Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo

Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Raba energije Gradivo za vaje

Boštjan Drobnič

avgust, 2018

Raba energije

vaje

2 študijsko leto: 2018/2019

1 Poraba energije in emisije ................................................................... 3

A Ogrevanje ........................................................................................ 3

B Prevoz .............................................................................................. 4

C Električna energija ........................................................................... 4

2 Termoenergetsko postrojenje ............................................................. 5

A Enostaven parni proces ................................................................... 5

B Regenerativno gretje napajalne vode ............................................. 6

3 Regenerativno gretje napajalne vode .................................................. 7

4 Kogeneracija – soproizvodnja toplote in elektrike ............................... 8

5 Odjemni diagram kogeneracijskega postrojenja .................................. 9

6 Razpoložljivost in izkoriščenost energetskega postrojenja ................. 10

7 Pinch metoda.................................................................................... 11

Raba energije

vaje

3 študijsko leto: 2018/2019

1 Poraba energije in emisije

V gospodinjstvih porabljamo energijo večinoma na tri načine: toploto za ogrevanje (prostorov, sanitarne vode itd.) gorivo za transport (avto, motor itd.) elektriko za različne namene (razsvetljava, hlajenje, gospodinjski aparati, itd.)

Za primer bomo obravnavali novejšo enodružinsko hišo za štiričlansko družino z dvema avtomobiloma.

A Ogrevanje

Za ogrevanje stanovanjske hiše je po predpisih dopustna poraba toplote za ogrevanje 50 kWh/m2/leto. Ogrevana površina hiše naj bo 150 m2, primerjajmo pa tri različne načine ogrevanja - biomasa, kurilno olje in zemeljski plin. Biomasa (les) in kurilno olje imata sestavo (masni deleži)

biomasa kurilno olje wC 0,435 0,860 wH 0,052 0,130 wS 0,000 0,006 wO 0,379 0,002 wN 0,004 0,002

wH2O 0,125 0,000 wp 0,005 0,000

Za zemeljski plin pa upoštevajmo sestavo (volumski deleži)

φ(CH4) 0,980 φ(C2H6) 0,008 φ(C3H8) 0,003 φ(C4H10) 0,001 φ(N2) 0,008

Izkoristki posameznih kurilnih naprav pa so

gorivo izkoristek biomasa 0,85

kurilno olje 0,90 zemeljski plin 0,95

Določi:

a) potrebno količino posamezne vrste goriva za ogrevanje hiše b) celoletno količino nastalega CO2 pri uporabi posamezne vrste goriva

Raba energije

vaje

4 študijsko leto: 2018/2019

B Prevoz

Obravnavano gospodinjstvo ima dve osebni vozili - enega z bencinskim motorjem, ki ima povprečno porabo goriva 6,9 l/100 km, in drugega z dizelskim motorjem, s porabo 5,4 l/100 km. Z vsakim prevozimo v enem letu 15.000 kilometrov. Poznamo tudi lastnosti goriva:

- bencin: povprečna kemijska formula: C8H18, gostota 720 kg/m3 - dizel: povprečna kemijska formula: C12H23, gostota 850 kg/m3

a) Izračunaj povprečno emisijo CO2 na prevožen km poti. b) Izračunaj celoletno količino nastalega CO2.

C Električna energija

Po podatkih Elektra Ljubljana je v gospodinjstvih povprečna mesečna poraba električne energije okrog 290 kWh. Približno 33 % električne energije, ki jo porabimo v Sloveniji je proizvedena iz premoga (Termoelektrarna Šoštanj, Termoelektrarna-toplarna Ljubljana,). Upoštevaj izkoristek pretvorbe energije goriva v elektriko 35 % in gorivo (velenjski lignit) z naslednjo sestavo:

wC = 28,5 %

wH = 2,3 %

wS = 1,5 %

wO = 11,0 %

wN = 0,7 %

wH2O = 38,0 %

wp = 18,0 %

a) Kolikšna je poraba premoga za proizvodnjo električne energije, ki jo v enem letu porabi povprečno gospodinjstvo?

b) Izračunaj s tem povezano letno emisijo CO2.

Raba energije

vaje

5 študijsko leto: 2018/2019

2 Termoenergetsko postrojenje

A Enostaven parni proces

Parni krožni proces poteka med tlakom uparjanja 120 bar in tlakom kondenzacije 0,05 bar. Najvišja temperatura v procesu je 520 °C. Notranji izkoristek parne turbine je 83 %, izkoristek parnega kotla je 85 %, skupni izkoristek generatorja pa 96 %. Napajalna voda za črpalko ima temperaturo 34 °C. Masni tok pare je 25 kg/s. Določi energijski izkoristek krožnega procesa in celotnega postrojenja.

1 kondenzat 2 napajalna voda 3 sveža para 4 izstop iz turbine A kotel B turbina C generator D kondenzator E napajalna črpalka

1 vrela voda pri pkond 2s voda pri pup in s = s1 2 določimo glede na 2s in ηč 2' vrela voda pri pup 2" nasičena para pri pup 3 para pri pup in Tmax 4s vlažna para pri pkond in s = s3 4 določimo glede na 4s in ηt

Raba energije

vaje

6 študijsko leto: 2018/2019

B Regenerativno gretje napajalne vode

Postrojenju iz naloge A dodamo regenerativno gretje napajalne vode s toploto pare, ki jo odvzamemo iz turbine pri tlaku 5 bar in temperaturi 180 °C. Napajalno vodo segrejemo do 140 °C. Kolikšen delež pare je potrebno odvzeti iz turbine za regenerativno gretje? Kolikšen mora biti masni tok sveže pare, da bo moč enaka kot v primeru A? Primerjaj izkoristek postrojenja z regenerativnim gretjem z izkoristkom enostavnega postrojenja.

1 kondenzat 2 napajalna voda 2r ogreta napajalna voda 3 sveža para 3r odjem 3r' kondenzat iz regen. grelnika 4 izstop iz turbine A kotel B turbina C generator D kondenzator E napajalna črpalka F regenerativni grelnik

1 vrela voda pri pkond 2s voda pri pup in s = s1 2 določimo glede na 2s in ηč 2r določimo z energ. bilanco v regenerativnem grelniku 2' vrela voda pri pup 2" nasičena para pri pup 3 para pri pup in Tmax 3r para pri pod in Tod 4s vlažna para pri pkond in s = s3 4 določimo glede na 4s in ηt

Raba energije

vaje

7 študijsko leto: 2018/2019

3 Regenerativno gretje napajalne vode

Za prikazani sistem s štirimi možnimi regenerativnimi grelniki analiziraj vpliv izbire števila grelnikov in odjemnih tlakov na izkoristek procesa in prihranek goriva. Masni tok sveže pare je 30 kg/s. Temperatura napajalne vode na izstopu iz regenerativnega grelnika je za 10 K nižja od temperature izstopnega kondenzata, ki ni podhlajen. Tlačne padce v regenerativnih grelnikih zanemari, prav tako zanemari vpliv primešavanja kondenzata iz regenerativnih grelnikov k napajalni vodi na temperaturo vode, kondenzat vpliva samo na povečan masni tok vode.

p T m x točka bar °C kg/s –

1 60 510 30 2 11 290 3 4,5 200 4 1,5 115 5 0,35 0,95 6 0,07 0,91 7 8 70 40 9

10 11 12

Raba energije

vaje

8 študijsko leto: 2018/2019

4 Kogeneracija – soproizvodnja toplote in elektrike

V industrijskem parnem postrojenju z odjemno-kondenzacijsko turbino sočasno pridobivamo električno energijo in toplotni tok za tehnološke procese. Napajalna voda vstopa v kotel z izkoristkom 85 % s temperaturo 170 °C in tlakom 50 bar. Sveža para, ki ima tlak 40 bar, temperaturo pa 480 °C, v visokotlačnem delu ekspandira do 8 bar in 280 °C, v nizkotlačnem pa do 0,06 bar in suhosti 0,91. Iz odjema med obema deloma turbine gre del pare za regenerativno gretje napajalne vode, ki ima za kondenzatno črpalko temperaturo 36 °C, dodatnih 4 kg/s pare pa za tehnološki proces. Masni tok sveže pare je 8,55 kg/s. Toploto odjemne pare v toplotni postaji izkoristimo do stanja vrele vode.

a) Izračunaj moč turbine, toplotni tok za tehnološki proces in toplotno moč goriva. Določi še energijski izkoristek postrojenja.

b) Izračunaj energijski izkoristek pri povsem elektrarniškem obratovanju. c) Izračunaj izkoristek pri protitlačnem obratovanju. d) Analiziraj vpliv toplarniškega razmernika na proizvedeno moč, koristen toplotni tok

ter energijski izkoristek kogeneracijskega postrojenja. e) Primerjaj soproizvodnjo toplote in elektrike (SPTE) in ločeno proizvodnjo obeh

produktov, kjer toploto proizvajamo v kotlu z izkoristkom 85 %.

Raba energije

vaje

9 študijsko leto: 2018/2019

5 Odjemni diagram kogeneracijskega postrojenja

Za kogeneracijsko postrojenje iz naloge 4 konstruiraj odjemni diagram, pri čemer

upoštevaj naslednje omejitve:

največja zmogljivost parnega kotla je 13,9 kg/s najmanjša zmogljivost parnega kotla je 6,3 kg/s goltnost nizkotlačne turbine je 7 kg/s potrebni pretok pare skozi nizkotlačno turbino je vsaj 0,8 kg/s. največja moč električnega generatorja je 9 MW goltnost toplotne postaje je 8,7 kg/s Upoštevaj, da je masni tok pare za regenerativno gretje odvisen od masnega toka vode, ki jo je potrebno segrevati. Pri konstantnih parametrih pare in vode je razmerje masnih tokov konstantno in enako kot v primeru 4.

Raba energije

vaje

10 študijsko leto: 2018/2019

6 Razpoložljivost in izkoriščenost energetskega postrojenja

Industrijsko kogeneracijsko postrojenje iz naloge 4 zagotavlja toploto tehnološkim procesom v proizvodnji, hkrati pa proizvaja še električno energijo. Proizvodnja toplote se prilagaja zahtevam tehnoloških procesov, elektrike pa je vedno največ, kot jo je v danih razmerah možno. Za čas enega leta imamo na voljo naslednje podatke o obratovanju:

običajno postrojenje deluje s 100 % obremenitvijo kotla o 2370 ur je bila proizvodnja toplote največja o 980 ur je bila proizvodnja toplote zmanjšana za 40 % zaradi zmanjšane potrebe

v tehnološkem procesu o 150 ur zaradi okvare na proizvodnji liniji potrebe po toploti ni bilo o 1900 ur proizvodnja linija ni obratovala

zaradi napake pri dovodu goriva je bila največja zmogljivost kotla zmanjšana za 30 % o 350 ur je bila proizvodnja toplote največja o 380 ur potrebe po toploti ni bilo

postrojenje ni obratovalo o 2290 ur med vikendi o 340 ur med rednim remontom

Analiziraj energijsko in časovno razpoložljivost in izkoriščenost postrojenja pri proizvodnji toplote.

Raba energije

vaje

11 študijsko leto: 2018/2019

7 Pinch metoda

Tehnološki proces poteka v dveh ločenih reaktorjih. Delovni snovi, ki pritekata v reaktorja, je potrebno pred reakcijo segreti na primerno temperaturo, po reakciji pa ohladiti pred nadaljnjimi postopki. Del snovi iz enega reaktorja sodeluje tudi v reakciji v drugem reaktorju. Dovod toplote poteka v dveh grelnikih, za oba poznamo vstopno in izstopno temperaturo in tudi toplotno kapaciteto snovi (m·cp), ki jo segrevamo. Odvod toplote poteka v dveh hladilnikih, tudi v tem primeru za vsakega poznamo vstopno in izstopno temperaturo ter toplotno kapaciteto.

a) Preveri, kakšne so potrebe po dovedenem in odvedenem toplotnem toku za predviden potek procesa.

b) Z uporabo pinch metode ugotovi, kolikšen delež toplotnega toka je možno ponovno uporabiti znotraj procesa.

c) Določi razporeditev prenosnikov toplote, ki omogočajo ustrezno regeneracijo toplote.