parní protitlakové turbíny parní odběrové turbíny plynové turbíny s...
Post on 08-Jan-2019
214 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1/79
Teplárenské zdroje
parní protitlakové turbíny
parní odběrové turbíny
plynové turbíny s rekuperací
paroplynový cyklus
2/79
Teplárenské zdroje
parní protitlaké turbíny parní odběrové turbíny
plynové turbíny plynové motory
3/79
Parní teplárny
teplárny s parními turbínami
nejstarší typ zařízení pro KVET
i dnes konkurenceschopné
vysokotlaký parní kotel + protitlaková parní turbína
parametry admisní přehřáté páry:
tlak: 3 až 10 MPa
teplota: 400 až 500 °C, vyšší teploty = vyšší podíl E
parametry emisní páry:
snaha o nízké tlaky 0,1 MPa
nízké teploty: vychlazování vratné vody z CZT = vyšší podíl E
4/79
Parní teplárenské kotle
paliva
méně hodnotné uhlí – popel, síra
plynná – zemní plyn
kapalná – mazut, topné oleje
5/79
Zdroje tepla na uhlí
teplárenství závislé primárně na uhlí
2 : 1 k ušlechtilým palivům
problémy s dodávkou viz přenáška o palivech
snahy o energetickou soběstačnost
efektivní využití uhlí, spalování, emise
méně jakostní uhlí
6/79
Zdroje tepla na uhlí
doprava a skladování
zatěžování okolí, hluk, prašnost
vytěsnění dopravy a skladování mimo městská a obytná centra
minimalizace úletu tuhých částic
cyklónové odlučovače
tkaninové odlučovače
elektrostatické odlučovače
úspěšné aplikace především u velkých zdrojů
7/79
Zdroje tepla na uhlí
snižování emisí SOx, NOx, CO
vhodná spalovací technologie (fluidní kotle)
čištění spalin (odsiřování)
optimalizace spalovacího procesu (NOx)
dávkování aditiv
úspěšné použití u velkých výkonů
tuhé zbytky
ukládání (skládky)
využívání (stavebnictví)
8/79
Parní teplárenské kotle
roštové kotle
spalování paliva v klidné vrstvě
granulační práškové kotle
pro drcené hnědé uhlí, prášek je vháněn se vzduchem do hořáků,
spaluje se v letu v prostoru ohniště
fluidní kotle
s cirkulující atmosférickou fluidní vrstvou, se stacionární (bublinkující)
fluidní vrstvou
spalování méně hodnotných paliv, spalování biomasy
snížení teploty spalin, snížení komínové ztráty, zvýšení účinnosti 90%
9/79
Parní teplárenské kotle
vysokotlaké kotle > 2,5 MPa
průtočné trubkové kotle
voda vháněna do trubek,
mění se na sytou páru,
přehřátou páru
1 – vstup napájecí vody,
2 – ohřívák vody,
3 – výparník,
4 – přechodník,
5 – přehřívák,
6 – vstřikovací regulátor tp,
7 – přehřívák,
8 – výstup páry,
9 – hořáky
10/79
Parní teplárenské kotle
vysokotlaké kotle > 2,5 MPa
bubnové
s nuceným oběhem
1 – buben,
2 – oběhové čerpadlo,
3 – výparník,
4,5 – přehřívák
6 – ohřívák vody,
7 – ohřívák vzduchu,
11/79
Parní teplárenské kotle
I ohniště
II výpust
III sopouch
IV odlučovače a ventilátory
V komín
1 hořáky
2 výparník
3 kotlový buben
4 přehříváky
5 vývod páry
6 ohřívák vody
7 čerpadlo
8 ohříváky vzduchu
12/79
Parní teplárenské turbíny
popis funkce
točivý stroj – přeměna energie admisní (vstupní) páry na mechanickou
energii
stator s rozváděcími koly pro usměrnění toku páry na lopatky rotoru
pára expanduje, transformace tlakové energie, klesá tlak, teplota,
zvětšuje se objem
emisní pára (na výstupu)
expanze na turbíně se ukončí při vyšším tlaku a teplotě 90 až 150 °C
využitelná pro zásobování teplem
dlouhá doba nájezdu ze studeného stavu
postupné prohřívání pro omezení mechanických deformací
nelze denně najíždět, předpoklad kontinuálního provozu
13/79
Parní teplárenské urbíny
14/79
Parní protitlakové turbíny
emisní sytá pára
protitlak: 0,1 až 0,5 MPa
95 až 150 °C
15/79
Parní protitlakové turbíny
veškerá emisní pára využívána pro topné účely
přímo jako teplonosná látka v parních CZT
jako pára do zdrojových předávacích stanic pro horkovodní CZT
(+) vysoká účinnost zdroje, absence ztrát kondenzačních
(-) přímá závislost výroby elektrické energie na dodávce tepla
vynucená výroba elektrické energie
dispečink elektrizační soustavy nemůže manipulovat s instalovaným
výkonem
pouze akceptuje okamžité hodnoty dodávky
zvýšením protitlaku (emisních parametrů páry) klesá výroba elektřiny E a
zvyšuje se Q
16/79
Parní protitlakové turbíny
parametry
výkony od 10 kW do 100 MW
elektrický výkon roste s tlakem / teplotou admisní páry
roste teplárenský modul
17/79
Parní protitlakové turbíny
18/79
Parní protitlakové turbíny
Protitlaková turbína 38 MW ŠKODA MTD30B
výkon 20 až 55 MW
otáčky 5500 / 6000
tlak 3 až 14 MPa
teplota 300 až 450 °C
19/79
Parní protitlakové turbíny
parametry
účinnosti výroby elektřiny a tepla určeny:
účinností kotlů (výroby páry)
termodynamickou účinností turbíny
tepelné a mechanické ztráty ve strojovnách
elektrická účinnost roste s tlakem / teplotou admisní páry
tepelná zůstává stejná, roste celková účinnost
20/79
Parní protitlakové turbíny
přímá závislost elektrického výkonu na dodávaném tepelném
výkonu
na průtočném množství turbínou
rozsah běžně 40 až 100 %, max. 20 až 100 % (požadavek od 5 %)
21/79
Parní protitlakové turbíny
podíl protitlaké páry na
vykrývání diagramu doby trvání
potřeb tepla
roční průběh výroby el. energie
na protitlakém turbosoustrojí
22/79
Parní protitlakové turbíny
navrhování
vždy s ohledem na průběh potřeb tepla
podle minimálního požadavku na dodávku tepla = minimální
průtočné množství páry
podle letní potřeby tepla = celoroční provoz
podle potřeb na začátku / konci otopného období = snížení doby
využití, sezónní provoz
nedokáže vykrýt celoročně potřeby tepla odběratelů = špičkové
zimní zdroje a doplňkové (letní) zdroje
při předimenzování – nutná instalace dodatečné kondenzace nebo
akumulace tepla
23/79
Parní protitlakové turbíny
kam ?
základní zdroje ve velkých teplárnách pro rozsáhlé sítě CZT
provoz v základním zatížení odběrového diagramu
v podnikových teplárnách se stálou potřebou tepla i elektrické
energie
pro dodávky páry o různých tlakových úrovních
24/79
Parní protitlakové turbíny
25/79
Parní protitlakové turbíny
26/79
Parní protitlakové turbíny
uspořádání zdroje pro horkovodní CZT, záloha horkovodní kotel
27/79
Parní protitlakové turbíny
provozní ukazatele
28/79
Parní protitlakové turbíny
výhody
vysoká celková energetická účinnost
dlouhá doba životnosti
možnost dodávat páru i horkou vodu
i pro méně hodnotná paliva
nevýhody
menší podíl výroby elektrické energie
závislost výroby elektřiny na výroba tepla
požadavek na kontinuální provoz bez odstávek
29/79
Parní odběrové turbíny
30/79
Parní odběrové turbíny
odběry
jsou i u protitlakových nebo čistě kondenzačních turbín
pouze pro praktické důvody:
odplynění napájecí vody
předehřev napájecí vody
zvýšení účinnosti cyklu
u odběrové turbíny je odběr záměrně konstruován pro dodávku
tepla vně strojovny – pro CZT
31/79
Parní odběrové turbíny
funkce
shodná s protitlakovou, axiální turbína s jedním a více odběry
veškeré množství páry 1. stupněm
odběr pro zásobování teplem (pára, horkovod) – dostatečná
teplota, tlak
zbylá pára do expanze, kondenzační část turbíny
zbytková energie se využije pro výrobu el. energie
32/79
Parní odběrové turbíny
rozdělení páry pro topné účely a pro kondenzační výrobu
elektřiny
zvýšení regulační schopnosti vůči CZT
regulace množstvím odebírané páry:
od nuly (čistě kondenzační režim) do max. výkonu odběru
částečná eliminace závislosti výroby elektřiny na dodávce tepla
odběry mohou dodávat teplo v různých tlakových úrovních:
vysoký tlak pro technologickou páru
nižší tlak pro dodávku tepla pro vytápění a ohřev
33/79
Parní odběrové turbíny – parametry
výkon
menší vyráběný výkonový rozsah – vyšší vyráběné výkony
výkony od několika MW do 100 MW
elektrický výkon roste s tlakem / teplotou admisní páry
roste teplárenský modul
34/79
Parní odběrové turbíny
Turbina 11.5 MW typu ŠKODA MTD20CE
výkon 15 až 30 MW
otáčky 8000
tlak 3 až 14 MPa
teplota 300 až 450 °C
35/79
Parní odběrové turbíny – parametry
výkonový rozsah
měrný pokles elektrického výkonu vůči čistě kondenzačnímu režimu při
odběru tepelného výkonu
q
ee
P
Pp
36/79
Parní odběrové turbíny – parametry
účinnost
celková účinnost závisí na množství odebíraného tepla
minimální účinnost – čistě kondenzační režim
maximální účinnost – maximální odběr tepla
nižší účinnost oproti protitlakovým – kondenzační ztráty
vyšší spotřeba paliva – spalování levných paliv (uhlí, odpady, ...)
37/79
Parní odběrové turbíny
částečná nezávislost el. výkonu na odebíraném teple
část el. výkonu je vázána na dodávku tepla do CZT – vynucený výkon
dány průtokem odběrem
část el. výkonu je nezávislá na dodávce do CZT – volný výkon daný
průtokem páry turbínou nad množství pro odběr
38/79
Parní odběrové turbíny
částečná nezávislost el. výkonu na odebíraném teple
rozsah el. výkonu je dán:
horní hranicí – instalovaný elektrický výkon
dolní hranicí – výkon při max. odběru páry pro topné účely
využití rozsahu volné výroby el. energie je dáno:
technickými podmínkami – počet jednotek, výkony, pružnost soustrojí
ekonomickými podmínkami – cena paliva, smlouvy
menší turbosoustrojí v průmyslových podnicích pro vykrývání
odběrového diagramu el. energie
velké teplárny - poskytování systémových služeb elektrizační
soustavě
39/79
Parní odběrové turbíny - dimenzování
podíl odběrové páry na
vykrývání diagramu doby trvání
potřeb tepla
roční průběh možných dodávek
el. energie z odběrových
turbosoustrojí
40/79
Parní odběrové turbíny - dimenzování
volnější dimenzování výkonu – možnost regulace
41/79
Parní odběrové turbíny
PK – parní kotel
POT – parní odběrová turbína
RS – redukční stanice
ZO – základní odběr
ŠO – špičkový odběr
42/79
Parní odběrové turbíny
teplárna Strakonice
43/79
Parní odběrové turbíny
provozní ukazatele
44/79
Parní odběrové turbíny
výhody
výroba elektřiny nezávisle na dodávce tepla, možnost vykrývání
diagramů potřeb el. energie
dlouhá doba životnosti
možnost dodávat páru i horkou vodu
možnost využití méně hodnotných paliv
nevýhody
nižší celková energetická účinnost
požadavek na chladicí systém – odvod kondenzačního tepla
požadavek na kontinuální provoz bez odstávek
45/79
Parní odběrové turbíny
použití
velké veřejné teplárny pro rozsáhlé soustavy CZT
podnikové teplárny s velkou potřebou elektrické energie
elektrárny s blízkým a koncentrovaným odbytem tepla
46/79
Teplárenské zdroje
parní protitlaké turbíny parní odběrové turbíny
plynové turbíny plynové motory
47/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
plynová turbína
točivý stroj složený ze tří částí
axiální kompresor – nasávání a stlačování vzduchu, kompresní
poměr 10 až 20
spalovací komora – hoření paliva 900 až 1300 °C
expanzní část turbíny – energie stlačeného ohřátého vzduchu
(spalin) na mechanickou práci
v principu jde o proudový motor (letadla)
transformace mechanické práce na elektřinu a teplo
rekuperace tepla = využití tepla pro další potřeby (CZT)
48/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
49/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
plynová turbína – jedna hřídel
část mechanické práce slouží pro pohon kompresoru, zbytek
generátor – výroba elektřiny
generátor poháněn
rotorem přes spojku (větší turbíny)
přes převodovku (menší vysokootáčkové stroje)
spaliny na výstupu z expanze 450 až 550 °C – využití pro dodávku
tepla
přímo – technologie
nepřímo – výměník (pára, horká voda)
50/79
Plynové turbíny – parametry
výkon
široký vyráběný výkonový rozsah
výkony od 30 kW (mikroturbíny) do 200 MW
elektrický výkon a účinnost závisí na teplotě a tlaku nasávaného
vzduchu
roste se snižující s teplotou a rostoucím tlakem
51/79
Plynové turbíny – parametry
elektrický výkon
elektrický výkon a účinnost závisí na:
teplotě nasávaného vzduchu
tlaku nasávaného vzduchu
roste se snižující s teplotou a rostoucím tlakem
tepelný výkon
tepelný výkon závisí na:
množství a teplotě spalin
vychlazení spalin (pára, horká voda, teplá voda)
52/79
Plynové turbíny – parametry
celková účinnost závisí na:
technologických prvcích turbíny:
max. přípustná teplota spalin na prvním stupni expanze
konstrukčním uspořádání
počet lopatkových řad
s převodovkou x bez převodovky
s rekuperací x bez
nástřik páry do spalovací komory (snížení NOx)
úrovni vychlazení
53/79
Plynové turbíny – parametry
účinnost
plynové turbíny s rekuperací tepla: menší výkony
plynové turbíny větších výkonů jako součást paroplynového cyklu
54/79
Plynové turbíny - provoz
trvalý provoz
analogie s protitlakovou turbínou
výroba elektrické energie vázána na výrobu tepla
omezený regulační rozsah – snížení výkonu pod 70 % vede k
výraznému snížení účinnosti turbíny
55/79
Plynové turbíny - provoz
spalinový by-pass
při sníženém odběru tepla se část spalin vypouští komínem
nezávislost výroby elektřiny a dodávky tepla
snížení celkové účinnosti
neklesá elektrický výkon
málo časté – spalování kvalitních drahých paliv
pouze u velkých turbín ve funkci poskytovatele systémových služeb
elektrizační soustavě
56/79
Plynové turbíny - provoz
rychlý start
krátké časy odstavení, najetí
zkracuje se doba životnosti mezi opravami
zvyšují se ztráty
zvláště při rychlém najíždění ze studeného stavu
pomalejší starty jsou příznivější
vhodný je trvalý provoz na jmenovitý výkon
denní provoz (odstávka na noc)
týdenní provoz (odstávka na víkend)
57/79
Plynové turbíny - provoz
dimenzování
s ohledem na letní období s menším zatížením
použití
průmyslové podniky s nepřetržitým, nebo týdenním, minimálně však s
dvousměnným provozem
s potřebou elektřiny a tepla
s potřebou technologické páry
s potřebou horkého vzduchu
papírenství, potravinářství, těžké strojírenství, chemická výroba
58/79
Plynové turbíny - dimenzování
roční diagram dodávky tepla
59/79
Plynové turbíny - dimenzování
denní diagram dodávky tepla
60/79
Plynové turbíny - palivo
ušlechtilá paliva
zemní plyn, bioplyn, dřevoplyn, skládkový plyn
lehký topný olej
dostatečný tlak plynu v přípojce – plynový kompresor, odběr části
elektrického výkonu
nepotřebuje vodu (!)
vhodné pro suché pouštní oblasti
USA, Afrika, arabské země (těžba ropných produktů)
ropné plošiny
61/79
Plynové turbíny - schéma
plynová
turbína
spalinový
kotel
parní
kotel
62/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
provozní ukazatele
63/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
výhody
možnost rychlého najetí a odstávky
malé nároky na prostorovou a stavební připravenost pro turbínu
(vysoká pro spalinový kotel)
možnost dodávat páru i horkou vodu
nevýhody
spalování pouze ušlechtilých paliv
omezený regulační rozsah provozních výkonů
vysoké nároky na kvalitu obsluhy a údržby
vysoká hlučnost (kontejnerové odhlučněné provedení)
64/79
Plynové turbíny s rekuperací tepla
65/79
Paroplynový cyklus
kombinace plynové turbíny se spalinovým kotlem pro
produkci páry pro parní turbínu
teplem ze spalin plynové turbíny se ve spalinovém kotli vyrábí pára
pro parní (protitlakovou, odběrovou) turbínu
část vyrobené páry se vstřikuje do spalovací komory spalovací
turbíny (Chengův cyklus)
snaha o maximální podíl výroby elektrické energie z paliva
účinnost výroby tepla 25 až 40 %
účinnost výroby el. energie 38 až 46 %
66/79
Paroplynový cyklus
kombinace výhod a nevýhod obou zařízení
protitlaké turbíny – vysoká celková účinnost, vynucená výroba
odběrové turbíny – nižší celková účinnost, volný elektrický výkon
vyšší podíl výroby elektřiny vůči teplu
plynová turbína jako záložní zdroj v el. soustavě v době bez odběru
tepla, nájezd do 15 min
nutnost použití ušlechtilých paliv (plyny, lehké topné oleje)
malý regulační rozsah
67/79
Paroplynový cyklus
68/79
Paroplynový cyklus
69/79
Paroplynový cyklus
samostatný hořák ve spalinovém kotli
využití přebytku kyslíku ve spalinách z plynové turbíny
zvýšení výkonu kotle pro dosažení vyšších parametrů páry (účinnost
parní turbíny)
nezávislost parního cyklu na plynové turbíně
plynová turbína zůstává jako záložní zdroj v el. soustavě v době bez
odběru tepla, nájezd do 15 min
70/79
Paroplynový cyklus – parametry
výkon
výkony od x0 MW do x00 MW
el. výkon plynové turbíny závisí na teplotě a tlaku nasávaného vzduchu
el. výkon parní turbíny závisí na množství a parametrech odběru tepla
71/79
Paroplynový cyklus – parametry
účinnost
z hlediska schopnosti regulace výkonu je limitním prvkem plynová turbína –
strmý pokles účinnosti
z hlediska četnosti a rychlosti najíždění je limitním prvkem parní turbína –
strmý pokles účinnosti
72/79
Paroplynový cyklus – provoz
špičkový provoz
odběrové a kondenzační turbíny
elektrárenský provoz
vysoká výroba elektřiny
nízká energetická účinnost, kondenzační ztráty energie v drahém
palivu
dodávka systémových služeb pro elektrizační soustavu, podle
aktuálních podmínek na trhu s elektrickou energií
73/79
Paroplynový cyklus – provoz
teplárenský provoz
protitlakové turbíny
maximální účinnost
menší výroba elektřiny
omezený rozsah systémových služeb
ideálně - návrh pro základní zatížení s maximální dobou využití
instalovaných výkonů
prakticky - návrh na průměrné zatížení se stabilizací provozu PPC
využitím akumulace tepla (beztlaké akumulátory)
velké výkony PPC + trvalý provoz = největší sítě CZT, tj. soustavy s
více zdroji, v létě v provozu levné palivo (odpad, biomasa)
74/79
Paroplynový cyklus – dimenzování
roční diagram dodávky tepla
75/79
Paroplynový cyklus – dimenzování
denní diagram dodávky tepla
76/79
Paroplynový cyklus – schéma
plynová
turbína
spalinový
parní kotel
parní
turbína
77/79
Paroplynový cyklus
provozní ukazatele
78/79
Paroplynový cyklus
výhody
vysoký podíl vyráběné elektrické energie
vysoká účinnost výroby elektřiny i celého cyklu v případě provedení
bez kondenzace
možnosti dodávky tepla v páře i v horké vodě
možnost modulového uspořádání a různých modifikací konfigurace
variabilita použití – od špičkových služeb po trvalé zatížení
79/79
Paroplynový cyklus
nevýhody
možnost spalování pouze ušlechtilých paliv
technologická komplikovanost, vysoké nároky na kvalitu obsluhy a
údržby
vysoká hlučnost plynové turbíny
sice malé prostorové nároky pro instalaci plynové turbíny, ale velké
pro kotel a parní okruh
top related