VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS

Átírás

1 VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS Dr. Gács Iván egyetemi docens BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Budapest, 2003.

2 TARTALOMJEGYZÉK Villamosenergia-termelés Bevezetés Villamosenergia-rendszer Fogyasztói igények A rendszer teljesítménymérlege Az erımővek szerepe a rendszerben Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése Alapkérdések A villamosenergia-termelés költségei Állandó költségek Változó költségek A villamosenergia egységköltsége A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései A munkaközeg megválasztása Gızkörfolyamatú erımővek Gızerımő rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai A gızkörfolyamat kezdı- és végjellemzıinek meghatározása A frissgız nyomásának növelése A frissgız hımérsékletének növelése Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentése Tápvízelımelegítés Újrahevítés Hatásfoknövelı eljárások összefoglalása Gázturbinás erımővek Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina Gázturbina és kompresszor együttmőködése, szabályozás A gázturbina karbantartása, élettartama Kombinált ciklusú erımővek Gázturbinához kapcsolt hıhasznosító gızerımő Cheng ciklus További lehetséges gáz-gız körfolyamatok Kapcsolt energiatermelés Erımővi segédrendszerek Hőtırendszerek Közvetlen léghőtés Frissvízhőtés Visszahőtéses rendszerek Füstgáztisztítás Szilárd szennyezıanyagok, pernye Kénoxidok Nitrogénoxidok Irodalom

3 1. Bevezetés Az ember teljesítıképessége igen csekély ahhoz képest, amennyit mai életmódunk igényel. Emiatt a természetbıl vett energiákkal kell kiegészítenünk illetve kiváltanunk az izomerıt. A felhasználható energiaforrásokat számos szakkönyv ismerteti. Az elsıdleges energiaforrások nagy része nem alkalmas közvetlenül a leggyakrabban felmerülı igények (világítás, főtés, hajtás, helyváltoztatás) kielégítésére vagy felhasználása nem elég kényelmes, esetleg túl nagy környezetterheléssel jár. Ezért az elsıdleges energiaforrásokból többnyire másodlagos (nemesített) energiahordozókat kell elıállítanunk. A legsokoldalúbban és legkényelmesebben felhasználható nemesített energiahordozó a villamosenergia. Ez az oka széleskörő elterjedésének. Ma már a primer energiahordozók mintegy 35-40%-át villamosenergia-termelésre használjuk és ez az arány egyre nı. A villamosenergia-termelés nem csak a kényelemnek, hanem a környezetvédelemnek is igen fontos eszköze. Evvel ugyanis a környezetszennyezéssel járó energiaátalakítás (pl. tüzelés) jobban ellenırizhetı módon és a felhasználóktól távolabb valósítható meg, mintha a végfelhasználói helyen használnánk fel a primer energiahordozókat. Gondoljunk csak a villanyvilágítás és a petróleumlámpa közötti különbségre. E kettıs elıny miatt nem az a kérdés, hogy termeljünk-e villamosenergiát, hanem az, hogy hogyan. Erre csak egy helyes válasz adható: a lehetı legolcsóbban. A költség mellett még a környezeti hatás fontosságát is szokták emlegetni. De ha a költségek alatt nemcsak a belsı (közvetlen) költségeket értjük, hanem külsı (környezeti) költségeket is figyelembe vesszük, akkor az így képzett társadalmi szintő összköltségre már igaz, hogy ennek minimumát kell keresnünk. Sajnos a külsı költségek értékelésének módja ma még nem kellıen kialakult. Ma már a világban alig találunk elszigetelten, más erımővekkel nem kooperáló módon mőködı erımőveket. Az erımőmővek döntı többsége valamely villamosenergia-rendszerben, más erımővekkel együttmőködve termeli a villamosenergiát. Ezért a költségek értékelésénél nem elég egy vizsgált erımő jellemzıit figyelembe venni, hanem azt is tudnunk kell, hogy milyen villamosenergia-rendszerben, milyen szerepet fog betölteni. Természetesen az is fontos, hogy milyen az energiaátalakítás hatásfoka. Nem szabad azonban a hatásfok szerepét túlértékelni. A jó hatásfok addig fontos, amíg a villamosenergia-termelés költségét az energiahordozó költséget csökkenti. Olcsó energiahordozó esetén könnyebben viseljük el a rosszabb hatásfokot is. A villamosenergia-termelés módjai sok szempont szerint osztályozhatók. Válasszuk azt az osztályozást, hogy a villamosenergia-termelés hıkörfolyamattal történik-e. Hıkörfolyamathoz számos forrásból állíthatjuk elı a szükséges hıt. A legfontosabbak: fosszilis tüzelıanyagok (szén, kıolaj termékek, földgáz), hasadóanyagok, földhı (geotermikus energia), napenergia, égethetı megújuló energiaforrások (tőzifa, energiaültetvény, hulladékok). Néhány példa a hıkörfolyamat nélküli villamosenergia-termelésre: vízerımő, fotovoltaikus (napelemes) átalakítás, szélerımő, üzemanyagcella. Jelenleg a világ villamosenergia-termelésében több mint 60% a fosszilis tüzelıanyagot használó erımővek részaránya, kb. 20% a vízerımőveké és 17% az atomerımőveké. A statisztikában még kimutatható a 0,3%-nyi geotermikus és a 0,1-0,2%-nyi (de napjainkban gyorsan növekvı arányú) szélerımővi termelés. Vagyis a villamosenergia kb. 80%-át állítják elı hıkörfolyamattal. Magyarországon ez az arány még magasabb, több mint 99%. A vízerımőveink termelése vízhozamoktól függıen 0,5 0,8% között mozog, a szélerımővi termelés 2003-ban még nem éri el a 0,01%-ot. Ennek megfelelıen ebben a segédanyagban elsısorban a hıkörfolyamattal megvalósított villamosenergia-termelést tárgyaljuk. 3

4 2. Villamosenergia-rendszer A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erımővek nem elszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el. Az együttmőködı országos erımőrendszer létrehozását amely hazánkban döntıen az 1950-es években történt meg a villamosenergiaellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Az együttmőködésben rejlı elınyök kiszélesítése érdekében, valamint a villamosenergia-export vagy import lehetıvé tétele szükségessé tette az országos villamosenergia-rendszerek összekapcsolását. Magyarország évtizedekig a KGST országok rendszeregyesüléséhez tartozott, 1996-ban a közép- és nyugateurópai országok többségét összefogó UCTE rendszeregyesüléséhez csatlakozott. Egy villamosenergia-rendszer három fı része a termelés (erımővek és részben az import), a szállítás (alap- és elosztó hálózat) valamint a fogyasztók (beleértve az esetleges exportot is). Miután a villamosenergia nem tárolható, a termelésnek mindig egyensúlyban kell lennie a hálózati veszteségekkel növelt (un. bruttó) fogyasztással Fogyasztói igények A fogyasztói igények az elmúlt idıszakok tapasztalatai és tendenciái alapján tervezhetık. A fogyasztók villamosenergia-igénye idıben jelentısen változik. Jellegzetes eltérést mutatnak a munkanapi ill. munkaszüneti napok vagy a nyári ill. a téli napok igénylefutásai. éldaként egy jellegzetes nyári és téli munkanapi menetet mutat be az 1. ábra MW Nyári nap 6000 Téli nap ábra. A fogyasztói igények jellegzetes munkanapi menete Az igénylefutás a különbözı napokon (pl. hétfın és pénteken) és a meteorológiai helyzettıl függıen jelentıs eltéréseket mutathat. Emiatt az idı szerint rendezett lefutás helyett kisebb eltéréseket és könnyebb kezelhetıséget eredményez, ha a terhelési diagram helyett az igények nagysága szerint rendezett tartamdiagramot használjuk. A tartamdiagram szerkesztését a 2. ábra mutatja be. A terhelési és tartamdiagram alatti terület mindkét esetben az adott idıszak alatt igényelt villamos energiával egyenlı, azaz tn τ ( ) d ( τ ) 0 0 n h E = t t = dτ, (1) 4

5 ahol τ n =24 h/nap. Szokás még a kihasználási óraszám definiálása is, amely az adott idıszak alatt fogyasztott ill. szolgáltatott energia és a maximális teljesítmény aránya. Aszerint, hogy milyen teljesítménnyel osztunk, beszélhetünk csúcskihasználási ill. beépített teljesítıképességre vonatkoztatott kihasználási tényezırıl: τ cs = E ill. τ E BT = (2) 6000 cs BT cs MW 4000 τ τ τ + τ min id ı id ı tartam 2. ábra. Tartamdiagram szerkesztése terhelési diagram alapján A 3. ábra azt mutatja meg, hogyan változik a napi csúcsterhelések értéke az évszakok szerint. Ennek kapcsán meg kell jegyezni, hogy napjainkban a légkondicionálás terjedésével kialakulóban van egy nyári csúcs is a legmelegebb idıszakban J F M Á M J J A S O N D 3. ábra. A csúcsterhelések évi változása 2.2. A rendszer teljesítménymérlege. A teljesítménymérleg esetén meg kell különböztetni az elıretervezési teljesítménymérleget és az utólag felállítható, tényadatokon alapuló teljesítménymérleget. Mindkét esetben azt kell biztosítani, hogy az erımővek összes beépített teljesítıképesség különbözı kiesı teljesítményekkel csökkentett értéke is elegendı legyen a fogyasztói igények kielégítésére. A teljesítménymérleg fogalmai: beépített teljesítıképesség ( BT ): az erımővekbe beépített turbó-generátor gépegységek névleges teljesítményeinek összege, állandó hiány ( ÁH ): tartósan fennálló teljesítmény csökkenés (pl. berendezés átépítése, elöregedése, tartósan fennálló rossz mőszaki állapot miatti leértékelés), 5

6 változó hiány ( VH ) rövid ideig fennálló, változó mértékő teljesítmény csökkenés (pl. környezeti jellemzık, hıszolgáltatás, alapenergia forrás vagy hőtıvíz korlátozott rendelkezésre állása miatti hiány), rendelkezésre álló teljesítıképesség ( RT ): RT = BT - ÁH - VH, karbantartáson álló teljesítıképesség ( TMK ): a rendszer TMK miatt leállított blokkjainak összes beépített teljesítıképessége, igénybevehetı teljesítıképesség ( IT ): IT = RT TMK, üzembiztonsági tartalék ( ÜT ): a rendszer biztonságos üzeme érdekében szükséges tartalék, a terven felüli hiányok (definícióját lásd késıbb) fedezetét biztosítja, üzembiztosan igénybevehetı teljesítıképesség ( ÜIT ): ÜIT = IT ÜT, önfogyasztás ( ε ): teljesítmény, Az elıállított teljesítménybıl az erımővek által felhasznált üzembiztosan kiadható teljesítıképesség ( ÜIT,ki ): ÜIT,ki = ÜIT ε. E legutóbbit kell összehasonlítani a rendszer tervezett fogyasztói csúcsigényével és teljesül a (3) ÜIT, ki cs egyenlıtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. A teljes teljesítménymérleg pedig a következı: 0 (4) BT ÁH VH TMK ÜT ε cs A tervezési fázis teljesítménymérlegét a 4. ábra mutatja be. ha BT TMK IT ÜIT ÜIT,ki ÁH VH TMK ÜT ε BT RT IT ÜIT ÜIT,ki J F M Á M J J A S O N D idı, hó 4. ábra. Az erımőrendszer elıretervezett teljesítménymérlegének alakulása 6

7 Tervezési állapotban egy sor tényezıt csak becsülni tudunk, a tényértékek ezektıl az értékektıl eltérhetnek. Emiatt az utólag regisztrálható tényadatokon alapuló teljesítménymérleg eltéréseket mutathat a tervezésihez képest. Az elszámolási teljesítménymérlegben egy sor teljesítményfogalom (beépítet, rendelkezésre álló, igénybevehetı, karbantartáson álló teljesítmény, állandó és változó hiány, önfogyasztás, fogyasztói csúcsigény) azonos mint a tervezésiben, legfeljebb számértéke nem azonos. Megjelenik azonban néhány új fogalom is. Ezek: váratlan kiesés ( VK ): az üzemzavar, meghibásodás miatt üzemképtelen blokkok összes beépített teljesítıképessége, ténylegesen igénybevehetı teljesítıképesség ( TIT ): TIT = IT VK, ténylegesen kiadható teljesítıképesség ( TIT,ki ): TIT,ki = TIT ε. Ez utolsót kell összehasonlítani a rendszer tényleges fogyasztói csúcsigényével és ha teljesül a TIT, ki (5) tény cs egyenlıtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. Az elszámolási teljesítménymérleget az 5. ábra mutatja be. Ahol az azonos fogalmak tervezési és tényértékei eltérhetnek, azt felsı indexben jelezzük. TMK BT VH ÁH tény VH VK tény ε BT tény RT tény IT TIT TIT, tény TMK ki OÜT csúcs t ény csúcs J F M Á M J J A S O N D idõ, hó 5. ábra. Az erımőrendszer tényleges teljesítménymérlegének alakulása A teljes teljesítménymérleg pedig a következı: tény tény tény tény = 0, (6) BT ÁH VH TMK VK ε cs OÜT ahol OÜT a csúcsidei operatív üzemi tartalék. A különbözı teljesítményeket relatív értékekkel illetve arányokkal is szoktuk jellemezni. Ezek közül a karbantartási tartalék tényezı: 7

8 r + RT IT TMK TMK TMK = = = 1+ > 1, (7) IT IT IT az üzembiztonsági tartalék tényezı pedig r + IT ÜIT ÜT ÜT TMK = = = 1+ > 1. (8) ÜIT ÜIT ÜIT Ugyancsak viszonyszámként szokás az önfogyasztás jellemzése. Az önfogyasztási tényezı azt mutatja meg, hogy a termelık a megtermelt villamosenergia mekkora hányadát fogyasztják el. Ez teljesítményekkel kifejezve: ε ε ÜIT ÜIT,ki = = < 1. (9) ÜIT ÜIT Végül a változó hiány évi átlagos értékének jellemzésére használható tényezı: ν VH RT BT VH = = < 1, (10) BT BT amely összefüggés olyan új erımőveknél érvényes, amelyeknél állandó hiánnyal még nem kell számolni. A (4) tervezési és (6) utólagos teljesítménymérleget különbségébıl adódik: tény tény tény tény + ( ) + ( ) + ( ) + ( ) < 0, (11) VK VH VH TMK TMK ε ε ÜT cs cs amelybıl definiálható a terven felüli hiány, amely a váratlan kiesés és a tervezési értékektıl való kedvezıtlen irányú eltérések összege: = < (12) TFH VK VH TMK ε cs ÜT A (12) összefüggés egyenértékő avval az állítással, hogy az operatív üzemi tartaléknak mindig pozitívnak kell lennie Az erımővek szerepe a rendszerben A villamosenergia-rendszerben betöltött szerep szerint beszélhetünk alap-, menetrendtartó- és csúcserımővekrıl. Az erımővet alaperımőnek nevezzük, ha csúcskihasználási idıtartama (definícióját lásd késıbb!) igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperımővek általában a korszerő, jó hatásfokkal és/vagy olcsó tüzelıanyaggal üzemelı, rendszerint új erımővek (Magyarországon pl. a aksi Atomerımő). A menetrendtartó erımővek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra általában nem építünk új erımővet is, a régebbi alaperımővek válnak fokozatosan menetrendtartóvá (pl. a Tiszai, Dunamenti erımővek). A csúcserımővek csak a villamos csúcsfogyasztás idıszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk h/év alatt van. Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségő) erımőveket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelıanyag és alacsony hatásfok is megengedhetı (általában gázturbinás erımővek). Ennél is kevesebbet, legfeljebb évi órát üzemelnek a tartalék erımővek, amelyeknek csak jelentıs mértékő terven felüli hiány esetén kell elindulniuk. 8

9 3. Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése 3.1. Alapkérdések A továbbiak megértéséhez az általános gazdasági alapismereteken felül szükség lesz néhány alapelv rögzítésére. Az egyik az, hogy az erımővek szinte kivétel nélkül több terméket (villamosenergia, főtési forróvíz, különbözı nyomású ipari gız) állít elı és értékesít. Ennek ellenére a következıkben a csak villamosenergiát termelı erımővek gazdasági modelljét ismertetjük. Ez igen jó közelítés a közcélú nagy erımővek esetében, amelyeknél a költségek döntıen a villamosenergia-termelést terheli, a hıkiadás értékének részaránya csekély. Az erımővek hosszú ciklusideje miatt igen fontos az infláció kezelése. Az infláció a pénz értékének (mint mértékegységnek) a csökkenése. Összegezni viszont csak azonos mértékegységre átszámított dolgokat lehet. Ennek megfelelıen csak állandó pénzértéken számított költségekkel lehet számolni. Az infláció a következı összefüggéssel írható le: ( ) 1 Ftn 1 = 1+ pi Ftn, (13) ahol p i az évi inflációs ráta. éldául a évi kb. 10%/év inflációval: 1 Ft = 1.1 Ft. (13.a) Ez többek közt azt is jelenti, hogy a gyakran szereplı kamatláb fogalom nem a nominál kamatlábat (p n ), hanem reálkamatlábat (p r ) jelenti. A kettı közötti kapcsolat: ( 1 p ) ( 1 p ) ( 1 p ) + = + + (14) n i r A gazdasági értékelésnél nagyon fontos a szemléletmód. A vállalati szemlélető vizsgálatnál a cél a nyereséges gazdálkodás. Ez szükséges valamely energetikai vállalat mőködésének megtervezéséhez, irányításához ill. a létesítés eldöntéséhez. Figyelembe veszi a gazdasági szabályozók által közvetített országos gazdasági és környezeti célokat, kötelezettségeket, de nem feladata országos vagy ágazati célok megvalósítása. Az országos ágazati szemlélet használható az ország energia-ellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Figyelembe veszi a hazai készletek, import lehetıségek, fogyasztási prognózisok, környezeti hatások ismert vagy becsült adatait. Célja az energiafelhasználás, energia-hordozó struktúra, árpolitika, globális és hazai környezeti céloknak megfelelı energiapolitika kialakítása, import kockázatok csökkentése és a biztonságos energiaellátás megvalósítása. A gazdaság más ágazatának szempontjait csak költségtényezıként veszi figyelembe. Az országos szemlélető értékelés az ország gazdasági és társadalmi életének ágazaton kívüli (pl. munkaerıpiaci, pénzpiaci, politikai) szempontjait is figyelembe veszi. Ebben már nem minden hatás fejezhetı ki egyértelmően a pénzügyi fogalmakkal. A globális szemlélet használható a világ energiaellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Eszközei a készletek, fogyasztási prognózisok, politikai kockázatok felmérése, a globális környezeti hatások értékelése. Célja a világ energiafelhasználásának, energiahordozó struktúrájának befolyásolása, politikai konfliktusok kezelése, kockázatok csökkentése, a hosszútávú fenntarthatóság biztosítása. E jegyzetben a továbbiakban az országos ágazati szemléletet alkalmazzuk. 9

10 3.2. A villamosenergia-termelés költségei A villamosenergia-elıállítás költségeit feloszthatjuk a felmerülés helye szerint is: belsı költségek: az erımővön belüli energiaátalakítási technológia (állandó és változó) költségei, külsı költségek: természetes és az épített környezetben bekövetkezı különféle változások, károk, ill. a károk megelızésének költségei. Reális összehasonlítás érdekében a külsı költségeket villamos energia árába be kellene építenünk. Ennek ellenére a jelenlegi gyakorlatnak megfelelıen a továbbiakban költség alatt a belsı költségeket értjük. Az erımő életciklusát a 6. ábra mutatja be. Ebben látható, hogy a költségek és bevételek nem ugyanabban az idıintervallumban keletkeznek. Emiatt nagyon fontos a termeléssel (bevételekkel) azonos idıszakban keletkezı üzemköltségek és termelés megkezdése elıtti létesítési költségek megkülönböztetése. A tervek ismeretében beruházási döntés Üzemszerő mőködés kezdete A gazdsági elöregedés idıpontja Létesítési idı Leírási idı Tervezési élettartam Üzemidı (mőszaki élettartam) év Üzembehelyezés, próbaüzem Beruházási költségek Üzemeltetési költségek és bevételek (tervezési élettartamra) 6. ábra. Az erımő életciklusa A beruházási (létesítési) költség származhat a tulajdonos saját erıforrásaiból vagy bankhitelbıl. Az elıbbi esetben elvárás a beruházási költség visszatérülése és megfelelı profit biztosítása. Bankkölcsön esetén a hitelt kamatostul kel törleszteni. Ha a profitelvárást azonosnak tekintjük a reálkamatlábbal, akkor a két megoldás pénzügyi mérlege azonos formalizmussal írható le. A továbbiakban tekintsük úgy, hogy a leírási idı megegyezik a létesítmény tervezési élettartamával. Az üzemeltetési költségek közül a legfontosabbak az üzemanyag (tüzelıanyag), a felhasznált egyéb anyagok, a karbantartás, a bérek, az adók és biztosítások, igénybevett szolgáltatások költségei. A teljes életciklushoz tartozik még a felszámolás költsége is. Ezt általában azért nem vesszük figyelembe, mert a tényleges élettartam bizonytalan hosszúságúra tolódhat ki (gondoljunk pl. a közel 100 éves Kelenföldi Erımőre) és a lebontás rekultiváció költségei (az atomerımővek 10

11 kivételével) nem jelentısek a létesítési és üzemeltetési költségekhez képest. Az idıben távoli jelentkezés a lekamatozás (diszkontálás) miatt még ezt is jelentısen tovább csökkenti. A továbbiakban a gazdasági értékelést egy tipikus üzemév költségei alapján végezzük. Léteznek más módszerek is (legismertebb a diszkontált vagy aktualizált költségek módszere), ezekre azonban most nem térünk ki. A költségek csoportosításánál igen fontos az állandó és a változó költségek megkülönböztetése. Állandó költségeknek azokat nevezzük, amelyek értéke független az erımő üzemmenetétıl, azaz attól, hogy az erımő az adott idıszakban (általában 1 évben) mennyi villamosenergiát termel. Ezzel szemben a változó költségek értéke függ a villamosenergia-termelés mértékétıl, igen durva közelítésben avval arányosnak is tekinthetı Állandó költségek Az állandó költségeket három csoportba foglaljuk össze. Az elsı és legnagyobb tétel a leírási vagy tıkeköltség. Ez az ágazati szemlélető modellben igen távol áll a számviteli törvény szerinti leírástól, amely sem inflációt, sem kamatot nem vesz figyelembe. Ha azt akarom, hogy az üzembe helyezés pillanatában befektetett B beruházási költség az erımő n év élettartama alatt kamatostul visszatérüljön, akkor az évi visszatérítési kötelezettség (tıkeköltség) a következı formában írható fel: C = α B = α i B [Ft/év], (15) l l l o ahol a leírási kulcs (leírási annuitás): pr α l =. (16) n ( p ) r Az i interkaláris tényezı, pedig az építési idı alatti kamatok miatti költségnövekedést veszi figyelembe: B i = = B o 1 j= m ( 1+ p) 1 j= m B B j j+ 0.5 j, (17) ahol B j a j-edik évben ráfordított beruházási költség. A kitevıben szereplı 0,5 azt fejezi ki, hogy az év során felmerülı költségek súlypontjának az év közepét tekintjük, így az aktuális évre csak félévi kamatot számolunk. Az interkaláris tényezı értéke gyorsan létesíthetı erımőveknél (pl. gázturbinás erımő, 1 1,5 év) 1,1 1,15, hosszú építési idejő erımőveknél (pl. atom- vagy ligniterımő, 5 8 év) akár 1,5-et is elérheti. A karbantartási költség állandó és változó (energiatermelés mértékétıl függı) elemeket is tartalmaz. Karbantartásra mindenképpen szükség van, a költség csak kismértékben függ az üzemmenettıl. Ha az erımő nem folyamatos üzemő, hanem mondjuk az év felében dolgozik, az év felében áll, nyilván kisebb lesz a karbantartás költsége. Azonban ha az 50%-os kihasználtság nem ezen a módon, hanem napi 12 óra üzemeltetésbıl adódik (ami erımővek esetében jellemzıbb), akkor lehet, hogy a karbantartás-igény a sok indítás-leállás miatt nagyobb is lesz, mint folyamatos üzem esetén. Emiatt a karbantartási költség változó elemétıl általában eltekintünk, mert még az elıjelét sem tudhatjuk biztosan. A tapasztalatok szerint a karbantartási költség arányos a berendezések értékével, azaz a beruházási költséggel: C = α B [Ft/év], (18) TMK TMK o 11

12 ahol az α TMK karbantartási költség tényezı értékére 2,5%/év-et szokás felvenni. Az egyéb állandó költségeket (bér-, adó-, biztosítási, stb. költségeket) is a beruházási költséggel arányosnak szokták tekinteni: C = α B [Ft/év], (19) e e o ahol az α e egyéb költségek költségtényezıje értéke általában 0,5 1%/év. Ez utóbbi két költségnél vonatkoztatási alapnak az építési idı alatti kamattal nem növelt B o beruházási költséget célszerő választani, mert az építési idı esetleges elhúzódása a tıketerhet növeli, de a karbantartási és egyéb költségeket nem. Az évi összes állandó költség a fenti három költségtag összege: ( ) C = C + C + C = α i + α + α B = α B a l TMK e l TMK e o o 3.4. Változó költségek A változó költségek kiemelkedıen legnagyobb tétele a tüzelıanyag (atomerımőveknél üzemanyag) költsége. Az évi tüzelıanyag felhasználás az évi villamosenergia-termelésbıl (E) az évi átlagos erımőhatásfok ( η évi ) segítségével határozható meg: Q ü E = [GJ/év]. (20) η évi Ennek évi költsége p ü [Ft/GJ] fajlagos üzemanyagköltség figyelembevételével: E C = Q p = p [Ft/év]. (21) ü ü ü ü ηévi További változó költséget jelent a különféle egyéb anyagok felhasználása, amely közvetlenül az energiaátalakítási folyamathoz kapcsolódik, így a felhasználás a tüzelıhı felhasználással arányosnak tekinthetı. Ilyen lehet a hőtıvíz vízhasználati díja, a füstgáztisztításhoz használt reagensek (pl. mészkı, ammónia) beszerzési költsége. Ez a költség C = Q s p (22) v, e ü j j j formában írható fel, ahol s j [kg/gj] a j-edik segédanyag fajlagos felhasználása, p j [Ft/kg] pedig az egységára. Evvel az évi összes változó költség: Cv Cü Cv, e Q = + = ü pü + s j p j = pq Qü. (23) j 3.5. A villamosenergia egységköltsége Az állandó és a változó költség összegeként képezhetı a villamosenergia-termelés évi összes költsége: C = C + C. (24) á v A villamosenergia egységköltsége a évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés (E, kwh/év) hányadosa: C C + C = = = + [Ft/kWh] (25) E E a v k ka kv 12

13 A villamosenergia egységköltség állandó költségekbıl származó része a következı alakra hozható, annak érdekében hogy kiküszöböljük az extenzív jellemzıket: k a Ca α Bo α a BT α a rtmk rüt = = = = E E τ τ ν ε cs cs cs VH ahol a az erımő fajlagos beruházási költsége: B a = o BT ( 1 ), (26) Ft kw. (27) Az átalakítás során felhasználtuk a (7) (10) összefüggéseket, amelyekbıl: BT BT RT IT ÜIT 1 1 = = rtmk rüt. (28) ν 1 ε cs RT IT ÜIT ÜIT, ki VH A villamosenergia egységköltség állandó költségekbıl származó része is az évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés hányadosaként számítható: k C p Q p p δ v Q Ü Q Q v = = = =. (29) E E ηévi ηke, o Az összefüggés bevezeti a δ rontótényezıt, amely azt mutatja meg, hogy az évi átlagos hatásfok milyen mértékben rosszabb a névleges üzemállapotra meghatározott η KE,o hatásfoknál. Ez a rontótényezı három különbözı hatást vesz figyelembe, ezért három rontótényezı szorzataként írható fel: η = =. (30) KE, o δ δ1 δ 2 δ3 ηévi Az elsı rontótényezı (δ 1 ) azt veszi figyelembe, hogy az erımővi blokk hatásfoka a terhelés függvényében változik és emiatt az év folyamán az üzemmódtól függı gyakorisággal a blokknak a méretezésinél rosszabb hatásfokú üzemállapotai is lesznek. Ezt a 7. ábra vastag vonallal jelzett jelleggörbéje mutatja. η névleges környezeti körülmények η KE,o o max 7. ábra. Erımővi blokk jelleggörbéi Névlegestıl eltérı környezeti jellemzık (pl. levegı vagy hőtıvíz hımérséklet) esetén a hatásfok jelleggörbe felfelé vagy lefelé elmozdul (7. ábrában a vékonyabb vonalak). Általában a romlás (pl. melegebb hőtıvíz esetén) nagyobb mértékő, mint a kedvezı irányú változás, ezért ez évi átlagban rontó hatást jelent. Ezt veszi figyelembe a δ 2 rontótényezı. 13

14 A δ 3 rontótényezı az instacioner állapotok alapvetıen az indítási folyamat többlet tüzelıanyag felhasználását veszi figyelembe. Ez abból adódik, hogy az indítás elıtt a berendezések hımérséklete alacsonyabb az üzemi értéknél és ezt többlet tüzelıanyag bevezetésével kell pótolni, amely esetleg a hideg tőztérben még a szokásosnál is nagyobb égési veszteség mellett hasznosulhat. Ez a hı a leállítás után a környezet felé történı hıelvezetés során részlegesen vagy teljesen elvész. Az indítási hıigény ezért erısen függ az indítást megelızı állásidıtıl is. Mindezekkel a villamosenergia-termelés egységköltsége: k C E α a r r pq δ [Ft/kWh] (31) τ ν ε η TMK ÜT = = + ( 1 ), cs VH KE o 3.6. A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései A villamosenergia egységköltsége alkalmas lehet annak eldöntésére, hogy egy adott gazdasági helyzetben milyen típusú alaperımővet vagy milyen csúcserımővet érdemes építeni, de nem alkalmas annak eldöntésére, hogy a rendszert alap- vagy csúcserımővel érdemes bıvíteni. Ennek eldöntésére csak a villamosenergia-rendszer egészére kiterjedı, a rendszer-kölcsönhatásokat is figyelembevevı hosszútávú vizsgálat alkalmas. Ennek során figyelembe kell venni az ellátásbiztonság kérdését is, amely elvezet az optimális vagy célszerő nagyságú üzemi tartalék meghatározásához is. Ez általában éves ciklusú értékelést igényel, de olyan elıretekintéssel, amely még alkalmas az erımő-létesítési kérdések eldöntésére. Ugyancsak rendszerszintő gazdasági vizsgálattal határozható meg a meglevı rendszer blokkjai közötti terheléselosztás is, amellyel a pillanatnyi változó költségek összegének minimumát lehet megkeresni. Ezekre a kérdésekre jelen jegyzetben nem térünk ki, de az Irodalom c. fejezetben felsorolt források közül több is foglalkozik velük. 14

15 4. A munkaközeg megválasztása Munkaközeg megválasztásánál figyelembe kell venni a munkaközeg árát, kémiai és fizikai összeférhetıségét a szerkezeti anyagokkal, egészségügyi és környezeti szempontokat, termodinamikai alkalmasságot. Ezeknek a szempontoknak a két legközönségesebb anyag, a víz és a levegı felel meg leginkább. Ettıl eltérı (pl. ammónia, higany, szerves anyag, hélium) munkaközegő berendezéseket csak kisebb teljesítménnyel, kísérleti célra létesítettek, mert valamely szempontnak jobban megfeleltek, mint a víz vagy a levegı. Ugyanakkor más szempontok elsısorban az ár vagy a környezetbiztonság azonban oly mértékben sérültek, hogy ezek a megoldások nem terjedtek el. A vízgız ciklus fontosabb jellemzıi: zárt ciklus, halmazállapot változással; magas kezdınyomás, alacsony végnyomás, nagymérető, robosztus berendezések, bonyolult kapcsolás; hıbevezetés maximális hımérséklete viszonylag alacsony, hıbevezetés átlagos és maximális hımérséklete eléggé eltérı, igen alacsony hıelvezetési középhımérséklet. A levegı-égéstermék ciklusok jellemzıi: nyitott ciklus, halmazállapot változás nélkül; kezdıés végnyomás kedvezıbb értékő, kisebb berendezések, jóval alacsonyabb fajlagos beruházási költség; hıbevezetés maximális hımérséklete magas lehet, hıbevezetés átlagos és maximális hımérséklete eléggé eltérı, igen magas hıelvezetési középhımérséklet. A kombinált ciklusok a gáz- és a gızkörfolyamat elınyeit egyesíti; alacsony kezdınyomás, egyszerőbb berendezések és kapcsolás, magas hıbevezetési és alacsony hıelvezetési hımérséklet. Kritikus eleme a két körfolyamatot összekapcsoló gáz-vízgız hıcserélı. 15

16 5. Gızkörfolyamatú erımővek Gızközegő kondenzációs villamosenergia-termelés hıforrása lehet hagyományos (fosszilis) tüzelıanyagot használó kazán vagy magenergiát hasznosító reaktor. Az atomerımőveknek számos típusa van, amikor ebben a fejezetben atomerımőrıl beszélünk, akkor kizárólag a nyomottvizes reaktorral épített atomerımővekre mint legelterjedtebb típusra gondolunk. A hagyományos hıerımővek és az atomerımővek között elsısorban a termelt gız paramétereiben van eltérés. Amikor ez lényeges, akkor külön kitérünk az atomerımővek viszonyaira, egyébként a folyamatokat a hagyományos hıerımővek példáján mutatjuk be Gızerımő rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai Az erımővi rendszert alrendszerekre bonthatjuk és az alrendszerek jellemzıit külön vizsgálhatjuk. A legszokásosabb felbontást a 8. ábra mutatja be a fontosabb energiaáramok irányának jelölésével. v,e ε,h ε,t ki.. Q tü Q 1 t g E T. ε,q Q 2 ~Q 2. H. Q v,h. (Q ) v,t. (Q ) v,q 8. ábra. Gızerımő rendszerstruktúrája A H (hıközlési) alrendszer a kazánt és segédrendszereit, továbbá a kazánt a turbinaüzemmel összekötı csıvezetékeket foglalja magába. Atomerımőben kazán helyett a reaktor, a teljes primerkör és a gızfejlesztı értendı. Ebben játszódik le a kémiai vagy magenergia hıvé alakítása. A T (turbina) alrendszer a hıt mechanikai munkává alakítja. Fı berendezése a turbina, de emellett ide tartozik annak legtöbb segédrendszere is (pl. tápvízelımelegítık, szivattyúk, gáztalanítás). Ezt az alrendszert belsı alrendszernek is nevezzük, mert egy igen csekély hıveszteségektıl eltekintve nincs energiacseréje a környezettel, csak a többi (külsı) alrendszerrel. Az E (elektromos) alrendszer végzi a mechanikai munka villamosenergiává alakítását és az erımővi önfogyasztások villamosenergia-ellátását. Fı berendezései a generátor, a fı- és segédüzemi transzformátorok, a hozzájuk kapcsolódó villamos segédberendezések. Q 16

17 Nem tartozik az energiaátalakítási lánc fı vonulatához a Q (hıelvonási) alrendszer, de fontos szerepet tölt be: itt történik a körfolyamatokban elkerülhetetlen maradék hı elvezetése a környezetbe. Fı berendezései a kondenzátor, a hőtıvízellátás és ezek segédrendszerei. A teljes gızerımő (KE, kondenzációs erımő) energiafolyam-ábrája a következı: E ε,h H ε,t T ε,q ε. Q tü. Q 1 i t g ki. Q 2 Q. Q v,h.. (Q ) v,t Q v,q. ~Q 2 v,e 9. ábra. Gızerımő energiafolyam-ábrája Az egyes alrendszerek hatásfokait valamennyi bevezetett és hasznos teljesítmény figyelembe vételével és a kisebb teljesítményáramok elhanyagolásával képzett közelítı módon az 1. táblázat adja meg. A táblázat utolsó oszlopában adjuk meg az egyes alrendszerek és a kondenzációs erımő hatásfokát berendezések szerinti bontásban is. A H alrendszerben a kazán és a csıvezetékek hatásfokát, a T alrendszerben a körfolyamat és a turbina belsı hatásfokát, az E alrendszerben a mechanikai, a generátor, a transzformátor hatásfokot és az erımővi önfogyasztást figyelembe vevı hatásfokot találjuk. 1. táblázat. Az alrendszerek és az erımő hatásfokai: Alrendszer hatásfok közelítı hatásfok hatásfok berendezések szerint H Qɺ 1 Q1 Hıközlés η H = η Qɺ H ɺ ηh = ηk ηcs + Qɺ T Turbina (belsı) E Villamos KE Kondenzációs erımő 1 ü η T = Qɺ + η ε H t ε T + + ki ε H εt ki E = E t t ü η = η η t T o i ηt Q ɺ 1 ηe = η m ηg ηtr ηε η ηke ηh ηt ηe ηke = ηh ηt ηe ηke = ηk ηcs ηo ηi η m ηg ηtr ηε Figyelemre méltó, hogy a H és az E (külsı) alrendszerekben olyan hatásfokokat találunk, amelyek a környezetbe távozó energiaáramokat vesznek figyelembe, míg a T (belsı) alrendszerben szereplı két hatásfok esetén nincs környezetbe távozó energiaáram, ezek a veszteségek csak azt az arányt változtatják meg, hogy az alrendszerbe érkezı Q ɺ 1 hıteljesítmény milyen arányban oszlik meg a hasznos t tengelyteljesítmény és a Q 17

18 alrendszeren keresztül elvezetendı Q ɺ 2 hıteljesítmény között. Miután e veszteségek során teljesítmény nem távozik közvetlenül a környezetbe, csak a hasznosítható rész csökken, ezeket minıségi veszteségeknek, míg a többit mennyiségi veszteségnek nevezzük. Az összes mennyiségi veszteséget figyelembevevı hatásfok: η menny = η o η i η m η g η tr η ε (32) Minıségi veszteségeknél a hımennyiség nem vész el, csak a hı alacsonyabb értékővé válik (hımérsékletszintje csökken, entrópiája nı), pl. fojtás, hıcsere hıfokréssel. Ekkor a hıelvonás szintjén az entrópia-különbség nagyobb lesz, mint a hıközlésnél: s 2 > s 1, a körfolyamat hatásfoka pedig: η q T s T o = 1 = 1 = 1 q1 T1 s1 T1 s2 ahol ρ = > 1, az entrópia növekedés aránya. s 1 ρ, (33) 5.2. A gızkörfolyamat kezdı- és végjellemzıinek meghatározása A hatásfok javításának eszköze lehet a kezdıjellemzık (frissgız nyomásának ill. hımérsékletének) növelése vagy a kondenzátor nyomásának csökkentése. A következıkben állandó hasznos teljesítmény mellett vizsgáljuk meg hogyan hatnak ezek a változások a különbözı részhatásfokokra és a beruházási költségekre A frissgız nyomásának növelése A gız tömegárama jó közelítéssel állandó, mert a körülzárt terület a T-s diagrammban alig változik (10. ábra), így azonos teljesítményhez nem kell a gızáramot lényegesen változtatni. A legfontosabb hatás, hogy a körfolyamat hatásfoka javul, mert a hıbevezetési középhımérséklet nı. A turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen romolhat, mert a gız fajtérfogata csökken gız térfogatárama csökken rövid lapátok esetén a résveszteség nıhet. A turbina kisnyomású részén biztosan romlik a belsı hatásfok, mert az expanzióvonal mélyebben megy be a nedves mezıbe, a gız nedvességtartalma megnı. T T 1 1 p 1 p 1 T 1s 3 T 2 2` 2 o 10. ábra. A frissgıznyomás növelésének hatása s 18

19 Az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok: romlik, mert a tápszivattyúnál nı az elıállítandó nyomáskülönbség. A többi hatásfok nem vagy csak lényegtelen mértékben változik, Ugyanakkor a beruházási költség lényegesen nı a nagyobb nyomás miatt szükséges vastagabb falú berendezések következtében. A kezdınyomás termikus optimuma (a legjobb hatásfok, legalacsonyabb változó költség) rendkívül nagy nyomásnál ( bar) található. Ugyanakkor a növekvı állandó költségek miatt a gazdasági optimum a kritikus nyomás (221 bar) körül adódik. Kritikus nyomás közvetlen közelében nem lehet megoldani az üzembiztos gıztermelést, ezért szubkritikus (jelenleg bar körüli) vagy szuperkritikus ( bar) nyomást kell választani A frissgız hımérsékletének növelése A frissgız hımérsékletének növelésekor csökken a gız tömegárama: csökken, mert a körfolyamat vonala által körülzárt terület a T-s diagrammban nı (11. ábra). T T 1 1 T 1 p 1 T 1s 3 T 2 2` 2 o 11. ábra. A frissgız hımérséklet növelésének hatása A körfolyamat hatásfoka nagymértékben javul, mert a hıbevezetés átlagos hımérséklete jelentısen nı. A turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gız fajtérfogata nı, tömegárama csökkent, vagyis a gız térfogatárama és a résveszteség alig változik. A turbina belsı hatásfoka a kisnyomású részen javul, mert a gız nedvességtartalma csökken, Ugyancsak javul az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok is, mert a szivattyúnál állandó az elıállítandó nyomáskülönbség, de a tömegáram csökken. A többi hatásfok: nem vagy csak lényegtelen mértékben változik. A frissgız hımérséklet növelésének nincs hatásfok optimuma, a növeléssel a hatásfok mindig javul, a változó költség viszont folyamatosan csökken. Ugyanakkor a beruházási költség és vele az állandó költség az alkalmazandó jobb anyagminıségek miatt igen erıteljesen nı. Szubkritikus körfolyamatoknál a gazdasági optimum ºC, újabban szuperkritikus nyomásnál, új, nagy hımérséklettőréső anyagok alkalmazásával ºC frissgız hımérsékletet is elérnek. s 19

20 Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentése Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentésekor a körülzárt terület a T-s diagrammban nı, így a gız tömegárama kissé csökken (12. ábra). T T 1 1 p 1 T 1s 3 T 2 2` 2 o 12. ábra. A kondenzátorhımérséklet csökkentésének hatása A körfolyamat hatásfoka javul, mert a hıelvezetés átlagos hımérséklete csökken, a turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gız térfogatárama alig változik; kisnyomású részen romlik, mert a gız nedvességtartalma kissé, a kilépési veszteség jelentısen nı. Az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok romlik. A körfolyamat önfogyasztása alig változik (nı), a hőtıvízellátás teljesítményigénye általában jelentısen nı. A többi hatásfok: nem vagy lényegtelen mértékben változik. A beruházási költség a hıelvonási alrendszerben, esetleg a turbinánál nı. Termikus optimum: nincs, korlát a környezet hımérséklete, a gazdasági optimum: frissvízhőtésnél ºC-kal, visszahőtéses rendszereknél ºC-kal a környezeti hımérséklet felett adódik Tápvízelımelegítés A hatásfok javításának leghatékonyabb eszköze a tápvízelımelegítés. Lényege az alacsony hımérséklető hıbevezetés kiváltása belsı hıátcsoportosítással. A T 1 hıbevezetési átlaghımérséklet megnı, de a hıcserék miatt a (33) összefüggésben bevezetett ρ tényezı is. Egyfokozatú elımelegítés kapcsolását, T-s diagrammját és hatásfokra gyakorolt javító hatását a 13. ábra mutatja be. 1 T 1 s η n e 2 2' n e 2' 2 s η 0 T 2 T 1s T n 13. ábra. Egyfokozatú tápvízelımelegítés 20

21 A gızkörfolyamatokban mindig többfokozatú tápvízelımelegítés alkalmaznak. Ez lehetıvé teszi a hıbevezetés átlaghımérsékletének növelését a hıcserék hıfokrésének és a hıcsere okozta entrópia-növekedésnek a korlátok közt tartásával. Az erımővi hatásfokra gyakorolt javító hatását a 14. ábra mutatja be. hatásfok T n T 2 T 1s 14. ábra. Egyfokozatú tápvízelımelegítés A hatásfok javulása lényegesen nagyobb, mint egyfokozatú tápvízelımelegítés esetén, de a fokozatszám növelésével a növekmény-haszon csökken, különösen nem ideális (véges felülető, egynél kisebb kihasználási tényezıjő) elımelegítıknél. A gyakorlatban általában 6 8 fokozatú tápvízelımelegítést alkalmaznak. Egy jó távízelımelegítı rendszer tervezésénél gazdasági optimalizálással kell meghatározni a tápvízelımelegítés véghımérsékletét, fokozatszámát, fokozatbeosztását és az elımelegítık felületét. Ennek részleteit itt nem ismertetjük, a szakirodalomban megtalálható. Fontos kérdés még az elımelegítık főtıgız kondenzátumainak elvezetési megoldása. A kondenzátum-elvezetés lehetıségeit a 15. ábra mutatja be. Az ábrában ballról jobbra a következı megoldásokat használják: keverı elımelegítı, a kondenzátum bekeveredik a tápvízáramba, szivattyús elırekeverés, kaszkád, csapadékhőtı nélkül kaszkád, csapadékhőtıvel. A jósági sorrend termikus szempontból a következı: keverı - szivattyús - csapadékhőtıs egyszerő kaszkád. Ugyanakkor üzemviteli szempontból a sorrend fordított Újrahevítés 15. ábra. A kondenzátum-elvezetés lehetıségei A hagyományos tüzelıanyagú erımő hatásfoknövelésének egy további hatékony lehetısége az újrahevítés. Ez azt jelenti, hogy egy rövid expanzió után a részben munkát végzett gızt visszavezetik a kazánba és ott újrahevítik, általában a kezdı hımérsékletig. E megoldásnak a kapcsolását és T-s diagrammját a 16. ábra mutatja. 21

22 T T 1 T 1u T no T uo T ábra. Hagyományos újrahevítéses erımő kapcsolása és T-s diagrammja Az újrahevítés hatására a hıbevezetés átlagos hımérséklete jelentısen nı, a végnedvesség, szivattyúzási munka aránya csökken. Lehetıvé teszi a kezdınyomás további növelését is. Ugyanakkor a nagynyomású turbinaszakasz belsı hatásfoka romolhat a csökkenı tömegáram és az esetlegesen növekvı frissgıznyomás miatti térfogatáram csökkenés és lapátrövidülés következtében. Emiatt alkalmazása csak nagy teljesítményő, általában 200 MW feletti blokkoknál kifizetıdı. Ettıl alapvetıen eltérı az újrahevítés célja és megoldása atomerımővekben (17. ábra). Nyomottvizes reaktorral épített atomerımővekben a gızfejlesztı telített gızt termel, amely az expanzió során nedves gızzé válik. Ahhoz, hogy az expanzió végnedvesség tartalma ne haladja meg a azt a 12 14%-os határt, amely felett a turbinalapátok igen gyorsan tönkremennek, vagy újrahevítést, vagy rendkívül alacsony frissgız nyomást kell alkalmazni. T s 17. ábra. Atomerımővi újrahevítés kapcsolása és T-s diagrammja Az ábrában bemutatott kapcsolásban a nagynyomású házból kilépı gızt elıször egy szeparátorba vezetjük, amely szétválasztja a nedves gız víz- ill. gıztartalmát, majd a telített gızt két egy turbina megcsapolásról és egy frissgızrıl táplált hıcserélıben újrahevítjük. Ebben a megoldásban a gızszárítás nem hıbevezetéssel történik, ezért a körfolyamat hatásfokát lényegében nem befolyásolja. Az ezt követı túlhevítés azonban csökkenti a hıbevezetési középhımérsékletet, így a körfolyamat hatásfokát csökkenti egy ugyanilyen kezdınyomású, de újrahevítés nélküli körfolyamathoz képest. Csakhogy ez a körfolyamat a végnedvesség miatt nem megvalósítható. Ha viszont a megvalósítható, alacsony kezdınyomású körfolyamathoz hasonlítom, akkor az újrahevítéses körfolyamat hatásfoka a jobb. Tehát végsı soron itt is a hatásfok javítását szolgálja az újrahevítés. s 22

23 5.5. Hatásfoknövelı eljárások összefoglalása A 2. táblázatban foglaltuk össze az alfejezetekben részletezett hatásfoknövelı eljárások következményeit a hagyományos erımővekre vonatkozóan. Atomerımővek esetén csak az elızı alfejezetben ismertetett újrahevítésnél van ehhez képest eltérés. 2. táblázat. A hatásfoknövelı eljárások hatásai: változás η k η cs η o η i η m η g η tr η ε B p 1 ~Ø ~Ø ~Ø Ø Ø T 1 ~Ø ( ) ~Ø Ø Ø T 2 ~Ø ~Ø ( ) ~Ø Ø Ø tápvízelımelegítés. ( ) ( ) ~Ø Ø Ø újrahevítés ( ) ( ) ~Ø Ø Ø A táblázatban a felfelé mutató nyíl növekedést, a lefelé mutató csökkenést jelent. Ugyanezek zárójelben esetleges vagy nem lényeges hatást jelölnek. A Ø jel azt jelenti, hogy a módosítás egészen biztosan, a ~Ø jel pedig azt, hogy valószínőleg nem hat a jelölt hatásfokra. 23

24 6. Gázturbinás erımővek A gızerımővi energiafejlesztés mellett napjainkban egyre nagyobb teret hódítanak a gázturbinás egységek. Legfıbb elınye a berendezések kis mérete, ami lehetıvé teszi a nagymértékő gyártómői készre-szerelést, a rövid építési idıt és alacsony beruházási költséget. Emellett a gızerımővi berendezéseknél lényegesen (közel két nagyságrenddel) kevesebb magashımérséklető anyag fajlagosan drágább, lényegesen magasabb hımérsékletet tőrı anyagok alkalmazását engedi meg, így a körfolyamat kezdıhımérséklete esetenként jelentısen meghaladhatja az 1000 ºC-ot. A hatásfok mégsem lehet magasabb a gızerımővek hatásfokánál, mert a hıelvonás középhımérséklete sokkal magasabb, mert nincs állandó hımérséklető (halmazállapot-változásos) hıelvonás. A legelterjedtebb megoldás a környezeti levegıt beszívó és az égıtérben keletkezı gázt egy azonos tengelyre szerelt turbinában expandáltató nyíltciklusú gázturbina. Más megoldások is léteznek (pl. kéttengelyes, két égıteres, zártciklusú) ezek kevésbé elterjedtek, ismertetésükre nem térünk ki Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina E megoldásnak kapcsolását a 18. ábra, reverzibilis körfolyamatának T-s diagramját a 19. ábra, a valóságos körfolyamatét pedig a 20. ábra mutatja be. É K T 18. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk kapcsolási vázlata Hımérséklet, K q be 3 p 2 =p 3 = 24 bar p 1 =p 4 = 1 bar q el Fajlagos entrópia, s, J/ (kgk) 19. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina reverzibilis körfolyamatának T s diagramja 24

25 A valóságos körfolyamat paramétereinek megválasztásánál a következı szempontokat kell figyelembe venni: A T 3 hımérsékletnek felsı határt szabnak az alkalmazott szerkezeti anyagok. Itt a gızkörfolyamatokkal ellentétben a munkaközeg hıfoka a magasabb, a legmagasabb hımérséklető szerkezeti anyagokat (égıtér fala, turbina lapátok) hőtéssel lehet alacsonyabb hımérsékleten tartani. Maximált T 3 mellett a nyomásviszonynak energetikai optimuma van. Az ezt bemutató 21. ábra magasabb izobárjainál a hatásfok már nem javul, sıt negatív tartományba is átmehet. Fontos azt is tudni, hogy a turbina eredı hatásfoka jobb, mint a turbinafokozatok fokozati hatásfoka, ugyanakkor a kompresszornál az eredı hatásfok rosszabb, mint a fokozati hatásfok. Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a nyomásviszony. T Q. be 3 p = áll. 3 nyomáscsökkenés a hıközlés során p 2 a turbina belsı irrevezibilitásai a kompresszor belsı irrevezibilitásai 2 2* 4* 4 p 4 p = áll. 5* 0 1 1* p 1 nyomásellenállás a kilépésnél nyomásellenállás a levegı beszívás során. S 20. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina valóságos körfolyamata T T 3 η kicsi η jó ηközel nulla η negatív! 21. ábra. Valóságos gázturbinás körfolyamat paramétereinek megválasztása s 25

26 Valóságos gázturbinában a turbina és a kompresszor nyomásviszonya az áramlási nyomásesések miatt nem azonos, ezért kell definiálni a különbözı berendezések nyomásviszonyait (a nyomásviszony mindig egynél nagyobb szám): p3 δ T = turbina, p 4 p1 δ K = kompresszor, p 2 p2 δ H = égıtér (hıbevezetés), p 1 3 p0 δ L = levegı beszívás, p p4 δ G = gázelvezetés, p melyekkel felírható, hogy: 0 δ p p p p p δ δ δ δ δ (34) K = = = p1 p1 p3 p0 p4 L H G T > T 6.2. Gázturbina és kompresszor együttmőködése, szabályozás A gázturbina és a kompresszor együttmőködésének vizsgálatához induljunk ki a berendezések jelleggörbéjébıl, melyeket a 22. ábra mutat. δ T T 3 δ K lapátállítás 1 n < n n = áll. m ɺ g V ɺ ábra. Gázturbina és kompresszor jelleggörbéje A gázturbina gáznyelését az alábbi összefüggéssel adják meg: p ɺ ( δt ). (35) T 3 mg = const f 3 A konstans gépfüggı, az f ( δ ) szorzót pedig a 23. ábra szerinti diagramból vehetjük. T Ahhoz, hogy a két gép jelleggörbéjét közös diagramba helyezhessük, a következı megfontolásokat (gyakorlatilag koordináta-transzformációkat) kell tegyük: A (34) összefüggésben láttuk, hogy a kompresszor nyomásviszonya a három áramlási nyomásveszteség miatt nagyobb a turbináénál. Az arány az esetek többségében között van. 26

27 f ( ) r p 1 n = n = 1 n = 2 n = 3 0 0,5 1 1/r p 22. ábra. A gáznyelés korrekciós száma nyomásviszony és fokozatszám (n) alapján A füstgázáram az égési levegı és a bevitt tüzelıanyag tömegáramának az összege, ami a következı formában írható fel: m m mg m m m ɺ 1 V ɺ ɺ = ɺ + ɺ = ɺ + = + 1 ɺ ρ (36) ü ü 1 ü mɺ 1 mɺ 1 A jelenlegi gázturbináknál, ahol a T 3 hımérsékletet ºC közötti értékre kell korlátozni kb körüli légfeleslegtényezıt kell alkalmazni, amely mellett a tüzelıanyag/levegı arány Ezek után a jelleggörbéket összerajzolva, majd abban a jellegzetes üzemállapotokat feltüntetve immár a gépcsoport szabályozási diagramját láthatjuk (23 ábra). δt T 3 Á B T 3, 0 A C D T 3, C T 3, D n = áll. lapátállítás határai. V ábra. Gázturbina terhelésváltoztatása Az A pont a névleges terhelési állapotot mutatja. A gépek túlterhelése az Á helyzetbe tolja a munkapontot, de ez csak tetemes élettartam csökkenés árán vállalható. Részterhelések felé haladva elıször a lapátok állítása következik, majd ennél is kisebb terheléseknél a tüzelıanyag-bevezetés csökkentésére kényszerülünk (C, D pontok). Mivel az égıtér hımérséklete nem mérhetı (nem homogén hımérsékletmezı), a gázturbinából kilépı füstgázé viszont már igen, kézenfekvı, hogy abból következtetnek vissza a tüzelés körülményeire. Az expanzióvonal menetének szem elıtt tartásával a fent leírt terhelésváltoztatás a kilépı füstgázhımérsékletrıl jól szabályozható. Fontos a mőködés szempontjából a környezeti levegı állapota, hiszen mint láttuk, a égési levegı tömegárama a beszívott levegı sőrőségétıl, azaz hımérsékletétıl függ. éldául 10 C hımérséklet csökkenés % teljesítmény növekedést és % hatásfok javulást okoz. A levegıhımérséklet változás hatására megváltozó jellemzıket a 24. ábra mutatja. 27

28 δ K T 1 T 3 GT villamos korlát T 1 ρ 1 ρ 1 m 1 1 bar 15 C ϕ =60% 24. ábra. Gázturbina jellemzık változása a levegıhımérséklet függvényében 6.3. A gázturbina karbantartása, élettartama Amíg áramlástechnikailag a kompresszor a jóval kényesebb gép, a karbantartásra a turbina az érzékenyebb. Itt nem a gızturbináknál megszokott, lapáthossz okozta szilárdsági korlátokba ütközünk, hanem elsısorban a magas üzemi hımérséklettel járó hıfeszültség és a lapátok anyagának elégése veszélyes. Hıfeszültség keletkezése a lapátok külseje és belseje között indításkor és leállításkor nagymérvő, amit másképp elkerülni nem lehet, csak a terhelési sebességek kíméletes megválasztásával. (l. a gızturbina minden baj nélkül elviseli a 100 %-os teherledobást, gázturbinánál ez súlyos károsodást okozhat.) A lapátok hımérséklettőrését hıálló (keramikus) bevonatokkal fokozzuk. Ennek nagy hátránya a ridegség, tehát itt is a terhelési sebességek korlátaihoz jutunk vissza. Sokat javít a helyzeten az elterjedten alkalmazott furatos lapátkonstrukció, amikor a lapátok belülrıl is hőtöttek, majd a belsı csatornából kiáramló levegı a lapát legmelegebb felületei elıtt is hőtı hatást fejt ki. Mivel a gázturbinák zöme csúcserımővi célokat szolgál, az élettartam-gazdálkodás igen fontos. A gázturbinákra minden gyártó megadja az általa garantált élettartamot, mely az úgynevezett egyenértékő üzemidı szerint számítandó. Definíciója:, (37) τ = τ k + n c e j j j j j j ahol τ i az i.-ik indítás után üzemben töltött idı, k i ezen i-ik üzemi periódus üzemállapot súlyfaktora (névleges üzemállapot, gáztüzelés: ~1, részterhelésen sem kisebb, olajtüzelésnél: ~2...5; túlterhelés (Á pont), gáztüzelés: ~1,5...2). A második szummázás a különbözı események hatását veszi figyelembe, benne n j események száma (indítás, leállítás, terhelésváltozás, rendkívüli esetek), c j események súlyfaktora, amit általában a gyártó ad meg. Fontos tudni, hogy a gázturbinák általában alkalmasak igen gyors (elhatározástól teljes terhelésig 7-15 perces) indításra is, ennek elhasználódást jellemzı c j szorzófaktora azonban sokszorosan meghaladja normális ütemő (20-30 perces) indításét. Ugyancsak nagy igénybevételt jelent a hirtelen, elızetes fokozatos teljesítménycsökkentés nélküli leállítás, ami pl. teherledobás miatt lehet szükséges. Elvárás, hogy két karbantartás között az egyenértékő üzemidı legalább h legyen. Ezután a gépet felül kell vizsgálni, el kell végezni a szükséges karbantartó jellegő tevékenységeket. Általában 3 ilyen periódus (~ h) után a legjobban terhelt lapátok teljes cserét igényelnek. T 1 28