elektra ne

Dr Dragoslav Peri}

ELEKTRANE I RAZVODNA POSTROJENJA

VI[A ELEKTROTEHNI^KA [KOLA BEOGRAD, 2001

I DEO

PROIZVODNJA I POTROŠNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE

Dr Dragoslav Peri}, profesor Vi{e elektrotehni~ke {kole u Beogradu

ELEKTRANE I RAZVODNA POSTROJENJA

I DEO

PROIZVODNJA I POTROŠNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE

Drugo, elektronsko izdanje

Recenzenti: Doc. dr Milo{ Milankovi}, profesor VET[ Mr Jasmina Milovanovi}, predava~ VET[

Lektor:

Dr Mirjana Popovi}

Izdava~: Vi{a elektrotehni~ka {kola u Beogradu,

Vojvode Stepe 283,Beograd

Tehni~ka obrada teksta: Dragiša Marinkovi}, in`

Priprema elektronskog izdanja

Autor

1

1. OBLICI ENERGIJE...........................................................................................3

2. TRANSFORMACIJE OBLIKA ENERGIJE.......................................................9 2.1. SAGOREVANJE.....................................................................................9

2.1.1 Uop{teno o sagorevanju ................................................................9 2.1.2. Priprema i sagorevanje goriva.................................................... 11

2.2. RAZMENJIVA^I TOPLOTE ................................................................ 13 2.3. NUKLEARNE REAKCIJE .................................................................... 17

2.3.1. Izotopi i vreme poluraspada ....................................................... 17 2.3.2 Nuklearne reakcije i udarni preseci ............................................. 19 2.3.3. Nuklearna fisija ........................................................................... 21 2.3.4. Nuklearna fuzija .......................................................................... 23

2.4. PRETVARANJE UNUTRA[NJE TERMI^KE ENERGIJE U MEHANI^KU ENERGIJU.................................................................... 23

2.4.1. Uop{teno o pretvaranju unutra{nje toplotne energije u mehani~ku energiju..................................................................... 23 2.4.2. Toplotni radni ciklus sa vla`nom parom (Renkinov ciklus)........ 30 2.4.3. Toplotni radni ciklus sa pregrejanom parom.............................. 31 2.4.4. Toplotni radni ciklus sa me|upregrevanjem i regeneracijom pare..................................................................... 32 2.4.5. Toplotni ciklusi sa namenskim odvo|enjem toplote (toplifikacioni ciklusi) ................................................................... 33

2.5. PRETVARANJE POTENCIJALNE ENERGIJE VODE U MEHANI^KU ENERGIJU.................................................................... 35

2.5.1. Principi kori{}enja vodnih snaga................................................ 35 2.5.2. Osnovne osobine i vrste vodnih turbina..................................... 40 2.5.3. Izbor broja obrtaja i tipa turbine .................................................. 42

3. PROIZVODNJA I POTRO[NJA ELEKTRI^NE ENERGIJE........................ 47 3.1. Elektroenergetski sistemi ..................................................................... 47 3.2. Potro{nja i proizvodnja elektri~ne energije .......................................... 48 3.3. Osnovne karakteristike elektrana ........................................................ 50

4. HIDROELEKTRANE ..................................................................................... 51 4.1. Vrste hidroelektrana............................................................................. 51 4.2. Osnovni delovi hidroelektrana ............................................................. 53

4.2.1. Brana........................................................................................... 53 4.2.2. Zahvat i dovod vode ................................................................... 55 4.2.3. Vodostan..................................................................................... 55 4.2.4. Cevovod pod pritiskom............................................................... 56 4.2.5. Ma{inska zgrada i odvod............................................................ 56

4.3. Pumpno-akumulacione elektrane ........................................................ 60 4.3.1. Princip rada................................................................................. 60 4.3.2. Energetski bilans i stepen iskori{}enja ...................................... 61

2

4.4. Prikaz hidroelektrana na Dunavu (\erdap 1, \erdap 2, \erdap 3).... 62

4.4.1. \erdap 1 ..................................................................................... 62 4.4.2. \erdap 2 ..................................................................................... 63 4.4.3. Pumpno akumulaciona hidroelektrana \erdap 3....................... 64

5. TERMOELEKTRANE.................................................................................... 65 5.1. Vrste termoelektrana............................................................................ 65 5.2. [ema veza termi~kog dela termoelektrane......................................... 66

5.2.1. Blok spoj ..................................................................................... 66 5.2.2. [ema sa sabirnicama pare......................................................... 66

5.3. Energetski bilans i stepen iskori{}enja termoelektrana ...................... 68 5.4. Energetska svojstva termoelektrana ................................................... 68

5.4.1. Dijagram pokretanja agregata .................................................... 68 5.4.2. Dijagram preuzimanja tereta ...................................................... 69 5.4.3. Tehni~ki minimum....................................................................... 70

5.5. Termoelektrana "Nikola Tesla" B 2x620 MW ..................................... 70

6. NUKLEARNE ELEKTRANE.......................................................................... 73 6.1. Vrste nuklearnih elektrana ................................................................... 73 6.2. Osnovni delovi nuklearnih elektrana.................................................... 74

7. LITERATURA ................................................................................................ 77

3

1 OBLICI ENERGIJE Neke definicije energetike date su u slede}em pregledu: Nau~no-stru~na: Energetika je nauka o energiji i o tehni~kom kori{}enju izvora

energije. Ekonomska: Energetika je skup privrednih aktivnosti pomo}u kojih se istraùju

i proizvode primarni izvori energije, zatim transformi{u, prenose i distribuiraju do potro{a~a i kao primarna ili sekundarna energija racionalno koriste.

Filozofska: Energetika je pogled na svet koji sve {to postoji i {to se zbiva

svodi na energiju, ~ak i materiju i duh, koji ustvari nisu ni{ta drugo do oblici u kojima se energija pojavljuje.

U {irem smislu: Energetika je grana privrede koja omogu}ava snabdevanje

potro{a~a neophodnom energijom. U osnovi energija je sposobnost vr{enja rada dok se pod pojmom izvori energije podrazumevaju pojave ili materijali koji se mogu koristiti za proizvodnju energije. êsto se pored izvora energije koriste izrazi oblici energije ili nosioci energije, mada se u su{tini odnose na istu stvar. Samo neki prirodni materijali ili pojave mogu da se koriste za proizvodnju energije i to su primarni, koji se dalje mogu transformisati u sekundarne (ve{ta~ke) izvore (oblike) energije, dok je potro{a~ima potrebna korisna energija. Energija se pojavljuje u razli~itim oblicima, ali se u osnovi moè svrstati u akumulisane (nagomilane) i prelazne oblike. Akumulisani oblici energije (potencijalna, kineti~ka i unutra{nja) se u svom obliku mogu odràti po èlji dugo, dok je za prelazne oblike karakteristi~na kratkotrajnost pojave. Prelazna energija (mehani~ka, elektri~na i toplotna) se pojavljuje kada akumulisana energija menja svoj oblik i kada prelazi sa jednog tela na druga. S druge strane sve izvore energije u zavisnosti da li se nalaze ili pojavljuju u prirodi i zavisno od na~ina kori{}enja delimo na primarne, sekundarne i korisne oblike energije.

4

Primarni oblici energije su oni oblici koji se nalaze u prirodi ili se u njoj pojavljuju, pri ~emu samo neki od njih mogu da se koristite u svom prirodnom obliku. Primarni oblici energije se mogu podeliti na: a) konvencionalne i nekonvencionalne izvore energije (s obzirom

na nivo kori{}enja), b) neobnovljive i obnovljive izvore energije (s obzirom na prirodnu

obnovljivost). U konvencionalne izvore energije (koji se danas naj~e{}e koriste) se ubrajaju: - drvo, ugalj, sirova nafta, prirodni gas (jednom re~ju goriva), - vodne snage (hidropotencijal) i - nuklearna goriva (uran i torijum). U nekonvencionalne primarne izvore energije spadaju: - energija zra~enja Sunca, - geotermalna energija, - energija vetra, - energija mora i morskih talasa, plime i oseke i - energija fuzije lakih atoma. Kao nekonvencionalni energetski izvori ~esto se navode uljni {kriljci i bitumenozne peskovi, mada po drugoj podeli spadaju u alternativne konvencionalne izvore. Obnovljivi izvori energije su: - zra~enje Sunca, - vodne snage, - energija vetra, - energija plime i oseke, - energija talasa mora, dok su neobnovljivi izvori: - sva fosilna goriva (ugalj, nafta, uljni {kriljci, bituminozni peskovi), - nuklearna goriva i - geotermalna energija. Obnovljivi izvori se ne mogu utro{iti, jer se Sun~evim zra~enjem stalno obnavljaju (fotosinteza izaziva rast biomase, promena atmosferskih prilika izaziva vetar, isparavanje vode dovodi do stvaranja oblaka, a zatim padavina koje obnavljaju vodne snage, itd). Primarni oblici energije mogu se podeliti na: - nosioce hemijske energije (drvo, treset, ugalj, sirova nafta,

prirodni gas, uljni {kriljci, bitumenozni peskovi, biomasa), - nosioce potencijalne energije (vodne snage, plima i oseka),

5

Sl. 1 Primarni, transformisani i korisni oblici energije - nosioce nuklearne energije (nuklearna goriva), - kineti~ke energije (vetar, morski talasi), - toplotne energije (geotermalna energija, toplota mora), - energije zra~enja (Sun~evo zra~enje). Vidi se da postoje znatne razlike izme|u pojedinih primarnih goriva kako u pogledu njihovog kori{}enja, obnovljivosti, raspoloìvosti, tako i u pogledu tehno-ekonomske opravdanosti kori{}enja. Me|utim gotovo svi primarni oblici energije mogu se upotrebiti u prirodnom obliku za dobijanje korisne energije, pa je za njihovo kori{}enje neophodno izvr{iti transformaciju u pogodniji oblik energije. Transformacije primarnih izvora energije su poèljne i zbog toga {to je ~esto tehni~ki i ekonomski opravdanije koristiti transformisane (sekundarne) izvore energije zbog manjeg i jeftinijeg transporta. Naj~e{}i oblici transformacija (sl. 1) primarnih u transformisane oblike energije su:

SAGOREVANJE - proces transformacije hemijske energije goriva u unutra{nju toplotnu

energiju. Ona se kao toplotna energija moè direktno da koristi za grejanje, pripremu tople vode, tehnolo{ke procese i sl. Postrojenja i

6

ure|aji za neposrednu transformaciju hemijske u unutra{nju energiju su lo`i{ta.

PRETVARANJE UNUTRA[NJE TERMI^KE ENERGIJE U MEHANI^KU ENERGIJU - unutra{nja termi~ka energija dobijena sagorevanjem dalje se mo`e

transformisati u mehani~ku energiju (produkti sagorevanja u motorima SUS i gasnim turbinama, energija pare u parnim turbinama i ma{inama).

DESTILACIJA - sirova nafta se ne koristi u prirodnom obliku, ve} u obliku svojih

derivata dobijenih u postupku destilacije u rafinerijama. Transformacija sirove nafte omogu}ava vi{estruku i raznovrsnu upotrebu derivata za proizvodnju toplotne, mehani~ke i hemijske energije.

DEGAZOLINA@A - transformacija u kojoj se vr{i odvajanje lakih od te{kih ugljovodonika

kod prirodnog gasa.

NUKLEARNE REAKCIJE - transformacija primarne nuklearne energije u unutra{nju energiju

nosilaca energije (voda, vodena para), a zatim u mehani~ku energiju pomo}u parnih turbina.

TURBINSKE TRANSFORMACIJE - transformacije potencijalne energije (vodnih snaga, plime i oseke),

kineti~ke energije (vetar i morski talasi), geotermalne energije i toplotne energije mora u mehani~ku energiju pomo}u vodnih turbina, vetrenja~a i toplotnih turbina.

7

ENERGIJA ZRAÊNJA - moè se transformisati u unutra{nju toplotnu energiju nosilaca

energije (voda, para), a zatim u mehani~ku, odnosno u elektri~nu energiju direktno putem solarnih fotonaponskih }elija.

Kao rezultat navedenih transformacija, koje mogu imati i svoje modifikacije, dobijaju se korisni oblici energije za potro{a~e. Potro{a~i koriste energiju u jednom od slede}ih oblika: toplotna, mehani~ka, hemijska i svetlosna energija, pri ~emu se korisnim oblicima energije moè pribrojati i hemijska elektri~na energija. Toplotna energija se naj~e{}e prenosi putem nosilaca toplotne energije (voda, para, produkti sagorevanja) ili elektri~ne energije. Ukoliko se kao nosilac toplote koristi fluid, potreban je razmenjiva~ toplote da bi se izvr{ila razmena toplote u prostoriji ili ure|aju. Elektri~na energija se u otpornim i indukcionim pe}ima i ure|ajima direktno pretvara u toplotnu energiju. Mehani~ku energiju ostvarujemo bilo putem kori{}enja elektri~ne energije (elektri~ni motori) ili sagorevanjem goriva u motorima sa unutra{njim sagorevanjem, gasnim turbinama i motorima sa spoljnim sagorevanjem. Za dobijanje hemijske energije sluì koks, elektri~na energija ili oba zajedno, a koristi se u redukcionim pe}ima koje se baziraju na hemijskim procesima. U poslednje vreme za te potrebe se koriste prirodni gas i ulje za loènje umesto koksa. Za snabdevanje potro{a~a svetlosnom energijom danas se koristi samo elektri~na energija, mada su istorijski gledano zna~aj imali petrolej i gradski gas.

8

HEMIJSKAENERGIJA

NUKLEARNAENERGIJA

TOPLOTAMORA

GEOTERMAL-NI IZVORI

POTENC.ENERGIJAVODE

ENERGIJAPLIME IOSEKE

KINETICKAENERGIJAVETRA

ENERGIJAZRACENJA

SAGOREVANJE FISIJA FUZIJA

UNUTRASNJATERMICKAENERGIJA




GORIVECELIJE

TERMO-ELEKTRICNIELEMENTI

TERMO-JONSKIELEMENTI

GENERATO-

RI MHD

GASNETURBINE

MOTORISUS

VODNETURBINE

PARNETURBINE

VETRENJACE SOLARNIELEMENTI

MEHANICKA ENERGIJA

ELEKTRICNIGENERATORI

ELEKTRICNAENERGIJA

Sl. 2 Mogu}e transformacije razli~itih oblika energije u elektri~nu energiju Elektri~na energija se zbog svoje rasprostranjenosti na razli~ite kategorije korisnika u nekim podelama tako|e ubraja u korisne oblike energije, iako se zapravo ne upotrebljava neposredno, ve} se prethodno transformi{e u toplotnu, mehani~ku, hemijsku ili svetlosnu energiju. Mogu}e transformacije razli~itih oblika energije u elektri~nu energiju prikazane su na sl. 2.

9

2 TRANSFORMACIJE OBLIKA ENERGIJE 2.1 SAGOREVANJE 2.1.1 Uop{teno o sagorevanju Sagorevanje je hemijska reakcija oksidacije sagorljivih sastojaka iz nekog goriva sa kiseonikom iz vazduha uz istovremenu pojavu toplote i svetlosti. Sagorevanje goriva se odvija po zakonu o odrànju mase. Energetska jedna~ina sagorevanja goriva zasniva se na prvom zakonu termodinamike koji glasi: U sistemu tela izdvojenom iz okoline energija je konstantna, ona ne nestaje, niti se stvara, jedino prelazi iz jednog oblika u drugi. Pri sagorevanju, energija u gorivu, kojom se atomi odràvaju u molekulima goriva, menja se pri prelazu po~etne materije (molekuli goriva i vazduha) u energiju molekula produkata sagorevanja (molekuli dimnih gasova i pepela). Iz navedenog proizlazi da se pri sagorevanju menja i materija i oblik energije. Kod procesa sagorevanja oslobo|ena energija pri hemijskim procesima prenosi se na molekule kao njihova kineti~ka energija, pri ~emu se pove}ava unutra{nja energija, a zbog toga i temperatura. Sagorevanje moè da bude potpuno ili nepotpuno, zavisno od uslova pri kojima se vr{i sagorevanje: mogu}nosti obezbe|ivanja dovoljnih koli-~ina kiseonika, sastava i pripremljenosti goriva, temperature i trajanja sagorevanja. Potpuno sagorevanje goriva je proces pri kome svi sagorljivi elementi sadràni u gorivu, potpuno oksidiraju (izgore). Da bi se ostvarilo potpuno sagorevanje treba da budu ispunjeni slede}i uslovi: - u loì{tu mora da vlada dovoljno visoka temperatura koja

omogu}ava paljenje goriva - temperatura paljenja, - treba da se ostvari dobro me{anje goriva i vazduha uz

zadovoljavaju}i odnos koli~ina goriva i vazduha - gorivo mora da bude pripremljeno na zadovoljavaju}i na~in

(na primer mlevenje uglja), - za proces sagorevanja mora da bude na raspolaganju

dovoljno vremena. Nepotpuno sagorevanje goriva je proces u kome sagorljivi elementi sadràni u gorivu ne sagore u potpunosti, ve} samo delimi~no. Prakti~no to zna~i da dimni gasovi sadrè, uz produkte sagorevanja, i sastojke

10

goriva koji nisu stigli da sagore iz bilo kojih razloga. Ti sastojci odlaze kroz dimnjak zajedno sa produktima sagorevanja i sa sobom odnose deo hemijske energije goriva koja se nije pretvorila u toplotnu energiju, {to za pogon predstavlja gubitak. Prema agregatnom stanju razlikuju se ~vrsta goriva (drvo, lignit, mrki ugalj i kameni ugalj), te~na goriva (nafta, naftini derivati) i gasovita goriva (gas iz visokuh pe}i, gas iz koksnih pe}i, generatorski gas, prirodni gas). Gorivo se sastoji od sagorljivih sastojaka, vode i pepela. Sagorljivi sastojci sastavljeni su od ugljenika (C), vodonika (H), sumpora (S), kiseonika (O) i azota (N) i mogu biti slobodni ili vezani u jedinjenjima. Osnovne fizi~ke karakteristike goriva su temperatura paljenja i donja toplotna mo}. Temperatura paljenja je temperatura iznad koje po~inje proces brze oksidacije goriva, tj. paljenje goriva. Temperatura paljenja nije jednozna~no odre|ena ve} zavisi od brzine hemijske reakcije pri oksidaciji i od odvo|enja toplote oslobo|ene hemijskom reakcijom, {to opet zavisi od konstrukcije i uslova u loì{tu. Kvalitet goriva se ceni prema njegovoj toplotnoj mo}i. Za gorivo u ~vrstom ili te~nom agregatnom stanju toplotna mo} se defini{e kao koli~ina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju 1kg mase goriva, a za gasove 1m3 goriva. Ako gorivo u produktima sagorevanja sadrì vodenu paru ili vodonik koji prilikom sagorevanja obrazuje vodu, onda goriva imaju gornju (Hg) i donju (Hd) toplotnu mo}. Gornja toplotna mo} nekog goriva uvek je ve}a od donje, a razlika izme|u ove dve vrednosti predstavlja latentnu toplotu isparavanja koju sadrè dimni gasovi i koja se ne moè iskoristiti. Zato se uvek ra~una sa donjom toplotnom mo}i. Podaci o donjoj toplotnoj mo}i i temperaturama paljenja za neka najva`nija goriva dati su u tabeli I. Da bi se izvr{io proces sagorevanja, potrebno je obezbediti potrebnu koli~inu kiseonika koja se dobija iz vazduha. Teoretski potrebna koli~ina vazduha moè se odrediti na osnovu poznavanja hemijskih reakcija koje se odvijaju prilikom sagorevanja. Stvarna potrebna koli~ina vazduha uvek je ve}a od teoretske da bi se obezbedilo da svaka ~estica goriva do|e u dodir sa slobodnom ~esticom kiseonika iz vazduha (tj. uvek izvesna koli~ina vazduha prolazi kroz sloj goriva i kroz prostor za sagorevanje a ne u~estvuje u sagorevanju).

11

Najva`niji faktori koji uti~u na koeficijent vi{ka vazduha (odnos stvarno potrebne i teoretski odre|ene koli~ine vazduha) su vrsta goriva i njegova priprema, udeo isparljivih sastojaka i pepela, osobine sagorljivih materija, temperatura paljenja i sagorevanja, temperatura vazduha na ulazu u loì{te i tip loì{ta, recirkulacija dimnih gasova, broj i tip gorionika. 2.1.2 Priprema i sagorevanje goriva Da bi se izvr{ilo sagorevanje, gorivo treba pripremiti za sagorevanje, dovesti do temperature paljenja i uz dovo|enje kiseonika izvr{iti njegovo sagorevanje. Priprema goriva ima za cilj pove}anje povr{ine goriva koja }e do}i u dodir sa vazduhom, {to se obi~no postiè raspr{ivanjem. Sagorevanje goriva se vr{i u loì{tu, ~ija konstrukcija zavisi od vrste goriva, potrebne toplotne snage i od konstrukcije razmenjiva~a toplote (na primer, parnog kotla). Dakle, u loì{tu se hemijska energija goriva pretvara u toplotnu energiju. Sagorevanje ~vrstih goriva. Moè biti na re{etci (slojno) ili u prostoru. Vazduh koji sluì za sagorevanje dovodi se ispod re{etke odakle prodire u slojeve goriva. Posle sagorevanja na re{etci ostaje pepeo i {ljaka.

Gorivo Donja toplotna mo} Hd Temperatura paljenja Θp

MJ/kg ili MJ/m3 oC

Drvo 14,65

Lignit 7,2-13,5 200-350

Mrki ugalj 14,7-25,2 250-450

Kameni ugalj 25,2-33,5 400-500

Nafta 39,77-46 530-580

Mazut 46 350-450

Prirodni zemni gas 33,5-62,8 650-750

Gas koksnih pe}i 19,68 550-650

Gas visokih pe}i 29,3-41,9 700-800

Generatorski gas 3,35-7,12 700-800 Tabela I Toplotna mo} i temperatura paljenja goriva

12

Kod sagorevanja na re{etci, rukovanje loì{tem obuhvata tri najva`nije operacije: - dovod goriva na re{etku, odnosno loì{te, - raspodela goriva po re{etci, - uklanjanje pepela i {ljake. Pomenute operacije mogu da budu potpuno ili delimi~no mehanizovane. Sa loènjem na re{etci ostvaruju se snage kotlova do 100t/h. Pri sagorevanju u prostoru, ~vrsto gorivo se prvo usitni na odre|enu fino}u, a zatim se dovodi u loì{te pomo}u struje zagrejanog vazduha, posredstvom gorionika. Me{avina samlevenog uglja i vazduha pali se u loì{tu. Kod ugljeva male toplotne mo}i ~esto se koristi recirkulacija dimnih gasova tako {to se deo dimnih gasova iz loì{ta vra}a u mlinove. Na taj na~in vr{i se su{enje ugljene pra{ine u mlinovima i postiè potrebna temperatura me{avine za sagorevanje. Ako temperatura me{avine ugljene pra{ine i vazduha u dovodnim kanalima dostigne temperaturu paljenja goriva, gorivo }e se zapaliti. Zato je potrebno, zavisno od koli~ine vlage u gorivu, podesiti temperaturu zagrevanja vazduha, kako bi temperatura me{avine bila dovoljno ispod temperature paljenja goriva. Prednosti i nedostaci sagorevanja goriva u prostoru u odnosu na sagorevanje na re{etci su taksativno navedeni: Prednosti: - mogu se izra|ivati loì{ta velikih snaga (jer nema glomaznih re{etki), - istovremeno se mogu koristiti goriva razli~itih karakteristika, - postiè se visok stepen iskori{}enja loì{ta (nema propadanja goriva kroz re{etke, potreban je manji vi{ak vazduha itd.), - vazduh se moè zagrevati na ve}e temperature (ne}e se ugroziti re{etka). Nedostaci: - velika potro{nja energije za mlevenje uglja i za rad ventilatora koji dovode sve` vazduh, - veliko tro{enje obrtnih delova mlinova za ugalj, - neophodna ugradnja filtera za dimne gasove radi uklanjanja ~estica pepela i nesagorljivih sastojaka goriva, - teà mogu}nost rada kotla sa malim optere}enjem (najmanje 30-50% nominalne snage), - opasnost samozapaljenja ugljene pra{ine. Sagorevanje te~nih i gasovitih goriva. Priprema ovih goriva za sagorevanje znatno je jednostavnija.

13

Kod te~nih goriva potrebno je izvr{iti raspr{ivanje kako bi se stvorila me{avina pare te~nog goriva i vazduha, koja potom sagoreva. Da bi se ostvarilo potpuno sagorevanje, treba izvr{iti pravilan izbor gorionika. Kod goriva u gasnom agregatnom stanju potrebno je samo me{anje sa vazduhom. Sagorevanje se vr{i pomo}u gasnih gorionika (plamenika).

2.2 RAZMENJIVA^I TOPLOTE Razmenjiva~i toplote su aparati u kojima toplota prelazi sa jednog fluida na drugi. Prema na~inu rada dele sa na rekuperativne, regenerativne i razmenjiva~e sa me{anjem fluida. Kod regenerativnih razmenjiva~a ista ogrevna povr{ina naizmeni~no se greje i hladi razli~itim fluidima koji ne dolaze u neposredni dodir, a kod razmenjiva~a sa me{anjem fluida toplota se razmenjuje neposrednim dodirom i me{anjem fluida (na primer, grejanje gasova pomo}u vode ili hla|enje vode pomo}u vazduha). Kod rekuperativnih razmenjiva~a toplote (parni kotlovi, kondenzatori, radijatori, zagreja~i i dr.) topli i hladni fluid istovremeno struje kroz razmenjiva~, a toplota prolazi kroz zid koji deli fluide (slika 3).

Sl. 3 Razmenjiva~ toplote sa posrednim dodirom (rekuperativni)

Za energetske transformacije naj~e{}e upotrebljavani izmenjiva~ je parni kotao, pa }e se u nastavku ukratko izlo`iti osnovne karakteristike i princip rada parnog kotla. Osnovni zadatak parnog kotla je da toplotu oslobo|enu sagorevanjem goriva dovede i preda vodi koja dovo|enjem toplote isparava u vodenu paru. Dobijena vodena para na izlazu iz kotla treba da ima odre|eni pritisak i temperaturu, koje sa snagom kotla predstavljaju osnovne

14

karakteristike kotla. Snaga kotla izraàva se u kilogramima ili tonama pare koje kotao moè da proizvede za jedan sat. Kotlovi snage do 500t/h smatraju se malim i srednjim kotlovima, a kotlovi ve}e snage od 500t/h su kotlovi velike snage.

GORIVOm , i , T

VAZDUHm , i ,T

NAPOJNA VODAm ,i ,T

GUBICI TOPLOTKONVEKCIJOM ZRAÊNJEM

DIMNI GASOVIm ,i ,T

VODENA PARAm, i ,T

GUBICI ULO@ISTU

d d d

g g g

2 2

11

v v v

Sl. 4 Šema za odredjivanje energetskog bilansa parnog kotla

Da bi se napravio energetski bilans kotla, treba poznavati energetske karakteristike svih fluida na ulazu i izlazu iz kotla. Fluidi koji ulaze u kotao su gorivo, vazduh i napojna voda, a fluidi koji izlaze iz kotla su dimni gasovi (kao produkti sagorevanja) i vodena para. Za energetski bilans u obzir treba uzeti i koli~inu toplote koja se gubi u kotlu za vreme procesa sagorevanja. Najva`nije veli~ine pobrojanih fluida su date u tabeli II. Ako se pretpostavi da je ulazna koli~ina energije jednaka izlaznoj koli~ini energije, izraz za jednakost odgovaraju}ih snaga moè se napisati u obliku:

g g u v v u 1 1 d d d 2 2 km i (T )+ m i (T )+ mi (T ) = m i (T )+ mi (T )+ Q∆ (1)

15

Energija dovedena gorivom moè se izraziti donjom toplotnom mo}i kao:

g d g g u v v u d d um h = m i (T )+ m i (T )- m i (T ) (2)

Zamenom jedna~ine 2 u jedna~inu 1 dobija se izraz koji ukazuje na raspodelu toplote dovedene gorivom:

g d 2 2 1 1 d d d d u km h = m[i (T )- i (T )]+ m [i (T )- i (T )]+ Q∆ (3)

Deo toplote dovedene gorivom koristi se za pove}anje sadràja toplote (entalpije) mase vode m sa i1 na i2, deo se koristi na zagrevanje dimnih gasova sa temperature okoline Tu na temperaturu izlaznih dimnih gasova Td, i deo toplote se gubi u kotlu u procesu sagorevanja.

Fluidi koji ulaze u kotao

masa ili zapremine

sadràj toplote

temperatura

kg ili m3 MJ/kg ili MJ/m3

K

gorivo mg ig Tu

vazduh mv iv Tu

napojna voda m i1 T1

Fluidi koji izlaze iz kotla

masa ili zapremina

sadràj toplote

temperatura

kg/s ili m3/s MJ/kg ili MJ/m3

K

dimni gasovi md id Td

vodena para m i2 T2

gubici ∆Qk

Tabela II Osnovne veli~ine goriva Od dobijenih koli~ina toplote samo je prvi ~lan na desnoj strani korisna toplota, pa se stepen iskori{}enja kotla izra~unava prema relacijama:

16

k2 1

g d

kd d d d u K

g d

= m(i - i )

m h

ili

= 1-m [i (T )- i ( T )]+ Q

m h

η

η∆

(4)

Stepen iskori{}enja parnih kotlova kre}e se od 0,80 do 0,92. Da bi se dobio {to ve}i stepen iskori{}enja kotla, treba smanjiti temperaturu dimnih gasova Td na izlazu iz kotla i ostale gubitke koji nastaju u toku procesa sagorevanja ∆QK. Po veli~ini najzna~ajniji gubitak u kotlu je gubitak energije u dimnim gasovima, koji nastaje usled toplote izlaznih dimnih gasova. Ovaj gubitak je neizbeàn kod svih kotlova zato {to bi se sa smanjenjem temperature dimnih gasova pojavio problem kondezovanja vode u izlaznim dimnim gasovima. Kondenzovana voda bi sa sumpor-dioksidom stvarala kiselinu koja bi razarala delove kotla, pa se zbog toga dimni gasovi ne mogu ispu{tati sa temperaturom niòm od 373K. Ostale gubitke koji nastaju u kotlu u toku procesa sagorevanja ∆QK sa~injavaju: - fizi~ki gubici goriva ∆∆∆∆Qf (propadanje goriva kroz re{etku,

nesagoreno gorivo u pepelu, {ljaci i loì{tu), - nepotpuno sagorevanje goriva ∆∆∆∆Qn, - gubitak toplote u pepelu i {ljaci ∆∆∆∆Qp, - gubitak toplote koji nastaje konvekcijom i zra~enjem ∆∆∆∆Qv Na smanjenje gubitaka moè se uticati na slede}e na~ine: - dobrom konstrukcijom i izradom kotla, - vrstom i pripremom goriva, - dobrim sagorevanjem goriva (pravilan vi{ak vazduha, dobar

izbor gorionika), - kvalitetnom izolacijom, - kvalitetom vode, - kvalitetnim rukovanjem i odràvanjem postrojenja. Kod konstrukcije kotlova porast stepena iskori{}enja postiè se uglavnom usavr{avanjem ure|aja za loènje i uvo|enjem i pove}avanjem dodatnih ogrevnih povr{ina. Primer pove}anja ogrevnih povr{ina, odnosno primer boljeg kori{}enja toplote dimnih gasova sagorevanja prikazan je na sl. 5. Gasovi sagoreva-

17

nja iz podru~ja najvi{ih temperatura vode se u pregreja~ pare gde predaju}i toplotu pove}avaju temperaturu vodenoj pari. Posle toga gasovi sagorevanja, delimi~no ohla|eni, vode se u zagreja~ vode u kome se voda zagreva na vi{u temperaturu pre ulaska u prostor za isparavanje. Najzad, dimni gasovi prolaze kroz zagreja~ vazduha, u kome se vazduh zagreva na vi{u temperaturu pre ulaska u loì{te.

Sl. 5 Elementarna šema rada parnog kotla - primer pove}anja ogrevnih površina

2.3 NUKLEARNE REAKCIJE 2.3.1 Izotopi i vreme poluraspada Nuklearna energija je energija koja se osloba|a nuklearnom reakcijom ili radioaktivnim raspadanjem. Nuklearna energija se iskori{}ava kada se tako oslobo|ena energija prvo pretvori u toplotu a zatim u elektri~nu energiju. Atom je najmanja ~estica nekog elementa koja ima osobine tog elementa. Jezgro atoma se sastoji od dve vrste ~estica, pozitivno naelektrisanih protona i neutralnih neutrona. Protoni i neutroni imaju pribli`no jednake mase. U orbiti oko jezgra kruè negativno naelektrisani elektroni ~ija je masa znatna manja od mase protona ili neutrona. Ukupno naelektrisanje atoma je nula, tj. broj protona u jezgru i broj elektrona u orbiti su jednaki. Svi atomi odre|enog hemijskog elementa sadrè isti broj protona. Broj protona je ujedno i redni ili atomski broj elementa. Na primer, vodonik ima samo jedan proton u jezgru i jedan elektron i njegov redni broj je 1. Uran

18

92 ima 92 protona u jezgru i 92 elektrona u orbiti oko jezgra, pa je njegov redni broj 92. Suma neutrona i protona daje maseni broj i odre|uje masu jezgra. Razli~ite vrste hemijski istih atoma (isti broj protona) a sa razli~itim masama (razli~it broj neutrona) nazivaju se izotopi. Vodonik ima dva prirodna izotopa, normalni vodonik sa jednim protonom, maseni broj 1, deuterijum sa jednim protonom i jednim neutronom, maseni broj 2. Uran ima tri prirodna izotopa; svaki ima 92 protona, ali sa 142, 143 i 146 neutrona u jezgru {to daje masene brojeve 234, 235 i 238. Elementi se nekada ozna~avaju svojim masenim brojevima, na primer ugljenik sa 6 protona i 6 neutrona se zove ugljenik-12. Vodonik i elementi sa malim masenim brojevima se zovu "laki atomi" a uran i elementi sa masenim brojevima ve}im od 200 se nazivaju "te{ki atomi". Neki od te{kih izotopa, kao uran i radijum su nestabilni i jezgra njihovih atoma imaju tendenciju da se cepaju i pretvaraju u stabilnije atome. Ove materije su radioaktivne, a proces pretvaranja se zove radio-aktivno raspadanje. Prilikom procesa raspadanja emituju se tri glavna tipa nuklearnog zra~enja: alfa i beta ~estice i gama zraci. Alfa ~estice su identi~ne jezgru helijuma i sastoje se od dva protona i dva neutrona. Beta ~estice su negativno naelektrisani elektroni. Gama zra~enje je elektromagnetsko zra~enje.

Sl. 6 Princip radioaktivnog raspada radijuma 226

Kada se atom raspada proizvodi alfa ~esticu, ali gubi dva protona i dva neutrona iz svog jezgra, pri ~emu nastaje drugi element koji ima atomski broj manji za 2 i maseni broj manji za 4. Na primer, radijum 226 (atomski broj 88) pri raspadu prelazi u radon 222 (atomski broj 86) i alfa ~esticu (sl.6).

19

Sl. 7 Princip radioaktivnog raspadanja joda 128

Kada beta ~estica (elektron) napusti jezgro atoma, onda se ima situacija kao da se jedan neutron pretvorio u proton (jer se moè smatrati da je jedan neutron jednako proton plus elektron). Na taj na~in element se menja u drugi element sa atomskim brojem ve}im za jedan, a masa mu se ne menja. Na primer, jod 128 (53 protona) prelazi u ksenon 128 (54 protona) i jednu beta ~esticu (sl.7). Vreme poluraspada nekog elementa je vreme za koje taj element radioaktivnim raspadanjem (emitovanjem alfa i beta ~estica) izgubi polovinu svoje mase, menjaju}i se u druge elemente. Vreme poluraspada kre}e se od nekoliko delova sekunde (na primer, polonijum 212 za 3⋅10-7s) do nekoliko milijardi godina (uran 238 za 4,51⋅109godina.

2.3.2 Nuklearne reakcije i udarni preseci Jezgra atoma mogu da ulaze u nuklearne reakcije sa drugim jezgrima, subatomskim ~esticama i fotonima. Nuklearne reakcije vremenski mogu da se podele u dve faze: a) ulazak ~estice koja izaziva nuklearnu reakciju u jezgro i nastajanja tzv.

sloènog jezgra, b) raspad sloènog jezgra na rezultantno jezgro i emitovanu ~esticu. U nuklearnoj energetici posebno su va`ne nuklearne reakcije sa neutronima, me|u kojima su najva`nije: elasti~ni sudar, neelasti~ni sudar, zarobljavanje neutrona i fisija. Kod elasti~nog sudara neutron i jezgro razmenjuju koli~ine kretanja i kineti~ku energiju, sli~no kao dve elasti~ne kuglice u klasi~noj mehanici. Kod ove reakcije neutron je i ulazna i izlazna ~estica. Kod neelasti~nog sudara, neutron deo svoje kineti~ke energije pretvara u energiju pobude sloènog jezgra, tako da se posle sudara iz sloènog jezgra pored neutrona emituje i foton (gama zrak) koji sa sobom odnosi deo apsorbovane energije. Nuklearna reakcija zarobljavanja neutrona nastaje kada neutron posle sudara ostaje zarobljen u jezgru. Ekvivalent kineti~ke energije neutrona i njegove energije vezivanja se emituje kao foton (gama zrak). Fisija nastaje kada se sloèno jezgro posle apsorpcije neutrona raspada na fragmente. Fisija je klju~na reakcija za nuklearnu energetiku.

20

Udarni preseci. Udarni presek je fizi~ka karakteristika materijala koja pokazuje verovatno}u nastanka neke nuklearne reakcije.

N N-dN

dxX

0 X

N 0

Sl. 8 Skica za definisanje udarnog preseka Ako se pretpostavi da normalno na grani~nu povr{inu materijala (sl.8), na kojoj se nalazi n jezgara po cm2, dolazi No neutrona po cm2 i sekundi, jedan deo neutrona u sudaru sa jezgrima izazva}e nuklearnu reakciju, na primer raspad jezgara. Broj tako izazvanih reakcija B po cm2 i sekundi (cm-2s-1 ) bi}e srazmeran gustini jezgara u grani~nom sloju n (cm-2) i gustini dolaze}ih neutrona N0 (cm-2s-1):

B = n N 0σ (5) gde se koeficijent σσσσ naziva udarni presek. U prethodnom izrazu nije obuhva}en uticaj debljine materijala koji je izlo`en struji neutrona. Posmatrajmo sloj materijala debljine dx u kome se nalazi nvdx jezgara, pri ~emu je nv broj jezgara u cm3. Broj izazvanih reakcija u posmatranom sloju (ili smanjenje broja neutrona po cm2), na analogan na~in kao u (5), sada iznosi:

-dN = n Ndxvσ (6) Nakon sre|ivanja i integraljenja izraza (6) mo`e se sra~unati udarni presek na slede}i na~in:

σ =

NN

n X

0

v

ln (7)

gde je X debljina materijala.

21

Udarni presek zavisi od vrste jezgra, od energije neutrona i od vrste reakcije izme|u neutrona i jezgra (elesti~ni i neelasti~ni sudar, zarobljavanje neutrona, fisija). Od ta~nosti odre|ivanja udarnog preseka zavisi ta~nost prora~una reaktora jer udarni presek pokazuje prose~an broj neutrona od jednog raspada biti sposobno da izazove raspad drugog jezgra. 2.3.3 Nuklearna fisija Fisija je nuklearna reakcija cepanja jezgara te{kih atoma usled udara neutrona. Kada neutron, koji nosi dovoljno energije, udari, na primer, u jezgro urana 235, atom se deli kao {to je {ematski prikazano na sl. 9.

Sl. 9 Šematski prikaz raspada jezgra atoma urana

Jezgra fisionih atoma se mogu cepati na 30 do 40 razli~itih na~ina, a me|u produktima fisije moè se na}i 60 do 80 razli~itih fisionih frag-menata. Broj oslobo|enih neutrona moè da bude jedan, dva ili vi{e, {to zavisi od na~ina sprovo|enja fisije. Osloba|anjem ve}eg broja neutrona, jednom zapo~eta nuklearna reakcija }e se sama po sebi kontrolisano odràvati ili razvijati kao lavina, {to je primenjeno kod izrade nuklearne bombe. Za prakti~ne svrhe upo-trebljava se proces kod koga se kontroli{e broj reakcija (broj neutrona). Masa atoma koji nastaju cepanjem uvek je manja od mase koju je atom imao pre cepanja. Masa koja se "izgubi" za vreme fisije pretvara se u kineti~ku energiju. Ova kineti~ka energija se pretvara u toplotu prilikom sudaranja fisionih produkata sa atomima koji ih okruùju. Iz jednog kilograma urana-235 moè se dobiti 23000MWh energije, odnosno moè se smatrati da donja toplotna mo} urana-235 iznosi 23000MWh/kg. Neutroni nastali raspadom prvog jezgra poga|aju druga jezgra (sl.9) osloba|aju}i novu energiju i nove neutrone. Ovakav kontinualni proces

22

cepanja (fisije) atoma naziva se lan~ana reakcija. Lan~ana reakcija je, dakle, proces u kome neutroni proizvedeni fisijom izazivaju dalje raspade jezgra i {irenje fisije na okolni materijal uz osloba|anje odgovaraju}e koli~ne energije. Svi neutroni koji nastaju u fisijama nisu raspoloìvi za nastavak tog procesa jer se drugi deo apsorbuje a jedan deo iza|e iz prostora u kome se vr{i proces. Samoodràvaju}a lan~ana reakcija nastaje kada se u sistemu koji je izolovan od spolja{njeg izvora neutrona, po~etni broj neutrona u sistemu ne smanjuje, tj. kada je sistem sposoban da sav gubitak neutrona nadoknadi njihovom internom proizvodnjom. Va`na osobina sistema koji sadrì fisioni materijal je sposobnost ostvarenja samoodràvaju}e lan~ane reakcije, a jedini takav fisioni materijal raspoloìv u prirodi je prirodni uran. Da bi pri udaru neutrona do{lo do cepanja jezgra, energija dovedena posredstvom neutrona mora da bude jednaka ili ve}a od energije veziva-nja ~estica u jezgru. Za uran-238 ova energija treba da bude ve}a ili jednaka 1MeV (4,45e-20kWh), a poseduje je oko 50% neutrona nastalih kao rezultat fisije (fisioni neutroni). Udarni preseci urana-238 u podru~ju energije fisionih neutrona iznose: - za neelasti~ni sudar σns=2,47e-24cm2 - za fisiju σf=0,29e-24cm2 odakle se vidi da za neutrone koji imaju dovoljno energije da izazovu fisiju prirodnog urana postoji 10 puta ve}a verovatno}a da }e biti raspr{eni nego da }e izazvati (novu) fisiju. U prirodnom uranu pored urana-238 postoji i 0,7% urana-235 a oboga}ivanjem prirodnog urana njegov se udeo moè podi}i na preko 20%. Udarni presek urana-235 je preko 200 puta ve}i od udarnog preseka urana-238 {to omogu}ava ostvarivanje samoodràvaju}e reakcije u prirodnom i oboga}enom uranu. Samoodràvaju}u lan~anu reakciju u uranu mogu}e je ostvariti na dva na~ina: 1. Kod prirodnog ili slabo oboga}enog urana uspe{nim usporavanjem

fisionih neutrona, ali sa {to manje gubitaka neutrona u toku usporavanja - proces primenjen u termalnim reaktorima.

2. Visokim oboga}ivanjem urana (prekio 20% urana-235) - proces primenjen u brzim (oplodnim) reaktorima.

Usporavanje neutrona ostvaruje se putem moderatora, a samo usporavanje se postiè sudaranjem jezgara moderatora sa neutronima.

23

2.3.4 Nuklearna fuzija Fuzija je spajanje lakih u te{ka jezgra atoma i moè se uporediti sa sagorevanjem, tj. hemijskim spajanjem slabije vezanih atoma ili molekula u hemijski ja~e vezane, pri ~emu je energija oslobo|ena u fuziji za istu koli~inu materije oko milion puta ve}a. Kao gorivo u nuklearnoj fuziji koristi se smesa te{kog vodonika, deuterijuma i tricijuma, koji se dobijaju iz obi~ne vode. Svaki litar te{ke vode ima fuzioni energetski potencijal od oko 4000MJ ili oko 100 puta vi{e od 1l lo` ulja. Ovaj potencijal naravno ne mora biti u potpunosti iskori{}en. Da bi zapo~ela reakcija fuzije, potrebno je jezgra atoma dovesti na dovoljno malo rastojanje, manje od pre~nika atoma. U nuklearno gorivo se dovodi toplota koja pove}ava kineti~ku energiju sve dok ona ne savlada elektri~ne odboje sile. Za ovaj proces potrebne su temperature od oko 100 miliona stepeni, kakve postoje u unutra{njosti Sunca i zvezda, a na Zemlji se postiù samo nuklearnim eksplozijama.

2.4 PRETVARANJE UNUTRA[NJE TERMI^KE ENERGIJE U MEHANI^KU ENERGIJU

2.4.1 Uop{teno o pretvaranju unutra{nje toplotne energije u

mehani~ku energiju Drugi zakon termodinamike obja{njava proces pretvaranja toplote energije u mehani~ki rad i moè se formulisati na slede}i na~in: - Toplota sama od sebe prelazi samo sa tela vi{e temperature na

telo niè temperature. - Toplota prelazi sa tela niè temperature na telo vi{e temperature

samo uz delovanje spolja, tj. uz tro{enje spolja{njeg rada. - Nije mogu}e trajno uzimati toplotu iz nekog rezervoara toplote i

pretvarati je u mehani~ki rad. Blok dijagram rada toplotne ma{ine prikazan je na sl. 10, odakle se vidi da toplotna ma{ina uzima toplotu Q1 (dovedena toplota) iz izvora toplote (toplotni rezervoar, greja~) jednim delom je pretvara u mehani~ki rad, a ostatak Q2 predaje rashladnom rezervoaru (uvir toplote, hladnjak). Toplota odvedena rashladnom rezervoaru je onaj deo toplote koji toplotna ma{ina nikad ne}e mo}i da pretvori u mehani~ki rad. Toplotna ma{ina moè dovedenu toplotu pretvarati u rad samo do vrednosti temperature pribli`no

24

jednake i ne{to ve}e od temperature okoline, kako bi postojao pad temperature na osnovu koga toplota prelazi na okolinu.

IZVOR TOPLOTE

TEMPERATURAIZVORA TOPLOTE

SREDNJA TEMPERATURADOVOÐENJA TOPLOTE

SREDNJA TEMPERATURAODVOÐENJA TOPLOTE

TEMPERATURAUVIRA TOPLOTE

TERMODINAMI^KI SISTEM

KORISTAN RAD

UVIR TOPLOTE(RASHLADNI REZERVOAR,

T

T2

1

A

HLADNJAK)

Q1

T2sr

T1sr

Q

Q1

Sl. 10 Blok dijagram toplotne mašine

Da bi se u termodinami~kom sistemu (toplotnoj ma{ini) pojavio mehani~ki rad, mora da postoji ekspanzija (pove}anje zapremine) i kompresija (smanjenje zapremine) radnog fluida. Sa druge strane, da bi se pretvaranje toplote u mehani~ki rad odvijalo kontinuirano procesi ekspanzije i kompresije moraju se neprestano smenjivati, odnosno mora da postoji kru`ni radni ciklus promene stanja termodinami~kog sistema (ili kra}e: toplotni radni ciklus). Toplotni radni ciklusi naj~e{}e se prikazuju u T-S dijagramu gde je T apsolutna temperatura, a S entropija. Entropija je veli~ina definisana izrazom:

dS = dQT

ili

dQ = TdS

(8)

25

gde je dQ dovedena koli~ina toplote. U T-S dijagramu (sl. 11) koli~ina toplote jednaka je povr{ini ispod krive T = f(S) od stanja 1 do stanja 2, odnosno (9):

T

T

S S

Q

1

2

1

1 2

2

12

Sl. 11 Koli~ina toplote u T-S dijagramu

121

2

Q = TdS.∫ (9)

U toplotnom radnom ciklusu razlikujemo vi{e mogu}ih promena, pri kojima uglavnom jedna od fizi~kih veli~ina ostaje konstantna (Tabela III). Sve navedene promene predstavljaju se krivama u T-S dijagramu. Izotermska promena, na primer, predstavljena je horizontalnom pravom linijom, adijabatska promena vertikalnom pravom linijom. Izotermne i adijabatske promene su idealne promene koje se mogu ostvariti samo pod odre|enim uslovima koji prakti~no ne mogu da se postignu. Na primer, adijabatska promena zahteva idealnu toplotnu izolovanost.

Promena stanja: Karakteristika izohorna V = const izobarna p = const izotermna T = const adijabatska Q = const politropska V ≠ const, p ≠ const, Q ≠ const Tabela III Promene stanja u toplotnom radnom ciklusu

26

Karnoov toplotni radni ciklus. Na sl. 12 je u T-S dijagramu prikazan Karnoov radni ciklus koji se sastoji od dve izoterme i dve adijabate. Od ta~ke 4 do ta~ke 1 vr{i se izotermna ekspanzija na temperaturi T1 i pri tome se dovodi toplota Q1 koja je prikazana povr{inom ispod prave 4-1. Od ta~ke 1 do ta~ke 2 vr{i se adijabatska ekspanzija bez razmene toplote. Od ta~ke 2 do ta~ke 3 vr{i se vr{i se izotermna kompresija sa odvo|enjem toplote Q2, koja je jednaka povr{ini ispod prave 2-3. Najzad, kru`ni proces se zatvara adijabatskom kompresijom od ta~ke 3 do 4, ~ime se radni fluid dovodi u po~etno stanje.

��

T

T

S

1

1

2

S2

1

23

4

A B

TOPLOTNI IZVOR

UVIR TOPLOTE

��

1-B-A-4: povrsinadovedene toplote

2-B-A-3: povrsinaodvedene toplote

1-2-3-4: povrsinakorisnog rada

Sl. 12 Karnoov toplotni radni ciklus Dva toplotna rezervoara potrebna za realizaciju Karnoovog radnog ciklusa prikazana su na sl 13. Prikazani rezervoari treba da budu velikog toplot-nog kapaciteta da se njihove temperature dodavanjem ili oduzimanjem izvesne koli~ine toplote ne bi menjale. Temperature rezervoara su T1 i T2, pri ~emu je T1>T2. Radni fluid je idealan gas zatvoren u cilindru klipom, koji zatvaraju}i dobro cilindar mo`e da se kre}e bez trenja. Zidovi cilindra i klip su savr{eni toplotni izolatori, dok je dno cilindra toplotni provodnik. Pored navedenih delova koristi se i izolatorska podloga, idealan toplotni izolator.

27

1

4

2

1

2

3 3

4

toplotniizvor (greja~)

uvir toplote(hladnjak)

izolovanapodloga

izolovanapodloga

izotermskaekspanzija

adijabatskaekspanzija

izotermskakompresija

adijabatskakompresija

Sl. 13 Primer toplotne mašine sa Karnoovim radnim ciklusom Prvo se cilindar stavi na toplotni izvor (greja~), pri ~emu se izvesna koli~ina toplote Q1 pre|e sa izvora na fluid koji se brzo zagreje do temperature T1 izvora. Fluid pri tome izvr{i izotermnu ekspanziju i pomeri klip iz prvobitnog poloàja 4 u neki drugi poloàj 1 te izvr{i mehani~ki rad na osnovu dovedene toplote. Veli~ina tako izvr{enog rada srazmerna je povr{ini ispod krive (tj. prave) 4-1 na sl.12. Cilindar se zatim stavi na izolovanu podlogu, tako da je u toplotnom smislu potpuno izolovan od okoline. Fluidu je tako dozvoljeno da se {iri adijabatski sve dok mu temperatura ne padne na T2, tj. temperaturu hladnjaka, a klip pre|e u poloàj 2 ~ime se tako|e izvr{i izvestan mehani~ki rad. Da bi se ostvario kru`ni radni ciklus, fluid treba da se vrati u po~etno stanje, tj. treba da se izvr{i kompresija fluida. Cilindar se stavi na hladniji rezervoar, ~ime se fluid polako komprimuje, klip se pomera iz poloàja 2 u poloàj 3, a hladnijem rezervoaru se predaje koli~ina toplote Q2 srazmerna povr{ini ispod krive 2-3 na sl.12. Najzad se cilindar stavi na izolovanu podlogu i fluid se adijabatskom kompresijom vrati iz poloàja 3 u poloàj 4. Time se temperatura ponovo pove}a na vrednost T1 i tako|e uloì izvestan rad. Dobijeni rad u toku adijabatske ekspanzije (1-2) jednak je uloènom radu u toku adijabatske kompresije (3-4), tako da ovi radovi ne u~estvuju u kona~nom bilansu energija. Uloga adijabatske ekspanzije i adijabatske kompresije samo je u tome da omogu}i zatvaranje ciklusa.

28

Razlika izme|u dovedene toplote i odvedene toplote predstavlja dobijen korisni mehani~ki rad, pa se za stepen iskori{}enja moè pisati:

tK1K 2K

1K

= Q Q

Qη −

(10)

gde su Q1K i Q2k dovedena i odvedena toplota Karnoovom radnom ciklusu, respektivno. Dovedena i odvedena toplota Karnoovom radnom ciklusu ra~unaju se primenom:

1K

4

1

1 1 2 1

2K3

2

2 2 2 1

Q = T dS = T ( S S )

Q = T dS = T ( S S )

∫ −

∫ − (11)

Uvr{}avanjem izraza iz (11) u (10) dobija se izraz za stepen iskori{}enja Karnoovog radnog ciklusa u zavisnosti od temperatura pri kojima se izvr{avaju izotermni procesi:

tK1 2

1

2

1

= T T

T = T

Tη − −1 (12)

Karnoov radni ciklus je neostvariv u praksi zbog neostvarivosti idealnih adijabatskih i izotermnih promena, ali se koristi kao mera za upore|ivanje sa svim ostalim procesima. Imaju}i u vidu da se temperatura T1 u realnim postrojenjima kre}e od 200 do 300°C a da je temperatura T2 pribli`no jednaka temperaturi okoline, moè se kori{}enjem izraza (12) proceniti stepen iskori{}enja Karnoovog toplotnog radnog ciklusa na 0,5:

tK2

1

= T

T = η 1 1

273 20273 300

0 5− − ++

≈ , (13)

Stepen iskori{}enja realnih radnih ciklusa uvek je manji od stepena iskori{}enja Karnoovog radnog ciklusa; naime, kako se ne moè ostvariti izoterma, ta~ka 1 se uvek nalazi na niòj temperaturi od ta~ke 4 (sl.12). Dakle, kod realnih radnih ciklusa toplota se niti odvodi niti dovodi pri konstantnim temperaturama. Ako se odrede srednje temperature dovo|enja (T1sr) i odvo|enja (T2sr) toplote, stepen iskori{}enja realnih radnih ciklusa moè se izra~unati analogno relaciji (12):

tsr

sr

= T

Tη 1− 2

1

(14)

Dijagram razgrani~enja vode, vla`ne i pregrejane pare. Kao radni fluid kod toplotnih radnih ciklusa koristi se vodena para. T-S dijagram razgrani~enja vode, vla`ne i pregrejane pare prikazan je na sl.14.

29

K

x=0

x=0,2x=0,4 x=0,6 x=0,8

x=1

vlazna para

vodapregrejana para

p=const

p=const

T

S

Sl. 14 T-S dijagram razgrani~enja vode, vla`ne i pregrejane pare

Kad sva voda pretvori u paru radi se o pregrejanoj (suvoj ili suvozasi}enoj) pari. Suva para nije postojana a njena temperatura "temperatura zasi}enja" jednaka je temperaturi vrenja. Hla|enjem se jedan deo suve pare pretvara u te~nost, koja lebdi u pari u obliku sitnih kapljica; takva para naziva se vla`na para. Kriva ozna~ena sa x=0, koja se zavr{ava u ta~ki K, naziva se donja grani~na kriva. Sa leve strane donje grani~ne krive nalazi se podru~je vode, a sa desne strane podru~je vla`ne pare. Gornja grani~na kriva (x=1), koja po~inje u ta~ki K, razdvaja podru~je vla`ne pare od podru~ja pregrejane pare. Veli~ina x ~ijim vrednostima su ozna~ene pojedine krive na sl. 14 predstavlja relativni sadràj pare u vodi, {to se moè iskazati relacijom:

x = Masa pare

Masa vode i pare (15)

Sa pove}anjem temperature i pritiska gornja i donja grani~na kriva se sve vi{e pribliàvaju i spajaju se u ta~ki K koja se naziva kriti~na ta~ka. Kriti~na ta~ka K ima parametre: - kriti~ni pritisak pk=221,29bar, - kriti~na temperatura θθθθk=647,30K, - kriti~na specifi~na zapremina vk=0,00326 m3/kg Na sl. 14 prikazane su i dve izobare, krive konstantnog pritiska. Gornja od pomenute dve izobare ima jedna~inu p=pk i iznad nje nema razgrani~enja izme|u vode i pare.

30

2.4.2 Toplotni radni ciklus sa vla`nom parom (Renkinov ciklus)

Toplotna {ema ciklusa sa vla`nom parom prikazana je na sl.15, a T-S dijagram na sl.16.

K

PKD

T

1

2

35

kotao

pumpa

kondenzator

turbina

Sl. 15 Toplotna šema radnog ciklusa sa vla`nom parom Razlika u odnosu na Karnoov ciklus je u poloàju ta~ke 3 u ciklusu. U kondenzatoru se pari odvodi toplota u toj meri da se sva pretvara u vodu (x=0), tako da se ta~ka 3 pomera na levu grani~nu krivu, {to omogu}ava nesmetan rad pumpe. Kako postoji razlika u pritiscima u kondenzatoru i u kotlu, potrebno je vodu adijabatski komprimovati od pritiska p2 na pritisak p1 pri ~emu do|e do neznatnog porasta temperature (ta~ka 5). Naziv ciklusa "sa vla`nom parom" poti~e od poloàja ta~ke 2, koja se nalazi duboko u zoni vla`ne pare, {to zna~i da je para pome{ana sa kapljicama vode. Ove kapljice udaranjem mehani~ki napreù lopatice turbine (kavitacija).

31

T

T

T

S S

1

23

5

4p = const

p =const

1

2

1

1

2

2

S

Sl. 16 T-S dijagram toplotnog radnog ciklusa sa vla`nom parom 2.4.3 Toplotni radni ciklus s pregrejanom parom Kada se po izlasku iz kotla a pre ulaska u turbinu para podvrgne dodatnom zagrevanju u posebnim ure|ajima - pregreja~ima pare dobija se toplotni radni ciklus sa pregrejanom parom, ~iji je T-S dijagram prikazan na sl.17.

T

T

T

S S

1

23

5

4

p = const

p =const

1

2

1

1

2

2

S

1'

Sl. 17 T-S dijagram ciklusa sa pregrejanom parom Postupkom pregrevanja pare postiè se pobolj{anje poloàja ta~ke 2 tako da se ona sada nalazi bliè zoni suve pare. Tako|e je pove}ana i temperatura T1sr ~ime je dobijen ne{to bolji stepen iskori{}enja.

32

Razmotrimo sada mogu}nosti pove}anja stepena iskori{}enja toplotnog radnog ciklusa sa pregrejanom parom promenama parametara pare. Smanjivanjem pritiska p2 posti`e se smanjenje temperature T2 pa i temperature T2sr. Radi se o pritiscima koji se mere stotim delovima bara, {to predstavlja izuzetno niske pritiske i zahteva dobru zaptivenost opreme da vazduh ne bi prodreo u paru. Sa druge strane pritisak p2 i temperatura T2 ne mogu da budu ni previsoki. Kako razlika izme|u temperature rash-ladne vode i temperature T2 obi~no iznosi 10 do 15°C, zna~ajno pove}anje temperature T2 (na primer, iznad 28°C) izazvalo bi i visoku temperaturu rashladne vode na izlazu iz kondenzatora. Po{to se rashladna voda uglavnom vra}a u reku iz koje je i dovedena previsoka temperatura na izlazu iz kondenzatora zna~ila bi toplotno zaga|enje reke. Pove}anje temperature T1 uticalo bi na pove}anje temperature T1sr i stepena iskori{}enja. Temperatura T1 je ograni~ena osobinama materijala turbine i cevovoda i ne prelazi 300°C. Pove}anje pritiska p1 uz zadr`avanje temperature T1 na istom nivou izazivalo bi pomeranje ta~ke 2 u nepovoljnom smeru, u zonu vla`ne pare. 2.4.4 Toplotni radni ciklusi sa me|upregrevanjem i

regeneracijom pare U cilju daljeg pobolj{anja stepena iskori{}enja toplotnih radnih ciklusa uvode se i postupci me|upregrevanja i regeneracije pare. Toplotna {ema jednog takvog ciklusa prikazana je na sl. 18 a T-S dijagram na sl.19.

regenerativni pregreja~i pare

pumpa

pumpa

kotao

pregreja~ pare

me|u-pregreja~pare

kondenzator

generator

turbina niskogpritiska

turbinavisokogpritiska

1'

16

I

11

5

II III

2

3

10 9

K

Sl. 18 Toplotna {ema ciklusa sa me|upregrevanjem i regeneracijom pare U ovakvom postrojenju postoji turbina niskog i turbina visokog pritiska, koje se nalaze na istoj osovini sa generatorom. Para se sa izlaza iz

33

turbine visokog pritiska vodi u me|upregreja~ pare, dogreva se i vodi u turbinu niskog pritiska. Pri postupku regeneracije deo pare se pre nego {to pro|e kompletan proces u turbini vodi u regenerativni pregreja~ pare. Time se neiskori{}ena toplotna energija pare vra}a u proces na dalje kori{}enje (a ne predaje se rashladnoj vodi u kondenzatoru). Postupkom regeneracije pare posti`e se pove}anje stepena iskori{}enja do 0,1. Nije opravdano koristiti vi{e od 3 regenerativna pregreja~a, jer se daljim pove}avanjem broja regenerativnih pregreja~a stepen iskori{}enja zna~ajno ne pove-}ava, a znatno rastu investicioni tro{kovi.

T

T

S S

1

23

5

4

p

p 2

1

1

2

2

S

1'

I II

III910

11

6p

II

p III

p IT1

Sl. 19 T-S dijagram ciklusa sa me|upregrevanjem i regeneracijom pare 2.4.5 Toplotni ciklusi sa namenskim odvo|enjem toplote

(toplifikacioni ciklusi) Toplifikacioni ciklusi se koriste u kombinovanim elektranama za proizvodnju elektri~ne i toplotne energije (termoelektrane-toplane). Topli-fikacioni ciklusi se realizuju kao ciklusi sa pregrevanjem pare, samo {to se para izvodi iz turbine sa znatno vi{im pritiskom i temperaturom (p2 i T2). Temperatura T2 ima vrednosti oko 450K (180°C). Pritisak p2 se za kori{}enje toplote u industriji kre}e izme|u 2,5 i 30 bara, a za grejanje izme|u 1,5 i 2,5 bara.

34

Stepen iskori{}enja toplifikacionog ciklusa mo`e se ra~unati po izrazu:

η=A+ Q

Q2

1

′ (16)

gde je A mehani~ki rad a Q2' toplota odvedena potro{a~ima toplotne energije. Toplota Q2' je zbog gubitaka manja od ukupne odvedene toplote Q2, pa je stepen iskori{}enja manji od 1 i iznosi od 0,7 do 0,8, {to predstavlja znatno pobolj{anje u odnosu na ostale cikluse, a nepovoljna osobina ovakvog ciklusa je vezanost proizvodnje dva oblika energije - toplotnu i elektri~nu. T-S dijagram toplifikacionog ciklusa prikazan je na sl. 20.

T

T

T

S S

1

23

5

4

p = const

p =const1

2

1

1

2

2

S

1'

Sl. 20 T-S dijagram toplifikacionog radnog ciklusa

K

PKD

T

1

2

35

kotao

pumpa

kondenzator

turbina

Q2

pregrejac pare

generator

Sl. 21 Toplotna šema postrojenja sa pogoršanim vakuumom

35

Na sl. 21 je prikazana toplotna {ema postrojenja sa pogor{anim vakuumom, za koje je karakteristi~no potpuno odvajanje fluida za potro{a~a od radnog fluida. Pomenuto razdvajanje fluida ne postoji kod postrojenja sa sl. 22 gde se para direktno iz turbine vodi potro{a}u toplotne energije, a voda vra}a u isti rezervoar odakle se napaja kotao. Radni fluid je tako podlo`an zaga|enjima koja se stvaraju u fluidu kod potro{a~a toplotne energije.

K

P

KD

T

1

2

35

kotao

pumpa

kondenzator

turbinapregreja~ pare

generator

rezervoar

ka potro{a~upare

Sl. 22 Toplotna šema postrojenja sa rezervoarom za priklupljanje fluida

2.5 PRETVARANJE POTENCIJALNE ENERGIJE VODE U MEHANI^KU ENERGIJU

2.5.1 Principi kori{}enja vodnih snaga Energija i snaga vodenog toka. Ako posmatramo zatvoreni tunel, cev ili re~ni tok, za svaki popre~ni presek toka mo`e se odrediti energija vodenog toka, koja se sastoji iz tri komponente, kineti~ke energije, potencijalne energije i energije pritiska, {to opisuje jedna~ina:

W = W +W +Wkin pot prit (17) Kineti~ka energija koju sa sobom nosi elementarna koli~ina vode mase dm predstavljena je izrazom:

kindW = v dm2

2 (18)

gde je v brzina vode. Imaju}i u vidu relacije :

36

dm= dV

= g

dV = Qdt

ργ ρ (19)

u kojima je ρ specifi~na masa, γ specifi~na teìna, a Q srednji protok vode u posmatranom popre~nom preseku, kineti~ka energija se moè predstaviti izrazom:

kindW = vg

Qdt2

2γ

(20)

Snaga koja odgovara kineti~koj energiji sra~unava se kao brzina prenosa energije nizvodno:

kk

P = dWdt

= vg

Q2

2γ (21)

Potencijalna energija posmatrane mase vode dm data je relacijom: potdW = gHdm (22)

gde je H visina vodenog toka u posmatranom popre~nom preseku. Jedna~ina (22) se, imaju}i u vidu relacije (19), moè izraziti i u obliku:

potdW = HQdtγ (23) a odgovaraju}a snaga relacijom:

potpot

P = dWdt

= HQγ (24)

Na sli~an na~in energija pritiska i pripadaju}a snaga date su izrazima: pritdW = pdV = pQdt (25)

pritprit

P = dWdt

= pQ (26)

Ukupna energija vodenog toka u posmatranom popre~nom preseku moè se sada zamenom (20), (23) i (25) u (17) predstaviti izrazom:

dW = vg

Qdt + HQdt + pQdt2

2γ γ (27)

a ukupna snaga koja se prenosi vodenim tokom (tako|e u posmatranom preseku - deljenjem prethodne relacije sa dt) relacijom:

P = vg

Q+ HQ+ pQ2

2γ γ (28)

Ukoliko izme|u dva popre~na preseka ozna~ena na primer sa 1 i 2 nema gubitaka energije vodnog toka ∆W12, tj. ∆W12=0, onda je snaga P=const a poslednja jedna~ina se moè podeliti sa γQ ~ime se dobija:

37

2

2vg

+ H +p

= constγ

(29)

Svi ~lanovi izraza (29) imaju dimenziju visine, {to zna~i da se sve komponente energije i snage vodenog toka mogu predstavljati odgovaraju}im visinama, koje se }e{}e nazivaju padovima. Kori{}enje re~nog toka izgradnjom brane. U stvarnim vodenim tokovima pomenuti gubici izme|u popre~nog preseka 1 i 2 , ∆W12 uvek postoje kao posledica trenja u hidromehani~kom smislu i srazmerni su kvadratu srednje brzine proticanja vode izme|u preseka 1 i 2. Da bi se razmatrani gubici smanjili, potrebno je smanjiti srednju brzinu proticanja vode, a to se posti`e izgradnjom brane kojom se pregra|uje re~ni tok. Protok vode na popre~nom preseku na mestu ugradnje brane ostaje isti i pre i posle izgradenje brane. Kako se protok mo`e izraziti kao proizvod srednje brzine proticanja vode kroz popre~ni presek i povr{ine popre~nog preseka, tj. Q = vsr S, izgradnjom brane dolazi do veoma velikog smanjenja srednje brzine proticanja vsr i do veoma velikog pove}anja popre~nog preseka S. Usled smanjenja brzine vsr dolazi i do smanjenja gubitaka ∆W12 tako da se oni mogu zanemariti. Specifi~nost vodenog toka je i u tome da je pritisak u svim ta~kama toka jednak atmosferskom pritisku. Kako je atmosferski pritisak (p) nizak i kako je izgradnjom brane do{lo do razmatranog smanjenja srednje brzine proticanja (v), u izrazu (29) mogu se zanemariti prvi i tre}i ~lan sa leve strane. Sa takvim zanemarenjem energije i snage vodenog toka u pojedinim popre~nim presecima mogu se uspe{no reprezentovati samo odgovaraju}im visinama - padovima (H).

12

2'

y (uspor reke)

HH RB

donja voda

gornja voda

Sl. 23Karakteristi~ne veli~ine re~nog toka pre i posle izgradnje brane

38

Na sl. 23 prikazano je stanje jednog re~nog toka pre i posle izgradnje brane. Popre~ni presek 1 se nalazi na mestu na kome ne postoji razlika izme|u nivoa vode pre i posle izgradnje brane. Popre~ni presek 2 se nalazi na mestu izgradeje brane, a sa 2' je ozna~en popre~ni preseka na mestu pre njene izgradnje. Rastojanje izme|u ta~ke 1 i 2' du` re~nog toka naziva se uspor reke i moè da iznosi i do nekoliko desetina kilometra. Du` ~itavog uspora reke dolazi do podizanja nivoa vode i pro{irenja korita reke i sa nepovoljnim posledicama po ìvi svet i stanovni{tvo u tom podru~ju. Nivo vode neposredno ispred brane naziva se gornja voda, a nivo neposredno iza brane donja voda. Nivo gornje vode je niì od nivoa u preseku 1, {to je posledica hidromehani~kih gubitaka prilikom proticanja vode; ovi nivoi jednaki su kada je brana zatvorena jer tada nema protoka vode (vsr=0). Razlika izme|u nivoa gornje vode i donje vode naziva se bruto pad (HB), a razlika izme|u nivoa preseka 1 i donje vode re~ni pad (HR). Stepen iskori{}enja hidroelektrane. Na sl. 24 je prikazan u obliku blok dijagrama tok transformacije energije vodenog toka u elektri~nu energiju. Pored oznaka za re~ni pad HR i za bruto pad HB na slici je ozna~en i neto pad HN, mehani~ka snaga na osovini turbine PT, elektri~na snaga na izlazu iz generatora PG, snaga sopstvene potro{nje elektrane PSP, i elektri~na snaga na izlasku (na pragu) elektrane Pe.

R C T G

SP

TURBINACEVOVODREKA GENERATOR

SOPSTVENAPOTROSNJA

HR

H B H N PT

PG

Pe

PSP

Sl. 24 Blok dijagram za odredjivanje stepena iskori{}enja hidroelektrane Razlika izme|u bruto pada i neto pada javlja se usled gubitaka u cevovodu kojim se voda sprovodi od brane do turbine. Sopstvena potro{nja elektrane predstavlja elektri~nu snagu svih prate}ih ure|aja koji su neophodni za normalan rad elektrane. Sopstvena potro{nja elektrane Psp izraàva se relativnim delom snage generatora PG preko koeficijenta ε:

sp GP = Pε (30)

39

Stepen iskori{}enja pojedinih delova elektrane - blokova na dijagramu ozna~ava se na slede}i na~in: hidrauli~ni stepen iskori{}enja ηηηηh,, stepen iskori{}enja cevovoda ηηηηC, stepen iskori{}enja turbine ηηηηT i stepen iskori{}enja generatora ηηηηG. Stepen iskori{}enja hidroelektrane ηHE moè se izraziti relacijom:

HEe

R

= P

Pη (31)

gde je PR snaga re~nog toka ili preko stepena iskori{}enja pojedinih delova elektrane:

HE h C T G = (1- )η η η η η ε⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (32) Kako su poznate vrednosti: ε = 0,003 ÷ 0,01 ηh = 0,85 ÷ 0,98 ηC = 0,95 ÷ 0,995 ηT = 0,88 ÷ 0,945 ηG = 0,94 ÷ 0,99 moè se proceniti ina~e visoka vrednost ukupnog stepena iskori{}enja hidroelektrane:

HE = η 0,8 0,9÷ (33) Procena elektri~ne snage koja se moè ostvariti iz re~nog toka. Snaga re~nog toka se moè saglasno (28) i uz pominjano zanemarenje kineti~ke energije i energije pritiska izraziti relacijom:

R RP = H Qγ (34) Elektri~na snaga na pragu elektrane iz (29) se moè izraziti u obliku:

e HE RP = Pη (35) Imaju}i u vidu da je γ=ρg=1000 kg/m3 9,81 m/s2, zamenom (33) i (34) u (35) dobija se donja vrednost procenjene elektri~ne snage:

e RP H Q≈ 8 (36) gde je snaga Pe izraèna u kW, re~ni pad HR u m, a protok Q u m3/s. Na sli~an na~in moè se izvesti i relacija u kojoj figuri{e neto pad HN:

e NP H Q≈ ⋅8,3 (37) Izvedene relacije sluè za procenu elektri~ne snage elektrane koja se moè dobiti iz nekog re~nog toka. Parametar HR se odre|uje na osnovu geografskih podataka, a za odre|ivanje HN potrebno je jo{ proceniti i gubitke na brani i u cevovodu. Odre|ivanje srednjeg protoka Q sloèniji je postupak koji se sprovodi merenjima kroz duì niz godina, pri ~emu se prora~unava i mesto i visina brane. Protok Q treba da ima visoku srednju vrednost i mala odstupanja od srednje vrednosti tokom razli~itih sezona u

40

godini (ki{ni i su{ni periodi) i tokom razli~itih godina u vi{egodi{njem periodu reda desetina godina (ki{ne i su{ne godine). 2.5.2 Osnovne osobine i vrste vodnih turbina Pretvaranje potencijalne i kineti~ke energije toka vode u elektri~nu energiju se u hidroelektranama ostvaruje pomo}u hidrauli~nih turbina i generatora koje zajedno obrazuju hidroagregate. Hidrauli~na turbina je ma{ina koja koristi energiju toka vode za okretanje rotora, odnosno radnog kola. Postoje tri osnovna tipa turbina: Fransisova, Peltonova i Kaplanova turbina.

Sl. 25 Presek i princip rada Fransisove turbine

Fransisova turbina (sl. 25) upotrebljava se za padove do 500m i izvodi se sa vertikalnom i horizontalnom osovinom. Peltonova turbina radi na principu slobodnog mlaza (sl. 26), izvodi se sa jednom ili vi{e mlaznica i upotrebljava za padove iznad 500m. Kaplanova turbina (sl. 27) je name-njena za manje padove i mo`e da bude sa pomi~nim (Kaplan) ili sa nepomi~nim rotorskim lopaticama (propelerna turbina). Kaplanova i Fransisova turbina spadaju u reakcione ili turbine sa predpritiskom. Osnovna osobina reakcionih turbina je da im je pritisak na ulazu u rotor ve}i od pritiska na izlazu iz rotora. Kod reakcionih turbina deo energije pritiska pretvara se u kineti~ku energiju u statoru a deo u rotoru. Kod Peltonove turbine - turbine slobodnog mlaza pritisak na ulazu u rotor jednak je pritisku na izlazu iz rotora, jer se sva energija pritiska

41

pretvara u kineti~ku energiju vode u statoru. Peltonova turbina naziva se jo{ i akciona turbina ili turbina jednakog pritiska.

Sl. 26 Presek i princip rada Peltonove turbine

Sl. 27 Presek i princip rada Kaplanove turbine

Specifi~na snaga vodenog toka u nekom preseku mo`e se saglasno (28) izraziti u obliku:

SP = PQ

= vg

+ H +p

γ γ

2

2 (38)

Specifi~na mehani~ka snaga turbine PMS jednaka je razlici odgovaraju}ih snaga na ulazu i na izlazu iz turbine:

MS S S 1P = P P = H - H +p p

+ vg

vg

1 2 21 2 1

222

2 2− − −

γ γ (39)

42

{to se mo`e napisati i u obliku:

ST R A

R

A

P = P + P

P = H H +p p

P = vg

vg

1 21 2

12

22

2 2

− −

−

γ γ (40)

gde je sa PA ozna~ena akciona a sa PR reakciona komponenta specifi~ne mehani~ke snage (na vratilu) turbine. Kod reakcionih turbina postoji i akciona i reakciona komponenta, a kod akcionih turbina samo akciona komponenta razmatrane snage. Postojanje pomenutih komponenti mo`e se uo~iti na sl. 28 gde je prikazan popre~ni presek lopatica kod akcione i reakcione turbine.

Sl. 28 Popre~ni presek lopatice rotora akcionih i reakcionih turbina.

Kod reakcionih turbina, prilikom udara vode u lopaticu, lopatica se kre}e i pod uticajem neposrednog udara vode (akciono dejstvo) i pod uticajem efekta odbijanja vode od lopatica (reakciono dejstvo). Kod akcionih turbina postoji samo efekat udara (guranja) vode u lopatice. 2.5.3 Izbor broja obrtaja i tipa turbine Po{to je nemogu} ta~an prora~un protoka vode i gubitaka koji se pri tome javljaju, naj~e{}e se pribegava konstruisanju modela kako bi se odredile najpovoljnije dimenzije i oblici turbine i prate}ih ure|aja. Modeli se rade sa znatno manjim dimenzijama nego realne turbine, pri ~emu je osnovni cilj da se u turbini modelu ostvare isti uslovi protoka kao kod

43

realne turbine, tj. da se postigne geometrijska, kinemati~ka i mehani~ka sli~nost i istovetan stepen iskori{}enja. Za turbine modele defini{e se specifi~ni broj obrtaja ns (koeficijent brzohodnosti) kao broj obrtaja takvog modela koji ima neto pad HNM=1m i protok QM=1m3/s. Za svaki tip turbine postoji opseg povoljnih vrednosti specifi~nog broja obrtaja turbine u kome se imaju zadovoljavaju}e vrednosti stepena iskori{}enja (tabela IV).

Tip turbine ns (ob/min)

Pad (m)

Peltonova 2 mlaznika 2-25 ≥400

4 mlaznika 25-70

Fransisova sporohodna 70-125 50-400

normalna 125-200

brzohodna 200-300

ekspresna 300-450

Propelerna 300-400 300-1000

Tabela IV Optimalni specifi~ni broj obrtaja i padovi turbina modela

Povoljni broj obrtaja turbine sa neto padom HN i protokom Q mo`e se odrediti kori{}enjem relacije:

n = nHQ

sN34

(41)

Stepen iskori{}enja pojedinih tipova turbina zavisi i od odnosa protoka i maksimalnog protoka kroz turbinu (sl. 29). Maksimalni protok kroz turbinu odre|uje se kao protok koji proti~e kroz turbinu kod konstantnog pada i konstantnog broja obrtaja, pri maksimalnom otvorenom statoru. Povoljni broj obrtaja generatora. Osovina turbine i osovina generatora obr}u se istom brzinom, koja treba da bude povoljna i za turbinu i generator, tj. brzina turbine treba da bude uskla|ena i sa povoljnom brzinom generatora. Dimenzije generatora mogu se proceniti na osnovu relacije:

2D l =C S

nn (42)

gde je sa D ozna~en unutra{nji pre~nik statora, sa l aktivna du`ina statora, sa Sn nominalna snaga, sa n brzina obrtanja, a C je konstrukciona konstanta koja zavisi od gustine struje i karakteristika magnetnog kola.

44

Sl. 29 Zavisnost stepena iskori{}enja turbine od relativnog protoka (Q/Qmax)

Proizvod D2l srazmeran je dimenzijama generatora, pa se moè zaklju~iti da su dimenzije generatora manje {to je brzina obrtanja ve}a. S obzirom da dimenzije generatora odre|uju koli~inu potrebnog materijala za izradu, a od koli~ine materijala zavisi i cena generatora, moè se tako|e re}i da su brzohodne ma{ine jeftinije, pa se ne izra|uju generatori sa manjim brojem obrtaja od 50 min-1. Gornja granica brzine obrtanja generatora odre|ena je mehani~kim naprezanjem namotaja rotora usled centrifugalnih sila i iznosi 750 min-1. U okvirima navedenih granica brzine generatora mogu da zauzmu vrednosti odre|ene izrazom:

n =f

p=

p

60 3000 (43)

gde je p broj pari polova a f=50Hz frekvencija. Karakteristi~ne vrednosti broja pari polova su 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 24, 30, 34, 40, 50 i 60. Neparan broj pari polova se izbegava zbog te{ko}a koje nastaju sa vi{im harmonicima i vibracijama. Kavitacija. Kavitacija je pojava isparavanja vode na pojedinim ta~kama protoka kroz turbinu kod velikih brzina obrtanja turbine. Isparavanje nastaje usled pada pritiska i time izazvanog sniènja

45

temperature isparavanja vode, a mo`e da se javi samo kod reakcionih turbina kod kojih postoji razlika ulaznih i izlaznih brzina i pritisaka. Kada je izlazni pritisak iz turbine manji od pritiska isparavanja dolazi do isparavanja vode i stvaranja mehuri}a pare. Stvoreni mehuri}i prelaze u podru~je ve}eg pritiska gde nastaje nagla kondenzacija i para se ponovo pretvara u vodu. Pojava kavitacije smanjuje stepen iskori{}enja turbine i mo`e nepovoljno da deluje na delove postrojenja i da izazove njihovo o{te}enje. Pojava kavitacije se spre~ava izradom isisne cevi (sifon, difuzor) (pozicija 4 na sl. 38) na izlazu iz turbine. Uloga isisne cevi je da smanji brzinu vode na izlazu iz turbine i obezbedi da na izlazu iz turbine pritisak uvek bude manji od pritiska isparavanja {to se ostvaruje pogodnim oblikovanjem (pro{irivanje kraja prema donjoj vodi) i pode{avanjem visine isisne cevi.

47

3 PROIZVODNJA I POTRO[NJA ELEKTRI^NE ENERGIJE

3.1 Elektroenergetski sistemi Elektroenergetski sistem (EES) je tehni~ki sistem ~iji je osnovni zadatak da osigura kvalitetnu isporuku elektri~ne energije uz minimalne tro{kove u EES. Tehnolo{ki proces u EES sastoji se od slede}ih faza: - obezbe|ivanje dovoljnih koli~ina primarnih oblika energije, - PROIZVODNJA elektri~ne energije, - PRENOS i DISTRIBUCIJA (raspodela) elektri~ne energije do

kona~nih potro{a~a, - POTRO[NJA elektri~ne energije. Elektroenergetski sistemi obuhvataju podru~ja jedne ili vi{e dràva pa se i upravljanje EES vr{i iz vi{e centara. Osnovne tehnolo{ke celine,centri upravljanja i tokovi energija, informacija i upravlja~kih akcija u EES prikazani su na slici 30.

Sl. 30 Blok šema EES

PROIZVODNJA obuhvata sve izvore elektri~ne energije (hidroelektrane - HE, termoelektrane - TE, nuklearne elektrane - NE i industrijske energane). PRENOS obuhvata prenosnu mreù, koja se sastoji od nadzemnih vodova (dalekovodi), kablovskih vodova i interkonektivnih transformatora, koji povezuju mreè razli~itih naponskih nivoa. DIST-RIBUCIJA obuhvata distributivne mreè i distributivne transformatore.

48

Naponski nivoi koji se koriste u distribuciji su niì od naponskih nivoa koji se koriste u prenosu elektri~ne energije. Tako se u na{em EES u prenosu koriste naponski nivoi 380(400)kV, 220kV i 110kV a u distribuciji 110kV, 35kV, 20kV i 10kV, a u velikim industrijskim pogonima i naponski nivo od 6kV. Za svaki EES postoji glavni CENTAR UPRAVLJANJA odakle se upravlja proizvodnjom elektri~ne energije. U MRE@NIM CENTRIMA UPRAVLJANJA upravlja se prenosnom mreòm a u DISTRIBUTIVNIM CENTRIMA UPRAVLJANJA upravlja se distributivnom mreòm i eventual-no potro{njom elektri~ne energije. Centri upravljanja nazivaju se i DISPEÊRSKI CENTRI. Kao izvori elektri~ne energije koriste se elektrane. Elektrane su postrojenja za proizvodnju ve}ih koli~ina elektri~ne energije. Elektri~na energija se u elektranama koje koriste konvencionalne izvore energije dobija transformacijom iz mehani~ke energije, koja se dobija transformacijom iz drugih oblika energije (vidi sl. 2). 3.2 Potro{nja i proizvodnja elektri~ne energije U zadovoljavanju energetskih potreba veliki zna~aj ima i ima}e elektri~na energija kao najplemenitiji vid energije. Elektri~na energija se moè proizvoditi kori{}enjem svih vidova energije (sl. 2), moè se raznovrsno koristiti pri ~emu se u nekim slu~ajevima gotovo isklju~ivo primenjuje (mehani~ka energija u industriji, osvetljenje), ekolo{ki je ~ista pri kori{}enju i omogu}ava razvoj automatizacije, mehanizacije i kompjuterizacije. Pogodne osobine elektri~ne energije su jo{ i mogu}nost transporta na velike udaljenosti, mogu}nost dovo|enja do krajnjih potro{a~a i sigurnost snabdevanja postignuta povezano{}u EES. Osnovni nedostatak elektri~ne energije je {to se ona ne moè akumulisati u energetski zna~ajnim koli~inama, pa se u svakom trenutku mora obezbediti jednakost ukupne proizvodnje i ukupne potro{nje u EES. Potro{nja elektri~ne energije u~estvuje sa oko 1/3 u ukupnoj potro{nji primarnih oblika energije, a sli~an udeo ima i u potro{nji korisnih oblika energije. Velika primenljivost elektri~ne energije ima za posledicu i veliku promenljivost potro{nje tokom dana, nedelje, meseca i godine. Pomenute varijacije u potro{nji su posledica uklju~enja ili isklju~enja postoje}ih potro{a~a, uklju~enja novih potro{a~a, promene temperature, vetra i sl. Zbog klimatskih i ìvotnih prilika u kojima ìve potro{a~i elektri~ne energije javljaju se sezonske varijacije u potro{nji. Na primer, potro{nja ve}ine

49

industrijskih potro{a~a nezavisna je od godi{njeg doba, dok je potro{nja za osvetljenje, grejanje i klimatizaciju jako zavisna od godi{njeg doba. Potro{nja elektri~ne energije varira i u zavisnosti od nivoa radne aktivnosti, neradnim danima potro{nja je manja, ponedeljkom raste a u petak opada. Primer dnevnog dijagrama optere}enja, koji predstavlja zavisnost snage optere}enja od vremena u toku dana, prikazan ja na sl. 31.

Sl. 31 Dnevni dijagram optere}enja

Osnovni zadatak elektrana je da proizvedu potrebnu koli~inu energije u trenutku kada je potro{a~ tra`i. Kako ne postoji mogu}nost akumuliranja ve}ih koli~ina elektri~ne energije, proizvodnja elektri~ne energije mora u svakom trenutku biti jednaka potro{nji. Jednakost proizvodnje i potro{nje elektri~ne energije ostvaruje se jednostavnije kada je vi{e elektrana povezano u EES, {to je redovno slu~aj. Elektrane koje pokrivaju vrhove (varijabilni deo) potro{nje nazivaju se vr{ne elektrane, a one koje pokrivaju ustaljenu potro{nju osnovne elektrane. Uloga i re`im rada pojedinih elektrana u EES zavisni su s jedne strane od mogu}nosti prilago|avanja brzim promenama optere}enja, koja je razli~ita za razli~ite tipove elektrana, i sa druge strane, od tro{kova proizvodnje po kWh.

50

U ki{nom periodu godine velika ve}ina elektrana (osim onih sa velikom akumulacijom) rade kao osnovne elektrane, a termoelektrane se {to je mogu}e vi{e koriste kao vr{ne elektrane. U su{nom periodu godine uloge se zamenjuju. Kao vr{ne elektrane posebno su pogodne pumpno-akumulacione hidroelektrane (postrojenja) jer je kod njih prakti~no omogu}eno akumuliranje elektri~ne energije, proizvodnja je jeftina i mogu}e je brzo prihvatanje optere}enja. S obzirom na cenu proizvodnje energije potrebe za potro{njom treba zadovoljavati prvo upotrebom proto~nih hidroelektrana (ukoliko postoji potreban protok vode), zatim nuklearnih elektrana i termoelektrana. O pojedinim pomenutim vrstama elektrana bi}e kasnije vi{e re~i. Izvori elektri~ne energije u EES mogu se podeliti na hidroelektrane i ter-moelektrane. Pumpno akumulacione hidroelektrane mogu se zbog specifi~ne uloge u EES posmatrati i kao posebna kategorija izvora. Nuklearne elektrane se mogu podvesti pod termoelektrane, s obzirom da se od njih razlikuju samo po gorivu koje se upotrebljava. 3.3 Osnovne karakteristike elektrana Instalisana snaga je osnovna karakteristika svake elektrane. Instalisana snaga se defini{e kao aritmeti~ki zbir nominalnih snaga generatora (MVA), odnosno kao aritmeti~ki zbir snaga turbina merenih na priklju~cima generatora (MW). Instalisana snaga je istovremeno i nominalna snaga elektrane. Maksimalna snaga je najve}a snaga koju elektrana kao celina moè proizvesti, uz pretpostavku da su svi delovi elektrane sposobni za pogon. Za hidroelektranu se pri tome pretpostavlja da su protok i pad optimalni, a za temoelektranu da na raspolaganju stoji dovoljna koli~ina goriva zadovo-ljavaju}eg kvaliteta i dovoljna koli~ina vode zadovoljavaju}e temperature i ~isto}e za hla|enje kondenzatora. Razlikuje sa maksimalna snaga na priklju~cima generatora i maksimalna snaga na pragu elektrane (izlazu iz elektrane prema EES). Raspoloìva snaga elektrane je najve}a snaga koju elektrana moè da proizvede u nekom trenutku, uvaàvaju}i stvarno stanje u elektrani (kvarovi, remonti i sl.) i uz pretpostavku da nema ograni~enja zbog proizvodnje reaktivne energije. Pri odre|ivanju raspoloìve snage kod hidroelektrana treba uzeti u obzir raspoloìvi dotok vode i pad, a kod termoelektrana kvalitet goriva, koli~inu i temperaturu vode.

51

44 4 HIDROELEKTRANE 4.1 Vrste hidroelektrana Hidroelektrana je postrojenje u kome se potencijalna energija vode pretvara u elektri~nu energiju. Pored navedenih karakteristika koje vaè za sve elektrane za hidroelektrane je zna~ajno navesti jo{ i instalisani protok Qmax (ili veli~ina izgradnje) i prose~nu godi{nju proizvodnju (GWh). Prema tome da li postoji akumulacioni bazen i kolika je njegova veli~ina postoje: - proto~ne hidroelektrane, - hidroelektrane sa dnevnom i nedeljnom akumulacijom, - hidroelektrane sa sezonskom akumulacijom. S obzirom na na~in kori{}enja akumulacionog bazena hidroelektrane delimo na: - akumulacione i - pumpno-akumulacione. Proto~ne hidroelektrane koriste prirodni protok vode. Raspoloìvi protok se menja zavisno od koli~ine padavina. Kada je protok ve}i od predvi|enog onda se vi{ak vode nekorisno preliva preko brane, a kada je protok manji od predvi|enog, onda se smanjuje proizvodnja elektri~ne energije. Protok vode za koji se elektrana izgradi naziva se normalni protok. Da bi se odredio normalni protok za neku reku nije dovoljno da se mere dnevni protoci u toku jedne godine, jer postoje su{ne i ki{ne godine. Obi~no se uzimaju podaci za period 10, 20 ili vi{e godina kao stvarni pokazatelji protoka vode. Akumulacione hidroelektrane se grade ako teren omogu}uje ekonomi~nu izgradnju akumulacionog bazena ili ve{ta~kog jezera, u kome moè da se akumuli{e suvi{na voda u vreme velikih padavina. Za vreme su{e ova se voda koristi da za istu reku pove}a broj dana normalnog protoka. Akumulacione hidroelektrane sa dnevnom i nedeljnom akumulacijom imaju jo{ i veoma zna~ajnu ulogu pokrivanja vrhova optere}enja. Kod veli~ine akumulacionog bazena treba razlikovati ukupnu i korisnu zapreminu akumulacionog bazena. Ukupna zapremina odgovara koli~ini vode koja moè da stane izme|u dna i najvi{eg nivoa vode u bazenu. Korisna zapremina se odnosi na zapreminu vode izme|u najnièg i najvi{eg nivoa vode u bazenu u normalnom pogonu. Energetska

52

vrednost akumulacionog bazena je koli~ina elektri~ne energije koja bi se proizvela u sopstvenoj hidroelektrani i u svim nizvodnim hidroelektranama za slu~aj pra`njenja korisne zapremine bazena bez dotoka i bez gubitaka vode.

Sl. 32 Pribranska hidroelektrana

Sl. 33 Derivaciona hidroelektrana

Osnovni delovi hidroelektrana su (sl. 33): brana, zahvat, dovod, vodostan, cevovod pod pritiskom, ma{inska zgrada i odvod. Koje od

53

navedenih delova }e neka hidroelektrana imati zavisi od konstrukcije hidroelektrane, topografskih uslova, geolo{kih uslova, od pogonskih zahteva hidroenergetskog iskori{}avanja celog vodotoka (potrebe navodnjava, vodosnabdevanja i za{tite od poplava) i od za{tite zivotne sredine. Prema konstrukciji hidroelektrane se mogu podeliti u dve osnovne grupe: pribranske i derivacione hidroeketrane. Pribranske hidroelektrane (sl. 32) naj~e{}e imaju ma{insku zgradu sme{tenu uz branu, unutar brane ili je zgrada izvedena kao deo brane. Kod pribranskih hidroelektrana nema potrebe za dovodom, vodostanom i odvodom, a zahvat i cevovod pod pritiskom predstavljaju deo brane odnosne ma{inske zgrade; obi~no se grade na ve}im rekama sa manjim padovima. Derivacione hidroelektrane imaju uglavnom manje vodotoke i ve}e padove i po pravilu sadrè sve nabrojane delove hidroelektrana. Dovod (dovodna derivacija) i odvod (odvodna derivacija) mogu biti otvoreni ili pod pritiskom; dovod ili odvod, kod pojedinih tipova hidroelektrna, zavisno od konstukcije, mogu i da ne postoje. Ma{inska zgrada moè da bude ukopana ili na otvorenom.

4.2 Osnovni delovi hidroelektrana 4.2.1 Brana Brana sluì da skrene vodu sa njenog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, da povisi nivo i uspori protok vode. Brane se mogu podeliti prema slede}im kriterijumima:

Sl. 34 Gravitaciona brana

- prema materijalu na: betonske brane i brane od lokalnih materijala, uglavnom od razli~itih vrsta zemlje i kamena.

54

- prema konstruktivnim svojstvima na : a) gravitacione brane koje svojom velikom te`inom stvaraju velike sile

trenja koje deluju nasuprot hidrostati~kom pritisku vode (sl. 34), b) lu~ne brane, koje svojim oblikom osiguravaju stabilnost (sl. 35), c) kontraforsne (olak{ane) brane, kod kojih pritisak primaju plo~e i

predaju ih potporama (sl. 36), d) stepenasto gravitacione i druge brane koje predstavljaju kombinaciju

prva tri osnovna tipa brana. - zavisno od mogu}nosti odvoda: gluve brane (koje nemaju preliv vode) i vodopropusne brane.

Sl. 35 Lu~ka brana

Betonske brane se grade kao gluve i kao vodopropusne. Vodopropusne se izvode sa povr{inskim i unutra{njim otvorima za preliv vode. Brane proto~nih elektrana se obi~no sastoje od gluvog i od vodopropusnog dela. Visoke brane u uskim kanjonima ~esto se grade kao gluve brane. U ovom slu~aju se preliv suvi{ne vode ostvaruje zaobilazno povr{inski ili kroz tunel.

Sl. 36 Kontraforsna (olakšana) brana

55

4.2.2 Zahvat i dovod vode Zahvat vode treba vodu koja je akumulirana u jezeru da odvede prema turbinama. Primenjuju se dva osnovna tipa zahvata vode: - zahvat na povr{ini vode, - zahvat ispod povr{ine vode. Zahvat na povr{ini vode se izvodi kod niskih brana, jer je nivo vode u akumulaciji prakti~no stalan. Zahvat ispod povr{ine vode izvodi se uglavnom kod visokih brana, jer u takvim akumulacijama nivo vode nije stalan. Zahvat vode mora da bude na koti ispod koje se ne}e ni u najkriti~nijim su{nim periodima spustiti nivo vode. Dovod vode spaja zahvat vode sa vodostanom. Izvodi se kao kanal ili kao tunel, {to zavisi od terena i pogonskih zahteva hidroelektrane. Dovodni tunel se izvodi kao gravitacioni ili pod pritiskom. Hidroelektrane sa tunelom pod pritiskom znatno su elasti~nije u pogonu od hidroelektrana sa gravitacionim tunelom. 4.2.3 Vodostan Ako se na duga~ki dovodni tunel ili kanal direktno nastavi cevovod pod pritiskom, onda kod naglog zatvaranja turbina dolazi do porasta pritiska u dovodnim organima koji mo`e da bude veoma opasan. Pri naglom zat-varanju turbina kineti~ka energija vode u dovodnom tunelu i cevovodu pod pritiskom mora da se pretvori u potencijalnu energiju. Usled toga dolazi do elasti~ne deformacije ~eli~nog cevovoda i betonske obloge dovodnog tunela. Vodostan ima ulogu da porast pritiska, koji nastaje naglim zat-varanjem turbine, ograni~i na relativno nisku vrednost. Vodostan (sl. 37) se gradi na mestu gde tunel prelazi u cevovod pod pritiskom.

Sl. 37 Princip izgradnje vodostana

56

Voda u vodostanu ima neposredan dodir sa atmosferskim vazduhom. Zatvaranjem turbina voda u dovodnom tunelu te~e jo{ neko vreme i podiè nivo vode u vodostanu. Na taj na~in kineti~ka energija vode u dovodnom tunelu prelazi u potencijalnu energiju vodenog podignutog stuba u vodostanu. Zapremina vodostana treba da bude dovoljno velika da pri normalnoj brzini otvaranja turbine (na primer, porast optere}enja turbine od 50% na 100% za vreme od 3s) ne do|e do potpunog pra`njenja vodostana, jer bi u tom slu~aju u{ao vazduh u cevovod pod pritiskom i izazvao opasne udare vode prilikom izlaska vazduha i ponovnog punjenja cevovoda vodom. Ako za dovod sluì kanal a ne cevovod pod pritiskom, onda se na kraju kanala predvi|a vodostan u vidu otvorenog bazena. 4.2.4 Cevovod pod pritiskom Cevovod pod pritiskom naj~e{}e se izra|uje od zavarenih ~eli~nih limova. Pored toga, kao materijal za ove cevovode koristi se armirani beton, liveno gvo`|e i liveni ~elik. Cevovodi pod pritiskom postavljaju se nepokriveni na povr{inu zemlje, slobodno u tunelu i ubetonirani ili ukopani. Kod slobodno poloènog cevovoda mora da postoji mogu}nost slobodnog istezanja usled promena temperature, {to se postiè tako {to se cevovod podeli u vi{e sekcija, koje se me|u sobom spajaju dilatacionim komadima. Na ulazu u cevovod uvek se postavlja zaporni organ (zatvara~), koji treba da spre~i doticanje vode ako iz bilo kog razloga pukne cevovod. Kad cevovod pukne brzina u njemu se pove}a, {to se koristi za stvaranje impulsa za zatvaranje zapornog organa. 4.2.5 Ma{inska zgrada i odvod Ma{inska zgrada je gra|evina u kojoj su sme{teni agregati hidroelektrane (turbine i generatori) i pomo}na oprema. Ma{inska zgrada treba da zadovolji ~esto protivure~ne uslove pogodnosti za eksploataciju i ekonomi~nost u izgradnji (na primer, postizanje povoljnih uslova za remontovanje moè zna~ajno da poskupi izgradnju). Ma{inske zgrade hidroelektrana mogu da se klasifikuju na vi{e na~ina: - zavisno od toga da li zgrada prima pritisak vode: a) zgrade koje primaju pritisak i zajedno sa branom trpe pritisak vode, b) zgrade koje ne primaju pritisak vode (kao kod derivacionih

elektrana);

57

- prema ure|ajima za odvod vode sa vi{eg na ni`i nivo, zgrade proto~nih elektrana mogu da budu: a) razdvojene od preliva, gde se odvod suvi{ne vode sa gornjeg nivoa

ostvaruje preko prelivnih otvora na brani i drugih ure|aja koji nisu povezani sa zgradom hidroelektrane,

b) zajedno sa prelivima, koji su obi~no sme{teni na masivnom (podvodnom ) delu zgrade;

- prema tipu konstrukcije ure|aja za dizanje: a) zatvorena, sa unutra{njim sme{tajem ure|aja za dizanje - mosne

dizalice (sl. 38) gde ozna~eno: 1 - ma{inska sala, 2 - generator, 3 - spiralna komora, 4 - isisna cev, 5 - turbinski cevovod, 6 - ulaz vode, 7 - re{etka, 8 - zatvara~, 9 - mehanizam za dizanje zatvara~a, 10 - dale-kovod),

Sl. 38 Vertikalni presek zatvorene mašinske zgrade hidroelektrane

b) poluotvorena, gde je osnovni ure|aj za dizanje (portalna dizalica) sme{tena iznad ma{inske sale sa generatorom. Generatorska sala je nisko postavljena sa demonta`nim poklopcima iznad generatora (sl.39),

c) otvorena, gde ma{inska zgrada ne postoji, a generatori su pokriveni poklopcima (sl. 40);

58

Sl. 39 Poluotvorena mašinska zgrada hidroelektrane: 1 - hidroagregat, 2 - portalna

dizalica

Sl. 40 Otvorena hidroelektrana: 1 - hidroelektrna, 2 - portalna dizalica

- prema sme{taju u odnosu na povr{inu zemlje: a) nadzemna ma{inska zgrada,

59

b) podzemna ma{inska zgrada, koja se nalazi ispod povr{ine zemlje - grade se kod derivacionih hidroelektrana kada se derivacija izvodi u vidu tunela;

- zavisno od poloàja osa agregata (turbina i generator): a) zgrade sa vertikalnim agregatima, b) zgrade sa horizontalnim agregatima - primenjuju se kod

hidroelektrana sa padom 10-15m, preglednost i pristupa~nost je ve}a, ali se zahtevaju znatno ve}e povr{ine za sme{taj nego kod agregata sa vertikalnom osovinom.

Deo ma{inske zgrade hidroelektrane, koji se sastoji od jednog agregata, naziva se turbinski ili agregatni blok. Dimenzije bloka zavise od snage agregata. Obi~no se u hidroelektranama instali{e najmanje dva do tri bloka. Posebnu vrstu hidrogeneratora sa horizontalnom osovinom ~ine takozvani kapsulni ili cevni generatori (sl. 41). Ovi generatori se zatvaraju u nepromo~ivi oklop ili kapsulu sa ~ije spolja{nje strane te~e voda koja prolazi kroz turbinu. Ova konstrukcija se primenjuje za hidroelektrane niskog pritiska (malih padova) i omogu}ava da se odustane od izgradnje ma{inske sale a postiè se i ve}a kompaktnost elektrane uz manju cenu. Razvodno postrojenje hidroelektrane se sme{ta {to bliè ili uz samu ma{insku zgradu.

Sl. 41 Kapsulni hidrogenerator: 1-kapsula, 2-stator generatora, 3-rotor generatora,

4-sprovodni aparat turbine, 5-rotor turbine, 6 i 8-leàjevi, 7-vratilo

60

Dimenzije ma{inske zgrade odre|uju se uvek tako da se ne potope osetljivi delovi (pre svega generator) ako bi usled katastrofalnog vodostaja ili iz drugih razloga do{lo do prodiranja vode u ma{insku zgradu. Predturbinski zatvara~i se obi~no sme{taju u ma{insku zgradu, neposredno ispred same turbine; ~esto je to posebna prostorija, tzv. galerija zatvara~a. U opremu ma{inske zgrade jo{ spadaju glavni i ku}ni transformatori, razvodno postrojenje, komandna sala, akumulatorska baterija, kompresorsko postrojenje, pumpe za rashladnu vodu, ure|aji za ga{enje poàra, ventilacioni ure|aji, itd.

4.3 Pumpno-akumulacione hidroelektrane 4.3.1 Princip rada Pumpno-akumulaciono postrojenje moè da radi kao hidroelektrana (turbinski rad) ili kao potro{a~ elektri~ne energije (pumpni rad). Kada radi kao hidroelektrana, voda iz akumulacionog bazena (sl. 42) se usmerava kroz turbinu i njena potencijalna energija se pretvara u mehani~ku, a potom u generatoru i u elektri~nu energiju. Kada pumpno-akumulaciono postrojenje radi u pumpnom reìmu, generator se koristi kao motor koji pokre}e pumpu, a pumpa crpe vodu iz vodotoka ili jezera i prebacuje je u akumulacioni bazen. Postoje i konstrukcije kod kojih su pumpa i turbina jedan ure|aj koji moè da radi i u reìmu pumpe i u reìmu turbine - takve hidroelektrane se nazivaju reverzibilne hidroelektrane.

Sl. 42 Šema pumpno-akomulacionog postrojenja: 1 - pumpa, 2 - spojnica, 3 -

generator, 4 - akomulacioni bazen, 5 - turbina

61

Kada se raspolaè dovoljnim koli~inama vode a optere}enje EES (potro{nja u EES) je nisko, postrojenje radi kao pumpa, pri ~emu se elektri~na energija iz EES skladi{ti kao potencijalna energija vode u akumulacionom bazenu. Kada optere}enje EES poraste, akumulisana voda iz bazena se propu{ta kroz turbinu, ~ime se potencijalna energija vode pretvara u elektri~nu energiju. Periodi kada pumpno-akumulaciona hidroelektrana radi u pumpnom i turbinskom radu prikazani su na dnevnom dijagramu optere}enja na sl. 43.

Sl. 43 Primer rada pumpno-akomulacionog postrojenja u dnevnom dijagramu

optere}enja

S obzirom da razmatrane elektrane proizvode elektri~nu energiju u periodima vr{nih optere}enja, njihovo u~e{}e u EES smanjuje potrebu za izgradnjom termoelektrana, {to predstavlja osnovnu korist od pumpno-akumulacionih hidroelektrana, imaju}i u vidu da je elektri~na energija iz hidroelektrana uvek jeftinija od elektri~ne energije iz termoelektrana. 4.3.2 Energetski bilans i stepen iskori{}enja Energetski bilans pumpno-akumulacione hidroelektrane moè se posmatrati na hidrauli~noj {emi na sl. 44. Stepen iskori{}enja se moè izraziti odnosom energija W2 i W1 ili saglasno (32):

PAHE TR M P C C T G TR = ( - ) ( - )η η η ε η η η η η ε η⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅1 1 (44)

62

Ako se uvaì:

P T

M G

η ηη η

≈≈

(45)

stepen iskori{}enja pumpno-akumulacione hidroelektrane moè se izraziti u obliku:

PAHE TR M P C = ( ) η η η ε η η[ 1- ] 0,65 0,752⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≈ ÷ (46)

transf. motor pumpa cevovod

transf. generator turbina cevovod

sopstvenapotrosnja

sopstvenapotrosnja

W

W

1

2

Sl. 44 Hidrauli~na šema pumpno-akumulacione hidroelektrane

4.4 Prikaz hidroelektrana na Dunavu (\erdap 1, \erdap 2, \erdap 3)

4.4.1 \erdap 1 Sistem "\erdap 1" ~ine: - Glavni objekat: 2 elektrane, 2 brodske prevodnice, prelivna i

neprelivna brana i drugi objekti neposredno vezani za eksploataciju elektrana i prevodnica. Preko elektrane izgra|en je i put za automobilski saobra}aj;

- Spoljne komunikacije: izme{tanje i rekonstrukcija postoje}ih èlezni~kih pruga, puteva, pristani{ta, dalekovoda i telegrafsko-telefonskih linija;

- Objekti i ure|aji za za{titu priobalnog podru~ja od dejstva uspora: rekonstrukcija postoje}ih i izgradnja novih za{titnih nasipa i drena`nih sistema;

63

- Objekti i ure|aji za za{titu akumulacionog bazena od nanosa i pritoka Dunava, u prvom redu iz sliva Velike Morave.

Glavni objekat hidroenergetskog i plovidbenog sistema "\erdap 1" nalazi se 10km uzvodno od Kladova. Glavni objekat je simetri~an, sa prelivnom branom u sredini korita i po jednom elektranom i prevodnicom sa svake strane. Izme|u prevodnica i obala su neprelivne brane. Ukupna duìna brane je 1278m, od ~ega prelivni deo brane iznosi 441m. Prelivna brana obezbe|uje regulisanje nivoa gornje vode, kao i evakuaciju velikih voda i leda. Brana je betonska, gravitaciona i ima 14 prelivnih polja {irine 25m. Prelivna polja su opremljena dvodelnim kukastim zatvara~ima sa hidrauli~nim pogonom. Preko prelivne brane kroz turbine i druge evakuacione organe moè se evakuisati protok Dunava od 22500m3/s, tj. onaj protok koji se po ra~unu verovatno}e pojavljuje jednom u 1000 godina. Prose~ni protok Dunava je 5520m3/s. Elektrane se sastoje od po 6 hidroagregata, ukupne snage 1140MW. Kako postoje dve elektrane (na jugoslovenskoj i rumunskoj strani) ukupna instalisana snaga iznosi 2280MW. Hidroagregati se sastoje od vertikalnih Kaplanovih turbina sa pre~nikom radnog kola od 9,5m i vertikalnih hidrogeneratora snage 190MVA. Broj obrtaja hidroagregata je 71,50 obrtaja u minutu. Pad varira od minimalnih 21,90m do maksimalnih 32,5m, a ra~unski pad iznosi 27,16m. Nivo gornje vode se kre}e od 63,0 do 69,5m nadmorske visine. Instalisani protok je 9600m3/s, a prose~na godi{nja proizvodnja oko 11500GWh godi{nje. Brodske prevodnice su dvostepene. Korisna duìna komora je 310m, a {irina komora 34m. U komoru prevodnice mogu istovremeno da stanu 1 brod i 9 {lepera. Prevo|enje traje 70-90min. Uspor nastao izgradnjom |erdapske brane ima uticaj pri malim protocima na Dunavu do Novog Sada, na Savi do [apca i na Tisi do Be~eja. 4.4.2 \erdap 2 Glavni objekat Sistema \erdap 2 izgra|en je 80km uzvodno od HE. Sastoji se od 2 elektrane, 2 brodske prevodnice, 2 prelivne brane, 2 neprelivne brane sa putem preko brane i mogu}no{}u izgradnje èlezni~ke pruge preko brane. Nivo gornje vode varira od 41 do 39,5m nadmorske visine. U obe elektrane ugra|eno je 20 cevnih (kapsulnih) hidroagregata, ukupne instalisane snage 540MW.

64

Brodske prevodnice su jednostepene, a ostale karakteristike su kao na "\erdapu 1". Prose~na godi{nja proizvodnja pri proto~nom radu iznosi oko 2500GWh. 4.4.3 Pumpno-akumulaciona hidroelekrana "\erdap 3" Hidroelektrana "\erdap 3" bi}e izgra|ena na desnoj obali Dunava, 160km nizvodno od Beograda. Elektrana }e raditi no}u, i u drugim prilikama kada ima vi{ka elektri~ne energije, u pumpnom re`imu i pumpati vodu iz Dunava u gornju akumulaciju. Danju, u vreme najve}ih optere}enja, elektrana }e raditi u turbinskom re`imu i proizvoditi elektri~nu energiju kojom }e se pokrivati vrhovi optere}enja. Po kona~nom zavr{etku elektrane o~ekuje se da }e zapremina akumulacija iznositi 577,5 miliona m3, a prose~na godi{nja proizvodnja bi}e 5646GWh. Popre~ni presek elektrane sa akumulacijama prikazan je na sl. 45.

Sl. 45 Pumpno-akumulaciona hidroelektrana "\erdap 3"

65

5 TERMOELEKTRANE 5.1 Vrste termoelektrana Tehnolo{ki proces transformacije toplotne energije sadràne u gorivu u elektri~nu (i toplotnu) energiju ostvaruje se u termoelektranama (TE) posredstvom odgovaraju}e termoenergetske opreme, povezane me|u sobom u saglasnosti sa toplotnom {emom. Celokupna termoenergetska oprema se deli po pojedinim tehnolo{kim celinama na kotlovski, parno-turbinski, kondenzacioni, napojni, toplifikacioni (za toplane) i elektrotehni~ki deo. Tip i vrstu TE na fosilno gorivo odre|uju slede}i faktori: 1. Vrsta proizvodnje energije: Razlikuju se termoelektrane koje odaju

samo elektri~nu energiju i termoelektrane-toplane, koje pored elektri~ne odaju i toplotnu energiju putem nosilaca toplote (pare ili vrele vode)

2. Vrsta kori{}enog goriva: Razlikuju se TE na ~vrsto, te~no i gasovito gorivo i na kombinaciju dva ili tri goriva.

3. Tip osnovne turbine: Razlikuju se TE sa parnim ili gasnim turbinama, odnosno kombinovani proces kada su primenjene i parna i gasna turbina.

4. Nivo parametara pare: U zavisnosti od nivoa po~etnog pritiska sveè pare razlikuju se TE sa dokriti~nim (obi~no niè od 160-170bar) i natkriti~nim pritiskom (vi{e od 220bar).

5. Instalisana snaga: Uslovno se termoelektrane dele na termoelektrane velike snage (preko 1000MW), srednje (100 do 1000MW) i male (manje od 100MW) snage.

6. [ema veza termi~kog dela elektrane: Po tipu primenjene osnovne tehnolo{ke {eme TE se dele na blok i neblok {emu ({ema sa sabirnicama pare).

7. Stepen optere}enja i kori{}enja snage: U zavisnosti od vremena rada TE se dele na bazne (vi{e od 6000 sati rada godi{nje u EES), polubazi~ne (od 4000 do 6000 sati rada), poluvr{ne (2000 do 4000 sati rada) i vr{ne (manje od 2000 sati rada).

8. Vrsta hla|enja: Proto~no i povratno hla|enje. Kod proto~nog hla|enja voda za hla|enje kondenzatora uzima se iz prirodnog izvora (reke, jezera) propu{ta kroz kondenzator i vra}a natrag. Kad ne postoji prirodni izvor vode za hla|enje ista voda se stalno propu{ta kroz kondenzator i stalno se hladi u posebnim hlad-

66

njacima (sl. 46) {to predstavlja proto~no ili ve{ta~ko hla|enje. Izbor sistema hla|enja vezan je za osnovnu dilemu oko izbora lokacije TE - blizu reke ili blizu rudnika uglja.

Sl. 46 Šema rashladnog sistema turbine sa povratnim hladjenjem

5.2 [ema veza termi~kog dela elektrane 5.2.1 Blok spoj Postrojenje jednog bloka termoelektrane (sl. 47) sastoji se od parnog kotla (generatora pare), turbine, elektri~nog generatora i odgovaraju}e pomo}ne opreme i postrojenja. Uloga delova bloka na sl. 47 ranije je obja{njena, osim uloge deareatora. Pri klju~anju vode se izdvajaju gasovi koji su rastvoreni u vodi, i to pre svega kiseonik i ugljen-dioksid. Ako se voda ne o~isti od kiseonika i ugljen-dioksidau deareatoru, {to je njegova osnovna uloga, tada njihovo naknadno izdvajanje dovodi do brze korozije metala, u parnom kotlu i na svim putevima vode kotlu. Jedna TE se obi~no sastoji od vi{e blokova, koji su tako opremljeni da se svaki mo`e eksploatisati nezavisno od ostalih. U TE sa agregatima preko 100MW skoro isklju~ivo se koristi blokovski tip tehnolo{ke {eme. 5.2.2 [ema sa sabirnicama pare Sabirnice pare (sl. 48) omogu}avaju paralelno vezivanje i istovremeni rad razli~itog broja turbina i generatora. Snage kotlova i turbina biraju se nezavisno, a zbirovi snaga treba da budu jednaki. TE sa sabirnicama pare odlikuju se elasti~no{}u u pogonu ali i ve}im zahtevima u pogledu prostora za njihovu izgradnju. Primenjuju se za snage ispod 100MW, posebno za autonomne elektrane, industrijske elektrane i toplane.

67

Sl. 47 Šema jednog bloka TE: 1 - parni kotao, 2 - turbina, 3 - generator, 4 -

kondenzator, 5 - kondenzaciona pumpa, 6 - zagreja~ niskog pritiska, 7 - rezervoar napojne vode i deareator, 8 - napojna pumpa, 9 - zagreja~ visokog pritiska

K

T G

P

P

RP

KD

sabirnice pare

sabirnice kondenzata

K PPPP

Sl. 48 Šema elektrane sa sabirnicama pare

68

5.3 Energetski bilans i stepen iskori{}enja termoelektrana Energetski bilans termoelektrana mo`e se posmatrati na blok {emi sa sl. 49, gde je sa B ozna~ena koli~ina goriva koja se sagoreva u jedinici vremena, a sa hd donja toplotna mo} goriva. U TE se koriste vrste niskokalori~nog uglja ~ija se toplotna mo} obi~no kre}e od 10 do 17 MJ/kg. Sa T-G je ozna~ena sprega turbine i generatora, koja sadr`i i ure|aje za hla|enje i podmazivanje koji tro{e deo energije.

K RC T T-G G

SP

P

P

e

SP

BHη η η η η

GT-GTRCKd

Sl. 49 Energetski bilans termoelektrana

Pojedini stepeni iskori{}enja imaju slede}e vrednosti: ε = 0,05 ÷ 0,1 ηK = 0,8 ÷ 0,9 ηt = 0,4 ÷ 0,5 (47) ηT = 0,85 ηG = 0,94 ÷ 0,97 pa stepen iskori{}enja TE iznosi:

TE K t T m G = ( ) = η η η η η η ε⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ÷1- 0,2 0,3 (48)

Veza izme|u elektri~ne snage na izlazu TE i potrebne koli~ine goriva opisana je relacijom:

e TE dP = B hη ⋅ ⋅ (49)

5.4 Energetska svojstva termoelektrana 5.4.1 Dijagram pokretanja agregata Prilikom rada delovi turbine se optere}uju termi~ki i mehani~ki. Ukoliko bi se turbina prilikom pu{tanja u rad brzo dovela do nominalne brzine obrtanja, istovremeno bi se pojavila maksimalna termi~ka i maksimalna

69

mehani~ka naprezanja. Da bi se tako velika naprezanja izbegla, vr{i se tzv. "podgrevanje" materijala tako {to se neko vreme (reda 15min) turbina obr}e sa pribli`no 20% nominalne brzine, a potom ubrzava do nominalne brzine. Kako je broj pari polova turbogeneratora naj~e{}e p=1 (ili 2), radi se o brzinama od 0,2x3000/1=600 (ili 300) obrtaja u minutu. Dijagram pokretanja agregata (sl. 50) predstavlja zavisnost brzine obrtanja od vremena merenog od trenutka pokretanja agregata.

1000

2000

3000

10 20 30 40

nn

0,2 n n

t (min)

nob/min

Sl. 50 Dijagram pokretanja agregata

Dijagram zaustavljanja agregata analogan je dijagramu pokretanja - broj obrtaja turbine se smanji neko vreme pre kona~nog zaustavljanja kako bi se postiglo postepeno hla|enje. Ako bi se turbina naglo zaustavila, moglo bi, na primer, da do|e do krivljenja zagrejane horizontalno pos-tavljene osovine turbine usled sopstvene te`ine. 5.4.2 Dijagram preuzimanja tereta Za razliku od hidroelektrana TE su dosta inertne pri preuzimanju optere}enja, {to je posledica velikih termi~kih konstanti elemenata TE (kotao, turbina, itd.) i ~injenice da svaka promena optere}enja izaziva promenu temperatura u raznim delovima TE. Koliko vremena }e biti potrebno da TE preuzme optere}enje zavisi od toga koliko je dugo TE bila bez optere}enja, {to pokazuje dijagram preuzimanja tereta na sl. 51. Krive na dijagramu se odnose na situaciju kada kotlovska postrojenja nisu obustavljala pogon; ukoliko su kotlovska postrojenja ohla|ena, za njihovo ponovno pokretanje potrebno je vreme rada od 1-og dana.

70

Optere}ivanje HE nominalnom snagom mogu}e je posti}i za 1 minut ili brè.

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

20 40 60 80 100

1h

4h

P/Pn

t(min)

Sl. 51 Dijagram preuzimanja optere}enja 5.4.3 Tehni~ki minimum Tehni~ki minimum Pmin predstavlja minimalnu elektri~nu snagu TE ispod koje se ne moè odràvati stabilan proces gorenja u loì{tu, bez ubaciva-nja dodatnog visokokalori~nog goriva (mazut). Pogon sa ubacivanjem mazuta se izbegava jer je veoma skup. Pumpno-akumulacione hidroelektrane izuzetno su pogodne u situacijama kada optere}enje TE padne ispod tehni~kog minimuma jer rade}i u pumpnom reìmu mogu da obezbede neophodnu potro{nju za TE.

5.5 Termoelektrana "Nikola Tesla" B 2x620MW Termoelektrane "Nikola Tesla" u Obrenovcu, neposredno pored Beograda, za proizvodnju elektri~ne energije koriste kolubarski lignit ~iji su kopovi udaljeni 20 do 30 km od termoelektrana. Termoelektrane su locirane na reci Savi uzvodno 30-50km od Beograda i tako su se u beogradskom regionu spojile tri osnovne pogodnosti za izgradnju velikih TE: ugalj, voda i veliki potro{a~ elektri~ne energije. U TE "Nikola Tesla" A i B nalazi se danas najve}a jugoslovenska koncentracija energetskih kapaciteta sa instalisanih 2890MW. U pogonu B (TENT B) instalisane su i najve}e energetske jedinice u Jugoslaviji na ugalj i lignit od 620MW.

71

Ugalj koji se koristi kao gorivo ima donju toplotnu mo} 6-8MJ/kg,prose~nog sadràja vlage 45-53% i pepela 10-23%. Dnevna potro{nja uglja (u TENT B) je 17000-19000 tona po svakom bloku. Od prijemnih mesta na rudniku do termoelektrana ugalj se transportuje specijalnim èlezni~kim kompozicijama neto teìne oko 1500t sopstvenom industrijskom elektrificiranom prugom normalnog koloseka. Ugalj se u TE istovara na skladi{te uglja (pozicija 16 na sl. 55 ), koje za prva dva izgra|ena bloka ima kapacitet od 420000t, odnosno za 12 dana rada oba bloka. Posle istovara ugalj se sa dve linije transportera dovodi do kotlovskih bunkera. Ugalj se potom melje u mlinovima za ugalj (poz. 11 na sl. 55) i ventilatorima doprema u loì{te kotla. Dimni gasovi dobijeni sagorevanjem uglja se po izlasku iz kotla sprovode kroz zagreja~ vazduha (poz 12 na sl. 55) gde deo toplote predaju sveèm vazduhu koji se uvodi u loì{te, zatim u elektrofilter (poz. 13 na sl. 55) gde se dimnim gasovima odstranjuje pepeo i najzad kroz dimnjak (poz. 14 na sl. 55) visine 280m u spolja{nji prostor gde ne bi trebalo o~ekivati nedozvoljena zaga|enja ìvotne sredine. Pepeo iz kotla se u bazenu (poz. 17) me{a sa vodom i pumpama otprema na deponiju pepela (poz. 18 na sl. 55). Voda za osnovni ciklus se obezbe|uje iz sistema bunara izbu{enih na obali Save (poz. 20). Voda se pre~i{}ava u postrojenju za hemijsku pripremu - potpunu demineralizaciju vode (poz. 21). Napajanje kotla vodom iz napojnog rezervoara (poz. 8) obezbe|uje jedna turbonapojna pumpa (poz. 9). Za hla|enje kondenzatora koristi se voda iz reke Save koja se mehani~ki pre~i{}ava u pumpnoj stanici (poz. 19) Toplotna {ema sa osnovnim parametrima fluida prikazana je na sl. 54. Turbina je jednoosovinska, ~etvoroku}i{na (1 x visoki pritisak , 2 x srednji pritisak i 1 x niski pritisak), a u radnom ciklusu se koriste postupci pregrevanja, me|upregrevanja i regeneracije pare. Ostavlja se ~itaocu da uporedi elemente sl. 54 sa elementima slika sl. 19 i sl. 55. Generator za proizvodnju elektri~ne energije je trofazna sinhrona ma{ina direktno spojena za vratilo turbine. Nominalna snaga generatora je 630MW, prividna snaga 727,5MVA uz nominalni napon od 21kV i nominalni faktor snage 0,85. Hla|enje rotora generatora vr{i se neposredno vodonikom pritiska 6bari, a hla|enje namotaja statora demi vodom - vodom koja se upotrebljava i za termodinami~ki radni ciklus.

72

Jednopolna {ema TE prikazana je na sl. 56. Generatori su za mreù 400kV vezani blok transformatorima (poz. 2), a za sabirnice sopstvene potro{nje elektrane blok transformatorima sopstvene potro{nje (poz. 3). Sopstvena potro{nja elektrane moè se snabdevati i iz mreè od 220kV posredstvom posebnih transformatora (poz. 4), u slu~aju da elektrana sama ne proizvodi elektri~nu energiju.

73

6 NUKLEARNE ELEKTRANE 6.1 Vrste nuklearnih elektrana Nuklearne elektrane su energetska postrojenja koja koriste toplotnu energiju dobijenu fisijom jezgara atoma urana i plutonijuma za dobijanje elektri~ne energije, sli~no kao u klasi~nim TE. Razlika izme|u TE i NE je u tome {to se u TE generisanje toplote i proizvodnja pare vr{i u kotlovskom postrojenju kroz hemijski proces sagorevanja goriva, dok se u NE tolota generi{e u reaktoru kroz proces fisije nuklearnog goriva. Nuklearne elektrane se izme|u sebe razlikuju po tipu reaktora. Prema nuklearnim procesima fisije reaktori mogu da budu: - termalni reaktori gde se proces fisije obavlja termalnim, usporenim

neutronima i - brzi (oplodni) reaktori gde se proces fisije obavlja brzim neutronima. Danas su prakti~no sve NE sa termalnim reaktorima. Brzi reaktori nalaze se u fazi industrijskih prototipnih postrojenja. Zna~aj brzih reaktora je u tome {to se u njima pri radu konvertuje U-238 u Pu-239 u ve}oj koli~ini od tro{enja U-235, ~ime se omogu}ava 50-100 puta ve}e iskori{}enje rezervi uranijuma od onoga {to se danas ostvaruje u termalnim reaktorima. Prema materijalima reaktorskog jezgra mo`e se izvr{iti vi{e podela. Prema moderatoru razlikujemo: - grafitne reaktore (GR), - te{kovodne reaktore (HWR) i - lakovodne (H2O) reaktore (LWR). Prema nuklearnom gorivu reaktori se dela na: - reaktore sa prirodnim uranom (GCR - gasom hla|ene reaktore), - reaktore sa slabo oboga}enim uranom (AGR i LWGR) i - reaktore sa oboga}enim uranom (HTGR). Prema reaktorskom rashladnom fluidu razlikujemo reaktore sa: - gasom, - lakom (obi~nom) vodom (H2O) i - te{kom vodom (D2O). Prema radnom fluidu, kojim se toplota od reaktora prenosi turbini, lakovodni reaktori (LWR) se dele na: - reaktore sa vodom pod pritiskom (PWR) i - reaktore sa klju~alom vodom (BWR). Prema konstrukcionim re{enjima reaktore delimo na:

74

- reaktore sa cevima pod pritiskom u koje spadaju HWR i LWGR reaktori i

- reaktore sa sudom pod pritiskom u koje spadaju svi ostali reaktori. Vodom hla|eni reaktori PWR i BWR danas zauzimaju preko 85% instalisanih kapaciteta. Njihova osnovna karakteristika je da je obi~na (laka) voda istovremeno i moderator i rashladni fluid.

6.2 Osnovni delovi nuklearnih elektrana Osnovni delovi nuklearne elektrane prema sl. 52 su: za{titna posuda (kontejment), nuklearni reaktor, generator pare, pumpe, sud za odr`avanje konstantnog pritiska, pomo}ni i klasi~ni sistemi

Sl. 52 Osnovna šema nuklearne elektrane (1 - zaštitna posuda; 2 - nuklearni

reaktor; 3 - sud za izjedna~enje pritiska; 4 - generator pare; 5 - turbina; 6 - generator; 7 - kondenzator; 8 - pumpe)

Nuklearni rektori su ure|aji u kojima se odr`ava kontrolisana lan~ana reakcija, a razli~iti oblici energije fisije se pretvaraju u toplotu koja se odgovaraju}im rashladnim fluidom izvodi iz reaktora. Generator pare je izmenjiva~ toplote u kome rashladni fluid reaktora (H2O, Co2) predaje deo svoje toplotne energije vodi, odnosno pari u sekundarnom kolu nuklearne elektrane.

75

Cirkulaciona pumpa rashladnog fluida reaktora omogu}ava cirkulaciju rashladnog fluida u primarnom kolu reaktora. Primarno kolo mora da bude u potpunosti odvojeno od drugih delova NE. Sud za odràvanje konstantnog pritiska priklju~en je na primarno kolo nuklearne elektrane i ima zadatak da u njemu odràva potreban pritisak i kompenzuje promene zapremine rashladnog fluida zbog promena temperature. U za{titnoj posudi (kontejment, reaktorska zgrada) sme{tene su osnovne komponente primarnog kola nuklearne elektrane i deo komponenata reaktorskog pomo}nog postrojenja. Za{titna posuda je predvi|ena da zadrì vodenu paru i gasne produkte fisije u slu~aju loma neke od komponenata primarnog kola nuklearne elektrane. Pomo}ni sistemi nuklearnog reaktora nisu u direktnoj vezi sa iskori{}enjem proizvedene toplotne energije, ali su zna~ajni za sigurnost reaktora i njegovo pravilno funkcionisanje. Klasi~ni sistemi u nuklearnoj elektrani identi~ni su sa sistemima u klasi~noj termoelektrani (turbina, generator, kondenzator, pumpe, itd.). U nuklearnom reaktoru (sl. 53) odvija se proces pretvaranja nuklearne energije u toplotnu energiju. U jezgru reaktora sme{teno je nuklearno gorivo i medijum za usporavanje neutrona (moderator). Da bi se spre~io izlazak neutrona iz jezgra reaktora, jezgro je oklopljeno reflektorom, a da bi se onemogu}io prodor radioaktivnog zra~enja u okolinu, oko reflektora je izra|en biolo{ki {tit.

Sl. 53 Osnovna šema reaktorskog dela nuklearne elektrane

76

Za regulaciju lan~ane reakcije slu`i kontrolni sistem, za koji se upotrebljavaju {tapovi od materijala koji jako apsorbuju neutrone. Uvla~enjem i izvla~enjem {ipki za regulaciju smanjuje se ili pove}ava struja neutrona i na taj na~in reguli{e lan~ana reakcija. Regulacija lan~ane reakcije treba da bude ostvarena tako da omogu}i stavljanje u pogon, normalni rad i zaustavljanje reaktora.

77

7 LITERATURA 1. Bo`o Udovi~i}, Energija, dru{tvo, okolina, Knjiga II, Energetske

pretvorbe i bilance, Gra|evinska knjiga, Beograd, 1988. 2. Bo`o Udovi~i}, Elektroenergetika, [kolska knjiga, Zagreb, 1983. 3. Nenad \aji}, Energetski izvori i postrojenja, Rudarsko-geolo{ki

fakultet, Beograd, 1992. 4. Dragoljub Piperski, Elektri~na postrojenja i elektrane , Zavod za

ud`benike i nastavna sredstva, Beograd, 1982. 5. Jovan Nahman, Miroslav Markovi}, Elektrane i razvodna postrojenja,

Zbirka zadataka sa re{enjima i prilozima, Elektrotehni~ki fakultet, Beograd, 1973.

6. Tehni~ka i prospektna dokumentacija HE "\erdap", 7. Tehni~ka i prospektna dokumentacija TE "Nikola Tesla" 8. Tehni~ka enciklopedija, JLZ 9. Milenko \uri}, Nadzemni vodovi, energetski transformatori i

sinhroni generatori kao elementi EES, Nauka, Beograd, 1993.

78

Sl. 54 Toplotna šema TE "Nikola Tesla" B: 1-kotao, 2-turbina, 3-generator, 4-kondenzator, 5-kondenzat pumpe, 6-regeneracija kondenzata, 7-zagreja~i niskog pritiska, 8-napojni rezervoar, 9-turbina za pogon napojne pumpe, 10-kondenzator turbine napojne pumpe, 11-glavne napojne pumpe, 12-pomo}ne napojne pumpe,

13-pumpe kondenzata iz zagreja~a, 14-zagreja~i visokog pritiska

79

Sl. 55 Šematski prikaz proizvodnje elektri~ne energije u TE "Nikola Tesla B":

1-kotao, 2-turbina, 3-generator, 4-transformator, 5-kondenzat pumpa, 6-pre~i{}avanje kondenzata, 7-zagreja~ niskog pritiska, 8-napojni rezervoar, 9-napojna pumpa, 10-zagreja~ visokog pritiska, 11-mlin za ugalj, 12-zagreja~ vazduha, 13-elektro filter, 14-dimnjak, 15-blok komanda, 16-skladi{te uglja,

17-bazen bager stanice, 18-deponija pepela, 19-crpna stanica rashladne vode, 20-bunar, 21-hemijska priprema vode, 22-rezervoar dodatne demi vode,

23-rezervoar mazuta

80

Sl. 56 Jednopolna šema TE "Nikola Tesla" B: 1-generator, 2-blok transformator,

3-blok transformator sopstvene potro{nje, 4-transformator sopstvene grupe, 5-sopstvena potro{nja bloka 6,6kV, 6-sopstvena potro{nja op{te grupe,

7-dalekovod 400kV, 8-dalekovod 220kV

elektra ne

Documents