktora. Zato se s pravom očekuje da bi hibridni reaktori mogli biti ekonom ični čak i kada fuzija ne bi davala izravni dobitak energije, to jest kada bi se više energije ulagalo za ostvarenje fuzije nego što bi se oslobađalo u obliku neutronskog zračenja.


1. Uloga nuklearnog reaktora u NE.2 . Napravite blok-shemu pretvorbe nuklearne energije u električnu energiju.3. Kojim se nuklearnim gorivima koriste fisijski reaktori?4. Od čega se sastoji nuklearni gorivi ciklus?5. Glavni dijelovi termičkog reaktora i njihova uloga u radu.6. U kakvu stanju može biti reaktor s obzirom na reaktivnost?7. Sto se sve može u reaktoru koristiti kao rashladno sredstvo, a što kao moderator?8. Kako se upravlja radom reaktora?9. Kakvih sve tipova reaktora ima?

10. Objasnite karakteristike tlačnovodnog (PWR) reaktora.11. Glavne značajke brzog oplodnog reaktora.12. Opišite dijelove primarnog kruga N E sa PWR-reaktorom.13. Pokretanje i zaustavljanje NE.14. Objasmte ulogu sigurnosnog napojnog sustava reaktora.15. Koji su osnovni utjecaji N E na okolinu?

137

16. Kako se provodi zaštita od plinovitih 1 tekućih produkata radioaktivnog raspada uNE?

17. Kolika je dopuštena apsorbirana doza zračenja?18. Kako se prema stupnju radioaktivnosti klasificira radioaktivni otpad?19. Koja su moguča rješenja za osiguranje i odlaganje RAO?20. Opišite metodu ustakljivanja VRAO.21. U kojoj zemlji lma najviše nuklearnih reaktora?22. Koja zemlja u Europi najviše električne energije đobiva iz nuklearnih elektrana (više

od 70%)?23 . Tip reaktora NE Krško i njegove najvažnije karakteristike.24 . Kakav sustav hlađenja lma NE Krško?25. Izvori napajanja vlastite potrošnje NE Krško?26. Proces fuzije i problemi koji kontroliranu fuziju čine još nedostupnom za komercijah

nu primjenu.2 7 . Nečolo rada fuzijske elektrane.28 . Hibridm reaktor i njegovo značenje u bližoj budućnosti za razvoj nuklearne encrge-

tike.

C. Termoelektrane s plinskirn turbinama

C.l. Energetski procesi u plinskoj elektrani

Plinska elektrana je jednostavnije postrojenje od parne TE. Proees rada u TE s plinskom turbinom prikazan je na blok-shemi na slici 3.71.

Slika 3.71, Blok shema plinske elektrane: 1 - priprema goriva (grijanje i tlačenje), 2 - priprema zraka (tlačenje i predgrijavanje), 3 - komora za izgaranje goriva, 4 - plinska turbina, 5 - električni generator

Gorivo pripremljeno za izgaranje (1) dovodi se u komoru za izgaranje (3) uz istodobno prostrujavanje stlačenog zraka (2). Plinovi izgaranja izmiješani sa zrakom odlaze u plinsku turbinu (4). U plinskoj se turbim kinetička energija plinova pretvara u mehanički rad, Preko vratila turbine mehanički se rad predaje električnom generatoru (5), gdje se pretvara u električnu energiju. Sa stezaljki generatora proizvedena električna energija odvodi se na mrežu,

C.2. Glavni dijelovi plinske elektrane

Svaka plmska elektrana, bez obzira na snagu i gorivo koje troši, mora lmati ove đijelove:

138

- kom presor- kom oru za izgaranje- plinsku turbinu- električni generator,N a slici 3,72 prikazana je plinska elektrana s glavnim dijelovima.

ulo*svj*I*9 zrnko

Slika 3.72* Plinska elektrana: 1 - motor za pogon kompresora, 2 - kompresor, 3 - komora za izgaranje, 4 - ubrizgač goriva, 5 - VT đio turbine, 6 - NT dio turbine, 7 - generator

K om presor je stroj koji plin tlačenjem provodi iz jednog energetskog stanja u drugo energetski vrednije stanje. Da bi to bilo moguće, prema zakonu o održanju euergije, kom presor m ora trošiti energiju. Za tlačenje zraka ili plina u plinskim TE primjenjuju se turbokompresori.

Potroškom m ehaničke energije pogonskog stroja u rotoru turbokom presora ubrzava se neprekinuta struja plina niskog tlaka.

Tako znatno poraste kinetička energija plina. Prolaskom kroz proširene kanale kinetička energija plina prelazi u tlačnu uz porast tlaka plina. Pretvorba kinetičke energije u tlačnu energiju plina dijelom se ostvari u rotoru, a dijelom u statoru kompresora,

K om ora za izgaranje m nogo je jednostavnija od parnog kotla. M ora se tako izvesti da osigura. potpuno stabilno izgaranje u širokim granicama opterećenja, da se postigne jednolična raspodjeia temperature na iziazu iz kom ore i da gubitak tlaka bude što manji.

U kom ori za izgaranje bez teškoća m ože izgarati i plinovito i tekuće gorivo, Za vrijeme pogona m ože se jeclno gorivo zamijeniti drugim, a mogu se istodobno upotrijebiti oba.

Najčešće se izvodi cilindrični tip kom ore koja je pokraj turbine.Plinska turbina izvodi se kao turbina jednakog tlaka (stalnotlačna) i kao

pretlačna turbina. Proces u plinskoj turbini sličan je procesu u parnoj turbini, s tom razlikom što je pad. entalpije po stupnju m nogo manji, a porast volumena veći nego u parnoj turbini.

Kako je tem peratura plina na ulazu u turbinu vrio visoka (već i više od 1 000 °C), kod turbina većih snaga hlade se lopatice okretnog kola prvog stupnja i

139

privodnog kola drugog stupnja. Hlađenje lopatica pogoršava termodinamički proces. U plinskim TE gotovo isključivo se koriste pretlačne turbine.

Električni generator je sinkroni turbogenerator o kojomu je bilo riječi u tekstu o parnom turboagregatu. Postrojenje s plinskom turbinom m ože se izvesti tako da radi u otvorenom procesu s izmjenjivačem topline i bez njega, i u zatvorenom procesu s njime.

C.3. Otvoi-eni proces plinske turbine

Na slici 3.73 prikazana je blok-shema otvorenog procesa plinske turbine, Pogonski m otor, kompresor, plinska turbina i električni generator spojeni su

na isto vratilo.

Slika 3,73. Blok-shema otvore nog procesa: M - motor, KO - kompresor, T - turbine, 1 - zrak iz atmosfere, 2 - kompri- miratii zrak, 3 - plinovi izgaranja izmiješani sa zrakom, 4 - ispušni plinovi

Iz vanjske atmosfere (1) kompresor (KO) usisava zrak i komprimira ga do odgovarajućeg tlaka. Komprimirani zrak (2) struji u komoru za izgaranje, u koju se pom oću tlačne sisaljke neprekidno uštrcava gorivo. Uz dotok komprim iranog zraka gorivo izgara uz konstantan tlak. U komori za izgaranje razvija se visoka temperatura plinova od 1 500 °C do 2 200 °C. Tako visoku temperaturu ne mogu izdržati lopatice turbine, pa se u komoru dovodi tri do šest puta više zraka nego što je potrebno za izgaranje. Tako rashlađeni plinovi (3) s tem peraturom oko 1 000 °C ulaze u turbinu (T) gdje se toplinska energija pretvara u mehanički rad. Nakon obavljenog rada plinovi napuštaju turbinu i ekspandiraju do atmosfer- skog tlaka (4).

Tem peratura ispušnih plinova na izlasku iz turbine m ože biti 500 °C i više. Ispuštanjem plinova u atmosferu gubi se velika količiiia topline pa efektivni stupanj djelovanja tako otvorenog procesa ne zadovoljava (od 17 do 20%).

Toplina plinova koji napuštaju turbinu m ože se iskoristiti u izmjenjivaču topline za grijanje usisnog zraka ili vode za parni proces.

Proces turbo-stroja je Jouleov kx*užni proces, sastavljen od dviju izobara i dviju realnih adijabata (vidjeti sliku 3.7). Termički stupanj iskorištenja dan je relacijom:

rjt Tlr T l r 3 - T i

a ovisi o omjeru kompresije plinske turbine

140

Iskoristivost stroja bit će veća ako je om jer kompresije viši.U plinskim postrojenjim a uglavnom se primjenjuju kom presivni omjeri od 5

do 12. Za termieki stupanj iskorištenja bitne su i vrijednosti tem perature plina na ulazu i na izlazu iz turbine. Kao kod parnog procesa efektivna iskoristivost ovisi o unutrašnjem stupnju iskorištenja turbine (77j), term ičkom stupnju iskori- štenja (771), 0 m ehaničkim gubicima turbine i kom presora (77m), o iskoristivosti kom ore za izgaranje (77 )

rje = rjit]t 7]m. 7/ki-

Električna iskoristivost turboagregata (?7el) određuje kvalitetu pretvorbe energije do stezaljki generatora, a dobije se kao um nožak efektivnog stupnja (77e) i stupnja djelovanja električnog generatora (77g):

»7el = VeV g '

Postrojenja s plinskim turbinam a otvorenog ciklusa znatno zaostaju za postrojenjim a s parnim turbinam a i po iskoristivosti i po snazi. Zato se u elektroprivre- dam a velikih zemalja (USA, Velika Britanija, Kanada itd.) otvoreni ciklus plinske turbine koristio kao jedinica za vršno opterećenje.

C.4, Zatvoreni proces plinske turbine

N a slici 3.74 prikazana je blok-shem a zatvorenog procesa plinske turbine.Postrojenja s plinskim turbinama zatvorenog ciklusa su m nogo složenija od

onih otvorenog ciklusa. Radni medij je zrak koji struji u zatvorenom sustavu. Zrak (1) kom prim ira se u kom presoru (KO). Stlačeni zrak (2) struji u kom oru za izgaranje gdje se zagrijava. Iz zagrijača zrak (3) ulazi u turbinu (T) gdje ekspandira. Pošto je ostvarena pretvorba toplinske energije u m ehanički rad, ispušni se zrak (4) hladi u izm jenjivaču topline (5) i vraća u kompresor. Tako se zatvara kružni tok zraka i proces ponavlja. Toplina plinova izgaranja prenosi se na zrak kroz m etalne stijenke sustava cijevi zagrijača (slično kao kod parnog kotla).

Prednost zatvorenog ciklusa je m ogućnost povišenja razine tlaka, što osigurava protjecanje velikih masa zraka kroz umjerene presjeke. To je om ogućilo

Slika 3.74. Blok-shema zatvorenog procesa: M - motor, KO - kompresor, T - turbina; 1 - ispušni zrak iz turbine ohla- đen u izmjenjivaču topline, 2 - komprimirani zrak, 3 - zagrijani zrak, 4 - ispušni zrak, 5 - izmjenjivač topline

141

izveđbu plinskih turbina većih jediničnih snaga. Kako su gorivo i piinovi izgaranja odvojeni od radnog medija (zraka), lopatice turbine i izm jenjivač topline ostaju dugo čisti i manje korodiraju. Kao gorivo m ože se koristiti i ugljen, što se pri otvorenom ciklusu ne m ože ni zamisliti. Iskoristivost zatvorenog cikiusa plinske turbine iznosi više od 0,25, a ako se želi ostvariti stupanj djelovanja do 0,34, grade se postrojenja s višestrukom kompresijom i ekspanzijom.

C.5. Postrojenja s plinskom turbinom i spremnikom komprimiranog zraka

Pri stavljanju u pogon plinskog postrojenja za pokretanje kompresora upotrebljava se trofazni asinkroni m otor. Nakon uključivanja, turbina preuzima pogon kompresora. Kako se za rad kompresora troši oko 2/3 snage plinske turbine, pojavila se ideja da se pogon kompresora vrem enski ne podudari s radom plinske turbine. Tako projektirano plinsko postrojenje sa sprem nikom kompri-

Slika 3.75. Shema spoja postrojenja s plinskom turbmom i spremnikom komprimiranog zraka: Ki, K2, K4 - kompresori, Hj, Ha, H3, H4 - hladnjaei, KIi, KI - komore izgaranja, T if T2 - plinske turbine, Z - za- grijač zraka, M/G - motor-generator

U postrojenju prikazanom na slici 3.75 zrak se komprimira u četiri stupnja u kompresorskoj grupi (K l, K2, K3, K4). Hlađenje zraka predviđeno je u hladnja- cim a (H l, H2, H3) između stupnjeva i nakon kompresije (114). Izm eđu grupe kom presora i turbina smješten je na istom vratilu sinkroni stroj koji radi u reverzibilnom pogonu (M/G). U turbinama T1 i T2 odvija se dvostupnjevita ekspanzija. Kom prim irani zrak iz spremnika prolazi kroz zagrijač zraka (Z) i ulazi u kom oru za izgaranje (K Il). Zagrijani zrak struji u turbinu T l , gdje ekspandira, a zatim odlazi u kom oru izgaranja KI2, gdje se ponovo zagrijava.

N akon ekspanzije u turbini T2 zrak prolazi kroz zagrijač (Z) i ispušta se u atm osferu. Za vrijeme malih opterećenja sinkroni stroj radi kao m otor i pokreće kompresore.

Kom prim irani se zrak, nakon hlađenja, skladišti u spremnik. S obzirom na potrebni volum en zraka koji treba akumulirati, spremnik se m ože ekonom ično izvesti sam o kao podzem ni rezervoar. Ako je tlak kompresije viši, potreban je manji volum en spremnika, pa su i troškovi njegove gradnje niži. M eđutim, za

m iranog zraka, prikazano je na slici 3.75.

142

visoke tlakove moraju. pak biti đeblje stijenke spremnika, što opet poskupljuje konstrukciju. Najpovoljniji tlak kom pm niranog zraka u spremniku je od 4 do 6 MPa.

U vrijeme velikih opterećenja na mreži komprimirani zrak iz spremnika koristi se za pogon plinske turbine koja pokreće sinkroni generator. Kako su kompresori izvan pogona, cijela snaga plinske turbine m ože se tad iskoristiti u proizvodnji električne energije.

Dvije su m ogućnosti akumuliranja stlačenog zraka: u spremnik promjenljivog tiaka i sprem nik stalnog tlaka. Spremnik stalnog tlaka istisni je spremnik koji je prije punjenja zrakom dijelom ispunjen vodom. Tlak zraka u spremniku ovisi sam o o visini stupca vode. Na slici 3,76 prikaz je izvedbe spremnika stalnog tlaka.

Za vrijeme kom presorskog pogona komprimirani zrak istiskuje vadu u bazen na površini zemlje.Ako je površina bazena dovoljno velika, neće se primjetno mijenjati tlak u spremniku za vrijeme turbinskog pogona, jer će se razina vode u bazenu neznatno smanjiti.

Slika 3.76. Spremnik komprimira nog zraka stalnog tlaka

C.6. Ploveće plinske elektrane

U SAD rade plinske elektrane sagrađene izravno iznad morskih bušotina. Ugljik-dioksid dobiven izgaranjem plinova m oguće je ponovo tlačiti u morsko dno da se poveća tlak u ležištima plina. Takve elektrane pokazale su se kao ekonom ična i ekološki povoljna postrojenja. Norveška radi slične projekte na Sjevernome moru.

C.7. Usporedba plinskih i pamih termoelektrana

Postrojenja za proizvodnju električne energije s plinskim turbinama imaju niz prednosti u usporedbi s TE s parnim turbinama. Dimenzije svih dijelova postrojenja su manje. Nisu potrebni uređaji za pripremanje vode, a imaju filtre za zrak čije je održavanje m nogo jednostavnije od pripremanja vode za parogeneratore.

Vrijeme potrebno za pokretanje iz hladnog stanja je vrlo kratko (od pet do deset minuta).

M ogućnost brzog uključivanja, zaustavljanja i naglih promjena opterećenja su izuzetno dobre značajke postrojenja s plinskim turbinama.

Međutim, glede iskoristivosti i snage, u prednosti su postrojenja s parnim turbinama. Plinske se turbine ne mogu graditi za velike jedinične snage kao

(4. MPa)

143

parne. Danas su u pogonu turbine snage 150 MW, a izgrađene su plinske turbine snage 180 MW.

C.8. Plinska termoelektrana Osijek

Plinska termoelektrana Osijek je puštena u rad 1976. godine i uz PTE Jertovac druga je plinska elektrana ugrađena u elektroenergetski sustav Repu- blike Hrvatske.

Osnovno gorivo za plinsko-turbinske agregate su ekstralako loživo ulje i prirodni plin.

M oguća je istodobna upotreba tekućega i plinovitog goriva. Za početak rada od hladnog stanja do punog opterećenja potrebno je deset minuta, ali se m ože ostvariti i brz start u roku od pet minuta. Agregati su osposobljeni i za kompen- zatorski rad pri kojem se generatori odvajaju od turbine i rade kao sinkroni kompenzatori.

Osnovni su podaci PTE Osijek u tablici 3.6.

Tablica 3.6. Osnovni podaci PTE Osijek

Plinska turbina- broj turbina 2- nominalna snaga (MW) 25- brzina vrtnje (min'1) 5 100- vrsta goriva ekstralako loživo ulje i prirodni plin

Generator- broj generatora 2- nominalna snaga (MVA) 32- brzina vrtnje (min'1) 3 000- nominalni napon (kV) 10,5- cos <p 0,80

Blok-transformator- broj transformatora 2- nominalna snaga (MVA) 28- prijenosni omjer (kV) 10,5/110

Kotao na otpadnu toplinu- učin (t/h) 56- parametri pare (M Pa/ °C) 1,8/250- temperatura napojne vode (°C) 125

Visoke temperature izlaznih plinova (oko 500 °C) iskorištene su dogradnjom kotla za otpadnu toplinu koji proizvodi tehnološku paru potrebnu potrošačim a u industrijskoj zoni grada.

D . Kombinirana termoenergetska postrojenja (kombi-elektrane)

U zemljama kojima se energetika temelji na ugijenu, intenzivno se traže nova rješenja u poboljšanju tehnologije pretvorbe energije ugljena u električnu

144

energiju. Posebni zahtjevi se postavljaju za smanjenje onečišćenja okoline. Radi toga se potencira uplinjavanje ugljena, izgaranje u fluidiziranom sloju i nove koncepcije plamenika i ložišta.

Prem a procjenam a stručnjaka, kotlovi s fluidiziranim ložištima pod tlakom, u kombiniranim ciklusima s plinskim i parnim turbinama, najperspektivnija su postrojenja za proizvodnju električne energije iz ugljena. Iako takva postrojenja nisu dostigla razinu pouzdane komercijalne eksploatacije, pouzdano je da ta tehnologija osigurava efikasnije izgaranje, manje dimenzije kotla, iskorištavanje ugljena lošije kvalitete, manju emisiju štetnih tvari i višestruko korištenje toplinske energije u sekundarne svrhe (toplifikacija naselja, tehnološke potrebe u industriji).

Kombinirana postrojenja, u kojima se energija dobiva dvojnim ciklusom s osnovnim parno-turbinskim i dopunskim nadciklusom, za budućnost su najrealni- ja perspektiva ekonom ičnog korištenja energije fosilnih goriva.

Neka od mogućih rješenja, koja se već komercijalno eksploatiraju, bit će ukratko naveđena uz načelne sheme.

U k o m b i n i r a n i m p l i n s k o - p a r n o - t u r b i n s k o m s u s t a v u se toplina oslobođenih produkata izgaranja, nakon izlaska iz plinske turbine, koristi u izmjenjivaču topline za proizvodnju pare za pogon parne turbine. Načelo rada prikazano je na shemi 3,77.

SHka 3.77. Shema kombi-elektrane: KO - kompresor, KI - komora za izgaranje, PLT - plinska turbina, PT - parna turbina, K - parni kotao, G - električni generator, Z - zagrijač kondenzata, Cj, - erpke kondenzata,; 0 - zrak iz atmosfere, 1 - komprintirani zrak, 2 - gorivo, 3 - zagrijani plinovi, 4 - ispusni plinovi, 5-6 - odvajanje topline ispušnih plinova parnom ciklusu

Kom presor (KO) usisava zrak iz atm osfere (0) i tlači ga (0-1). Komprim irani zrak (1) ulazi u komoru za izgaranje (KI) gdje se miješa s plinovima izgaranja. S potrebnom tem peraturom i tlakom plmovi (3) odJaze u plinsku turbinu (P IT ) i tu se kinetička energija plinova pretvara u mehanički rad. M ehanički se rad preko vratila predaje turbogeneratoru, gdje se pretvara u električnu energiju. Plinovi koji napuštaju plinsku turbinu (4) uvode se u parni kotao (K) i tu se koriste za zagrijavanje vode i proizvodnju pare (5-6) za pokretanje parne turbine (PT). Parna turbina pokreće drugi turbogenerator. Ova varijanta postrojenja

10 Elektrane 145

im a još neriješenih problem a u svezi sa željenim temperaturama, pa se još ne primjenjuje.

N a č e l o r a d a k o m b i - p o s t r o j e n j a s d o p u n s k i m i z g a r a n j e m is- pušnih plinova uz dodatak goriva u parogeneratoru prikazano je na slici 3.78.

Shem a postrojenja je ista kao prethodna, samo se u ložištu parnog kotla ostvaruje dopunsko izgaranje. Ispušni plinovi sadrže velike količine kisika, pa u ložištu kotla m ože izgarati dodatno gorivo bez dovođenja svježeg zraka. Tako se m ogu postići željeni param etri pare za rad parne turbine.

0

Slika 3.78. Kombi-postrojenje s dopunskim izgaranjem ispu- šnih plinova

Slika 3.79. Kombi-postrojenje s kotlovskim ložištem pod tlakom: KL - kotlovsko ložište, 0-1 - kompresija, 1-2 - zagrijavanje zraka, 2-3 - prvi stupanj izgaranja, 3-4 - ekspanzija u plinskoj turbini, 4-5 - drugi stupanj izgaranja, 5-6 - odavanje topline zraku, 6-7 - odavanje topline parnom ciklusu, 7-8 - redukcija topline parnom ciklusu, 8-0 - odavanje topline okolini

Kom bi-postrojenje s k o t l o v s k i m l o ž i š t e m pod tlakom radi tako da kotao pod tlakom zamjenjuje kom oru za izgaranje plinske turbine (sl. 3.79). U njemu se proizvodi i pregrijava para, a produkti izgaranja pokreću plinsku turbinu. Term odinam ički proces u takvu postrojenju vrlo je učinkovit.

Navedene varijante m ogu se izvesti s različitim poboljšanjima (predgrijavanje zraka prije ulaska u kom oru za izgaranje, predgrijavanje napojne vode).

Druga varijanta (b) i treća varijanta (c) u komercijalnoj su primjeni.Tri su tipa kombi-postrojenja, a svaki ima posebno područje i uvjete korište-

nja:- konvencionalna parno-turbinska postrojenja s naknadno dodanim plin-

sko-turbinskim dijelom koji radi u nadciklusu- novo projektirano kombi-postrojenje na čista goriva (tekuća i plinovita)- kom binirana postrojenja u sprezi s postrojenjem za plinifikaciju ugljena.U SAD je 1972. godine bilo 4 500 M W u kombiniranim postrojenjima, a 1977.

godine General Electric je predao 33 postrojenja ukupne snage 7 800 MW. Danas je taj broj m nogo veći.

146

U Utrehtu npr. u Nizozem skoj radi kom bi-term oelektrana s najboljom neto- -korisnosti od 52%. To je najveća dosad postignuta korisnost pri proizvodnji električne energije iz fosilnih goriva (kolovoz 1990). E iektranaje plinsko-turbinska toplana m aksim alne snage 225 MW. Od toga 150 M W daje plinska turbina, a 75 M W parna turbina. Najveća ogrjevna snaga pri reduciranoj proizvodnji električne energije iznosi 210 MW. Iskorištenje goriva pri takvu pogonu je opt.i- malno i iznosi 86 %.

Stetni plinovi izgaranja goriva svedeni su na ekstrem no male vrijednosti što je vrlo važno s ekološkoga gledišta.

Godine 1993. u Nizozem skoj počinje raditi kombi-elektrana bruto-snage 285 MW. Riječ je o plinsko-parnoj elektrani na uplinjeni ugijen. Mljeveni isušeni ugljen, uz dovod pare i kisika, pod tlakom biva potpuno uplinjen pri tem peraturi 1 500 °C. Nastali vrući plin se hladi u izmjenjivaču topline i tako proizvodi paru za parnu turbinu.

D ovoljno ohlađeni plin uvodi se u pročistač, gdje se odvajaju sum porovodik, ugljik-dioksid i zaostala prašina.

Zrak iz kom presora plinske turbine odvodi se u turbinsku kom oru izgaranja. Oko 15 % zraka iz kompresora ide u kom oru za uplinjavanje ugljena. Pročišćeni piin iz ugljena ugrijava se prije ulaska u kom oru izgaranja sa 130 °C na 300 °C.

Iz kom ore izgaranja, u kojoj se zagrijava na 1 050 °C, plin odlazi u plinsku turbinu snage 155 MW.

Tem peratura izlaznog plina je 550 °C, i daje toplinu za proizvodnju svježe pare u isparivaču i međupregrijaču.

Oko 4 0 % količine svježe pare i oko 10% pare u pregrijačima, kao i para niskog tlaka, proizvodi se izravno u uređajima za uplinjavanje ugljena. Para ulazi u parnu turbinu snage 130 MW.

E . Magnetohidrodinamička pretvorba energije

M agnetohidrodinam ička (M HD) pretvorba energije jedan je od perspektivni- jih postupaka za dobivanje električne energije. Ta konverzija predstavlja izravnu pretvorbu toplinske energije goriva u električnu energiju. M H D-princip pretvorbe zasniva se na m eđusobnom djelovanju elektrovodljivog radnog medija (nisko- tem peraturna plazm a) i m agnetskog polja, pri čem u nastaje izravna transform a- cija energije plazm e u električnu energiju.

Plazm a je četvrto agregatno stanje tvari, To je potpuno ionizirani plin, a m ože nastati na vrlo visokim tem peraturam a (Sunce, zvijezde). N iskotem peraturna plazm a je plin sastavljen od slobodnih atoma, iona i elektrona. Pri 3 300 K stupanj ionizacije je nizak (oko 0,1%), a vodljivost je oko 50%. N a slici 3.80 prikazan je princip rada M HD-generatora.

Ionizirani plinovi imaju vrlo veliku kinetičku energiju gibanja čestica. Prola- zeći između ploča (1) smještenih u jakom m agnetskom polju (3) m skotem peraturna plazm a inducira elektrom otornu silu koja će uzrokovati tok električne struje između elektroda (1), odnosno unutar kanala generatora.

Protjecanjem struje između elektroda pojavit će se struja u vanjskom struj- nom krugu (2) i električnom opterećenju (R).

147

Slika 3.80. Prrncip rada MHD-generatora: 1 - ploče (elektrode), 2 - vanjski strujni krng, 3 - polovi magneta

Term odinam ički ciklusi u M HD-generatorim a u skladu s drugim zakonom term odinam ike efikasniji su nego u klasičnim term oenergetskim postrojenjima. Postupak M H D pretvorbe m ože se ostvariti:

- M IID-generatorim a otvorenog ciklusa, u kojima su radno sredstvo ionizirani produkti izgaranja fosilnih goriva što se poslije iskorištenja izbacuju u atm osferu

- M H D-generatorim a zatvorenog ciklusa, u kojima su radno sredstvo ionizirani inertni plinovi ili tekući metali koji neprekidno kruže u zatvorenom krugu.

Danas se uglavnom grade i istražuju generatori otvorenog ciklusa. Realiza- cija M H D-postupka praktično je m oguća pri odgovarajućim brzinam a plazm e c, njezine specifične elektrovodljivosti <7 i indukcije m agnetskog polja B. Specifična proizvodnja električne snage P u M HD-generatorim a (snaga po jedinici voiume- na) razm jerna je umnošku o ■ cz ■ B 2, to jest:

d 2 „ 2P — p o c B ,

gdje je p relativna električna snaga.Zbog velikog utjecaja gustoće m agnetskog toka B na efikasnost rada M HD-

-generatora, najperspektivnija je primjena supervođljivih m agneta kod kojih će magnetska indukcija iznositi (5-7) T.

M HD-elektrana otvorenog ciklusa predviđa se kao kom binirano energetsko postrojenje koje se pri tem peraturam a 2 200 - 2 700 °C koristi M HD-generatorom , a pri tem peraturam a nižim od 2 200 °Č klasiČnim parno-turbinskim postrojenjem . N a slici 3.81 prikazana je pojednostavnjena shema principa rada binarne M HD-elektrane otvorenog ciklusa.

K om presor (1) tlači oksidacijsko sredstvo.Visoku temperaturu oksidacijsko sredstvo postiže zagrijavanjem u rekupera-

tivnom (2) i autonom nom regenerativnom zagrijaču (3). Napuštajući kom oru izgaranja (4), plazm a prolazi kroz mlaznik (5) M H D -generatora (6) i difuzor (7), a zatim ulazi u parogenerator. U parogeneratoru se iskorištava toplinska energija iz plazme za proizvodnju pare (8) za parno-turbinsko postrojenje (11) i za zagrijavanje oksidacijskog sredstva. Nakon ekspanzije u turbini (11) para odlazi u turbinski kondenzator (12).

148

K ondenzat se crpkom kondenzata (13) potiskuje kroz sustav za hlađenje kom ore izgaranja ( 1 0 ), gdje se predgrijava prije ulaska u parogcnerator.

Oksidacijsko sredstvo obogaćuje se kisikom do 50 % i više. Da bi se povećala elektrovodljivost produkata izgaranja fosilnih goriva pri tehnološki prihvatljivim tem peraturam a 2 600 - 2 800 °C, potrebno je dodavati lako ionizirajuće eiem ente ili njihove spojeve (cezij, rubidij, kalij ili natrij). N ajčešće se koristi kalij i natrij, osobito K 2CO 3 ili K 2SO 4.

Ionizirajući dodatak, koji se dodaje do 4 % od m ase produkata izgaranja, gotovo potpuno vezuje okside sum pora što elim inira potrebu gradnje vrlo skupih postrojenja za odsum poravanje.

Prodnost M H D -postupka jest to što se rad M H D -generatora m ože kom bini- rati s parno-turbinskim ili plinsko-turbinskim postrojenjem , a u krajnjoj etapi stupanj iskorištenja takva sustava m ogao bi se povećati do 60 %. U šteda goriva dostigla bi vrijednost od 30 do 33%. Za raziiku od term oelektrana na klasična goriva, M IID -elektrana zahtijeva m nogo m anje vode za hlađenje, a m anje su i količine otpadne topline i štetnih otpadnih piinova. Jedinične instalirane snage M H D -generatora m ogu biti i do 2 000 MW, s m ogućnošću prom jene opterećenja u vrlo širokim granicam a od 2 0 do 1 0 0 %.

Slika 3.81. Shema MHD-elektrane otvnrenog ciklusa: 1 - kompresor, 2 - rekuperativni zagri- jač, 3 - autonomni zagrijač oksiđacijskog sredstva, 4 - komora za izgaranje, 5 - mlaznik, 6 - MHD generator, 7 - pregrijač, 8 - ođavanje topline parnom ciklusu, 9 - ditnnjak, 10 - sustav z a hlađenje komore za izgaranje, 11 - parna turbina, 12 - turbinski kondenzator, 13 - crpka kondenzata

U istraživanjim a kom ercijalne prim jene MH D-elektrana u svijetu najbolje su rezultate dosada ostvarili stručnjaci Rusije i SAD, Trenutno su vrlo aktualna istraživanja M H D -tehnologije u Japanu, Kini, Indiji i N izozem skoj.

Prvo poluinđustrijsko M H D -postrojenje na plin U -25, snage 20 MW, pušteno je u rad 1971, godine u Rusiji. Eksperim enti na tom postrojenju i rezultati ostvareni u vrijem e eksploatacije bili su solidan temelj za odiuku o gradnji prve industrijske M H D -elektrane na prirodni plin snage 582 MW, 270 M W iz M HD- -generatora i 312 M W iz klasičnog parnoturbinskog postrojenja.

149

Gradnja je počela 1980. godine, a završetak je bio pređviđen do kraja 1989. Istraživanja u SAD usmjerena su samo na korištenje ugljena kao goriva. Godine 1969. pušten je u rad M H D -generator M ARK V. snage 30 MW, a 1975 godine M ARK VI. N a tim je postrojenjima 1981. godine ostvaren neprekidan rad kanaia M H D -generatora više od 1 000 sati.

F . D iz e l - e l e k t r a n e

Dizel-elektrane su postrojenja koja se najčešće koriste kao rezervne elektrane ili rezervni agregati u elektranama. U velikim urbanim sredinam a dizel-elektrane su obvezni rezervni izvori energije u velikim sportskim centrima, robnim kućarna, bolnicam a i drugim pbjektima posebnog značenja.

Kao stalni izvori energije koriste se na brodovim a, naftnim platform am a, potrošačkim područjim a udaljenim od distributivnih mreža, npr. poljoprivredna gospodarstva ili manji industrijski objekti, ponekad rudnici. D izel-elektrane se često kombiniraju s vjetroelektranam a ili drugim obnovljivim izvorim a u sustavim a opskrbe autonom nih električnih m reža otoka (Grčka, Danska). Najvažniji dijelovi oprem e dizel-elektrane prikazani su na slici 3.82.

Slika 3.82. Oprema dizel-elektrane: 1 - dizel-motor, 2 - zamašnjak, 3 - električni generator, 4 - crpka za primarnu vodu za hlađenje, 5 - izmjenjivač topline, 6 - pro- čišćavač za usisač zraka, 7 - glavni spremnik za naftu izvan zgrade, 8 - crpka za naftu, 9 - dnevni spremnik za naftu, 10 - boca s komprimiranim zrakom za pušta- nje u pogon, 11 - hladnjak za ulje, 12 - crpka za sekundarnu vodu, 13 - toranj za hlađenje sekundarne vode

Najvažniji dio oprem e dizel-elektrane je dizel-m otor (1). Puštanje u rad dizel-m otora osigurava se kom prim iranim zrakom iz boce (10) i dotokom gonva iz dnevnog sprem nika za naftu (9), Izm jenjivačim a topline (5 i 11) osigurava se hlađenje inotora. Voda iz izm jenjivača topline izvodi se na rashladni toranj (13) gdje se hlađi i vraća u proces. Da bi gorivo i rashladna voda nesm etano cirkulira- li, neizbježan dio oprem e su i crpke za gorivo (8) i rashladnu vodu (4 i 12).

150

Rad elektrane zasniva se na pretvorbi m ehaničkog rada koji stvara dizel- -m otor u električnu energiju u generatoru.

D izel-m otor je klipni stroj s unutrašnjim izgaranjem. D izel-m otor usisava, a zatim kom prim ira čisti zrak, Zrak se zbog kompresije zagrijava. U tako zagrijani zrak u cilindru uštrcava se kroz m laznicu plinsko ulje. Za paljenje plinskog ulja potrebna je tem peratura od približno 600 °C. Da bi se ostvarila željena temperatura, stupanj kompresije zraka m ora biti dovoljno velik (1:12 do 1:19). N akon zapaljenja gorivo naglo izgara. Porast tem perature i tlaka uzrokuje ekspanziju pri čem u nastaje radni takt.

D izel-m otor se m ože izvesti kao dvohodni i četverohodni. Dvohodni m otori su po jedinici snage 20 do 30 % lakši od četverohodnih, tj, pri istim dim enzijam a imaju teorijski do dva puta veću snagu (za veće snage ta se razlika smanjuje). Dvohodni m otor se koristi za snage veće od 1 MW. Stupanj korisnosti dizel-m o- tora je danas i do 52 %, pa je to toplinski m otor s najboljim stupnjem djelovanja, Kako u dizel-elektrani postoje i drugi gubici energije, ukupna iskorištenost postrojenja m ože biti i preko 40%. Gorivo za dizel-m otor su plinsko i dizel-ulje, a dobiju se frakcijskom destilacijom zem nog ulja ili sirove nafte na 200 °C i teška ulja koja se dobiju destilacijom kam enog ugljena na tem peraturam a od 230 do 270 °C. Donja energetska vrijednost tekućega goriva iznosi oko 40 000 kJ/kg. Specifična potrošnja goriva svedena je danas na 160 g/kWh. D izel-m otor se m ora hladiti. Ako mu je snaga veća, hladi se vodom , a m ože se primijeniti princip povratnog ili protočnog hlađenja. Manji se m otori hlade hladnjacima s ventilatorima (kao kod automobila). U usporedbi s parnom turbinom , dizel-m otor ima neke prednosti, ali i neke nedostatke.

Prednosti su:- m ala težina i dimenzije- upotreba goriva visoke energetske vrijednosti- stalna sprem nost za radne troši gorivo za vrijeme privrem enih prekida rada.N edostaci su:- stvara buku i potrese u pogonu- kom plicirana konstrukcija- potreban prekidač za puštanje u rad- koristi se skupim gorivima,Ponekad se u elektranam a malih snaga koriste i O to-m otori kojim a je gorivo

benzin. Veom a su praktični kao prenosivi agregati.

3.3. Struktura cijene električne energije iz termoelektrana

Troškovi gradnje term oelektrane 7) određeni su specifičnim ulaganjima Js po jedinici instalirane snage P;.

Troškovi gradnje iznose:

Ti = Ia-Pi [USD].

151

T ro šk o v i su iz raž e n i u d o larim a , je r se u en erge tic i u m e đ u n a ro d n im r a s p r a v a m a ti tro šk o v i p re ra č u n a v a ju u do lare ,

N a jv e č i u tje ca j n a u la g a n ja po jed in ic i in s ta lir a n e sn a g e im a ju :- izb o r v r s te g o r iv a- s n a g a p a ro g e n e ra to ra- s n a g a tu rb in a- s n a g a tu rb o g e n e ra to ra- o p sk rb a ra sh la đ n o m vodom itd.- n ačin z b r in ja v a n ja o tp ad n ih tv ari.Iz d i ja g r a m a n a slic i 3 .8 3 vid i se k ak o re la tiv n i sp ec ifičn i tro šk o v i in v e st ic ija

po b lo k u o v ise o v rst i g o r iv a i sn a z i b loka.B lo k o v i n a lign it im a ju n a jv eće sp ec ifičn e tro šk o v e u la g a n ja , Z a is tu sn a g u ,

p a ro g e n e ra to r i su m n o go veći nego z a o sta le v rste goriv a , je r iz g a ra n je lig n ita z a h tije v a veći vo lu m en lo ž išta .

N a jp o v o ljn ije in v e stic ijsk o r je še n je je s u b lokovi s p lin sk im tu rb in a m a i kom - b in ira n a p o stro je n ja .

N a d ija g ra m u je ta k o đ e r v id ljivo k ak o se s p o ra sto m sn a g e b lo k o v a sm a n ju ju sp e c ifičn e in v estic ije .

N a tem elju isk u s tv a p ro c jen ju je se d a se u d v o stru če n je m sn a g e b lo k a speci- fične in v estic ije sm a n ju ju 2 0 %.

U k u p n i god išn ji tro šk o v i T p ro izvod n je en e rg ije sa s to je se od d v a ju d ije lov a :- s ta ln ih tro šk o v a T s koji su p ro p o rc io n aln i in sta lira n o j sn a z i- p ro m jen ljiv ih tro šk o v a T p koji su ra z m je rn i p ro izveden oj e lek tričn o j ener-

giji-

T — Ts + Tp [U S D ] .

C ijen a p ro izv ed en e en e rg ije izn osi:

Slika 3.83. Relativni speeifični troškovi investicije pn bloku u TE

U S D kW h ?

gd je su :T - u k u p n i g o d išn ji tro š-

kovi in v e stic ija , odr- ž a v a n ja i p ro izv o d n je en erg ije [U SD /go d .]

W - g o d išn ja p ro izv o d n ja e n erg ije [kW h/god.].

W = P i - T gkWh g o d .J ’

gd je su :P i - in s ta l ir a n a s n a g a T E

[kW]T g - go d išn je k o rište n je

sn a g e P i [h /god .].

1 5 2

Cijena proizveđene energije m ože se dobiti kao zbroj:

C — C s + C pUSD kWh ’

gdje su:Cs - udio stalnih troškova u cijeni energije [USD/kWh]Cp - udio prom jenljivih troškova u cijeni energije [U SD /kW h].

3.4. Termoelektrane u elektroenergetskom sustavu Republike Hrvatske

U Republici H rvatskoj u pogonu je osam TE s 18 blokova. Završava se i TE P lom in nom inalne snage 210 M W na kam eni ugljen. O snovne karakteristike TE navedene su u tablici 3.7. Term oelektrane u Republici H rvatskoj (stanje 31. 12. 1988.)

Tablica 3.7. Termoelektrane u Republici Hrvatskoj

El. sn aga [MW]

nom m al, p rag

Specif.E lektrana-blokgorivo

U pogonu od god.

Toplinska sn aga [M J/S]

potrošaktopline

[MJ/kWh]

T E S isak 1 1970. 2 10 188 9,8P + M, 376 MW 2 1976. 2 10 188 - 9,8

T E R ijeka P + M, 303 MW

1 1978. 320 303 - 9,1

TE-TO Zagreb 1 1962. 32 29,5 105 10 ,2P + M, 162 MW 2 1962. 32 22,5 1 2 2 7,2

3 1979. 120 1 1 0 202 1 1 , 1

EL-T O Zagreb 1 1972. 1 1 10 50 9,3P + M, 37 MW 2 1980. 30 27 1 1 2 8 ,1

TE-TO Osijek P + M, 42 MW

1 1984. 45 42 139 12,7

K T E Jerto v ac 1 1954. 15 13 _ 16,393 MW 2 1957. 12,5 1 1 -

blok 1: M, 3 1957. 12,5 1 1 - 1 0 , 12-5: P + T 4 1976. 31,5 29 —

5 1976. 31,5 29 -

P T E Osijek 1 1976. 23,5 23 42 13,4P + T, 46 MW 2 1976. 23,5 23 - 13,4

T E Plom in 1 U, 93 MW

1970. 125 93 - 1 2 , 1

U kupno 17 1285 1152 772

Legen da za goriva: P - plin, M - m azut, T - tekuća (lako), U - ugljen

153

Izvan područja ovi blokovi:

Republike Hrvatske, a dijelom za njezine potrebe sagrađeni

TE Kakanj 110 M W (1/2 snage za RH)TE Tuzla IV. 210 M WTe "N.Tesla" A 308 M WTE Gacko 300 M W (1/3 snage za RH )N E Krško 630 M W (1/2 sn a g eza R H ).


1. Glavni dijelovi T E s plinskom turbinom i uloga pojedinih dijelova.2. Objasnite otvoreni proces plinske turbine.3. Objasnite zatvoreni proces plinske turbine i usporedite s otvorenim procesom.4. Opišite izgled i rad postrojenja s plinskom turbinom i sprem nikom kom prim iranog

zraka.5. U sporedite rad plinske i parne T E, navedite bitne prednosti i nedostatke jedm h i

drugih.6 . Za koje se najveće snage danas prave plinske turbine?7. O bjasnite načelo rada kom bm irane elektrane.8 . Im a li u našoj republici takvih postrojenja?9. Koliki stupanj lskorišten ja može ostvariti kom bi-elektrana?

10. Princip rad a M HD-generatora.11. K akve su prednosti izravne pretvorbe toplinske energije u električnu energiju u

M HD -generatoru?12. M H D -elektrana kao kom binirano postrojenje.13. Koje sve prednosti osigurava M H D -elektrana u usporedbi s klasičnom ?14. Opišite glavne dijelove i načelo rad a dizel-elektrane.15. Gdje se dizel-elektrana koristi kao trajni izvor energije?16. N avedite prednosti l nedostatke primjene dizel-agregata za dobivanje električne

energije.17. Sto bitno utječe na iznos specifičnih investicija pri gradnji T E ?18. O černu sve ovisi cijena električne energije na pragu T E ?19. Koliko T E u elektroenergetskom sustavu im a Republika H rvatska?20 . Koje gorivo najčešće troše T E u Republici H rvatskoj?21 . N a tem elju stečenih znanja napravite analizu energetskih procesa u kom biniranoj

T E sa slike 3.79.

154

4 Ostali izvori električne energije

U sk u p in u o sta lih izv o ra e lek tričn e en erg ije u b ra ja ju se lzvori koji po ukupnoj in sta lira n o j sn a z i u p rim jen i z a o sta ju za o p isan im izvo rim a. B r ig a z a očuva- nje p riro đ n e okoline u čin ila je d a se in ten z iv ira isk o r iš ta v a n je n ek ih obnovljivih izv o ra en ergije , R az v ije n e zem lje sv ije ta tom e prob lem u p o sveću ju veliku pozor- n ost, p a n ek o n v en cio n aln i izvori en erg ije dobivaju sv e veće zn ačen je .

Z an im ljiv i novi obnovljivi izvori en erg ije je su :

- so la rn e e le k tra n e- v je tro e le k tra n e- g e o te rm aln e e le k tra n e- b io m a sa- (m o rsk i valovi, p lim a i o sek a , o p isan i u p rv om dijelu kn jige),

4.1. Energija Sunca

I sk o r iš ta v a n je e n erg ije S u n c a jed n o je od p o d ru č ja is tr a ž iv a n ja k o ja su, o sob ito po sljed n jih god in a, p r isu tn a u sv ije tu zn an o sti, teh n ologije i p rim jen e . S to zn am o o S u n c u ? S u n ce je zv ijezd a. T v a r od koje je g rađ en o u s ta n ju je p lazm e (n e u tra ln i io n iz iran i p lin ). Z bog v isok ih te m p e ra tu ra i v iso k o g t la k a (1 0 7 K ; 1 0 14 P a ) n a S u n c u se n ep re sta n o odv ija n u k le arn a fu z ija vod ika. P o slje d ica to g a je o s lo b ađ a n je go lem ih k o lič in a energije . Od S u n c a god išn je n a Z em lju s t ig n e ener- g ije u izn osu 5 ,4 x 1024 J (1 ,5 x 1021 Wh).

Od te se količine 30% re fie k tira u sv em ir, 47% p re tv a ra u toplinu i em itira kao in fra c rv e n o zračen je , a 23% se tro ši n a isp a ra v a n je vode i oborin sk i c ik lu s u tro p o sfe ri. S u n ce je izu zetn o b o g at izvor energije .

M eđ u tim , d a bi p rak tičn o isk o r iš ta v a n je bilo veće t r a g a se za e fik a sn ijim teh n ičk im r je še n jim a .'

V ažn e z n a č a jk e su m a la g u sto ć a e n e rg e tsk o g to k a (630 W /m 2 z a Z em lju ili 1 kW /m 2 za R ep u b lik u I lr v a t s k u ) , z a tim o sc ilac ije in te n z ite ta S u n č e v a z rač e n ja ovisn o o dobu d a n a , go d išn jem dobu ili p a k k lim a tsk im u v jetim a.

S u n č e v a se e n e rg ija isk o r iš ta v a u g lav n o m n a tri n ač in a :

- kao to p lin sk a- k ao e le k tr ičn a- kao e n e rg ija iz b io m ase .

155

Dobivanje toplinske energije od Sunca. Sunčeva se energija skuplja uređajim a koji se zovu kolektori. U njima se ona pretvara u toplinsku (toplinski kolektori) i električnu energiju (kolektori sa solarnim ćelijama). Od toplinskih u kom ercijalnoj su upotrebi najčešće ravni kolektori. Pom oću njih se m ogu postići tem perature do 100 °C, a ako su selektivni i do 150 °C. Ravni kolektor prikazan je na slici 4.1.

Slika 4.1. Ravni kolektor: 1 - kućište, 2 - izolacija, 3 - cijevi kroz koje struji voda, 4 - stakleni pokrivač, 5 - apsorber, 6 - đovođna cijev (hladna voda), 7 - odvodna cijev (topla voda)

Sunčeve zrake koje padaju na kolektor prolaze kroz jednu prozirnu ploču ili dvije (obične staklene) ploče i usmjeravaju se na apsorber. Apsorber je m etalna ploča (Al ili Fe) presvučena crnim slojem visokog faktora apsorpcije koja se upijanjem Sunčevih zraka zagrije od 50 °C do 100 °C. Kroz sustav cijevi spojenih s apsorberom struji radni fluid (voda ili zrak) te odvodi toplinu do m jesta gdje je potrebno. D a bi se smanjili gubici topline i povećala efikasnost, prozor i apsorber sa sustavom cijevi smješteni su u m etalno kućište koje je sa stražnje strane i s bočnih strana izolirano. Izolacija je obično od poliuretanske pjene debele 5 - 1 0 cm . Ravni kolektori se izrađuju u jedinicam a oko 2 m 2, tj, 2 m x 0,93 m X 0,115 m. D a bi se ostvarila veća površina, kolektori se m ogu povezati paralelno ili serijski, kao na slici 4.2.

Ovaj tip toplinskog kolektora koristi se uglavnom za zagrijavanje vode u kućanstvim a, hotelim a i za klimatizaciju.

U nekim zem ljam a Sredozem lja izgradnja kuća uvjetovana je ugradnjom kolektora koji donose uštede električne energije i do 30%.

Ako se žele postići više tem perature, koriste se koncentrirajući kolektori sa zrcalim a ili lećam a. Oni prate Sunce i izravno fokusiraju njegovo zračenje na apsorber koji je u žarištu kolektora. Jedna od izvedbi koncentrirajućih kolektora je parabolični kolektor prikazan na slici 4.3.

Slika 4.3, Para- bolični kolektor: 1 - cijev s apsorberom, 2 - sta- klena cijev, 3 - cilindrično pa- rabolično zrcalo a

1 2 3

Dobivanje električne energije iz Sunca. Električna se energija m ože dobiti od Sunčeve na dva načina:

- izravnom pretvorbom u solarnim ćelijam a- iz toplinske energije (klasičan način turbina-generator).

Jednostavniji i perspektivniji je princip dobivanja električne energije iz solarnih ćelija.

a) Fotonaponska pretvorba. Izravna pretvorba solarne u električnu energiju tem elji se na fotonaponskom efektu. Sunčevo zračenje na krajevim a solarne ćelije proizvodi em s (napon), zahvaljujući fotonaponskom efektu, tako da solarna ćelija postaje izvor električne energije.

Razvoj solarnih ćelija tekao je dosta sporo, tako da ni danas nije na razini koja se m ogla očekivati prije dvadeset godina. Solarnu ćeliju čini silicijski P-n spoj. Prim jer je na slici 4.4.

N apon solarne ćelije je od 0,5 do 0,7 V, a jakost električne struje oko 20 m A /cm . Ako se želi viši napon, odnosno odgovarajuća snaga, ćelije se m ogu spajati paralelno i serijski.

h-v

| ) J { Sunčevo svjetlo

Slika 4.4. Shematski prikaz sili- cijeve solarne ćelije

= 0,2 jim n - područje

= 0,3mmp - područje

- prednji kontakt u obliku rešetke

-f- zadnji metalni kontakt

157

Tako se dobiju moduli (paneli) solarnih ćelija. Moduli se m ogu složiti jedan do drugoga u ravne kolektore, a kolektori zajedno s ostalim potrebnim elementi- m a (pretvaračim a ili akumulatorima) tvore fotonaponski sustav.

Danas se solarne ćelije izrađuju od m onokristala silicija površm e 5-10 cm 2, debljine 0,2-0,3 mm. Vijek trajanja je oko 20 godina, a u svemirskim uvjetima, gdje se dosta koriste, nešto kraći. Noviji materijali (GaAs, CdTe i dr.) koji se istražuju, nisu pokazali veću efikasnost od silicija, a ćelije od tih materijala su skuplje i m anje stabilne. Sva istraživanja usmjerena su na povećanje efikasnosti solarne ćelije, koja je od 11% do 13,5%, i na snižavanje cijene do ekonom ski prihvatljive granice.

U Splitu je u sklopu poduzeća "Končar" izgrađena tvornica solarnih ćelija u koprodukciji s am eričkom firm om "Cronar".

b) Solarne elektrane. Postrojenja u kojima se solarna energija pretvara u toplinsku, a zatim u električnu, jesu solarne elektrane. Solarna se energija fokusirajućim kolektorim a pretvara u toplinsku energiju koja grije radni fluid. Radni fluid pokreće turbinu, turbina svoj mehanički rad predaje generatoru, gdje se pretvara u električnu energiju. Glavni dijelovi solarne elektrane jesu:

- kolektori, prijamnik (apsorber), spremnik topline, isparivač, turbina i generator.

Blok-shem a solarne elektrane prikazana je na slici 4.5.električnamreža

Slika 4.5. Blok- -shema solarne elektrane

Toplina potrebna za rad takve elektrane može se dobiti na dva načina:- pom oću sustava s raspoređenim kolektorim a (DCS - Distributed Collector

System)- pom oću sustava sa središnjim prijam nikom (CRS - Central Receiver Sy-

stem)U sustavu DCS na većoj površini raspoređen je niz koncentrirajućih cilin-

drično-paraboličnih zrcala, koji skupljaju Sunčevu energiju i fokusiraju na apsorberske cijevi. Kroz apsorberske cijevi, koje su u žarišnoj osi kolektora, protječe

kolektori

Slika 4.6. Sustav s raspoređe- nim kolektorima

158

radni fluid za prijenos topline. Tako se proizvodi para za parnu turbinu koja pogoni generator. N a slici 4.6. prikazan je sustav s raspoređenim kolektorima.

Takav sustav (DCS) pogodan je za manje elektrane. Veliki broj zrcala koja m oraju pratiti Sunce i vrlo složen sustav cijevi kroz koje teče fluid glavni su nedostaci sustava.

U elektranam a sa središnjim prijamnikom izravno Sunčevo zračenje preko velikog broja heliostata reflektira se u prijamnik smješten na vrh visokog tornja. CRS-sustav prikazan je na slici 4.7.

Slika 4.7. Sustav sa središnjim prijamrikom ' / / J / / J

heliostat

/

M P j/

prijamnik

toranj

Heliostati su malo zakrivljena zrcala koja neprestano prate Sunce i usmjeravaju energiju na vrh tornja gdje se zagrijava radni fluid. Dobivena energija koristi se za pogon elektrane. Takav sustav pogodan je za elektrane velike snage. Za solarnu elektranu potrebna je velika površina.

Na slici 4 8 prikazana je Sunčeva elektrana Almeria u Španjolskoj.

Slika 4.8. Solarna elektrana Almeria, u Španjolskoj

159

P n m jer : Za solarnu elektranu snage 100 M W potrebno je oko 20 000 zrcala (heliostata), a svako površine oko 40 m 2, poredanih na približno 3,5 km 2. Cijena polja heliostata je oko 50 % cijene čitavog postrojenja. U svijetu radi eksperim en- talno nekoliko solarnih elektrana. U Kaliforniji radi pet solarnih elektrana instalirane snage 145 MW. U pustinji M ojave grade se dvije snage po 35 MW. I u Europi im a pokušaja iskorištavanja solarne energije. Austrija, Spanjolska i Italija već imaju solarne elektrane manjih snaga, a u planu je gradnja novih.

E le k tr a n e u sv em iru . Grupa suradnika Odjela za fiziku plazm e pri Insti- tutu opće fizike Ruske akademije znanosti intenzivno istražuje m ogućnosti isko- rištavanja energije Sunca. Dr. Lav Kovriznih vjeruje da je Sunce izvor energije budućnosti ako se prom atra kao dio svem irske helioenergije. Projekt koji već daje prve praktične rezultate sastoji se od ovih pretpostavki:

U Zemljinoj orbiti je stanica sa zadatkom da akumulira Sunčevu energiju koja se poslije pretvara u elektrom agnetsko zračenje i upućuje na Zem lju u laserskom ili (VF) visokofrekventnom području kao usnopljena zraka. Varijanta zem aljskog prijam nog kom pleksa zasnovana je na korištenju čvrstih kristalnih detektora VF-zračenja, uz visok koeficijent pretvaranja elektrom agnetskih valova u energiju konstantne struje. Teškoće u realizaciji vezane su za prijam nu antenu, koja je vrlo složene konstrukcije i izuzetno visoke cijene.

Da bi se om ogućila primjena te metode, trebalo je VT-plam en, nastao pri prijenosu Sunčeve energije, zaustaviti u trenutku dok se on m ože kontrolirati, a ne kad postane razoran, kad mijenja karakter rada uređaja i izbacuje ga iz pogona. Taj problem uspješno je riješen. U vakuumu na putu snažne "buktinje" postavlja se dielektrična ploČa. Pri intenzitetu većem od 1013 - 1014 vati na jedan kvadratni centim etar, ispred ploče se dobije VF- zraka. U taj se plam en uvodi m etalna elektroda povezana preko m alog otpora sa stijenkom ćelije, tako da se dobije lanac: elektroda, VP-plam en, ćelija. Tako nastaje struja koja dostiže tisuće ampera.

Sadašnja iskoristivost tog efekta od 20 do 25 % čini kozm ičke elektrane ekonom ski neisplativima. Pojava koju su otkrili ruski znanstvenici nem a ogra- ničenja u intenzitetu zračenja. Naprotiv, što je intenzitet veći, sigurnije se stvara "buktinja" i pouzdanije postiže efekt pretvorbe zračenja u električnu energiju. To m ože im ati znatan odraz na smanjenje dimenzija prijamne antene na Zemlji.

Istraživanja o gradnji postrojenja koja će elektrom agnetske valove pretvara- ti u neprekidnu struju još traju, a kada koeficijent iskoristivosti postane bar dvostruko veći (40 %), uvođenje novog uređaja u shemu svem irskih elektrana postat će ekonom ski prihvatljivo. Tada će se m oći govoriti o "ukroćivanju" energije Sunca.

4.2. Iskorištavanje energije vjetra - vjetroelektrane

Snaga vjetra koristila se prije 2 000 godina u Perziji za m ljevenje žita. Do industrijske revolucije vjetar je uz drvo bio najvažniji izvor energije. Za dobivanje električne energije vjetar se počeo koristiti početkom ovog stoljeća. Kasnije je razvoj elektroenergetskih sustava potpuno potisnuo primjenu vjetra.

160

Sedamdesetih godina zanimanje za korištenje vjetra ponovo se naglo po- većava pa se u većem broju zemalja ubrzano istražuje. Razlog je svakako to što vjetar ima golem u i obnovljivu energiju, a s ekološkoga gledišta dragocjenu. M eđutim, iskorištavanje snage vjetra uvjetovano je tehnološkim m ogućnostim a i njegovim raspoloživim potencijalima. M ala koncentracija snage jedan je od razloga za njegovu ograničenu primjenu u proizvodnji električne energije.

U idealnim uvjetima iskoristivo je najviše 59 % od raspoložive snage vjetra. N a raspoloživu energiju vjetra utječu njegove karakteristike: smjer, učestalost i brzina, te tem peratura i sastav zraka.

Vjetroturbine. Za pretvorbu kinetičke energije vjetra u mehaničku služe vjetroturbine koje se postavljaju na stupove. Visina stupa ovisi o prom jeru rotora turbine i potrebne instalirane snage. Brzohodne zračne turbine imaju dvije lopatice, a sporohodne do dvanaest i više lopatica. Iz iskustva u radu s vjetrotur- binam a došlo se do zaključka da najbolji stupanj pretvorbe kinetičke energije vjetra u m ehaničku energiju ima vjetroturbina propelernog tipa visoke brzohodnosti.

Vjetroturbine s obzirom na smjer vjetra i okretanje vjetroturbinskog sustava u odnosu prem a smjeru vjetra m ogu biti okom ite na smjer vjetra ili u smjeru vjetra. Vjetroturbine sm ještene okom ito na smjer vjetra obično imaju vodoravno vratilo, a vjetroturbine smještene u smjeru vjetra obično imaju okom ito vratilo. Veću efikasnost postižu turbine s vodoravnim vratilom, pa se u istraživanju pozornost posvećuje njihovu usavršavanju. Na slici 4.9 prikazane su vjetroturbine s vodoravnim vratilom (a,b) i vjetroturbine s okom itim vratilom (c,d).

Vodoravne vjetroturbine prave se s više lopatica, koje se postavljaju uz vjetar ili niz vjetar u odnosu prem a prijenosnom i generatorskom mehanizmu. Takve vjetroelektrane imaju ugrađene uređaje za zakretanje vjetroturbine okom ito na pravac vjetra. Vjetroturbine s okom itim vratilom ne zahtijevaju posebne konstrukcije nosača ni kontrolu njihova položaja. Većina dijelova koji se povrem eno m oraju servisirati smještena je na razini bliskoj zemlji.

Slika 4.9. Vjetroturbine s vodoravnim (a, b) i okomitim vratilom (c, d)

11 Elektrane 161

Raspoloživa snaga vjetra P [W] uz gustoću zraka p [kg m"3], brzinu vjetra c [m s"1] i površinu radnog kola vjetroturbine (VT). >S[m2] u idealnom slučaju iznosi:

P = ^ P • S • c3 [W],Q

Pri gustoći zrak ap — 1,225 kg/m , što odgovara razini m ora i srednjoj godišnjoj tem peraturi, snaga u kW bila bi:

P = 6,125 10'4 -S -c 3 [kW],Raspoloživu snagu vjetra treba pom nožiti s prosječnim koeficijentom pretvorbe energije vjetroagregata (oko 0,4), da bi se dobilo stvarno iskorištenje vjetra. Važna značajka kod vjetroelektrana o kojoj ovisi iskorištenost raspoložive snage vjetra jesu brzine vjetra pri uključenju i isključenju. Brzina pri kojoj vjetar proizvodi dovoljno snage da turbina počne raditi je brzina uključenja. Brzina isključenja je m aksim alna radna brzina vjetra VT.

N a slici 4.10 prikazana je izvedba vjetroelektrane s vodoravnim vratilom. N a slici 4.11 prikazano je postrojenje vjetroelektrane kod koje je generator

sm ješten na vrhu stupa.Pri ovakvoj izvedbi problem m ontaže i servisiranja generatora riješen je

posebnom oprem om i kod većih jedinica ugrađeno je dizalo u stupu. Generator je zupčastim prijenosom vezan za vratilo propelera.

Slika 4.10. Izvedba vjetroelektrane s vodoravnim vratilom

r

JSlika 4.11. Shema vjetroelektrane s generatorom na vrhu tornja: 1 - propeler, 2 - elek- trični generator

162

Slika 4.12. Vjetroelektrana s generatorom na dnu tornja: 1 - propeler, 2 - električni generator, 3 - vjetroturbina, 4 - otvor za izlaz zraka

N a slici 4.12 prikazana je vjetroelektrana kod koje je generator pogonjen vjetrotur- binom sm ješten u dnu stupa.

Kod ovakve izvedbe propeler služi da osi gura strujanje zraka od dna prema vrhu stupa kako pokazuju strelice na slici. Zrak ulazi na dnu stupa, a izlazi na vrhu na krajevima propelera.

Vjetroelektrane u svijetu. U zem ljam a koje prednjače u primjein cnergije vjetra (SAD, Velika Britanija, N izozem ska i Danska), niz je komercijalnih kon- slrukcija turbina od uekoliko vatado 50 KW (to su male vjetroelektrane). Kad se energija proizvodi u malim vjetroelektranama, nekohko je m ogućnosti za njezino korištenje: uskladištenje u akumulatorima, izravna upotreba jednosm jerne struje i primjena invertora za pretvorbu u izmjeniČnu struju. Za korištenje izmjenič- nih generatora u pogonu je potrebno ostvariti konstantan broj okretaja rotora. Za to se koriste elektronski sklopovi i složeni hidraulički sustavi. Danas se cnergija vjetra počinje koristiti u većiin jedinicam a, U SAD je u eksploataciji serija vjetroelektrana M OD 0, M OD 1 i M OD 2. Najveća je M OD 2 s vođoravnim vratilom i propelerom 90 m i snagom 2,5 MW.

Vjetroelektrana Bendi (Kalifornija) im a vodoravno vratilo j snagu 3 M W pri brzini vjetra 17,9 m/s na visini vratila oko 100 m od tla.

H am ilton Standarđ razvio je jedinice od 3 M W koje su u pogonu u Švedskoj i jedinice od 4 M W instalirane u Vyomingu. N a otoku Orkney (Velika Britauija) u pogonu je turbina snage 3 MW. U N izozem skoj se koriste jedin ice snage 3 MW.

N ajveća vjetroelektrana u Europi je kraj grada Lelistada u Nizozem skoj. Instalirana joj je snaga 10,5 MW. Do kraja stoljeća Nizozemska planira 1 000 M W od vjetra,

Kalifornija je zemija s najvećim brojem vjetroelektrana na svijetu. Godine 1989. bilo ih je 17 000 uključenih na elektricnu m režu zemlje, s instaliranom snagom 1 500 MW, Iste godine u svijetu je od vjetra dobiveno 2 690 GWh električ- ne energije.

U većini zemalja bira se prikladna lokacija na kojoj se podiže veći broj vjetroelektrana, koje se raspoređuju u dva, tri ili više redova, Poznate su pod nazivom fanne ili parkovi vjetroelektrana. U bližoj budućnosti treba očekivati izgradnju novih farm i vjetroelektrana, povećanje jedinične snage i sve veći broj vjetroclektrana uključenih na mrežu. Rad vjetroelektrana m ože se kombinirati s radom dizel-agregata i solarnih elektrana, što je već tehnički iskorišteno.

Troškovi uređaja vjetroelektrana od početnih 3 100 smanjeni su na 1 100 am eričkih dolara 1991. godine. Proizvedeni kWh električne energije danas stoji

163

7 centi, a predviđa se da će sredinom devedesetih godina stajati od 3 do 5 centi/kW h.

4.3. Geotermalni izvori energije

G eoterm alnim izvorim a zovem o izvore vrele vode ili vodene pare koji izbijaju na površinu zem lje u većim količinam a. Takvi su izvori najčešće u tektonski aktivnim područjim a (Tihi ocean, N ovi Zeland, Island i Južna Europa). Veiiki dio vrućih izvora im a preniske tem perature za proizvodnju vodene pare, pa se koristi za grijanje i slične namjene. Procjenjuje se da od svih geoterm alnih izvora sam o 4 % m ogu osigurati paru za pogon parnih turbina. Prosječna tem peratura pare trebala bi biti oko 200 °C da bi se m ogla koristiti u proizvodnji električne energije.

Princip dobivanja električne energije iz geoterm alnog izvora prikazan je na slici 4.13.

Slika 4.13. Princip doMvarija električne energije iz geo ter r.aln og izvora: 1 - zahvatni uređaj, 2 - turbina, 3 - električni generator

164

Iz zahvatnog uređaja (1) na bušotini para se dovodi u protutlačnu turbinu (2) odakle, nakon izvršenog rada, odlazi ili natrag u bušotinu ili se koristi u kemijskim instalacijama.

Bogatstvo prirodnih toplih izvora m ože se povećati bušenjem. Tada je najveći problem smanjiti gubitak topline za vrijeme dizanja vode koja prirodno ili prisil- no struji kroz bušotinu dugačku više kilometara. Godine 1932. Italija je počela iskorištavati vruće izvore Lardarello (kraj Pise) snagom 15 MW. N a tom područ- ju danas su elektrane snage 400 M W (sl. 4.14). Tem peratura pare na površini tla je od 140 do 215 °C, a količina pare od 1 t h '1 do 180 t h k

N ovi Zeland im a oko 500 M W na vrućim izvorima, SAD 300 M W itd. Na Islandu se geoterm alna energija iskorištava uglavnom za grijanje. U elektrani se kondenzat iz turbine m ože vratiti u bušotinu, a ponekad se m ože iskoristiti kao sirovina za izdvajanje nekih kemijskih produkata. Prije puštanja pare u turbinu treba izdvojiti sum por-dioksid i dušik-dioksid koji se ne kondenziraju. U našoj su zemlji najzanimljivija područja za m oguće korištenje vrućih izvora Jadran, pri- m orje i okolica Zagreba.

4.4. Biomasa i njezino energetsko značenje

Drvo i energetske šum e U ukupnoj potrošnji prim arne energije drvo sudjeluje sa 5-10%. Ulaganje u energetske šume i intenziviranje šum arstva važna je kom ponenta rješavanja problem a nedostataka energije. O važnosti šuma u sklopu zaštitno regulatorne funkcije u odnosu prem a zemljištu, klimi i životu uopće ne treba govoriti. Funkcije šuma u tom smislu su dobro poznate.

Kao privredni izvor šume imaju izuzetno važnu ulogu. Globalno prom atrano šum e fotosintezom najuspješnije akumuliraju Sunčevu energiju. Kao izvor energije posjeduju ove karakteristike:

- obnovljivi izvor- trajna produkcija- m ogućnost akumulacije na duži rok- m ogućnost uskladištenja- pri izgaranju malo onečišćuju okolinu- određena m ogućnost teritorijalne dislokacije- jednostavna i sigurna upotreba neovisna o vrem enskim prilikama.Energetske šume novi su pojam u energetici. To su šume namijenjene proiz-

vodnji drva za gorivo.Bitne karakteristike tih šuma su:- mala ophodnja (turnus) od 3 do 15 godina- proizvodnja tankoga drveta- prosječno veliki prirast po jedinici površine u usporedbi s prirastom u

prirodnim šumama.Produkcija šuma u svijetu po opsegu je odm ah iza ugljena, a ispred nafte.

Osim energetskih šuma, kao izvori energije m ogu poslužiti:- poljoprivredni otpaci u ratarstvu i stočarstvu- komunalni kruti otpaci- komunalne otpadne vode.

165

Poljoprivredni i koniunaiiii otpad u mnogim razvijenim zem ljam a već se dugo efikasno iskorištava, Prednosti su višestruke. Smanjuje se odlagalište otpada, okolina je bolje zaštićena od onečišćenja, dobiva se korisna toplinska i elek- trična energija. U nekoliko narednih primjera m ože se dobiti predodžba o m ogućnostim a iskorištavanja otpada.

Termoelektrana-toplana na otpad. Budući da živim o u ekološki ograni- čenom sustavu čije zakonitosti čine jedinu m ogućnost opstanka, rješenje proble- m a kom unalnog otpada postupno postaje ključni uvjet daljeg života.

Posljednjih je godina taj problem postao toliko veliki da su se i u našoj zemlji poćeje razm atrati m ogućnosti gradnje takvih postrojenja koja bi uništavala otpad uz m aksim alno energetsko i materijaino iskorištenje.

Istraživanja u tom smislu provedena su za grad Zagreb.Na slici 4.15 prikazana je idejna shema TE -TO na otpad Zagreb.

Slika 4.15. ldejna shema TE-TO na otpad Zagreb

Tem eijni kapaciteti su tri linije za spaljivanje kom unalnog otpada i jedna linija za spaljivanje organskoga tehnološkog i infektivnog bolničkog otpada.

U fazi proširenja predviđena je naknadna ugradnja još jedne iinije za spaljivanje kom unalnog otpada.

U sastavu linije za izgaranje kom unalnog otpada predviđene su ove funkcio- naine cjeline:

- bunker za prijam i eventualnu predobradu sm eća- uređaji za transport otpada od bunkera do lijevka- roštilj s ložišlem za spaljivanje otpada- kotao za proizvođnju pregrijane vodene pare (1,2,3)- postrojenja za pročišćavanje i odvod dimnih plinova (PDP 1, 2, 3)- postrojenja za prikupljanje šljake i pepela.Linija za izgaranje tehnološkog otpada ima iste funkcionalne cjeline kao i

linija za izgaranje kom unalnog otpada.

166

Razlika je sam o u načinu izgaranja otpada, je r se um jesto roštilja s ložištem za spaljivanje otpada koristi specijalna rotacijska peć, Pregrijana vodena para s param etrim a 42 bara (4,2 M Pa) i 405 °C odlazi u kondenzacijsko oduzm nu turbinu. M aksim alna količina pare na ulazu u turbinu je 150 th '1. N ajveća toplinska snaga za toplifikaciju naselja je 55 MW, a za tehnološke parne potrebe oko 90 MW.

Za uništavanje svih koiičina i vrsta otpada optim alan bi bio sustav recikli- ranja korisnih sirovina i energije iz otpada uz odvajanje štetnih tvari,

- P rim arno recikliranje sirovine razum ijeva izdvajanje korisnih m aterijala (staklo, m etal, papir, drvo, plastika itd.) na m jestu nastajanja otpada.

- Sekundarno recikliranje je izdvajanje korisnih sirovina u toku procesa spaljivanja otpada.

Izdvajanje i zbrinjavanje štetnih tvari pređviđa prikupljanje, obradu i depo- niranje svih nekorisnih i opasnih tvari koje nastaju zajedno s otpadom i u toku uništavanja otpada.

R ecik liranje energije, odnosno izgaranje otpada centralni je dio cije log sustava. Istodobno se postiže najdjelotvornija sterilizacija otpada. Prednosti takvog postrojenja su višestruke. Izgaranjem otpada postiže se bitna redukcija volum e- na sm eća (sl. 4 .16) pa se sm anjuju troškovi odlagaliŠta i produžava vrijem e korištenja odlagališta za najm anje 20 puta. U visoko razvijenim sredinam a to su i najvažniji argum enti koji upozoravaju na potrebu gradnje što većeg broja T E -T O na otpad.

p r ikup l jen i otpad

volumen prikupljenog otpadaSllka 4.16. Redukcija volumena otpada

upotrebtj iv io tpad

( 8- 10% ) deponij( 3 - 5 % )

volumen ostatka voiumen ostatkaizgaranja otpađa izgaranja

koji se rnože koji se deponirakorisno upotrijebiti

Prim jer za grad Zagreb: izgaranjem svih količina otpada u gradu godišnje se m ože uštedjeti više od 60 000 tona ekvivalentnog ulja za loženje. U svim razvijenim zem ljam a rade spaljivaonice sm eća. N jem ačka je već 1983. godine im ala 44 takva postrojenja, a do 1995. godine planira pustiti u rad još 22 T E -T O . Pri definiranju procesa spaljivanja sm eća prednost treba dati ekološkim m jeram a, a energetska iskoristivost pritom je sekundarna.

Termoelektrane na ođlagalištu otpada. N a odlagalištu otpada u Nje- m ačkoj radi više od 100 plinskih m otora koji kao gorivo upotrebljavaju plin iz gradskog otpada, as lu že za proizvodnju električne energije. Od 1989. godine kraj L im burga radi m ala TE , neto-snage 1 200 kW. N a odlagalištu su izbušena 43 plinska bunara iz kojih se isisava plin (1 200 in'Vh) koji sadrži 60 % m etana. Plin

167

se miješa sa zrakom i izgara u visokotem peraturnoj kom ori (1 200 °C) da bi se izbjeglo stvaranje dioksena. Postrojenje je potpuno autom atizirano bez stalnog nadzora, Pogonsko osoblje je u stanici udaljenoj 25 km, odakle se daju potrebne upravljačke naredbe. Plinski kompresori i plinske dovodne linije su dvostruke, pa pri kvaru rezervni plinovod preuzim a dovod plina.

Term oelektrane na stočni izmet. U južnoj Kaliforniji puštena je u rad prva elektrana u svijetu koja kao gorivo koristi stočni izmet. Snaga TE je 17 M W i daje energiju u javnu mrežu. Sa 16 farmi sa otprilike tri milijuna goveda dnevno se dobije 1 000 t goriva za TE i oko 200 t pepela za građevinarstvo (gradnja cesta ).

D ruga elektrana iste snage (17 MW) radit će na osnovi otpadaka drva i slame (koji se inače spaljuju na poljim a i onečišćuju zrak).

Pitanja za ponavljanje i provjeru znanja1. Sto su prednosti, a što nedostaci obnovljivih izvora energije?2. Objasnite dobivanje toplinske energije od Sunca.3. Princip rada solarne elektrane (objasnite na sustavu s raspoređenim kolektorima).4 . Karakteristike sustava sa središnjim prijamnikom.5 . Koje veličine određuju raspoloživu snagu vjetra?6. Vrste vjetroturbina.7. Za koje se snage po agregatu mogu praviti vjetroturbme?8 . Gdje je najveca vjetroelektrana u Europi?9. Koja se zemlja na svijetu najviše koristi snagom vjetra i Sunca za dobivanje električ-

ne energije?10. Opišite dobivanje električne energije iz geotermalnog izvora.11. Sto se sve danas proučava i koristi kao biomasa?12. Sto su energetske šume i koje su prednosti korištenja drva kao goriva?13. Navedite sve dobre strane iskorištavanja komunalnog otpada u gradovima.14. Opišite rad T E -TO na komunalni otpad.15. Mogu li se odlagališta otpada (gradskoga) koristiti za dobivanje električne energije?16. Kako se farme stoke i plantaže industrijskog bilja mogu kotistiti za dobijanje elek-

trične energije?17. Koje su sve prednosti, s ekološkog stajališta, iskorištavanja obnovljivih izvora ener-

gije?

168

5. Sinkroni generator u elektrani

5.1. Osnovne veličine sinkronoga generatora

Osnovne veličine sinkronoga generatora jesu:- napon- snaga

faktor snage- brzina vrtnje.Nazivni napon generatora ovisi o jednopolnoj shemi elektrane i naponu

m reže koju će generator napajati, ako nije predviđena pretvorba generatorskog napona, Ako je generator u blok-spoju s transform atorom , tada njegov nazivni napon ne ovisi o naponu mreže, nego se odabire na osnovi ekonom ičnosti. N azivni naponi generatora su standardizirani i iznose: 3,15, 6,3, 10,5, 15,75 i 21 kV, a ponekad i više, no m alokad više od 35 kV. Za generatore manjih snaga obično se odabiru naponi do 10,5 kV, a za većih snaga više od 10,5 kV.

N azivna snaga generatora određena je izrazom:

P zn = V3 ■ O W n [ VA ] ,

gdje su:Pzn~ prividna snaga [VA]Un - linijski nazivni napon [V]Z n - nazivna struja [A],Prividna snaga generatora je m jerodavna za dim enzioniranje generatora.

Radna snaga generatora određena je snagom pogonskog stroja, a nazivna snaga se odabire prem a potrebi m reže za jalovom snagom. Danas se grade generatori nazivne snage i do tisuću MVA.

N azivni faktor snage definiran je odnosom radne i prividne snage.

P nCOS (fn — D

zn

P n

^Pn + P 2xn

gdjeje :P n - nazivna radna snaga [W] P zn- nazivna prividna snaga [VA] P xn- nazivna jalova snaga [VAr],

1 6 9

Iz navedenih izraza vidim o da za istu radnu snagu faktor snage ovisi o veličini jal.ovc snage. Sto je faktor snage veći to je jalova snaga m anja i obrnuto. To znači da manji faktor snage za istu radnu snagu znači povećanje prividne snage, odnosno veću struju, a tim e i veće dimenzije generatora, što povećava i cijenu koštanja generatora. Radi toga se generatori koji su u elektranam a blizu potro- šača grade za faktore snage od 0,7 do 0,8, kako bi proizveli potrebnu jalovu snagu. G eneratori instalirani u elektranam a znatno udaljenim od potrošačkih središta imaju veći faktor snage, čak i do 0,95. Takvi generatori proizvode sasvim m alo jalove energije, jer se ona proizvodi u sređištima potrošnje.

N azivnabrzina vrtnje generatora ovisi o vrsti pogonskogstroja . Ona se m ora uskladiti i sa sinkronom brzinom. Sinkroua brzina defm irana je:

gd je je :f - frekvencija m reže [s '1] p - broj pari polova generatora.

Sinkroni generatori grade se za određene brzine prerna standardima. Za frekvenciju od 50 IIz sinkrone brzine određuju standarđni brojevi pari polova prema tablici 5.1.

Tahliea 5.1. Sinkrcma brzina u ovisnosti o broju pari polova

Broj pari polova 1 2 3 4 6 8 10 20 24

Sinkrona brzina s_1 50 25 16,67 12,5 8,33 6,26 5 2,5 2,08 1

Ponekad, ali dosta rijetko, izrađuju se generatori i sa 14, 16, 18 i 28 pari polova.

5.2. Vrste sinkronih generatora

Pogonski strojevi sinkronih generatora m ogu biti dizel-motori, vodne, parne, plinske turbine i vjetraturbine. Svaki pogonski stroj drukčije utječe na konstrukciju generatora.

D izel-m otori na osovini imaju nejednolik m om ent, koji ovisi o broju cilindara i vrsti pi'ocesa. Da bi generator im ao miran rad, m ora im ati veliki prom jer ili mu treba na zajedničko vratilo ugraditi zamašnjak. D izel-agregati m alokad se grade za norm alnu opskrbu električnom energijom, je r su neekonom ični. Prim jenjuju se za podinirivanje vršnih opterećenja, kao agregati za nuždu te na brođovim a za brodske elektrane.

H idrogeneratori su radi ekonom ičnije izvedbe hidrauličkog dijcla elektrane pretežno vertikalne izvedbe. H orizontaini se generatori m alokad koriste, i to sam o kada jedan generator pogone dvije Pelton-turbine. Brzina vrtnje hidrogeneratora je uglavnom m anja od 16 s ’ , zbogčega prom jer rotora m ože biti veći, a

170

đužina manja. Radi ioga. ti generatori irnaju rotor s istaknutim polovim a, i to s četiri i više pari polova, što ovisi o vrsti vodne turbine. Vertikalni hidrogeneratori u reverzibOnim H E se grade u kom binaciji s crpkom i turbinom rbada sinkroni stroj radi kao m otor u kom binaciji s crpkom i kao generator u kom binaciji s turbinom , Crpka i turbina m ogu biti izvedeni kao dva ođvojena stroja ili postoji sam o turbina koja pri prom jeni smjera vrtnje radi kao crpka, 2a iskorištavanje vrlo m alih padova 2 do 20 m razvila se u novije vrijem e tzv. cijevna izvedba hidrogeneratora. U toj izvedbi generator i turbina čine cjelinu, a generator je ugrađen unutar čelične kruške ispred turbine, izravno u dovodnoj cijevi.

Generatori koji pogone parne ili plinske turbine zovu se turbogeneratori. N ajčcšće su dvopolne izveđbe sa sinkronom brzinom od 50 s"1. Sam o za m anje snage koriste se rotori sa četiri pola. T o je zato, što su parne i plinske turbine brzohodni strojevi. R otor je puni, a izvedba je uvijek horizontalna.

Sinkroni generator m ože raditi i kao sinkroni kom penzator, To se dešava kada radi kao m otor u praznom hodu pri povećanoj uzbudnoj struji, U takvu pogonu generator uzim a iz m reže radnu snagu, a u mrežu daje ja lovu snagu, i tim e poboljšava faktor snage mreže.

5.3. Sinkroni generator u pogonu

Sinkroni generator m ože raditi u razlieitim pogonskim prilikama. Dva su krajnja stanja pritom : rad generatora na vlastitu m režu i rad generatora paralelno s drugim generatorim a i m režom .

Kada neka tvornica ili neki drugi veliki potrošač električne energije im a vlastitu elektranu koja proizvodi električnu enetgiju sam o za potrebe vlastitih potrošača, a nije vezana na dalekovode koji se napajaju iz drugih elektrana, tada je takav generator u pojedinačnom radu. On je tada sam ostalan izvor električne energije koji ne ovisi o drugim izvorim a. Takvi se generatori izraduju za točno određenu snagu, napon i frekvenciju. N apon i frekvencija se m oraju održavati na stalnoj vrijednosti, dok se snaga m ijenja ovisno o zahtjevu potrošača.

E lektrane s jedn im generatorom su ipak rijetkost. Sve elektrane imaju redovito đva, tri i više generatora, koji uvijek rade paralelno, ne sam o m eđusobno nego i s drugim elektranania preko mreže. Dva ili više generatora rade paralelno ako su spojeni na zajeđničke sabirnice (sl. 5.1). Tada se paralelan rad ostvaruje u samoj elektrani. Tako je na brodovim a u brođskim elektranam a.

Ostaie elektrane su uvijek u paralelnom radu s m režom koja im a stalan napon i frekvenciju. Takva m reža se zove kruta m reža (sl. 5.2).

Paralelan rad preko m reže om ogućuje racio nalno iskorištavanje pojeđinih elektrana i prilago đavanje njihova rada potrebam a elektroenerget skog sustava.

Slika 5.1. Paralelni rad generatora preko vlasti tih sahirniea: G - generator, S - sabirnice

17)

i i i i i i

s s

I

II

III ©

X l>

-Q D

T 1 — s

s

Slika 5.2. Sinkroni generator u paralelnom radu s mrežom: G - generator, T - transformator, S - sabirnice

Da bi se generator m ogao uključiti u paralelan rad bilo preko zajedničkih sabirnica, bilo preko mreže, treba provesti postupak sinkronizacije, a za to je potrebno da:

1. napon generatora i napon m reže budu jednaki po veličini;2. frekvencije napona generatora i mreže budu jednake;3. naponi generatora i mreže budu u fazi;4. redoslijed faza generatora i mreže budu isti,Kada su ti uvjeti ispunjeni, kaže se da je generator sinkroniziran s m režom,

i tada se m ože na nju uključiti.Kada se generator želi sinkronizirati s mrežom, potrebno je njegov rotor

zarotirati do sinkrone brzine. Zatim se polako povećava uzbudna struja, čime se na stezaljkama povećava napon. Jednakost napona generatora i m reže po veliči- ni kontrolira se dvostrukim voltmetrom. Zatim se pomoću uređaja za sinkronizaciju podešava jednakost frekvencije i jednakost napona u fazi. Postoje razne naprave za sinkronizaciju. Sama sinkronizacija m ože biti ručna i automatska, a često i kombinirana. Kada su svi uvjeti ispunjeni, generator se uključuje na mrežu. U tom m omentu generator još nije spreman da u mrežu šalje električnu energiju. On rotira sinkronom brzinom, ali je u praznom hodu.

Ako se pogonski stroj polako puni sa sve više i više mehaničke energije, on će nastojati povećati svoju brzinu pa prema tome i brzinu generatora. Kako rotor generatora ne može poprimiti veću brzinu od sinkrone, on će se pomaknuti za neki kut /3 prema unaprijed u smjeru vrtnje i dalje rotirati sinkronom orzinom. Primljenu mehaničku energiju rotor će elektromagnetnim putem prenijeti na stator, a iz statora ona kao električna energija izlazi u mrežu. Dakle, kao rezultat povećanog davanja mehaničke energije pogonskom stroju, stator generatora će slati u mrežu radnu električnu energiju. Kut (3 predstavlja fazni pom ak induciranog napona generatora E i napona m reže U (sl. 5.3).

U trenutku sinkronizacije jedan od uvjeta je bio da su inducirani napon E i napon mreže U u fazi, odnosno da je kut /3 jednak nuli. No kada je rotoru

172

Slika 5.3. Vektorski dijagram preuzimanja op- terećenja: (a) prazni hod, (b) opterećenje

dovedena m ehanička energija, on se zakrenuo ^ za kut (3 u sm jeru vrtnje i odm akao se od napona U. Izm eđu induciranog napona E i napona m reže U pojavila se razlika potencijala A U, a to je upravo onaj napon koji iz- generatora potjera q bstruju u m režu. Prem a tom e, uzrok tjeranjastruje u m režu je napon A U, a on će postojati sam o onda ako se napon E fazno pom akne u odnosu prem a naponu mreže. Kut /? m ože biti m aksim alno 90 °C. Ako se pogonskom stroju poveća pogonski m om ent, kut će porasti iznad 90 °C i generator ispada iz sinkronizm a. Tada generator poprim a brzine veće od sinkrone, i prijeti opasnost da se zbog centrifugalne sile ošteti. Kut (3 se zove kut opterećenja, pa je prem a tom e, granica opterećenja određena kutom/3. S obzirom na dopušteno zagrijavanje nom inalna snaga generatora je znatno ispod granice koju određuje kut /3 = 90°.

U cijelom ovom postupku uzbudna struja je stalna, to jest ona koja je podešena u trenutku sinkronizacije. A ko se uzbudna struja poveća iznad norm alne, povećat će se inducirani napon E, pa će se izm eđu napona E i napona m reže U pojaviti nova razlika potencijala. Ta razlika napona potjera u m režu jalovu struju koja je ovisna sam o o induktivnom otporu generatora. Jalova struja ne m ože izvršiti nikakav rad i nepoželjna je. Kada se uzbuda poveća iznad normalne, kaže se da je generator preuzbuđen, kada se smanji, onda je poduzbuđen. Kada je generator poduzbuđen, on će iz m reže uzim ati jalovu energiju, pa na m režu djeluje kao prigušnica.

P rem a tome, u pogonu generatora koji radi na m režu postavlja se niz ogra- ničenja radi sigurnosti i pogona sam oga generatora. Sva se ta ograničenja prika- zuju u tzv. pogonskoj karti generatora. Pogonska karta se dobiva iz vektorskog dijagrama, a sam a konstrukcija je dosta složena pogotovo kod generatora s istaknutim polovim a. Ograničenja se odnose na opterećenje generatora i turbine, struju arm ature i struju uzbude.

Ograničenja su:1. Struja arm aturnog nam ota ne smije biti veća od određenog dopuštenog

iznosa zbog opasnosti od nedopustivog zagrijavanja nam ota (7 < 7m).2. Struja uzbude 7U ne smije biti veća od određenog dopuštenog iznosa zbog

opasnosti od nedopustivog zagrijavanja namota.Struja uzbude 7U ne smije biti m anja od nekog m inim alnog iznosa zbog opasnosti od poduzbuđenosti.

3. O pterećenje turbine ne smije prijeći dopušteni najveći iznos koji je ogra- ničen kutom opterećenja j3 < 90°. O pterećenje turbine ne smije biti m anje od propisanog tehničkog m inim um a.

Sva su ta ograniČenja grafički naznačena na pogonskoj karti generatora. R adna točka (A) m ora uvijek ležati na karti unutar označenog područja koje

173

p

Slika 5.4. Pogonska karta sinkronih generatora

osigurava stabilan rad genoratora (sl. 5.4). Na slici je prikazana pogonska karta generatora bez načina njezine konstrukcije.

5.4. Regulacija napona sinkronih generatora

Napon na stezaljkania generatora nije stalan već se mijenja s promjenom opterećenja, Vanjska karakteristika sinkronoga generatora prikazuje kako se mijenja napon na stezaljkama generatora u ovisnosti o struji optereeenja, pri stainoj brzini vrtnje, stalnom faktoru snage i stalnoj uzbudnoj struji (si. 5.5).

1[A ]

Slika 5.5. Vanjska karakteristika generatora

Iz slike vidhno da pri radnom opterećenju cos ip = 1 napon opada porastom struje opterećenja. Pri induktivnom optei'ećenju cos yr>;ntj = 0,8 napon još više opada, dok pri kapacitivnom opterećenju cos ^ap = 0,8, napon raste porastom opterećenja. Potrošači zahtijevaju stalan napon, bez obzira na opterećenje. Kri- vulja koja pokazuje kako se mijenja uzbudna struja pri promjeni opterećenja uz stalan napon na stezaljkama, stalnu brzinu vrtnje i stalan faktor snagć zove se regulacijska karakteristika (sl, 5.6). Karakter krivulje ovisi o vrsti opterećenja. Da bi se održao stalan napon na stezaljkama generatora, bez obzira na promjene oplerećenja, m ora se provoditi regulacija napona. Reguiaciju naponaosiguravajo sustavi uzbude sinkronih generatora.

n =const cosvp = const

I u = const

‘-------cos cpind =0,8

174

Iu[A ]

cosip =0,8ind

cosip = 1 U = Un = const cosip = const

f i eonst

COSipiO.Bkap

I [A ]

Slika 5.6. Jiegulacijska karaktcristika generatora

Sustavi uzbude sinkrotiiii generatora. Sustav uzbude sinkronih generatora sastoji se od uzbudnika, autom atskog regulatora i ručnog regulatora napona. U zbudnik je izvor uzbudne struje generatora. Sustavi uzbude dijele se prem a vrsti uzbudnika. Suvremeniji sustavi dijele se u tri skupine:

- sustavi sam ouzbude- sustavi nezavisne uzbude- sustavi strane uzbude.Sustavi sam ouzbude su takvi sustavi kod kojih se uzbudna struja dobiva s

odcjepa sam oga generatora preko uzbudnog transform atora i tiristorskog ispra- vljača.

Sustavi nezavisne uzbude imaju poseban izvor uzbuđne struje koji pogoni pogonski stroj sinkronoga generatora.

Ovi sustavi se izvode u ovim varijantama:- pom oćni sinkroni generator (osovinski generator) i statički tii'istorski

ispravljač- osovinski generator i rotirajući tiristorski ispravljač- generator istosm jerne struje- osovinski generator i posebni uzbudni agregat koji se sastoji od asinkronog

m otora i generatora istosm jerne struje.Sustavi strane uzbude napajaju se iz posebne mreže, neovisne o generatoru,

a m ogu se izvesti na dva načina:- posebnim uzbudnim agregatom koji se sastoji od asinkronog m otora pri-

ključenog na stranu m režu i generatorom istosm jerne struje- transform atorom koji je priključen na posebnu mrežu i tiristorskim ispra-

vljačem.Izbor izvedbe ovisi o param etrim a sinkronoga generatora, o tehničkim zaht-

jev im a za ispunjavanje posebnih funkcija, zahtjevim a za pogonsku pouzdanost i o tehnološkom rješenju postrojenja. Sustavi uzbude m ogu imati i dodatnu opremu koja općenito obuhvaća ove funkcije:

- brzo razm agnetiziranje generatora- početno uzbuđivanje- zaštitu uzbudnog kruga od prenapona- napajanje za vlastitu potrošnju sustava uzbude

175

- zaštitu sustava uzbude i zaštitu sinkronoga generatora od kvarova u sustavu uzbude

- upravljanje sustavom uzbude- signalizaciju, mjerenje i sl.Suvremeni sustavi uzbude izvode se tako da imaju potpunu autonom nost

pogona i m ogućnost rada u visoko automatiziranim i daljinski upravljanim objektima bez posade.

Automatski regulator napona brzo reagira na promjene napona. On povezuje izlazne veličine generatora i ulaz uzbudnika radi regulacije izlaznih veličina sinkronoga generatora. Suvremena izvedba automatskih regulatora napona je m odularne izvedbe i podijeljena je u funkcionalne cjeline. Svaka funkcionalna cjelina osigurava posebno regulacijsko djelovanje. Struktura autom atskog regulatora napona određuje se izborom funkcionalnih jedinica, a na osnovi veličine generatora, njegova rnjesta i uloge u elektroenergetskom sustavu. Takve regula- tore napona poznate pod imenom ARN, kod nas proizvodi "Rade Končar".

RuČni regulator napona je regulator uzbudne struje i služi kao rezerva u slučaju kvara autom atskog regulatora napona,

U našoj zemlji sustave uzbude proizvodi "Rade Končar", koji je razvio četiri sustava za sve vrste generatora svih snaga. U fazi razvoja je sustav s osovinskim generatorom i rotirajućim tiristorskim ispravljačem za dizel-agregate za brodske elektrane. Ti sustavi su:

- sustav nezavisne uzbude s generatorom istosmjerne struje- sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom i pom oćnim genera-

torom s stalnim m agnetom- sustav saniouzbude- sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom konstantnog napona. Sustav nezavisne uzbude s generatorom istosm jerne struje (si. 5,7) sastoji se

od istosmjernoga generatora (1) koji se regulira tiristorskim ispravljačem (2) koji energiju dobiva od pom oćnoga generatora sa stalnim m agnetom (3). Koristi se

ugiavnom za hidrogeneratore s relativno velikim brzinama i za sinkrone kompenzatore.

Sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom i pom o- ćnim generatorom (sl. 5.8) sastoji se od osovinskoga generatora (1)

Slika 5.7. Sustav nezavisne uz- butie s generatorom istosmjerne struje: 1 - istosmjerni generator, 2 - tiristorski most, 3 - generator sa stalnim magnetom. 4 - ARN, 5 - mjerni transformatori, 6 - uzbudni namot

176

Slika 5.8. Sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom i pomoćnim generatorom: 1 - osovinski generator, 2 i 4 - tiristorski ispravljač, 3 - pomoćni generator, 5 - ARN, 6 - mjerni transformatori, 7 - uzbuda

koji se upravlja tiristorskim mo- stom (2) i pom oćnog generatora sa stalnim m agnetom (3). Uz- budna struja dobije se ispravlja- njem struje osovinskoga generatora tiristorskim ispravljačem (4). Koristi se za male i srednje turbogeneratore.

Sustau sam ouzbude (sl. 5.9) sastoji se od uzbudnog transfor- m atora (1) i tiristorskog isprav- ljača (2). Koristi se za sporohodne hidrogeneratore i velike turbogeneratore.

Sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom stalnog napona (sl. 5.10) sastoji se od oso-

Slika 5.9. Sustav samouzbude: 1 - uzbudni transformator, 2 - tiristorski ispravljač, 3 - ARN, 4 - mjerni transformatori, 5 - uzbuda

Slika 5.10. Sustav nezavisne uzbude s osovinskim generatorom stalnog napona: 1 - osovinski generator, 2 - kompaundni transformator, 3 - dioda, 4 - tiristorski ispravljač, 5 - ARN, 6 - mjerni transformatori, 7 - uzbuda

12 Elektrane 177

vinskoga generatora (1) koji svoju uzbudnu struju dobiva iz kom paudnog transform atora (2) preko poluvodičke diode (3) i tiristorskog ispravljača (4). Koristi se za najveće hidrogeneratore i turbogeneratore.

Svi ti sustavi imaju tiristorski m ost koji u svim sustavim a im a isti ili sličan zadatak te autom atski regulator napona ARN, U narednom poglavlju detaljnije će biti opisan sustav samouzbude. N ačin rada ovog sustava je sličan ostalima, pa se razm atranja s m alim izm jenam a m ogu primijeniti i na ostale sustave.

Tiristorski sustav sam ouzbude. Tiristorski sustav uzbude (sl. 5.11) sastoji se od uzbudnog transform atora (1), tiristorskog ispravljača (2), uređaja za upravljanje tiristorim a (3), autom atskog regulatora napona (4), koji je spojen preko m jernih transform atora (5), ručnog regulatora napona (6), oprem e zabrzo razm agnetiziranje (7), sklopa za početno uzbuđivanje (8), te pom oćne oprem e za zaštitu, signalizaciju i upravljanje sustavom uzbude.

1

Slika 5.11. Tiristorski sustav samouzbude: 1 - uzbudni transformator, 2 - tiristorski ispravljač, 3 - uređaj za upravljanje tiristorima, 4 - ARN, 5 - mjemi transformatori, 6 - ručni regulator napona, 7 - oprema za forzo razmagnetiziranje, 8 - sklop za početno uzbuđivanje

Uzbudni transform ator je smješten odvojeno, a ostala oprem a je ugrađena u orm are. Energetska oprem a u krugu uzbude odabire se na osnovi param etara generatora. Sustav s pripadajućom oprem om osigurava ove režim e rada:

178

- rad generatora u praznom hodu i pod opterećenjem- trajan rad uz nazivnu struju uzbude- rad u trajanju od đeset sekundi pri dvostrukoj vrijednosti nazivnog napona

i nazivne struje uzbude- nazivna struja uzbuđe m ože se postići i pri sniženju napona generatora na

približno polovicu nazivnoga,Tiristorsld ispravljač ispravlja izmjenični napon sa sekundara uzbudnog

transform atora te napaja istosmjernom strujom uzbudni nam ot generatora. Tiristorski ispravljač sadrži jedan do četiri punoupravljiva Liristorska m osta koji su spojeni paralelno, što ovisi o nazivnoj struji uzbude. Nazivni napon uzbude je od 150 do 300 V, a nazivna uzbudna struja od 400 do 3 000 A, Svaki tiristorski m ost (sl. 5.12) zaštićen je ultrabrzim osiguračima (1), komutacijskim prigušnica- ma (2) i RC-članovim a (3).

na uređaj za upravljanje

Slika 5.12. Shema tiristorskog mosta: 1 - osigurač, 2 - komutacijska prigušnica, 3 - RC-član

Osigurači služe za zaštitu od unutrašnjih kratkih spojeva. Prigušnice ograni- čavaju brzinu promjene struje i napona za vrijeme komutacije, a također pridono- se i boljoj raspodjeli struje po paralelnim granama mosta. RC-članovi su spojeni paralclno sa svakim tiristorom i zajedno s prigušnicama ograničavaju komutacij- ske prenapone. Tiristorski ispravljači se hlade centrifugalnim ventilatorima.

Uređaj za upravljanje tm storim a ima zadatak da proizvede impulse prikladne za upravljanje tiristorima i da ih u pravom trenutku na njih prenese. Tiristor m ože provesti struju ako mu je anoda pozitivna prema katodi, ali tek u trenutku kada se na njegovu upravljačku elektrodu đovede impuls. Kut upravijanja impulsa ovisi o iznosu upravijačkog signaia na ulazu u uređaj za upravljanje tiristorima. Uređaj za upravljanje ima ove dijelove:

- generator impulsa- oscilator 50 kHz- impulsno pojačalo- impulsni transformator,

1 7 9

G enerator impulsa je osnovni dio uređaja za upravljanje. Priključen je na uzbudni transform ator. U njemu se form ira šestofazni napon za tzv. sinkronizaciju impulsa, pom oću kojeg se određuje trenutak pojave impulsa za svih šest tiristora u mostu, te ograničava minimalni i maksimalni kut upravljanja tiristorima, Form irani impulsi m ogu se pom icati prom jenam a upravljačkog signala iz autom atskog regulatora napona. Oscilator se napaja transform iranim naponom napajanja tiristorskog ispravljača.

Za vrijem e početnog uzbuđivanja i kvarova u elektroenergetskom sustavu, impulsni uređaj nem a odgovarajuće napajanje i ne radi ispravno. U takvim prijelaznim stanjima ulogu im pulsnog uređaja preuzima tzv. generator impulsa punog vođenja tiristora. Taj generator na upravljačku elektrodu tiristora daje kontinuirani signal i tiristorski m ost potpuno otvori. Tada tiristori rade kao diode, pa se na uzbudnom nam otu generatora pojavi m aksim alno m ogući napon uzbude. M jerni član generatora impulsa punog vođenja priključen je na napon generatora.

Oprem a za brzo razbuđivanje služi za brzo svođenje uzbudne struje na nulu pri kvaru u generatoru, npr. kratkom spoju, zemljospoju ili m eđuzavojnom spoju. Ako se uzbudna struja ne svede brzo na nulu, tada bi u slučaju kvara kroz točku kvara tekla velika struja sve do konačnog zaustavljanja rotora. To bi m oglo uzrokovati znatna oštećenja u generatoru. Oprem a se sastoji od otpornika za poništenje m agnetske energije uzbudnog nam ota i prekidača. K od manjih generatora otpornik je linearan, a kod većih generatora nelinearni. Prekidač se aktivira istovrem eno s aktiviranjem generatorskog prekidača.

Sklop za početno uzbuđivanje generatora napaja uzbudni nam ot strujom dok napon na stezaljkam a generatora ne postigne vrijednost potrebnu za sam ouz- buđivanje, a to je oko 10% nazivnog napona. Sklop se napaja iz akum ulatorske baterije.

Oprem a za zaštitu služi za zaštitu sustava od određenih smetnji. Ona će isključiti autom atski regulator napona ili generator, što ovisi o vrsti kvara. Sastoji se od:

- zaštite od prenapona na istosmjernoj strani- zaštite uzbudnog transform atora- zaštite od nestanka uzbude- kontrole ventilacije tiristorskih m ostova- kontrole napona napajanja i m jerenja- osigurača i zaštitnih autom ata- ostale oprem e za siguran rad sustava uzbude.Sustav uzbude projektiran je tako da je upravljanje m oguće lokalno pom oću

m anipulativnih elem enata koji su smješteni na vratim a ormara, odnosno daljinski s kom andnog pulta.

Za kontrolu rada uzbudnog sustava na orm aru uzbude i na kom andnom pultu ugrađuju se instrumenti za mjerenje napona generatora, napona uzbude, struje uzbude i m jerenje razlike izlaznog signala iz autom atskog i ručnog regulatora napona.

Automatski regulator napona ARN. Regulator napona tipa ARN koristi se za regulaciju napona sinkronih generatora od nekoliko M VA naviše. M ože se

180

karistiti na svim vrstama tiristorski reguliranih uzbudnih sustava. Regulator brzo reagira na sve promjene napona. Modularne je izvedbe i podijeljen je na funkconalne jedinice. Svaka funkcionalna jedinica osigurava posebno regulacijsko djelovanje. Struktura regulatora određuje se izborom funkcionalnih jedinica, a na osnovi veličine generatora te njegova mjesta u elektroenergetskom sustavu (sl. 5.13).

Za generator srednje snage regulator napona sastoji se od:- transform atorske jedinice- osnovne jedinice- podešavača napona- sklopova za ograničenje- nadređenih regulatora- dodatnih sklopova.Transform atorska jedinica sastoji se od naponskih i strujnih mjernih trans-

form atora, a služi da piilagodi mjerne veličine napona i struje za ulaz u regulator.Osnovna jedinica u svom mjernom dijelu formira signal koji je proporciona-

lan odstupanju napona generatora od namještene vrijednosti. Strujno mjerenje im a takav utjecaj na naponski signal da osigura jednoliku raspodjelu jalove snage među paraleinim generatorima. Osnovna jedinica vrši prema tome primarnu funkciju regulacije napona. Radi toga ona ima zadatak da:

- održava napon stalnim- raspodijeli jalovu snagu među generatorima u paralelnom radu- aktivno sudjeluje u održavanju stahilnosti u mreži.Za podešavanje napona služi potenciom etar koji om ogućuje u praznom hodu

pođešavati napon od 90% do 110% nazivne vrijednosti napona generatora.Sklopovi za ograničenje (hmiteri) imaju zadatak da spriječe ispad i prekid

rada generatora uzrokovan proradom zaštite zbog jalovog preopterećenja ili gubitka sinkronizma. Limiteri su potuvodičke izvedbe i kada prorade, potpuno prestaje djelovanje regulatora napona i njega zamjenjuje regulacija limitirajuće veličine. Uglavnom se primjenjuju ova ograničenja:

- ograničenje minimalne struje uzbude- vremenski zategnuto ograničenje struje armature

181

- vremenski zategnuto agraničenje struje uzbuđe- trenutačno ograničenje struje uzbude.Lim iter rninimalne struje uzbude ima zadatak da spriječi gubitak sinkroniz-

ma. Naime, pri znatnom porastu napona u rnreži, regulator napona m ora smanjiti uzbudnu struju na malu vrijednost. Zbog toga generator preuzima previše jalove energije, što je dovoljan. raziog da ispadne iz sinkronizma. To je veoma važno za turbogeneratore koji imaju veliku reaktanciju. To ogranićenje određeno je i pogonskom kartom generatora. Limiter za vremensko zategnuto ograničenje struje armature koristi se kod sinkronih kotnpenzatora u uvjetima preuzbude. Linuter za vremensko ograničenje struje uzbude namijenjen je sprečavanju rada gcneratora s previsokom strujom uzbude ako je sniženje napona u nireži trajno.

Limiter za trenutačno ograničenje struje uzbude ugrađuje se kod velikih ispravljačkib uzbudnika.

Nadredeni regulatori se koriste kada je potrebno održavati neku drugu veiičinu, a ne napon gcneratora na stalnoj vrijednosti. To su regulator jalove snage, reguiator faktora snage i grupni regulator. itegulator jalove snage održa- va stalnu jaiovu snagu. Regulator faktora snage se koristi uglavnom kod indu- strijskih turbogeneratora. Grupni regulator napona ima zadatak da omogući zajedničko podešavanje napona više generatora koji rade u jednoj elektrani ili više njih u jcdnoj točki, na primjer na 400 kV sabirnici.

Dodatni sklopovi su slični nadredenim regulatorima, a mogu biti:- stabilizator elektroenergetskog sustava- frekventni kompenzator- kompenzator radne struje- ručni regulator napona.

Slika 5.14. Sustav regulaeije uzbude sinkronuga generatora: 1- sinkroni generator, 2 - uzbudnik, - tiristorski ispravljač, 4- rućni regulator napona, 5 - izvori za napajanje, 6 - izlazno pojačalo, 7 - predpojačalo, 8 - stabilizator regulacijskog kruga, 9 - davač regulacijske veličine, 10 - davač referentne veličine, 11 - nadređeni regulatori, 12 - dodatni sklopovi, 13 - liroiteri, 14 - kompenzator jalove energije

1 8 2

Stabilnost velikih elektroenergetskih sustava je poseban problem, osobito ako je riječ o veiikim elektranam a i dugim dalekovodim a. V elik je problem i kvar velikih generatora. Za to se koristi stabilizator elektroenergetskog sustava koji vrlo brzo uspostavi ravnotežu koja se naruši naglim prestankom rada generatora velike snage.

Frekventni kom penzator im a zadatak da reducira napon kada je frekvencija ispod nazivne vrijednosti. Koristi se kod velikih turbogeneratora.

K om penzator radne struje im a zadatak da kom penzira pad napona na dale- kovodu do određene točke koji je uzrokovan radnom kom ponentom struje.

Ručni regulator napona služi kao rezerva u slučaju kvara autom atskog regulatora napona.

B lok-shem a sustava regulacije uzbude sinkronoga generatora sa svim fun- kcionalnim jedin icam a i dijelovim a prikazana je na slici 5.14.

5.5. Regulacija frekvencije i snage agregata

P oznato je da potrošači uz stalan napon zahtijevaju i stalnu frekvenciju. To se odnosi osobito na m otore izm jenične struje čija je brzina vrtnje ovisna o frekvenciji. Stalni napon i stalna frekvencija potrebni su ne sam o zbog potrošača, već i zbog sam e mreže. U svakom agregatu elektrane, koji se sastoji od turbine i generatora, postoji ravnoteža sve dotle dok je proizvedena snaga turbine jednaka snazi generatora, uvećanoj za gubitke. M eđutim, opterećenje nije stalno, već se mijenja. U istom ritm u m ora se mijenjati i snaga turbine, što znači da se turbini u istom ritmu m ora mijenjati i dovod vode, odnosno pare. Sam o će tako brzina vrtnje, a tim e 1 frekvencija, ostati neprom ijenjena. Da bi se izbjeglo mijenjanje frekvencije pri prom jeni opterećenja, turbine su oprem ljene brzim turbinskim regulatorim a, koji pri prom jeni opterećenja djeluju na dovodne organe. Pri pove- ćanju opterećenja, turbinski regulatori om ogućuju veći dotok vode ili pare, a pri sm anjenju sm anjuju dotok vode ili pare.

Autom atska regulacija turbina je dosta složen proces, pogotovo kod parnih turbina, gdje je turbinski regulator jedan u nizu složenog regulacijskog sustava term oelektrane.

Suvrem ene term oelektrane rade u blok-spoju parogenerator-turbina-generator. Snaga bloka regulira se jednim vodećim regulatorom koji preko osnovnih regulatora regulira doprem u goriva (ugljen, m azut ili plin). T lak pare regulira se turbinskim regulatorom koji prati prom jene brzine turbine. Ovisno o doprem i goriva, regulira se protok zraka regulatorom zraka koji održava om jer gorivo -- zrak. Osim toga, regulator napajanja pojnom vodom regulira om jer voda -- gorivo. Tem peratura pare regulira se posebnim regulatorom .

K od vodnih turbina problem regulacije je jednostavniji. Vodne turbine imaju uglavnom dvojnu regulaciju. To je kod Peltonovih turbina regulacija jedne regulacijske igle ili više njih te regulacija skretača mlaza. K od Francisovih je turbina to regulacija dovoda vode i statorskih lopatica, a kod Kaplanovih turbina eventualno još i regulacija rotorskih lopatica. U narednom poglavlju detaljnije će biti opisan elektronski regulator koji se m ože koristiti za sve vrste vodnih turbina.

183

Elektronski regulator vodnih turbina om ogućuje regulaciju frekvencije i regulaciju snage. Regulator ima dvije primarne ulazne veličine, te jednu primarnu izlaznu veličinu, a to je pom ak dovodnog kola, Konstrukcija regulatora je m odularnog tipa, što znači da pojedinačni moduli čine funkcijski odvojene jedinice. Regulator om ogućuje ove radnje:

- autom atski start i stop agregata- opterećivanje i rasterećivanje agregata- autom atski preklop na regulaciju po snazi- autom atski preklop na RU CN O pri kvaru regulatora- zaštita od pobjega turbine- elektroničko ograničavanje otvora dovodnog kola- uključivanje i isključivanje uzbude brzinskim relejima.Regulator se sastoji od elektronskoga i m ehaničko-hidrauličkog dijela. U

elektronskom dijelu izvedeni su regulacijski krugovi po frekvenciji i po snazi, ograničavanje otvora dovodnog kola i poseban izlazni stupanj velike snage, M ehaničko-hidraulički dio sastoji se od elektrom otornih pretvarača, razvodnih ventila, izvršnih servom otora i povratnog mehanizma. Blok-shem a regulatora prikazana je na slici 5,15.

Frekventni signal (1) m ože se dobiti beskontaktnim induktivnim pretvara- čem brzine, mjernim generatorom sa stalnim m agnetom ili od mjernih transformatora.

Frekvencija se mjeri frekvencijsko-naponskim pretvaračem (2). Pri nomi- nalnoj frekvenciji od 50 Hz napon na izlazu pretvarača je nula. M jerno područje je od 40 H z do 60 Hz, a izlazni signal od -10 V za 40 Hz do + 1 0 V za 60 Hz.

Snaga što je agregat daje u mrežu mjeri se pretvaračem snage (3). Taj pretvarač se napaja iz mjernih transform atora.

Podešavanje snage (4) zapravo je postavljanje regulatora u položaj da utječe na dovodno kolo tako da je radna snaga agregata jednaka postavljenoj snazi. Odstupanje radne snage od željene je sam o tada kada se promijeni frekvencija. Zato ovaj signal namještene snage utječe na otvor dovodnog kola m im o regulacijske funkcije PID. Prem a tome, u regulatoru je utjecaj signala snage aktivan u dvije grane. Signal pretpodešavanja koji utječe na otvor dovodnog kola mim o regulacijske PID-funkcije. Signal održavanja stalne frekvencije koji im a dvije funkcije, i to utjecaj prom jene frekvencije na otvor dovodnog kola i utjecaj razlike izm jerene snage od željene snage na otvor dovodnoga kola.

Modul PID om ogućuje proporcionalno integralni i diferencijalni odziv regulatora na prom jene frekvencije i snage. U njemu su funkcionalno povezani svi krugovi koji izvode regulacijsku funkciju regulatora u frekvencijskom krugu i krugu po snazi. On ima dvije grupe krugova, Prva grupa je aktivna kada je agregat u praznom hodu i kada agregat napaja samostalnu mrežu. Druga grupa je aktivna poslije uklapanja generatorskog prekidača koji povezuje agregat paralelno na mrežu. Ulaz u modul su frekvencijsko odstupanje, odstupanje snage i kom andni signal. Izlaz iz m odula je napon za napajanje izlaznog pojačala. Taj napon je u granicam a od nula do 10 V, koji uzrokuje zatvoren, odnosno potpuno otvoren položaj elektrom otornog pretvarača.

184

Slika 5.15. Blok-shema elektronskog regulatora turbina: 1 - frekventni signal, 2 - pretvarač frekvencije, 3 - pretvarač snage, 4 - podešavanje snage, 5 - mjerni transformator, 6 - podešavanje brzine, 7 - elektromotorni pretva- rač, 8 - razvodni ventil i servomotor dovođnog kola, 9 - ručno upravljanje

M ehaničko-hidraulični dio regulatora im a zadatak da prati prom jene koje dolaze iz elektronskog dijela regulatora i da pom oću odgovarajuće oprem e i servom otora prati prom jene frekvencije i snage.

R učno upravljanje u regulatoru je predviđeno kao poseban režim rada, koji je aktivan pri startu i zaustavljanju agregata, kod greške regulatora i kada nam jerno uključim o ručni režim rada. U ručnom režimu, preko regulatora, m oguće je utjecati na otvor servom otora. Pritom nisu aktivni regulacijski krugovi po frekvenciji i po snazi. Ručnim upravljanjem m oguće je pokrenuti agregat, sinkronizirati ga na m režu, opteretiti i zaustaviti.

Ako je rad H E autom atiziran i upravljan kom pjutorom , regulator im a ugra- đen m odul koji to om ogućuje.


1. Opišite i objasmte razlike u izvedbi sinkronih generatora prema vrsti pogonskog stroja.

2. Objasnite smkronizaciju generatora na mrežu i preuzimanje opterećenja.3. Navedite i objasnite ograničenja u radu smkronih generatora.

185

4. Nacrtajte i objasnite pogonsku kartu sinkronih generatora.5 . Nacrtajte vanjsku i regulacijsku karakteristiku generatora.6. Nacrtajte i objasnite sustave uzbude generatora "Končar".7. Nacrtajte i objasnite tiristorski ispravljač te način upravljanja njime.8 . Nabrojte dodatnu opremu u sustavu samouzbude i objasnite njezinu ulogu.9 . Skicirajte l objasnite način rada ARN.

10. Nacrtajte blok-shemu i objasnite rad elektronskog regulatora vodnih turbina.

186

6. Energija i ekologija

Od niza problem a s kojima se čovječanstvo sučeljava tri su najvažnija:- proizvođnja energije- proizvodnja hrane- zaštita okoline.Proizvodnja i primjena različitih oblika energije uvjetovala je velike promje-

ne u prirodnoj sredini. Gotovo kao po pravilu, zahtjevi za izgradnju energetskih objekata određeni su problemi i uz više pozitivnih utjecaja na okolinu nose i velik broj negativnih. Izgradnja hidroenergetskih postrojenja im a nekoliko važnih prednosti:

- smanjuje m ogućnost od poplava- stvara preduvjete za razvoj poljoprivrede na zemljištu uz regularni vodo-

tok- om ogućuje ili poboljšava plovnost i vođeni transport- uspostavlja povoljni hidrološki m inim um rijeke- stvara uvjete za opskrbu stanovništva i inđustrije vodom- proizvodi električnu energiju od besplatnoga, obnovljivog izvora- ne onečišćuje ni zrak ni okolinu.M eđutim, hidroelektrane, posebno s velikim akumulacijama, imaju niz nega-

tivnih utjecaja na okolinu:- narušavaju prirodni sklad rijeke i okoline- porem ećuju život u rijekama (flora, riblji svijet)- raseljavanje stanovništva iz potopljenog područja- mijenjaju mikroklim u- mijenjaju podzem ne tijekove.Rješavanje inženjersko-tehničkih problem a pri projektiranju svake elektra-

ne neodvojivo je od usporednog istraživanja i analiza svih ekoloških utjecaja, i zato je nužan m terdisciplinarni ekipni rad stručnjaka različitih profila.

Term oelektrane na fosilna goriva ispuštanjem velikih količina ugljik-dioksida i drugih plinova izravno utječu na uočene klimatske prom jene na Zemiji. Prom jena koncentracije ugljik-dioksida u atm osferi zapažaju se odavno, a su- stavno se prate od 1975. godine (sl. 6.1).

Osamdesetih godina, usporedno s razvojem sve m oćnijih računskih strojeva, ubrzana su istraživanja za poboljšanje geofizikalnih modela klimatskih promjena, tzv. m odela opće cirkulacije (General Cirkulation Model) radi simulacije kiimatske ovisnosti o glavnim energetskim procesim a i tokovim a.

187

350 Slika 6,1. Porast volumena glo- balne koncentracije COa

Energija koja na Zemlju dolazi sa Sunca na Lom putu nailazi na atmosferu na kojoj se djelomično reflektira i apsorbira, a ostatak dopire do površine Zemlje. Površina se zagrijava i zrači u području infracrvenog zračenja, ali i to zračenje m ora proći kroz atmosferu prije nego što napusti Zemlju.

Neto-emisija infracrvenog zračenja uravnotežena je s primljenom energijom Sunceve svjetlosti, pa je jasno da će promjena prozirnosti Zemljine atmosfere za infracrveno zračenje utjecati na temperaturu pri kojoj Zernlja emitira toplinu.

Prozirnost atmosfere može se znatno promijeniti već malim primjesama moiekula H^O, COa, N 2O, CH 4, tako da čovjek utjecajem na te primjese djeluje i na klimu,

Povišenje temperature i globalno zagrijavanje planeta, poznato kao "efekt staklenika", ozbiljan je problem s kojim je svijet suočen potkraj dvadesetog stoljeća. Piinovi koji izazivaju "efekt staklenika" dolaze u atmosferu prirodnim putem i djelovanjem čovjeka. Procjenjuje se da se oko 50% globalnog zagrijavanja m ože pripisati ugljik-dioksidu (CO 2), 19% metanu (CH 4), 15% klor-fluor-karbo- nima fCEClo i CF2CI2) i oko 4% dušičnom oksidu (N 2O).

Doprinos stakleničkih plinova iz energetskih i neenergetskih aktivnosti i procesa giobalnom zagrijavanju prikazanje u tablici 6 .1 .

Kako je iz tablice vidljivo da je utjecaj CO2 iz energetskih procesa najveći, u Baselu je u svibnju 1939. na kongresu prirodoznanstvenika proglašen Baselski manifest. U njemu se predlažu dvije konvencije, jedna kojom se traži zabrana proizvodnje fluor-klor-ugljika i druga kojom se traži redukcija upotrebe fosilnih goriva.

Tablica 6.1. Doprinos plinova koji uzrokuju 'efekt staklenika"1 Neenergetski procesi % Bnergetski procesi %

co2 9 41ciu 13 6 1CF-karbonati 15 -

OZO N ( 0 3) 8 -

N 20 3 1Ostali 4 -

52 48

Na slici 6.2 prikazan je biokemijski ciklus ugljika.Na slici 6,2 može se vidjeti kako CO2 kruži u prirodi i koji su njegovi glavni

spremnici (ocean, fosilna goriva).

188

Slika 6.2. Biokemijski ciklus ugljika (količine u milijarda-ma tona)

atmosfera 740 (1988)

i+3 godišnje lfotosinteza raspadanje

deforestacijarespi-racija

110 55

upotret«fosilnihgoriva

54 55 n-2organske tvarir na površini fosilna goriva

1720 5000-10000

biološki i kemijski procesi

93 90

+ 3 godišnje ocean38 500

Velika količina CO 2 kruži kroz biološke procese fotosinteze 1 biološko 1 kemijske procese. Iz biosfere i oceana u atm osferu odlazi i iz nje se vraća oko 200 milijardi tona CO 2 godišnje. Istraživači su utvrdili jasnu korelaciju izm eđu tem- peraturnih prom jena i koncentracije CO 2 . Proces respiracije mijenja se za 1 0 - -30% pri prom jeni tem perature za 1 K, a slično i proces razgradnje.

Fotosintezom na zemlju dospijeva oko 1 1 0 milijardi tona CO2, a otprilike ista količina odlazi u atm osferu respiracijom i razgradnjom organskih tvari na povr- šini zemlje. Fotosinteza malo ovisi 0 tem peraturnim prom jenam a. Zato se pri porastu tem perature m ože znatno povećati CO 2 u atm osferi, i m ože biti nekoliko puta veći od sadašnjega godišnjeg neto-porasta od tri milijarde tona.

N a konferenciji u Torontu 1988. godine prihvaćane su m eđunarodne obveze da se iduća dva desetljeća smanji emisija CO 2 za 20%. U narednih 50 godina trebalo bi smanjiti upotrebu fosilnih goriva za jednu trećinu. Solarna energija, novi i obnovljivi izvori, uz nuklearnu energiju bi, prem a predviđanjima, zamije- nili reducirano fosilno gorivo.

N a slici 6,3 prikazan je plan ograničenja emisije CO 2 .U z porast tem perature zbog "efekta staklenika" povezuje se i porast razine

m ora zbog topljenja glečerskog i antarktičkog leda. Prem da opasnost nije neposredna, zanimljivo je opažanje da je razina m ora u po- sljednjem stoljeću porasla za 15 cm, što je već ozbiljna prijetnja za gradove poput Venecije.

N a slici 6.4 prikazan je porast srednje tem perature u svijetu za posljednjih 1 0 0 godina.

pot rošnja

progra m

energije

25 000 106 t

eku uglj

20 000

ograničenje emisijeC 0 2

15 000

10 000

5 000

Slika 6.3. Međudržavni plan raz- vijenih zemalja za ograničenje emisije CO2

vodne snage

nuklearno gorivo

prirodni plin

- nafta

j rsl ugljen

1905. 2000, 2020 . 2040

189

Slika 6.4. Porast srednje glo- balne temperature

godine

Intenzivno trošenje fosilnih goriva pospješuje veliku potrošnju kisika, pa prijeti opasnost da XXI. stoljeće postane i stoljeće krize kisika.

Budući da su fotosintetski procesi autotrofnih organizam a glavni pokretači kisikova ciklusa u živom svijetu, onečišćenje čovjekove sredine jedna je od opasnih prijetnji za svijet fotosintetičara. Tom e u prilog govore analize svakodnevno prisutne u znanstvenim studijam a o onečišćenju zraka, kiselim kišama koje potenciraju m asovno um iranje šuma, zamjena šumskih površina obradivim ze- m ljištim a u najvećoj tvornici kisika Am azoniji, onečišćenju rijeka i m ora, naglom razvoju transportnih mreža, širenju pustinje (Aral, Sahara itd). Porast potrošnje kisika i značajno smanjenje fotosintetske aktivnosti na cijelom planetu činjenica je koja već ozbiljno zabrinjava znanstvenike, Zato je smanjenje upotrebe fosilnih goriva jedan od preduvjeta da se nepopravljivo ne naruši spontana prirodna kontrola intenziteta autotrofne proizvodnje i heterotrofne potrošnje kisika.

Godine 1985. objavljena je znanstvena publikacija britanskih istraživača o neobičnom padu koncentracije ozona u atmosferi. Iznad zaljeva H allay na Antark- tici m jerenjem od 1977. do 1984. godine ustanovljen je pad koncentracije ozona za više od 40%. Otkriće su ubrzo potvrdili i drugi istraživači i konstatirali da područje redukcije ozona prekriva čitav kontinent.

Fenom en je danas poznat pod nazivom "ozonska rupa".Rezultati istraživanja znanstvenika većeg broja zemalja upozoravaju na

usku vezu koncentracije plina klor-fluor-karbona i redukcije ozona u atm osferi. Plin klor-fluor-karbon se oslobađa iz hladionika i klima-uređaja, u kojim a je rashladno sredstvo, te iz raznovrsnih sprejeva.

Kada klor-fluor-karboni dospiju u visoke slojeve atm osfere, raspadaju se pod utjecajem ultraljubičastog zračenja. Pritom oslobođeni klor katalizira pretvorbu ozona u m olekularni kisik, Svaki atom klora m ože ukloniti na stotine i tisuće m olekula ozona. N a konferenciji u M ontrealu 1987. godine industrijske zemlje preuzele su obvezu da do 2 0 0 0 , godine smanje proizvodnju i emisiju klor-fluor- -karbona za 50%.

Razvojem industrijskog društva zapanjujuće se povećava potrošnja energije. K olikom brzinom bi rasla potrošnja energije u svijetu pokazuju sljedeći podaci, ako se svjetska potrošnja energije 1800. godine označi jedinicom :

190

1800. godine 1980. godine 2000. godine 2200. godine 10 000

163

106

Tako buran rast potrošnje energije ne bi sm io biti razlogom da se zapostavi briga o očuvanju prirode. Imajući na umu činjenicu da će čovjek opstati i napre- dovati, ako ne uništi sam sebe, ostaje niz pitanja koja treba što savjesnije rješava- ti. Zem lja je uvijek doživljavala i doživljava promjene, to je osnova evolucije. Prom jene koje se posljednjih desetljeća događaju prebrze su da bi biosfera imala dovoljno vrem ena da se evolutivno adaptira na nove uvjete i da se uspostavi nova ravnoteža. Zato postoji opasnost da se neke negativne prom jene uoče tek kada je već prekasno. Sam o m udra i savjesna upotreba znanstvenih i tehm čko-tehnološ- kih rezuitata u planiranju dugoročnog razvoja energetike m ože pridonijeti na- pretku čovječanstva i očuvanju prirodne okoline.

1 9 1

Literatura

V. Knap, P. Kulišić, Novi izvori energije, Školska knjiga, Zagreb, 1985.H. Požar, Osnove energetike I i II, Školska knjiga, Zagreb, 1978.H. Požar, Snaga i energija u elektroenergetskom sustavu, Informator, Zagreb, 1985.A. Kostelić, Nauka o toplini, Školska knjiga, Zagreb, 1985.F. Bošnjaković, Nauka o toplini, Tehnička knjiga, Zagreb, 1978.D. Ivanović, V. Vučić, Atomska i nuklearna fizika, Naučna knjiga, Beograd, 1989.V. Paar, Energetska kriza, Školska knjiga, Zagreb, 1984.■I. Derado, Prijetnje samouništenja, Max Planck Institut, 1990.B. Udovičić, Energija i izvori energije, Beograd, 1988.B. Udovičić, Energetske pretvorbe i bilance, Građevinska knjiga, Beograd, 1988.Lj. Pilić-Rabadan, Hidroenergetska postrojenja, FESB, Split, 1988.Lj. Pilić-Rabadan, Hidraulički strojevi, FESB, Split, 1988.R. Misita, Električna postrojenja, Sarajevo, 1973.L. Kreuh, Generatori pare, Školska knjiga, Zagreb, 1978.L. Piotrovskij, Električni strojevi, Tehnička knjiga, Zagreb, 1974.Grupa autora, Energija i razvoj, Beograd, 1986.

Energija - časopis Hrvatske elektroprivrede.Publikacije elektroprivrede Dalmacije.Publikacije bivšeg Jugela.Katalozi i prospekti "Rade Končara".

SKOLSKA KNJIGA d. d. Zagreb, Masarykova 28

Za lzdavačadr. DRAGOMIR MAĐERIĆ

Tisak dovršen u rujnu 1993.

¾aj j.uvod...

Documents