fakultet elektrotehnike i ra~unsrstvazavod za visoki napon i energetiku

Termoelektrane

Prof.dr.sc. Sejid TešnjakDoc.dr.sc. Davor GrgićDoc.dr.sc. Igor Kuzle

Sadržaj

Uvod

Tipovi termoelektrana

Povijesni pregled razvoja termoelektrana

Princip rada termoelektrane

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj

Energetske karakteristike termoelektrana

Mjesto i uloga termoelektrana u EES-u

Ekološko-tehnološke značajke termoelektrana

Što je to termoelektrana...” 1

Termoelektrana je postrojenje u kojem se proizvodi električna energija pretvorbom toplinske energije.

“Što je to termoelektrana...” 2

Klasične termoelektrane za svoj pogon koriste fosilna ili nuklearna goriva, čijim izgaranjem u tehnološkom procesu pretvaraju unutarnju kaloričku energiju goriva u električnu energiju.

Osim klasičnih termoelektrana postoje i termoelektrane koje koriste druge izvore topline(Sunce, geotermalni izvori, biološki otpad, itd.)

Uz električnu energiju, termoelektrane mogu davati i znatne količine toplinske energije, pa prema tome postoje:

Kondenzacijske termoelektrane Termoelektrane - toplane

Podjela termoelektrana 1

Termoelektrane mogu se podijeliti i prema vrsti pogonskih strojeva:

– Parne termoelektrane (kondenzacijske termoelektrane) – u kojima gorivo izgara u parnim kotlovima, a pogonski je stroj parna turbina(η ~ 35 – 40%).

– Kogeneracijske termoelektrane (termoelektrane-toplane), posebna izvedba parnih termoelektrana u kojima se dio pare iskorištava za industriju i grijanje naselja (η ≤ 70%).

– Plinske termoelektrane – u kojima je pogonski stroj plinska turbina (η ~ 30 – 35%).

Podjela termoelektrana 2

– Kombi termoelektrane - kombinirani plinsko-parni proces (η ≥ 50%).

– Dizelske termoelektrane – s dizelskim motorom kao pogonskim strojem (η ≤ 20%).

– Geotermičke termoelektrane – u kojima se para iz zemlje neposredno ili preko izmjenjivača topline upotrebljava za pogon turbine.

– Nuklearne elektrane – u kojima nuklearni reaktor preuzima ulogu kotla, a pogonski je stroj također parna turbina.

Povijesni pregled razvoja termoelektrana

4. rujan 1882. godine Thomas A. Edison pušta u pogon svoju Pearl Street termoelektranu u New Yorku koja kao pogonsko gorivo koristi ugljen uz stupanj djelovanja od svega 2.5 %. Ova elektrana opsluživala je 59 potrošača!

Prijelomna točka u razvoju termoelektrana vezana je uz početak 20 stoljeća i spoznaju Samuela Insull-a da bi se povećanjem parne turbine moglo dobiti povećanje snage uz istovremeno manje troškove proizvodnje

Primjer USA – početne Insull-ove jedinice od 5 i 12 MW već su 1928. godine zamijenile jedinice snage 110 MW, daljnji trend rasta je nastavljen, 1953. godine jedinica 220 MW, 1960. godine jedinica 575 MW, dok je granica od 1000 MWprobijena 1965. godine

Princip rada TE 1

Primjer parne termoelektrane:

Primarna energija fosilnog goriva se u procesu izgaranja i prijenosa topline u izmjenjivaču topline (generatoru pare) pretvara u toplinsku energiju vodene pare

Toplinska energija vodene pare se u parnoj turbini transformira u mehaničku energiju i toplinsku energiju degradiranih parametara

Mehanička energija se u turbogeneratoru pretvara u električnu energiju

Princip rada TE 2

• Para visokog tlaka i temperature ubrzava se dok struji kroz nepomične kanale ili sapnice te na taj način povećava svoju kinetičku energiju uz istovremenu ekspanziju na niži tlak.

• Nakon toga se statorskim lopaticama tok pare usmjerava na rotorske lopatice gdje čestice pare mijenjaju smjer i moment proizvodeći tangencijalnu (centrifugalnu) silu na lopatice i mehanički moment turbine.

• Učinkovitost transformacije kinetičke energije pare u mehaničku energiju ovisi o omjeru obodne brzine i brzine pare nakon ekspanzije.

Princip rada TE 3

• S obzirom na smjer strujanja pare razlikuju se:• radijalne i• aksijalne turbine.

• Kod radijalnih turbina para struji okomito na osovinu. Za agregate manjih snaga i relativno su rijetko u EES-u.

• Kod agregata većih snaga koriste se aksijalne turbine, gdje para struji paralelno duž osovine turbine pri čemu joj se smanjuje tlak uz istovremeno povećanje njenog volumena. Zbog toga se konstrukcijski povećava i duljina lopatica od mjesta na kojemu para ulazi u turbinu do mjesta na kojem izlazi iz turbine. Svaka turbina sadrži statorske i rotorske lopatice raspodijeljene u grupe.

Princip rada TE 4• Za pogon turbina upotrebljava se para visokog tlaka i

temperature što nakon njene ekspanzije omogućuje velike obodne brzine.

• Da bi se obodna brzina smanjila na neku dozvoljenu vrijednost (u ovisnosti o čvrstoći materijala i dozvoljenoj brzini vrtnje agregata) uobičajeno je da se parna turbina dijeli na više stupnjeva po tlaku i/ili po brzini.

• Po tlaku se turbina dijeli tako da se ukupni pad tlaka podijeli na više stupnjeva od kojih svaki djeluje kao jedinstvena turbina.

• Na taj je način brzina pare nakon ekspanzije u svakom stupnju znatno manja čime se značajno smanjuje i obodna brzina, a povećava se i učinkovitost turbine.

Princip rada TE 5• Dodatno se ukupna učinkovitost parnog procesa

povećava međupregrijanjem pare između stupnjeva turbine čime se povećava njihova entalpija.

• Suvremene parne turbine imaju termičku učinkovitost oko 45%.

• Parne turbine mogu se podjeliti na:• turbine bez međupregrijanja,

agregati čija je snaga manja od 100 MW• turbine s jednim međupregrijanjem,

najveći broj agregata u sustavu• turbine s dvostrukim međupregrijanjem.

VT dio podjeljen u dvije sekcije i to na VVT i VT s međupregrijanjem između njih.

Princip rada TE 6• Doprinosi pojedinih stupnjeva najčešće iznose 20%

(VVT), 20% (VT), 30%(ST) i 30% (NT).• S obzirom na visinu tlaka na kraju ekspanzije, razlikuju

se:•kondenzacijske i•protutlačne turbine.

• U kondenzacijskim turbinama iskorištava se para do kondenzatorskog tlaka, koji je određen temperaturom rashladne vode.

• U protutlačnim turbinama para ekspandira do tlaka znatno višeg od kondenzatorskog jer se para koja je djelomično ekspandirala u parnoj turbini upotrebljava za grijanje ili za industrijske procese.

Princip rada TE na ugljen

Toplinska bilanca TE na ugljen

•Legenda:

Princip rada TE na mazut

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 1

sedam klasičnih termoelektrana (ukupna električna snaga na pragu iznosi 1589 MW) i to:

– TE Sisak (396 MW)– TE Rijeka (320 MW)– TE-TO Zagreb (318 MW)– TE Plomin (330 MW) – uključuje TE Plomin I + TE Plomin II– TE-TO Osijek (96,2 MW)– EL-TO Zagreb (86,8 MW)– KTE Jertovec (88 MW)

četiri interventne dizelske elektrane (29 MW) i jedna interventna plinska elektrana (13 MW)

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 2TE SISAK

položaj: Sisak, Čret, 4 km nizvodno od Siska na desnoj obali Save

tip elektrane: kondenzacijska TE s dva bloka: svaki blok ima dva parna kotla i po jednu parnu turbinu

vrsta goriva: teško loživo ulje, plin

ukupna snaga: 420 MW (2x210 MW)

vrste proizvoda:električna energija, tehnološka para

god. proizvodnja prosj. 2005.

elektr. energija 1140 GWh 523 GWh

tehnol. para 107406 t

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 3TE RIJEKA položaj: jugoistočno od

Rijeke, na morskoj obali tip elektrane: regulacijska

kondenzacijska, kotao i jedna parna turbina

vrsta goriva: teško loživo ulje

ukupna snaga: 320 MW vrste proizvoda:

električna energija

god. proizvodnja prosj. 2005.

elektr. energija 790 GWh 697 GWh

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 4TE-TO ZAGREB

položaj: Zagreb, Žitnjak tip elektrane:

kogeneracijska (spojna) proizvodnja električne i toplinske energije

vrsta goriva:– g1: prirodni plin ili

ekstra lako ulje za loženje

– g2: teško lož ulje / plin ukupna snaga: 318 MWe /

450 MWt +150 t/h vrste proizvoda:

električna i toplinska energija, tehnološka para

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 5TE-TO ZAGREB

god. proizvodnja prosj. 2005.elektr. energija 936 GWh 1389 GWh ogrjevna toplina 3 239 122 GJ 3 319 895 GJ tehnol. para 334 029 t 239745 t

snaga po agregatima tip gorivo A: K1 70 MWt kotao 1 bloka A g2 C: 110 MWe / 200MWt toplifikacijski blok g2 K: 2x71+66 MWe / 140 MWt kombi kogeneracijski blok

s dvije plinske turbine g1

PK3: 56 MWt pomoćna parna kotlovnica g2 VK3: 50 MWt vrelovodni kotao g2 VK4: 50 MWt vrelovodni kotao g2 VK5: 100 MWt vrelovodni kotao g2 VK6: 100 MWt vrelovodni kotao g2

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 6

TE PLOMIN

položaj: Luka Plomin tip elektrane:

kondenzacijska TE s dva bloka: svaki blok ima parni kotao i po jednu parnu turbinu

vrsta goriva: ugljen ukupna snaga: 330 MW (1x110+1x210 MW)

vrste proizvoda:električna energija

god. proizvodnja prosj. 2005.

TE Plomin I 600 GWh 641 GWh

TE Plomin II 1 400 GWh 1458 GWh

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 7TE-TO OSIJEK

položaj: Osijek tip elektrane:

kogeneracijska vrsta goriva:

teško lož ulje, plin ukupna snaga: 95

MW (2x25+1x45 MW)

vrste proizvoda:električna energija, tehnološka para, toplinska energija

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 8TE-TO OSIJEK

god. proizvodnja prosj. 2005.

elektr. energija 205 GWh 106,7 GWh

ogrjevna energija 657 471 GJ 770 195 GJ

tehnol. para 173 345 t 163 989 t snaga po agregatima tip gorivo A: 45 MWe / 110 MWt toplifikacijski blok g2 B: 25 MWe / 56 t/h * plinska turbina g1 C: 25 MWe * plinska turbina g1 SBK1: 18 t/h parni kotao g2 SBK2: 18 t/h parni kotao g2 SBK3: 18 t/h parni kotao g2

* plinske turbine mogu raditi alternativno na kotao na otpadnu toplinu KNOT

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 9EL-TO ZAGREB

položaj: Zagreb, Trešnjevka

tip elektrane: kogeneracijska

vrsta goriva:– g1: prirodni plin – g2: teško loživo ulje

/ plin ukupna snaga: 88.8

MWe / 342,34 MWt+180 t/h

vrste proizvoda:električna i toplinska energija, tehnološka para

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 9EL-TO ZAGREB

god. proizvodnja prosječno 2005.elektr. energija 395,761 GWh 332,24 GWh ogrjevna toplina 2.375.342,940 GJ 2.725.766,7 GJ tehnol. para 498.940 t 465.777 t

snaga po agregatima tip gorivo 1x11 MWe toplifikacijski blok g2 1x30 MWe toplifikacijski blok g2 2 x 23,9 MWe kombi kogeneracijski blok s

dvije plinske turbine g1

64 MWt pomoćni parni kotao g2 116 MWt pomoćni vrelovodni kotao g2 58 MWt pomoćni vrelovodni kotao

obnova i rekonstrukcija g2

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 10KTE JERTOVEC

položaj: Konjščina, Jertovec

tip elektrane: kombinirana (plinsko-parna) termoelektrana Jertovec - interventna (vršna) elektrana

vrsta goriva: prirodni plin, ekstra lako ulje za loženje

ukupna snaga: 88 MW (2x31,5+2x11,5 MW)

vrste proizvoda:električna energija, pomoćne usluge sustava

god. proizvodnja prosj. 2005.

elektr. energija 77 GWh 0,84 GWh

Agregati A i C čine jedan kombi blok, B i D su drugi kombi blok.

Termoelektrane u Republici Hrvatskoj 11

ELEKTRANA TG br.

Sn (MVA)

Pn-gen (MW)

Pn-prag (MW)

Pmin (MW)

cos ϕn Qmax (Pmin)

ind. (MVAr) Qmax (Pnaz)

ind. (MVAr) Qmax (Pmin)

kap. (MVAr) Qmax (Pnaz)

kap. (MVAr) Vrsta

uzbude TE-TO Osijek 1 56 45.0 42.0 10 0.80 44 33 27.0 14.0 tir. samouz.

PTE Osijek 1 2

32 32

25.6 25.6

23.5 23.5

2 2

0.80 0.80

22 22

19 19

13.9 13.9

6.5 6.5

tir. samouz. tir. samouz.

TE Sisak 1 2

247 247

200.0 210.0

188.0 198.0

70/90 70/140

0.85 0.85

170/164 168/150

135 140

58/53 60/49

46.0 22.0

tir. samouz. tir. samouz.

KTE/PTE Jertovac

2 3 4 5

16 16

41.8 41.8

12.5 12.5

35.55 35.55

9.0 9.0

28.0 28.0

3 3 4 4

0.80 0.80 0.85 0.85

13.8 13.8

25 25

10 10 18 18

5.6 5.6

17.3 17.3

2.7 2.7 9.1 9.1

strojna DC strojna DC tir. samouz tir. samouz

TE-TO Zagreb 1 3

40 150

32.0 120.0

25.0 110.0

12 40

0.80 0.80

30 115

24 90

4.0 53.0

1.0 17.0

strojna DC tir. samouz.

EL-TO Zagreb

1 2 3 4

16 38

28.1 28.1

11.0 30.0 25.6 25.6

9.0 26.0 23.9 23.9

4 6 0 0

0.70 0.80 0.85 0.85

11 22

21.8 21.8

3 4 8 8

5.0 3.0

10.9 10.9

3.0 1.0

8 8

brushless tir. samouz. brushless brushless

TE Rijeka 1 376 320.0 303.0 150 0.85 220 180 126.0 117.0 tir. nezavis. TE Plomin 1 1 156 101.0 93.0 55 0.80 92 48 0.0 0.0 strojna DC

Termoelektrane u drugim državama Hrvatska je financirala izgradnju četiri TE i jednu NE na

prostoru drugih republika SFRJ čija ukupna snaga na pragu iznosi 650 MW i to:Bosna i Hercegovina– TE Kakanj (50 MW), TE Tuzla IV (182 MW)

Temeljem ulaganja u u ove dvije elektrane HEP će u sljedećih 6 godina preuzeti 5220 GWh električne energije.

– TE Gacko (100 MW) prema ugovoru još 18 god. ili 10 TWh.Očekuje se rješenje isporuke električne energije s Elektroprivredom Republike Srpske.

Srbija i Crna Gora– TE Obrenovac VI (280 MW) prema ugovoru još 12,5 god. ili 21

TWh;Očekuje se rješenje isporuke električne energije s Elektroprivredom Srbije.

Slovenija– NE Krško (338 MW – HEP suvlasnik)

Energetske karakteristike termoelektrana 1

Maksimalna raspoloživa snaga je najveća snaga koja se može isporučiti u sustav, uzimajući u obzir kvalitetu goriva, temperaturu rashladne vode i okolnog zraka, vlastitu potrošnju i stanje pomoćnih pogona.

Tehnički minimum termoelektrane je ona minimalna snaga pri kojoj termoelektrana može trajno raditi s osnovnim gorivom, uz održavanje stabilnosti procesa dobivanja topline iz primarnog izvora energije.

Energetske karakteristike termoelektrana 2

U slučaju parnih termoelektrana koje koriste fosilna goriva, minimalna razina stabilnog izgaranja u ložištu generatora pare jako zavisi o vrsti goriva, konstrukciji i izvedbi generatora pare.

Općenito, tehnički minimumi relativno su manji u slučaju termoagregata koji kao gorivo koriste plin ili tekuća goriva, nego u slučaju termoagregata na kruta goriva, gdje se povećavaju sa smanjenjem kalorijske vrijednosti goriva.

Zbog toga su tehnički minimumi relativno najveći u slučaju parnih termoelektrana u kojima se kao gorivo koristi ligniti (i treset).

Energetske karakteristike termoelektrana 3• Dozvoljena brzina promjene opterećenja

(snage proizvodnje) određena je termičkim naprezanjima materijala i prvenstveno zavisi od značajki i konstrukcije turbine. Prosječan gradijent promjene snage proizvodnje iznosi oko 5 MW/min.

• Moguća proizvodnja termoelektrane u nekom vremenskom periodu T (pod pretpostavkom da na raspolaganju postoji dovoljna količina goriva) računa se kao produkt raspoložive snage elektrane u razmatranom periodu i dužine predviđenog rada, uzimajući u obzir planska i prinudna stajanja.

Energetske karakteristike termoelektrana 4

Prema raspoloživosti te manevarskim sposobnostima agregati se mogu podijeliti na:

• Bazne agregate (eng. base units),• Agregate koji su obavezno u pogonu, ali

mogu mijenjati opterećenje (eng. must run units),

• Agregate koji se mogu uključivati i isključivati uz poštovanje svih tehničkih ograničenja (eng. cycling units),

• Vršne agregate (eng. peaking units).

Troškovi eksploatacije (gorivo i održavanje)

Temeljna energetska ulazno-izlazna karakteristika parne termoelektrane na fosilna goriva

Troškovi pokretanja i zaustavljanja

Zavisnost troškova upuštanja termoagregata, koji su prirodno hlađeni ili održavani u toplom stanju

Standardna karakteristika specifične potrošnje topline parnih termoagregata nafosilna goriva

Specifična potrošnja topline

Regulacijski ventili

Standardna karakteristika diferencijalnog porasta potrošnje topline parnih termoagregata na fosilna goriva

Diferencijalni porast potrošnje topline

Regulacijski ventili

Sezonsko prilagođavanje krivulje potrošnje topline parnog termoagregata

Sezonska krivulja potrošnje topline

Sezonsko prilagođavanje krivulje D(Pg)

Temeljna krivulja D(Pg)

Shematski prikaz termoagregata

GP G

VP

T

GENERATORPARE

TURBINA

Snaga na pragu elektrane

Snaga na sabirnicama generatora

Potrošnja goriva

Snaga na izlazu iz turbine

SINKRONI GENERATOR

VLASTITA POTROŠNJA

Snaga vlastite potrošnje

PT

Pt

PGP'G

PVP

Prikaz osnovnog toka energije, parna TE

Mjesto i uloga termoelektrana u EES-u 1

Termoelektrane su postrojenja koja su izrazito značajna za EES

Trenutni udio električne energije proizvedene u termoelektranama u svjetskim okvirima iznosi oko 64% ukupno proizvedene električne energije

Uglavnom pokrivaju bazni dio dnevnog dijagrama opterećenja

Manje plinske elektrane mogu služiti i kao interventne elektrane u EES-u

Nove tehnologije su bitno povećale stupanj korisnosti (prije oko 30% sad oko 55%)

Mjesto i uloga termoelektrana u EES-u 2

Planiranjem proizvodnje, te optimiranjem trajanja remonta termoelektrana mogu se bitno smanjiti troškovi vođenja EES-a

Kad je udio termoelektrana u EES-u velik onda je nužno koristiti i dio termoelektrana za regulaciju što poskupljuje troškove proizvodnje

Cijena kWh električne energije iz termoelektrana ovisi o kretanju cijena goriva na svjetskom tržištu

Kao gorivo se najčešće koristi prirodni plin, mazut ili ugljen

Ekološko-tehnološke značajke TE

Termoelektrane prilikom rada ispuštaju stakleničke plinove

Znatan je utjecaj termoelektrana na okoliš, raznim međunarodnim sporazumima nastoji se ograničiti količina stakleničkih plinova koja se ispušta u atmosferu

Ekološko-tehnološka shema TE Sisak

Ekološko-tehnološka shema EL-TO Zagreb

NISKOTLAČNI KOTAO (para)80 t/h

VRELOVODNI KOTLOVI

VK1, 58 MWVK3, 116 MW

RASKLOPIŠTE

VRELOVODkapacitet 8500 m3protok 5000 m3/h

NEOPASNI I OPASNI OTPAD-karbonatni mulj-otpad od mehaničkog I kemijskogčišćenja kotlovaotpadna ulja, filteri, krpe

PRIRODNI PLIN-Nova PMRS 25 bar 518 mil m3/god-Stara PMRS 6 bar 259.2 mil m3/god

TEŠKO LOŽIVO ULJE1 spremnik 13600 m32 spremnik 15000 m3

EKSTRA LAKO LOŽIVO ULJE

TELEKOMUNIKACIJE IOSTALE RAZNE SERVISNE

USLUGE

SIROVA VODA

PITKA VODA

PAROVOD - sabirnikCP I = 80 t/hCP II = 80 t/hCP III = 120 t/h

OTPADNE VODE

OBORINSKE VODE

DIMNI PLINOVI

1840 mil m3/god