6. témakör villamosenergia-termelés hıerımővekbenenergia.bme.hu/~kaszas/energetika...

6. témakör

Villamosenergia-termelés

hıerımővekben

Tartalom

1. Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek.

2. Gázturbinás erımővek.

3. Kombinált gáz-gız erımővek.

4. Tüzelıanyag-cellák.

A villamosenergia-termelés folyamatahıerımővekben

kémiailag vagy

nukleárisan

kötött energia

Hıfejlesztı Hıerıgép GenerátorTranszformátor

hı mechanikai

(forgási) energia

villamos

energia

körfolyamat

Csoportosítás

• A felhasznált végenergia 30-40 %-a villamos energia.

• Tüzelıanyag: C, CH, nukleáris,

• Munkaközeg: vízgız, füstgáz,

• Hıerımővek: gız, gázturbinás, kombinált gáz-gız, (gázmotoros).

6.1.

Fosszilis tüzelıanyagúgızerımővek

Kapcsolás

Szubkritikus gızkörfolyamat

Szuperkritikus gızkörfolyamat

1. Fıberendezések és folyamatok

• Gızkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelıanyag elégetésével, a keletkezı nagy hımérséklető(800-1500 oC) láng és füstgáz lehőtése(füstgázoldal), a vízgız munkaközeg felmelegítése, elgızölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgızoldal).

• Tüzelıanyagok:– különbözı szenek, különbözı tüzelési módokkal,– kıolaj-finomítás maradékai,– földgáz (inertes gáz).

1.1. Gızkazán

• Tüzelés (108 ill. 58 g CO2/MJ):

)/47(525,2%)55(75,241

/36/44/64/16

22

)/4240(2

1)

2

1(

)/286:;8,33(%)100(66,366,21

/44/32/12

2224

222

22

kgMJHkgkgkgkgkg

molgmolgmolgmolg

hıOHCOOCH

kgMJHOmHnCOOnHC

kgMJszénCHkgkgkg

molgmolgmolg

hıCOOC

ü

ümn

ü

+=+=+

+=+

++=+

−++=++

−=+=+

=+

+=+

Gızkazán

A hıáram-sőrőség változása a tőztér magassága mentén (p1<p1’<p1’’)

Szubkritikus gızkazán: a felületek elrendezése

UH

m1,p1,t1

E

TE

UH

LE

TH

E

TED

TT

mu,pu,tu. .

Gızkazán: T-Q diagram

1’

TH

TH

UH

E1”

u

tv

fg

1’

1

Q

T

sugárzás konvektív

UH TE LE

670 MW névleges hıteljesítményő szénhidrogén-tüzeléső kazánT-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja)

5000 10000 15000 20000 F [m2

]

500

1000

1500

T[ o C]

=540Tu2

450 =350sT

=5401

T

u1 =340Tt =250T

füstgáz

víz

E

F=2250

TH UHTE

F=3918 F=8665 F=1800

670 MW névleges hıteljesítményő, lignit-tüzeléső kazánT-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja)

10000 20000 30000 40000 F [m2

]

500

1000

1500

T[ o C]

1150

=540Tu2

300 =350sT

=5401

T

u1 =340Tt =220T

füstgáz

víz

Gızkazán

• Gıznyomás szerint:– szubkritikus (p1<pkr=221,2 bar)

• 40,70,100,130,170 bar (130 bar-tól újrahevítés),• t1max: 540-560 oC.

• Munkaközeg cirkulációja szerint:– természetes cirkuláció (∆p= ∆Hg, c=4-10),– szivattyús cirkuláció (∆p= ∆pSZ, c=2-6),– kényszerátáramlású (c=1).

• Gıznyomás szerint:– szuperkritikus (p1>pkr)

• 240,280,320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés),• t1max: 600-650 oC (új szerkezeti anyagok).

• Munkaközeg cirkulációja szerint:– kényszerátáramlású.

Cirkulációs elgızölögtetı [Cohen]

vízg

g

VV

V

xc

+==

1

Kényszerátáramlású gızkazán [Cohen]

Fluid-tüzeléső gızkazán

szilárdanyaggáz

füstgáz

felületek

primerlevegı

szekunderlevegı

C CaCO3

hamu + CaSO4

arány

tágy≈ max 800-900 °C

Ca/S - mólarány

Forráskép függıleges és vízszintes csıben

A víz elgızölgése függıleges csıben: hımérsékletek és hıátadási viszonyok [Cohen]

Gızkazán

• Teljesítménymérleg:

• Hatásfok:

– C (6-28 MJ/kg): 0,82-0,92

– kıolaj: 0,85-0,92

– földgáz: 0,87-0,94.

üGK Q

Q&

&1=η

)()( 1111 tvgtvgüGK

üüü

hhmssTmQQ

HmQ

−=−==

=

&&&&

&&

η

Fajlagos gızhı

Gızkazán (Tisza II. 670 t/h)

1.2. Gızturbina

• Gızturbina (GT, 1-2o, 1-2): A nagy nyomású,

hımérséklető vízgız (belsı) termikus

energiájának forgási (mechanikai) energiává

alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60Hz).

• Tengelyteljesítmény:

irrTogirrTCT hhmQW ηηη )( 211 −== &&&

Fajlagos (technikai) munka

p2

p1

wT=h1-h2wT0

∆sirr

2

h

s

1

20

Gızturbina

• A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka:

• ηC=0,35-0,60 → f[ (p1,t1,ttv,tUH1,tUH2),

• (p2)]

• ηirrT> ηirr→ (hıvisszanyerés)

1T

2T

1

21T

TC −=η

Gızturbina

• A körfolyamat hatásfokának (ηC) növelése:– a gız kezdı nyomásának (p1) és hımérsékletének (t1) növelése,– megcsapolásos (regeneratív) tápvízelımelegítés (ttv növelése),– egyszeres (tUH1) és kétszeres (tUH1,tUH2) újrahevítés,– a gız végnyomásának (p2) csökkentése (p2≈0,03 bar) elérte a

határt.• Megcsapolásos tápvízelımelegítés: a kondenzálódott

folyadékfázisú 25-50 oC-os víz felmelegítése a kazánba lépıtápvíz minél nagyobb hımérséklete (ttv) érdekében.

• (Gız) újrahevítés: a turbinában expandált gız kivétele és felmelegítése a gızkazánban pUH nyomáson.

Gızturbina-lapátok

• A GT eredı hatásfokát– a lapátok fokozati hatásfoka és– az expanzió mértéke határozza meg.

• A GT-fokozat hatásfokát befolyásolja a lapátfelület érdessége (<0,3-0,2 µm).

• Lapátfokozat– akciós (résveszteség csökkenthetı) termikus-kinetikus

energia átalakítás (állólapát-sor),– reakciós (sebességtıl függı súrlódási veszteségek

csökkenthetık) kinetikus-mechanikai energia átalakítás (forgólapát-sor),

– Fokozat: álló+forgólapát-sor.Eltérı követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.

Gızturbina-lapátfokozatok

h

∆há

akciós

∆hf

S

S

reakciósh

∆há

∆hf

Gızturbina-lapátok fejlesztése [Büki]a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményő lapátok

Hıséma: fı elemek

Gõzkörfolyamat

GT

K

póttápvíz

KT

csapadékvíz

GTT

fõcsapadékvíz

KE

NE

gõz

kazánvíz

GF

tápvíz

Hûtõvíz

Gızturbina (Tisza II. 215 MWe)

Gızturbina nagynyomású forgórész (Tisza II.)

Tápvízelımelegítı

1.3. Generátor és transzformátor

• Generátor, transzformátor: A gızturbina forgási energiájának 10-40 kV feszültségő villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére (120-400 kV).

• Hatásfokok:– ηTm=0,99-0,995,– ηG=0,99-0,995,– ηTR=0,99-0,998,– ηε=0,92-0,96,– ηmE=0,89-0,95.

TmETTRGTmKE WWP && ηηηηη ε ==

Generátor (Mátrai 215 MWe)

Transzformátor

1.4. Kondenzátor

• Kondenzátor (K, 2-2’): A gızturbinában munkát

végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgız

cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hı

elvonása a környezetbe a hőtıvíz-rendszerrel.

• Környezetbe távozó hıteljesítmény:

• Hőtıvíz-rendszerek:– frissvízhőtés (folyó, tó, tenger),

– nedves hőtıtorony,

– száraz hőtıtorony.

( ) )(1 '2221

1

22 hhmQ

T

TQ irrT −=

−+= &&

&& η

Fajlagos elvont hı

Kondenzátor

Csıkiosztás

Gız és gız-levegı keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]

Frissvízhőtés

tengerfolyó

tó

K

HSZ

)()( '222 bekihvgK ttcmhhmQ −=−= &&&

Nedves hőtıtorony

levegıK

HSZ

póthőtıvíz

)()()( '222 lbelkilllbekihvgK ttcVttcmhhmQ −=−=−= ρ&&&&

Száraz hőtıtorony

levegı

HSZFKSZ

)()()( '222 lbelkilllkibehvgK ttcVttcmhhmQ −=−=−= ρ&&&&

Nedves hőtıtorony (Mátrai Erımő)

Száraz hőtıtorony (Mátrai Erımő) kéntelenítıvel

2. Energetikai jellemzık

• Hatásfoka:

• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása:

üEmETCGK

ü

ümETCGK

ü

KEKE JJ

Q

Q

Q

P/)46,020,0( −==== ηηηη

ηηηηη

&

&

&

EüKE

KE kWhkJq /)783018000(36001

−==η

Energiafolyam ábra

KONDENZÁCIÓS ERİMŐ

H T E

Q2

1

1

21 Q

T

T&

−

1

1

2Q

T

T&

TP

2Q&

( )TmE1 Pη−

veszt2,Q&

ü( )

mH1 Q&η−

KEP

üQ&

3. Környezeti hatások

• CO2 kibocsátás → ηKE növelése, mert gCO2/kWh csökken.

• Hıszennyezés: (0,75-0,45)Qü környezetbe távozik, télıvíz max. 26-30 oC (O2 tartalom) → kapcsolt energiatermelés

• szén:– SOx: füstgáz kéntelenítés,– pernye: pernyeleválasztás,– salak: meddıhányók (minél kisebb Hü, annál több meddı)

→ tájrekultiváció.– NOx: DeNOx (NH3), fluid-tüzelés (SOx) és kisebb tláng.

• gudron, pakura:– SOx: füstgáz kéntelenítés,– NOx: DeNOx (NH3).

4. Telephely kiválasztás

• Tüzelıanyag közelében (bánya, olajfinomító), jó megközelítés.

• Hőtıvíz.

• Szakember, szakmakultúra.

• Villamos csatlakozás, ellátottság.

• Lakott területen kívül.

• Meglévı erımővek telephelyének

felértékelıdése, mindezek megvannak.

6.2.

Gázturbinás erımővek

Nyitott egytengelyes gázturbina

• Nyitott egytengelyes gázturbina fı berendezései:– Kompresszor (K): a levegı komprimálása a légköri

nyomásról 10-12 (15) bar-ra.– Égıtér (É): a tüzelıanyag elégetése, a levegı-üzemanyag

keverék (füstgáz) hımérsékletének növelése 1000-1300 (1500) oC-ra.

– Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban.

– Generátor (G), Transzformátor (Tr).

• Tüzelıanyag: csak CH,– földgáz (inertes gáz),– kerozin,– főtıolaj (állandó terhelésen).

Kapcsolás

Hıkörfolyamat

3

4

40

T

p0

p1

2

S

1

20

Gázturbina

• T belsı teljesítmény:

• K belsı teljesítmény:

• GT teljesítmény:

• Tüzelıhı-teljesítmény:

)( 211 hhmWT −= &&

)( 343 hhmWK −= &&

TrGmGTKTGT WWP ηηη)( && −=

)( 4311 üü

É

üüü hmhmhm

HmQ +−== &&

&&

η

Fokozati és eredı hatásfok

1

1

1

3

4

3

4

−

−

=irrKf

T

T

T

T

o

o

irrK

η

η

1

2

1

2

1

1

T

T

T

T

o

o

irrT

irrTf

−

−

=

η

η

3

440

T

2

S

1

20

T

K

Energiafolyam ábra

K

É

T

K0K

11

P

−

η

K0PKP

( ) ümÉ1 Q&η−

T0P( ) T0T1 Pη−

TP

netT,P

( ) netT,TrG1 Pηη−

2Q&

GTP

HHQ&

2HQ&

üQ&

Energetikai jellemzık

• A villamosenergia-termelés hatásfoka:

• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása:

( )üE

üü

TrGmGTÉKT

ü

GTGT JJ

Hm

WW

Q

P/)35,025,0( −=

−==

&

&&

&

ηηηηη

EüGT

GT kWhkJq /)1028014400(36001

−==η

Gázturbina

• p1=10-12 (20-30) bar, t1=1000-(1300-1500) oC,• p2=1 bar (légkör), t2=520-560-600 oC.• A körfolyamat Carnot hatásfoka:

• t1 növelése Ni-Cr szuperötvözető lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözetőbevonatokkal, miközben t2 is nı.

• Környezeti hatások: NOx (tláng=1100-1500 oC) → égıtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hőtés.

50,035,011

2 −=−=T

TCη

Gázturbina

Hatásfokjavítás

• Kombinált gáz-gız erımővek.

• A kilépı hıáramot maga a gázturbina hasznosítja:– hıregenerálás,

– gıztermelés és gızbefecskendezés (STIG),

– légnedvesítés.

• Többfokozatú kompresszió és expanzió.

Hıregenerálás

hőtés

K1 K2 T

É

6.3.

Kombinált gáz-gız erımővek

Kombinált gáz-gız erımő

• Gázturbinából kilépı füstgáz hımérséklete túl nagy (t2>500 oC), a füstgáz lehőthetıhıhasznosító gızkazánban, s a termelt gız gızturbinában expandál → füstgáz és gız munkaközegő turbinák kombinációja (kombinált gáz-gız erımő).

• Hıhasznosító gızkazán: gázturbinában expandált füstgáz (520-600 oC) lehőtése (180-100 oC-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60-90 bar) nyomású gız termelése. Póttüzelés lehetséges.

Kombinált gáz-gız erımő kapcsolása

GE LM6000 PD gázturbina generátor set

Vízszintes elrendezéső hıhasznosító gızkazán

Hıkörfolyamat

Energiafolyam ábra

üQ&

GT0PGTP

GT0TrGmGT )1( Pηηη−

HHQ&

ümÉ )1( Q&η− füstgázQ& 2,gkQ&

TPT0P

T0TrGmT )1( Pηηη−

Gızkörfolyamat

2Q&

EP

Teljesítménymérleg

• HH hıteljesítmény:

• Turbina teljesítmények:

)()( 11221 tvgHfgfgHH hhmttcmQ −=−= &&&

GTT

TGTE

PP

PPP

2

1≈

+=

Villamosenergia-termelés

• Hatásfok:

• qE=8000-6500 kJü/kWhE.

üEüpüÉ

TGT

ü

EE JJ

QQ

PP

Q

P/)55,045,0( −=

++

==&&&

η

Feltöltött kazánban integrált G/G erımő

gt

.

Pgt

Qü

.Q1gt

PGT

6.4. témakör

Tüzelıanyag-cellák

Tüzelıanyag-cellák

• Tüzelıanyag-cella (TC): a tüzelıanyagból – a reagensek közötti elektrokémiai reakciókrévén – közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hıtermelés és a hıkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka).– A TC anódos oldalára áramlik a redukáló,

hidrogén-tartalmú tüzelıanyag, – katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegı,– H2+1/2O2→H2O, és elektronok egyenárama, amit

inverterben váltóárammá alakítanak.

Tüzelıanyag-cella

½O2

Anód

H2 → 2H+ + e-

2H+ + ½O2 +2e-→ H2O

Elektrolit

H2

Katód

H2O

=~

2e-

2e-

ηHEo és ηTCo =f(T) [Büki]

1

21T

THEo −=η

H

ST

H

STH

G

GTCo ∆

∆−=

∆∆−∆

=∆

= 1η

Tüzelıanyag-cella

• Tüzelıhı:

∆H a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia

∆S a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.

HGQü ∆==∆

SHGE ∆−∆=∆=

Tüzelıanyag-cella

• A hımérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nı a T hımérsékleten távozó D=T∆Si disszipációs hı (∆Si a reakciótermék (pl. vízgız) entrópiakülönbsége). A disszipációs hıkapcsolt hıszolgáltatásra vagy gızerımőben hasznosítható.

• A disszipációs hı hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hımérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.

Tüzelıanyag-cella

• TC típusai:– Alkáli (Alkaline Fuel Cell-AFC),

– Polimer-elektrolit membrános (PolymereElectrolyte Membrane FC-PEMFC),

– Foszforsavas (Phosphoric Acid FC-PAFC),

– Folyékony karbonátos (Molten CarbonateFC-MCFC),

– Szilárd oxidos (Solide Oxide FC-SOFC).

A fejlesztett TC-k jellemzıi [Büki]

decentralizálterımővek

50-60keramikus anyag

(ZrO2) ←O2-

800-1000SOFC

villamosenergia

50-60karbonátok

(Li2CO3+K2CO3)( ← CO3

2-650MCFC

40-45

levegı

foszforsav (H3PO4)H+→

földgáz,széngáz,biogáz

200PAFC

hı-ésvillamosenergia(stabil)

40-55levegı,oxigén

polimerH+ →

80PEMFC

közlekedés(mozgó)

40-50oxigénkálilúg(KOH)

← OH-

hidrogén

40-200AFC

AlkalmazásVillamos

hatásfok

%

Oxidáló

közeg

(katód)

Elektrolit,

Iontranszport

Tüzelı-

anyag

(anód)

Hı-

mérséklet

°C

Jele

A fejlesztett tüzelıanyag-cellák jellemzıi

SOFC TC [Büki]a) csıelem, b) csıköteg, c) a teljes cella

Tüzelıanyag-cella

• A teljes TC igen nagyszámú elembıl áll. A megvalósított 100-200 kWe, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6-10 ezer elemet tartalmaz.