Energiatermelés hőerőművekben

Átírás

1 ENERGIATERMELÉS 5. Energiatermelé őerőművekben Dr. Pátzay György

2 HŐERŐMŰVEK Az erőművek általában villamo energia termeléére épített léteítmények. Az energiaforrá zerint leetnek: Hőerőművek Vizierőművek Szélerőművek Egyéb erőművek A termelt vagy zolgáltatott energia zerint: Tiztán villamo energiát zolgáltató Villamo energiát é őenergiát zolgáltató erőművek Az erőművek kiaználáa zerint: Alaperőművek, egéz évben egyenleteen termel, jól kiaználja a kapacitáát Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megzabott menetrend zerint Cúcerőművek, cak a tereléi cúcok idején zolgáltat energiát Dr. Pátzay György

3 Erőművek közötti kapcolat zerint: Együttműködő erőművek Elzigetelt erőművek Magyarorzág villamo energiájának döntő rézét őerőművekben állítják elő, melynek orán őenergia zabadul fel fozili tüzelőanyagok égetée, vagy magaadá révén é ő-körfolyamat egítégével a őenergia egy rézét villamo energiává alakítják. Az átalakítá orán mecanikai munkát nyernek a őkörfolyamat révén, majd a mecanikai munka egy rézét villamo energiává alakítják. Hőerőmű alaptípuok A őerőművekben jelenleg rendzerint vizgőz-körfolyamat, az ún. Rankin-Clauiu körfolyamat valóul meg. A körfolyamatnak zámo atáfokot javító változata imert. A cak villamoenergia termelét végző őerőművet kondenzáció erőműnek nevezzük. Ennek kapcolái vázlata é T- diagramja a következő -. ábrákon látató: Dr. Pátzay György 3

4 . ábra Kondenzáció erőmű. ábra T- diagramm A bevezetett őmennyiég az --3- görbe alatti, míg a rendzerből kikerülő őmennyiég a - alatti területtel arányo. Kondenzáció erőműnél a kondenzátorral elvont őmennyiég a munkafolyamat zempontjából vezteég. Ez a vezteég cökkentető, a az itt elvont őmennyiéget valamilyen má célra, például fűtére aznoítjuk. Gyakorlatilag ez a aznoítá akkor leetége, a a kondenzáció őmérékletet megnöveljük ( C), azaz melegebb kondenzált vizet vezetünk ki a rendzerből. Ekkor az erőmű a villamo energián felül már őenergiát i zolgáltat (forróvíz), melyet egyéb azno célra, például fűtére leet felaználni. Az ilyen őerőművet ellennyomáo őerőműnek nevezzük, melynek kapcoláát a 3. ábrán é a folyamat T- diagramját pedig a. ábrán az pontok atárolják. Dr. Pátzay György

5 3. ábra Ellennyomáo erőmű. ábra Elvétele kondenzáció erőmű A armadik fonto őerőmű alaptípunál, az elvétele-kondenzáció őerőműnél az ellenyomáo é kondenzáció rendzert özekapcolják. Az ilyen erőmű kapcolái vázlata a. ábrán látató. Ez utóbbi rendzer rugalmaabb, leetőég van cak villamo energia termeléére i. Dr. Pátzay György 5

6 Energiatermelé őerőművekben A XX. Században az elektromo energia nélkülözetetlen. Ez egy nagyon flexibili, fűtére, űtére, világítára, ajtára könnyen felaználató, könnyen zállítató é ellenőrizető energiaforma. A civilizáció özeomlana nélküle, ezért fonto nagymennyiégű energia átalakítáa elektromo energiává. A őerőművekben történik a fozili é nukleári üzemanyagokból felzabadított termiku energia átalakítáa elektromo energiává. A világon üzemelő erőművek kétarmada gőztermelő erőmű, a maradék egyarmad vizi-, dieelmotoro, vagy gázturbiná erőmű. A zél-árapály-napé egyéb erőművek jelenleg fejleztéi tádiumban vannak. A termodinamikából imert, ogy a őtermelő körfolyamatokban a őt maga őmérékletű forrából nyerik, egy rézét munkává alakítják é a maradék őt egy alacony őmérékletű nyelőbe bocátják ki. Az öze felvett ő ajno nem alakítató munkává. A maximáli atáfokot a Carnot körfolyamattal zámítatjuk ki, de ez cak elméleti leetőég, mert a reáli folyamatok ajno mind irreverzibiliek é így a gyakorlati atáfokok alaconyabbak, mint a Carnot körfolyamat atáfokai. A Carnot körfolyamat 8-ben Sadi Carnot francia mérnök egy ipotetiku reverzibili őerőgépet fogalmazott meg (5 ábra). Dr. Pátzay György 6

7 5. ábra A Carnot-körfolyamat A dugattyúval ellátott engerben levegő van. Körfolyamatban történő üzemeltetéénél nettó munkavégzé nyerető. A körfolyamat lépéből áll: - Izoterm őátadá A T H őmérékletű őforrából Q őenergiát közlünk a levegővel. A levegő őméréklete állandóan T H marad. A ő elanyagolató őméréklet különbég mellett megy át. A levegő kitágul é bizonyo munkát ad le. -3 Adiabatiku kiterjedé Ninc őátadá. A levegő kitágul é munkát ad le, miközben T H őmérékletről T L őmérékletre űl le. 3- Izoterm őleadá A levegő lead Q R őenergiát a T L alacony őmérékletű nyelőnek. A levegő őméréklete állandó T L. Itt i a ő elanyagolató őméréklet különbég mellett megy át. A levegőt komprimáljuk é eez bizonyo munkavégzé kell. - Adiabatiku komprezió A levegőt komprimáljuk őátmenet nélkül. Eez zintén bizonyo munkavégzé zükége. Dr. Pátzay György 7

8 A Carnot-ciklu a p-v é T- diagramokban Dr. Pátzay György 8

9 Dr. Pátzay György 9 6. ábra Munkavégzé reverzibili körfolyamatban

10 7. ábra A víz T- diagramja Dr. Pátzay György 0

11 Az 5/b. ábrán a körfolyamat lépéeinek T- diagramja látató, a fölvett őmennyiég Q, a leadott őmennyiég pedig Q R. Az 5/c. ábrán egy Carnot gőzgép működéének émája, az 5/d. ábrán pedig a telje körfolyamat T- görbéje látató. A leadott nettó munkavégzé a görbe alatti területtel egyenlő. Az ábrák alapján: Illetve A Carnot körfolyamat atáfoka bármely T H, T L őmérékleteken üzemelő gőzgép atáfok maximumát atározza meg. A körfolyamat atáfoka növekvő T H é cökkenő T L értékkel nő. ( ) ( ) 3 T Q T Q L R H ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 mert T T T T T T T T Q Q Q Q W Q Q W H L H L H H L H S R S net Carnot R net η Dr. Pátzay György

12 Példa: Egy Carnot gőzgép 00 C-on őt vez fel é munkavégzé után őt ad le egy 80 C-o nyelőnek. A leadott munka 5 kw. Mekkora a gép atáfoka? Mekkora a őközlé é őleadá ebeége? Mekkora a atáfok javulá, a a őleadá 0 C-o nyelőbe történik? Megoldá: η Carnot , η W W net Q Q η 5 net Carnot, 7 Carnot 0,69 kw QR Q Wnet,7 5 6, 7kW a η W net T Carnot L igy a % - o munka novekede 7, C , η 0,787,7 7, kw Carnot Q 0, azaz% A gyakorlati atár a Carnot körfolyamat eetén: A környezet őméréklete ritkán alaconyabb 30 C-nál, a tüzelőanyagok égetéekor elérető maximáli őméréklet 800 C alatt van, így η Carnot 303 0, Dr. Pátzay György

13 Teát az elméletileg elérető atáfok 90% körül van. Gyakorlatban azonban a fütgázok őfoka ~00 C, metallurgiai okokból 000 C fölé nem meet a őméréklet, így a reáli körfolyamat atáfoka nem meet 5-0% fölé! A Carnot-ciklu cak elméletileg működik. Víz munkaközeg eetén például víz+gőz vegye fázit kellene zállítani é komprimálni. Reáli leetőég vizont az a megoldá, aol a rendzerbe egy kondenzátort iktatunk be é a fáradt gőzt lekondenzáltatjuk Rankine-Clauiu körfolyamat. A Rankine-Clauiu körfolyamat A gyakorlatban a folyamatok nem reverzibiliek, így a való atáfok még kiebb. Egy leetége gyakorlati körfolyamat a Rankine-Clauiu körfolyamat. William Rankine kót mérnök volt. Körfolyamata a zén-, olaj, gáz- é atomerőművek őtermeléének leíráára alkalmazató. Az erőművekben általában fozili tüzelőanyagot égetnek el (maga őmérékletű forrá) é a környező levegő, vagy víz (tó, folyó, tenger) az alacony őmérékletű nyelő. A Rankine körfolyamatban a őordozó, amely leggyakrabban víz, fáziváltáon megy kereztül. A Rankine-Clauiu körfolyamat (röviden Rankin-körfolyamat) négy alapvető zerkezeti komponenből áll (lád 8. ábra): a kazánból, a turbinából, a kondenzátorból é a zivattyúból. Dr. Pátzay György 3

14 8. ábra a Rankin-Clauiu körfolyamat Kazán: Itt a vízzel őt közlünk é nagynyomáú gőzt ozunk létre. Turbina: Itt a nagynyomáú gőz expandál alacony nyomáú gőz keletkezik é a turbina rotorjának forgatáával munkát végez. Kondenzátor: Itt bizonyo őleadá révén az alacony nyomáú gőz leűl é lekondenzál vízzé. Szivattyú: Itt az alacony nyomáú vizet vizazivattyúzzák a kazánba, melynek végén nagynyomáú alacony őmérékletű víz lez belőle. Dr. Pátzay György

15 A Rankine körfolyamat a 9. a,b,c ábrán zemléltetett termodinamikai változáokon megy kereztül. Ennek lépéei a következők: 9. ábra A Rankin-körfolyamat Állandó nyomáon őközlé a őordozóval. Ez a - lépé. Az elégetett tüzelőanyag előzör fölmelegíti a -e állapotban belépő ideg vizet a telítéi őmérékletre (T i ), majd elpárologtatja nagynyomáú záraz telített gőzzé (-e állapot). A őordozó izentrópiku (adiabatiku +reverzibili) expanziója, - lépé. A kazánból érkező nagy nyomáú -e állapotú gőz adiabatikuan é reverzibilien expandál a turbinákon é alacony nyomáú gőz keletkezik (-e állapot). Eközben a turbina forgatáával munkát végez. A őordozó őleadáa az alacony őmérékletű nyelőnek állandó nyomáon, -3 - a lépé. A turbinából kilépő alacony nyomáú, -e állapotú gőz leűl é állandó nyomáon lekondenzál, 3-a állapotú telített víz keletkezik. A őordozó izentrópiku kompreziója (zivattyúzáa), 3- lépé. A kondenzátorból kikerülő alacony nyomáú vizet zivattyúval a kazánba vezetik, aol a -e állapotnak megfelelő állapotba kerül. Eközben bizonyo munkavégzé zükége. Dr. Pátzay György 5

16 A ábrán a közölt ő Q, a leadott ő Q R, a turbinán leadott munkavégzé W T a T- diagramokon a megfelelő raffozott területekkel egyenlő. Az egyzerű Rankine körfolyamat elemzée Ha,, 3, é a őordozó fajlago entalpiája (kj/kg) az,,3 é állapotban é elanyagoljuk a kinetiku é potenciáli energiákban bekövetkező változáokat a munkavégzé é őátmenet mértéke mindegyik komponenre zámítató. A következő, állandóult állapotra vonatkozó elemzé kg munkaközeggel zámolva a következő: A kazán energiamérlege (0.ábra) Az öze bemenő energiaaz öze kimenő energiával Q + Q (kj/kg) 0. ábra A kazán energiamérlege Dr. Pátzay György 6

17 A turbina energiamérlege (. ábra) az öze bemenő energiaaz öze kimenő energia QL + WT + Ha a turbinaáz jól zigetelt a Q L ővezteég kici é elanyagolató (Q L 0), így:. ábra A turbina energiamérlege a W T (kj/kg) A kondenzátor energiamérlege (. ábra) az öze bemenő energiaaz öze kimenő energia Q R Q R (kj/kg). ábra A kondenzátor energiamérlege Dr. Pátzay György 7

18 A zivattyú energiamérlege (3. ábra) Az öze bemenő energiaaz öze kimenő energia 3 + WP (kj/kg) Mivel a víz özenyomatatlan a zivattyú munkája közelítőleg: 3. ábra zivattyú bemenő munka W p v w ( p p ) kj kg v w ( p p ) 3 3 m N kgm Nm kg J kg aol W p a zivattyú bemenő munkája (kj/kg) v w a víz fajlago térfogata (0,00 m 3 /kg körülbelül) p 3, p a zivattyú bemenetén é kimenetén a nyomá, (N/m) A nettó munka munkavégzé: W NET W T W Dr. Pátzay György 8 p

19 A TELJES RENDSZER ENERGIAMÉRLEGE (. ábra). ábra A telje rendzer energiamérlege az öze bemenő energiaaz öze kimenő energia aol Q NET, W NET a rendzerbe bevitt ő (kj/kg) é a rendzer munkavégzée (kj/kg) A rendzer nettó teljeítmény kimenete: aol P a nettó teljeítmény, kw m. a gőz tömegárama, kg/ nettó munkavégzé, kj/kg W NET Dr. Pátzay György 9 Q Q Q + W Q NET p R W W W NET T T + Q W. kg kj kj P m WNET kw kg R p

20 A rendzer termiku (Rankine) atáfoka: η Máik fonto jellemző a munkavégzé aránya (work ratio, WR): rendzer nettó munkavégzée rendzerrel közölt õmennyiég W Q NET WRnettó munkavégzé/turbina munkavégzéw NET /W T A Rankine cikluban a zivattyú munkaigénye igen kici a turbina munkavégzééez képet (kb. 5%). Így WR>0,95. A kondenzálódó fáradt gőz térfogata draztikuan cökken a zivattyúzá előtt, ezért cökken le a zivattyúzái munka.( kg víz térfogata kb. ezerzer kiebb mint ugyanannyi ki nyomáú gőzé). Ez a Rankine ciklu fő előnye a többi cikluoz képet. Ezzel zemben a Carnot ciklunál, vagy a gázturbina-ciklunál a zivattyúzáoz, vagy a komprezióoz zükége munka igen nagy, körülbelül 0%, így WR kici. Harmadik fonto jellemző a fajlago gőzfogyaztá (pecific team conumption, SSC). Ez a kg/ egyégben kifejezett gőz-tömegáram, amely kw nettó teljeítmény kimenetez zükége: S. S. C W NET (kg/kw) Minél alaconyabb a fajlago gőzfogyaztá, annál kiebb lez ugyanakkora elektromo energiatermeléez zükége gőzáram mennyiége. Ez végeredményben kiebb kazáné kondenzátorméreteket jelent, azaz minél kiebb a fajlago gőzfogyaztá, annál kompaktabb lez a gőzerőmű. Kiméretű erőműveknél okzor a kondenzátort elagyják é a turbináról lejövő fáradt gőzt kiengedik a levegőbe é a vezteéget fri tápvízzel pótolják (kipufogó üzemmód). Dr. Pátzay György 0

21 . példa A 5. ábrán bemutatott nyitott áramkörű gőzerőműben az atmozferiku nyomáú é 30 C-o tápvizet olajtüzeléű kazánba táplálják, aol záraz, telített 0 bar nyomáú gőzt termelnek. Ez a gőz turbinára kerül é izentrópikuan atmozferiku nyomáig expandál é a környező levegőbe távozik. Határozzuk meg: az erőmű termiku atáfokát. a munkavégzé arányát, a fajlago gőzfogyaztát. Megoldá: Ha az atmozferiku nyomá bar, p 0 bar, p bar, t 3 30 C A gőz-entalpia táblázatokból a 0 bar-o záraz telített gőz entalpiája: 778 kj/kg A nedve (fáradt) gőz entalpiája a következő megfontoláok alapján atározató meg: Az - lépé izentrópiku expanzió, így 5. ábra Nyitott áramkörű (kipufogó gőz) erőmű,303 + x 6,056 6,586 Dr. Pátzay György f + x. fg g

22 azaz az x zárazági fokú nedve gőz entrópiája ( ) egyenlő a telített folyadékfázi entrópiájának ( f ) é a zárazági fokkal megzorzott párolgái entrópia (x * fg ) értékének özegével. A táblázatból 0 bar nyomá mellett g 6,586, é bar nyomá eetén f,303, f 6,056. Így a fáradt gőz zárazági foka (gőzaránya) x 0,87. Ebből következik, ogy aonlóan az entrópiára felírtak zerint: f + x f g 7 + 0, kj/kg ( bar nyomáon f 7 kj/kg, f 58 kj/kg) A táblázat alapján a 30 C-o tápvíz entalpiája 3 f 5,7 kj/kg. A zivattyúzá munkaigénye: A zivattyúzá energiamérlege alapján értéke: 6 5 ( p p ) 0,00 ( 0 ) Nm kg A kazán energiamérlege alapján pedig Q értéke zámítató: W p v w 3 m N kg m 3 + W p 5,7 + 0,9 6,6 kj/kg 3 J kg 900 J/kg 0,9 kj/kg + Q Dr. Pátzay György Q 778 6,6 65, kj/kg

23 6. ábra Fajlago entrópia zámítáa a a víz-gőz rendzer különböző tartományaiban Dr. Pátzay György 3

24 Dr. Pátzay György

25 T P Specific Volume, m 3 /kg Internal Energy, kj/kg Entalpy, kj/kg Entropy, kj/(kg K) C kpa v f v fg v g u f u fg u g f fg g f fg g Dr. Pátzay György 5

26 Dr. Pátzay György Az ES_Stable gőztáblázat zámító program 6

27 W T értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: W T W T kj/kg A nettó munkavégzé: W NET W T -W P 39-0,939, kj/kg (a zivattyúzá munkaigénye elanyagolató a turbina munkavégzééez képet) A termiku atáfok: W η Q NET 39, 65, 0,75,75% A munkavégzé aránya: WR W NET WT 39, 39 0,998 a fajlago gőzfogyaztá pedig: S. S. C. 9, kg/kw 39, W NET 7. ábra Sankey diagram Dr. Pátzay György 7

28 A kondenzátor zerepe A Carnot cikluból kiderült, ogy a őleadánál a T L őméréklet cökkentée növelte a nettó munkavégzé mértékét é a atáfokot. Ennek alapján illeztették be a kondenzátorokat a gőzerőművekbe. Az előző példában a 00 C-o atm nyomáú fáradt gőzt kibocátották a környező atmozférába. Má zóval a őleadá 00 C-on történt. Kondenzátor beilleztéével a fáradt gőz lekondenzál é a folyadékfázi keletkezéével draztiku térfogatcökkené következik be, ami parciáli vákuumot okoz é p abzolút nyomá az atmozfériku nyomá alá cökkenet. Így a turbinában nagyobb az expanzió é így a munkavégzé. Ha a turbina kimenő nyomáa cökken, a megfelelő telítéi őméréklet T i cökken, azaz a őleadái őméréklet i cökken. Ezt az eetet a következő 3. példában mutatjuk be (lád 8. ábra). Dr. Pátzay György 8

29 Minél alaconyabb a kibocátái nyomá, annál jobb az erőmű atáfoka. A rendelkezére álló űtővíz őméréklete a korlátozó tényező. Ézaki orzágokban, télen közel 0 C a űtővíz őméréklete, így télen üzemelnek a gőzerőművek a legjobb atáfokkal. Teát a kondenzátor fő feladata, ogy a turbina ellennyomáát cökkentve, növelje a munkavégzét é így az erőmű atáfokát. Ezenfelül a kondenzvíz recirkulálató a tápvízkörben. 8. ábra Zárt áramkörű gőzerőmű Dr. Pátzay György 9

30 3. példa Az előző példában zereplő erőműöz kondenzátort illeztve a turbina ellennyomáa p 0, bar értékre cökkent. Határozzuk meg: a fáradt gőz paramétereit, a nettó munkavégzé é a atáfok emelkedéét, 000 kg/ gőzáram mellett az erőmű energialeadáát. Megoldá: p 0 bar, p 0, bar A gőz-táblázatból a 0 bar nyomáú záraz, telített gőz entalpiája: g 778 kj/kg. A fáradt gőz entalpiája, az - lépé izentrópiku: A fáradt gőz zárazági tényezője x 0,83 így: 0,83 + x 0,83 7,075 6,586 (Haználattuk volna a - diagramot i közvetlen megatározáára (8/c ábra), de az kevéé ponto eredményt adna.) x f + x f + x fg 5 + 0, fg g 68 kj/kg Dr. Pátzay György 30

31 A kondenzátum entalpiája: 3 f 5 kj/kg (0, bar nyomáon) A zivattyú bemenő munkája: W p 6 ( p ) 0,000 (.0 ) 980 J/kg 0,98 kj/kg v p w 3 A zivattyú energiamérlege: 3 + W p 5+ 0,98 5 kj/kg A kazán energia mérlege alapján: Q + Q kj/kg A turbina energia mérlege alapján pedig: W T + W T kj/kg A nettó munkavégzé: W NET WT Wp 60 0, kj/kg Özeaonlítva az. példa adataival, a kondenzátor beilleztée jelentően megnövelte a , munkavégzét: % - o munkavégzé növekedé 00 55,7% 39, A termiku atáfok: ami igen jelentő. A nettó munkavégzé: W η Q NET ,,% atáfok növekedé,-,75 9,35% kg kj kj P m WNET kg Dr. Pátzay György 69 kw,69 MW 3

32 8/b. ábra Az egyzerű ideáli túlevített vízgőzö Rankin-ciklu Te McGraw-Hill Companie, Inc.,998 Dr. Pátzay György 3

33 Eltéré az ideáli Rankin-Clauiu ciklutól A reáli körülmények között fellépő vezteégek közül a legjelentőebbek a úrlódái é a környezetbe jutó ővezteégek. Ezek irreverzibiltát okoznak é növelik az entrópiát. A kazánban fellépő nyomáeé következtében a kazánba belépő tápvizet a kilépő gőznyománál jelentően nagyobb nyomáon kell bezivattyúzni. Turbina vezteégek A turbinánál fellépő vezteégek fő oka a turbina-ázon kereztül távozó ővezteég é az turbina lapátokon, valamint zelepeken áramló gőz úrlódái vezteégei. Ezek ugyancak irreverzibilitát é entrópia növekedét okoznak. Ezen okok miatt az expanzió nem izentrópiku, aogy azt a 9. ábra i mutatja. Az ábrán a -e pont az izentrópiku expanzió utáni ideáli állapotot, a ` pont pedig a reáli végállapotot mutatja. A fenti okok miatt a valódi munkavégzé kiebb lez é a kilépő fáradt gőz magaabb entalpiával, valamint entrópiával távozik. Dr. Pátzay György 33

34 9. ábra A turbina izentrópiku atáfoka: η T Aktuáli turbina munka kimenet Izentrópiku munka kimenet, Szivattyú vezteégek Ugyancak a úrlódái vezteégek miatt a zivattyúzá már nem izentrópiku komprezió é így a valódi zükége munkavégzé a zivattyúnál megnövekedik. A zivattyú izentrópiku atáfoka: Jó turbina é zivattyú kontrukciók eetén az izentrópiku atáfokok értéke 0,8-0,85 között van. η Izentrópiku munka bemenet Aktuáli munka bemenet Dr. Pátzay György 3, 3 3

35 . Példa A 3. példában zereplő adatok alapján, a az izentrópiku atáfok a turbina eetén 8% é a zivattyúnál 85%, mekkora a nettó teljeítmény kimenet? Milyenek a turbináról kilépő gőz paraméterei? Lád 0. ábra. 0. ábra Egy reáli Rankin ciklu Dr. Pátzay György 35

36 η T 0.8; η P 0.85 A. példa alapján 778 kj/kg; 68 kj/kg 3 5 kj/kg; 5 kj/kg. A turbina izentrópiku atáfoka alapján: η T, , 90kJ/kg, A kilépő fáradt gőz jellemzői: x x,, f + x 0.856, fg, 358 (A gőztáblázatból 0, bar nyománál f 5 é fg 358 kj/kg) x értéke a 0. ábra c görbéjéez aonló H- görbékből i leolvaató közvetlenül. Az így nyert gőz zárazabb, minta az ideáli ciklu alapján zámított érték (x 0,83). A zivattyú atáfoka pedig: 3 η, 0.85, 5 5 3, 5 5.kJ/kg Dr. Pátzay György 36

37 A kazán energiamérlege alapján:, Q + Q, kJ/ kg A turbina anyagmérlege alapján pedig: W T, + W T, kJ/kg Látató, ogy a turbina valóágo kimeneti munkája lényegeen alaconyabb, mint az ideáli ciklu eetén (60 kj/kg)., 3 + Wp A zivattyú energiamérlege alapján:, W 5. 5.kJ/kg A reáli munka zivattyún nagyobb, mint az ideáli eetben. A nettó munkavégzé: p 3 WNET WT Wp kJ / kg A termiku atáfok: W η Q NET % A termiku atáfok megint cak alaconyabb, mint ideáli eetben. A nettó leadott teljeítmény: P m W. NET kW.35MW kg kj kg kj Dr. Pátzay György 37

38 A kazánnyomá növekedé atáa A kazánnyomá növekedée a maximáli ciklu őméréklet növekedéét okozza é így a atáfok i növekzik. Ez a atá ~50 barig áll fent, efölött a fg láten ő draztikuan cökken é így keveebb ő megy át, így a atáfok enyén cökken. 5. Példa A 3. példánál a kazánnyomá 0 bar, a kondenzátornyomá pedig 0, bar volt. Ha a kazánnyomát 50 bar-ra növeljük, mekkora lez a azno munkavégzé é a atáfok növekedée? Tételezzük föl, ogy a turbinára záraz, telített gőz áramlik é az expanzió izentrópiku. Lád. ábra. Az ábra zerint p 50 bar, p 0, bar. A gőztáblázatból az 50 bar nyomáú, záraz, telített gőz entalpiája: g 79 kj/kg é entrópiája g 5973 kj/kg.k. A kilépő gőz entalpiájának megatározááoz (- lépé izentrópiku): f x x + x 0,77 fg g Dr. Pátzay György 38

39 . ábra Dr. Pátzay György 39

40 Ezután: f + x fg kJ / kg (Haználatjuk a - diagrammot i leolvaáára.) A kondenzátum entalpiája (0, bar): 3 f 5kJ/kg A zivattyú bemeneti munkája: 5 5 ( p p ) ( ) 980J/kg.98kJ/ kg Wp v p 3 A zivattyú energiamérlege alapján: W p 56kJ/kg A kazán energiamérlegével: Q + Q kJ/kg A turbina energiamérlege alapján: W T + W T kJ/kg A nettó (azno) munkavégzé: WNET WT Wp kJ / kg Az alaconyabb gőznyomáú eetez képet a azno munkavégzé 35,3%-al, a atáfok pedig 8,%-al nőtt. Dr. Pátzay György 0

41 A Rankin-Clauiu ciklu atáfokának növelée A Rankin ciklu atáfoka nem túl maga, mely bizonyo módoítáokkal (. ábra) növelető.. ábra Dr. Pátzay György

42 T 3 T ( c) nyomá (őm.) növelée 3 (b) Nagyobb túlevíté T (a) Alaconyabb kond. nyomá(őm.) Dr. Pátzay György

43 . Túlevíté Növelve a gőz őmérékletét a Carnot ciklu zerint nő a atáfok. A kazánból kilépő nedve vagy záraz telített gőzt a túlevítőn vezetik kereztül, amíg a gőz egy adott magaabb őmérékletre melegzik. Minél magaabb a túlevített gőz őméréklete, annál nagyobb a atáfok. (lád 3. ábra). A őméréklet felő atára a jelenlegi anyagok eetén ~00 0C. 3. ábra Dr. Pátzay György 3

44 6. Példa Az előző példában 50 bar nyomáú, záraz, telített gőzt vezettünk a kazánból a turbinára é a kondenzátor nyomáa 0, bar volt. Ha a kazánból kilépő gőzt C-ra evítjük a turbina előtt, mekkora a azno munka á a atáfok növekedé? Az expanzió izentrópiku. P 50 bar, p 0, bar, t C. A túlevített gőztáblázatból az 50 bar nyomáú é C őmérékletű gőz entalpiája 3666 kj/kg é entrópiája 758 kj/kg.k. A kilépő gőz entalpiája (- folyamat izentrópiku: Így x 0, x A kilépő gőz mot zárazabb, mint az előző példában. Ez cökkenti a turbinalapátok erózióját. Ezután értéke: + x kJ kg f + x fg f fg / értéke megint cak leolvaató a - diagramból i. A kondenzátum entalpiája 0, bar nyomáon: 3 f 5kJ / kg A zivattyú bemeneti munkája: v Wp w ( p p ) ( ) 980J/kg.98kJ/ kg Dr. Pátzay György

45 A zivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: Q + Q kJ/kg W p 56kJ/kg A turbina anyagmérlege zerint: W T + W T kJ / kg A nettó (azno) munkavégzé: WNET WT Wp kJ / kg Az előző példáoz képet a túlevíté jelentően megnövelte a nettó munkavégzét. A munkavégzében a zázaléko növekedé % 8 WNET 69 A atáfok: η % Q 30 A atáfok %-o növekedé % Ez jelentő növekedé. Dr. Pátzay György 5

46 . Újraevíté Itt a gőz átlago őmérékletét má módon növelik. Miután a gőz a turbinán expandált elvezetik onnan azon a ponton, aol éppen nedve gőz lenne é az újraevítőben magaabb őmérékletre evítik. Az újra evített gőz aztán a turbinán a kondenzátor nyomáig expandál. Lád. ábra.. ábra Dr. Pátzay György 6

47 7. Példa Az előző példában az 50 bar nyomáú é C-o túlevített gőz a turbinán 0, bar nyomáig expandált. Az erőművet a. ábra zerint módoítva a túlevített gőz belép a nagynyomáú turbinába á 5 bar nyomáig expandál, majd ez a gőz átalad az újraevítőn, aol állandó nyomáon 00 0 C-ra evül. Az újraevített gőz ezután az alacony nyomáú turbinára kerül, aol a 0, bar kondenzátor nyomáig expandál. Mekkora a növekedé azno munkavégzében é a atáfokban? Mindkét turbinán az expanziót izentrópikunak tételezzük föl. A. ábra zerint: p 50 bar, p 5 bar, p 3 5 bar, t C, t C. Az entalpia értékek a - diagramból könnyen leolvaatók: 3665 kj/kg, 955 kj/kg, kj/kg, 570 kj/kg. Az alacony nyomáú turbináról távozó gőz jellemzője a diagramról ugyancak könnyen leolvaató: x 0,98. A gőz teát zárazabb, mint az előző példában, így tovább cökken a turbina lapátok erózió igénybevétele. A kondenzátum entalpiája: f 5 kj/kg 0, bar nyomáon. A zivattyú bemeneti munkája: 5 5 W v ( p p ) 0,00( , 0 ) p w J/kg,98 KJ/kg 5 Dr. Pátzay György 7

48 A zivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: A nagynyomáú turbina energiamérlege: 5+, Q + W p kj/kg + Q SB SB kj/kg W THP + W THP kj/kg Az újraevítő anyagmérlege: Q + Q SRH SRH kj/kg Az öze közölt ő: Q S QSB + QSRH kj/kg Az alacony nyomáú turbina anyagmérlege: 3 W TLP + W 3 TLP kj/kg Az öze turbina munkavégzé: A azno munkavégzé: W W T WTHP + WTLP NET kj/kg WT WP0,98 05 kj/kg Dr. Pátzay György 8

49 Az előző példáoz képet az újraevíté jelentően megnövelte a azno munkavégzét. A zázaléko növekedé a munkavégzében é a atáfokban: % - o munka növekedé W η Q NET S ,7% ,7% A atáfok növekedé 37,7-37,0,5% elanyagolató, mert a őközlé átlago őméréklete cak kicit változott. Az újraevíté fő előnye az, ogy cökken az alacony nyomáú turbinában a gőz nedveége. 3. Tápvíz regeneratív előmelegítée Túlevítéel é újraevítéel együtt i a Rankin ciklu atáfoka nem éri el a 0%-ot. Az ideáli Carnot ciklu atáfoka a 7. példa adataival 6%. A különbég oka az, ogy a Rankin cikluban a ő zömét a ciklu maximáli őmérékleténél alaconyabb őmérékleten közöljük. Ez a atá a tápvíz regeneratív előmelegítéével cökkentető. Lád 5. ábra. A regeneratív tápvíz előmelegíténél gőzt vonnak el a turbina közte fokozatától a kazánba belépő tápvíz előmelegítéére. Így a kazánban a őbevitel magaabb átlago őmérékleten történik. Dr. Pátzay György 9

50 Mivel a turbinától elvont gőz nem tud munkát végezni a turbinán, annak munkája lecökken. Ugyanakkor a kazánba betáplált őmennyiég jelentően cökken, így a atáfok növekzik. 5. ábra Dr. Pátzay György 50

51 8. Példa Egy őerőműben a turbinára 50 bar nyomáú, C őmérékletű gőz áramlik. Miután 5 bar nyomáig expandált, a gőz egy rézét tápvíz előmelegítére vonjuk el egy nyitott őcerélőben. A őcerélőből távozó telített víz 5 bar nyomáú. A turbinán maradó gőz a 0, bar kondenzátor nyomáig (izentrópikuan) expandál. Mekkora a ciklu termiku atáfoka? Mekkora a azno teljeítmény 0000 kg/óra gőztermelé mellett? A 5. ábra zerint: p 50 bar, p 5 bar, p 3 0, bar, t C. Az, é 3 állapotú gőz entalpiája a - diagram alapján: 3665 kj/kg, 955 kj/kg, kj/kg. A kondenzátum entalpiája: f 5 kj/kg 0, bar nyomáon. Az zivattyú bemeneti munkája: W Az. zivattyú energiamérlege alapján: 5 5 ( p ) 0,00( 5 0 0, 0 ) 8J/kg 0,8 kj/kg p vw 5 p 5+ 0,8 Dr. Pátzay György 5,5 kj/kg W p 5 5

52 6 az 5 bar nyomáú, telített víz entalpiája f 60 kj/kg Lépjen ki kg gőz a kazánból é y kg gőzt vonjunk el a turbinától tápvíz előmelegítére. A tápvíz előmelegítő energiamérlege alapján: Öze belépő energiaöze kilépő energia y + ( y) 5 6 y ( y) 5,5 60 y 0, A zivattyú bemeneti munkája: W 5 5 ( p ) 0,00( ) 500 J/kg,5 kj/kg p vw p6 A. zivattyú energiamérlege alapján: 6 + W p ,5 7 6,5 kj/kg A kazán energiamérlege alapján: 7 + Q Q ,5 300,5 kj/kg A turbina energiamérlege alapján: y + ( y ) 3 + WT , ( 0,) WT Dr. Pátzay György W 9 kj/kg 5 T

53 A nettó munkavégzé: W NET WT p ( y) Wp W 9 ( 0,) 0,8,5 89 kj/kg A termiku atáfok: W η Q NET ,% 300,5 Teát a tápvíz regeneratí előmelegítée nélküli 37,%-o atáfok 39,%-ra javult, teát fokotzatonként ~%-o javulá érető el. A nagy erőművekben maximum 7 fokozatú előmelegítő rendzert alkalmaznak A nettó teljeítménykimenet m WNET kw 3,303 MW 3600 Dr. Pátzay György 53

54 6. ábra 7. ábra Dr. Pátzay György 5

55 Kombinált cikluok Amennyiben két termék van é a atáfok eléri a 65%-ot, akkor ez kapcolt termelé. Dr. Pátzay György 55

56 Kapcolt energiatermelé Az energia-megtakarítának egyik legatékonyabb ezköze a kapcolt ő- é villamoenergia-termelé, amikor egy villamoenergia-termelő berendezé termodinamikai alaptörvények következtében elkerületetlenül keletkező ulladékőjét olyan őfokzinten tudjuk előállítani, ogy az még őigények előorban fűtéi igények kielégítéére felaználató. Az ilyen rendzerekben a felaznált tüzelőő 80-90%-a aznoul villamo- vagy őenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a válaztott körfolyamat típuától függően eltérő leet. Ennek megfelelően a kapcolt energiatermelét megvalóító berendezéek jellemzéére két mutatót kell aználni. Az egyik az öze atáfok a két azno teljeítmény vizonya a bevezetett őteljeítményez, a máik a két azno teljeítmény aránya (a fajlago villamoenergia-termelé), amely a azno villamo teljeítmény (P vill ) é őteljeítmény (Q fűtéi ) aránya: Pvill + Q& fűűté Pvill η é σ Q& öze Q& fűűté Az utóbbi mutatónak az adja a jelentőégét, ogy különválaztott megtermelé eetén a cak villamo-energiát termelő folyamatok atáfoka általában 30-0%, míg fűtéi ő kb. 90% atáfokkal állítató elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldá, amelyben több értéke villamoenergia termelető, azaz nagyobb a fajlago villamoenergia-termelée. Dr. Pátzay György 56

57 Több évtizede imerete é alkalmazott eljárá a nagy távőrendzerekben alkalmazott kapcolt energiatermelé gőzkörfolyamatokban. Ez célzerűen több tíz, vagy inkább 00 MW-ot megaladó cúcőigényű távőrendzerekben alkalmazató (általában fűtéi célú) forróvíz vagy (általában tecnológiai célú) gőz őordozó előállítáára. A őkiadá módja ellennyomáú vagy elvétele kondenzáció leet. Az ellennyomáú őzolgáltató blokk turbinájában cak annyi gőzt leet expandáltatni, amennyit a fogyaztók igényelnek vagy amennyivel a fogyaztók által igényelt forróvíz felmelegítető. Ez azt jelenti, ogy a villamoenergia előállítáa é a tüzelőanyag fogyaztá közelítőleg arányo a őigény nagyágával. Egy ellennyomáú fűtőblokk kapcoláát a következő ábra mutatja. Szabályozatlan elvétel Fűtéi őcerélők t e tv Tápvízelőmelegítő rendzer Az öze atáfok általában 80 90%, a fajlago villamoenergia-termelé értéke a körfolyamat paramétereitől é a őkiadá őfokzintjétől függően 0, é 0, között leet. Egy ilyen kapcolt energiatermelé é az azt elyetteítő külön-külön termelé energiaáramait mutatja kerekített zámokkal a következő ábra. Dr. Pátzay György 57

58 kapcolt energiatermelé tüzelő - anyag 00 villamo energia, 0 őenergia 65 vezteég 5 Tüzelőő megtakarítá: külön ő- é villamoenergia termelé tüzelőanyag 55 tüzelőanyag 75 villamo energia, 0 vezteég 35 vezteég 0 őenergia 65 Szabályozatlan elvétel t e Tápvízelőmelegítő rendzer Fűtéi őcerélők Elvétele kondenzáció erőmű tv Az ellennyomáú kapcolt energiatermelétől eltérően az elvétele kondenzáció kapcolt energiatermelé eetén ninc általáno kényzerkapcolat a két termék aránya között. Az ellennyomáú fűtőblokknak alapvetően árom különböző üzemállapota van: Minimáli kondenzáció: a kondenzátorba ömlő gőzáram nem cökkentető nullára, még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlaztó cappantyú eetén em. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelető, mint egy közö gépben megvalóuló minimáli kondenzáció é egy ellennyomáú körfolyamat zuperpozíciója. Maximáli gőznyelé: ilyenkor a őkiadá növelée a villamo teljeítmény cökkenéét vonja maga után. A villamo teljeítmény cökkenéének é a kiadott őteljeítménynek az arányát fajlago kieett villamoenergia-termelének nevezzük. Közbenő tartomány: a két kiadott azno teljeítmény egymától függetlenül változtatató, beállítató. Dr. Pátzay György 58

59 Dr. Pátzay György 59

60 Dr. Pátzay György 60

61 Dr. Pátzay György 6

62 Dr. Pátzay György 6

63 Dr. Pátzay György 63

64 ztított gáz zák rázó mecanizmu Ellenirányú tiztító levegő Tiztított gáz Szűrőzák Nagynyomáú levegő-fúvókák Fémkeret Szűrőzák Poro gáz Poro gáz Leválaztott por Leválaztott por gáz áramlái iránya: bentről - ki gáz áramlái iránya: kívülről - be Záko porzűrők Mézköve nedve fütgáz kéntelenítő SO + H O H SO 3 abzorpció CaCO + H SO CaSO + CO + H O emlegeíté CaSO3+ O CaSO oxidáció CaSO + HO CaSO HO kritályoodá Dr. Pátzay György 6

65 A NO x képződé cökkentéére zámo megoldát alkalmaznak. Ezek közül az elterjedtebbek a többfokozatú tüzelé, a fütgáz recirkuláció, az elnyújtott tüzelé, NO x zegény égők é redukáló gázégő alkalmazáa. Ezek közül több együtt i aználató. A zekunder (leválaztái) eljáráok közül a zelektív katalitiku redukció (SCR) vált be legjobban. Ennek orán a leggyakoribb megoldánál titándioxidra felvitt vanádiumpentoxid katalizátoron a nitrogénoxidokat ammóniával reagáltatják. Ennek orán nitrogén molekulák é vízgőz keletkezik. A legfontoabb kémiai reakciók: 6NO + 8NH 7N + H O 3 NO + NH + O N + 6 H O 3 Dr. Pátzay György 65

66 A Termodinamika. törvénye é Carnot atáfok. törvény:hõ nem alakítató át munkává bizonyo õvezteég nélkül. Carnot atáfok:a végzett munka é a rendzerrel közölt õ cak a õméréklettõl függ. Ninc jobb atáfokú õerõgép a Carnot õerõgépnél. Fonto:A õmõréklet Kelvin vagy Rankine egyégben leet. η c W net /Q ig (T ig -T low )/(T ig ) η c -(T low /T ig ) K ºC R ºF A. törvény zerinti atáfok A. törvény zerinti atáfok a rendzer aktuáli atáfokának é a maximálileetége (Carnot) atáfoknak az aránya. η II. törvény zerinti atáfok (atáoág) ηii ηi/ηc η I. törvény zerinti atáfok η c Carnot atáfok Dr. Pátzay György 66

67 Dr. Pátzay György 67

68 0- A űtőgép é a őzivattyú A űtőgép feladata ő (Q L ) eltávolítáa a ideg elyről; a őzivattyú feladata ő (Q H ) közlée egy meleg elyre Dr. Pátzay György 68

69 Dr. Pátzay György Háztartái űtőgép 69

70 0-6 A őzivattyú télen fűti, nyáron űti a ázat Dr. Pátzay György 70

71 Tűzcöve kazán Dr. Pátzay György 7

72 Vízcöve kazán Dr. Pátzay György 7