ENERGIATERMELÉS 5. Energiatermelé őerőművekben Dr. Pátzay György
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
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
. 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 (70-80 0C), 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 - -3- - pontok atárolják. Dr. Pátzay György
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
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
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
A Carnot-ciklu a p-v é T- diagramokban Dr. Pátzay György 8
Dr. Pátzay György 9 6. ábra Munkavégzé reverzibili körfolyamatban
7. ábra A víz T- diagramja Dr. Pátzay György 0
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
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 80 + 73 0,69 00 + 73 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,-5 5 0 0 C 0 + 73 0,787 00 + 73 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 0,9 3073 Dr. Pátzay György
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
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
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
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
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 + 3 3 (kj/kg). ábra A kondenzátor energiamérlege Dr. Pátzay György 7
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 ) 000 3 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
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
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. 3600 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
. 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
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 + 0,87 58 386 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
6. ábra Fajlago entrópia zámítáa a a víz-gőz rendzer különböző tartományaiban Dr. Pátzay György 3
Dr. Pátzay György
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 5 0.876 0.00000 7.0 7.0.00 360. 38..0 88.7 509.7 0.0766 8.973 9.036 0.8 0.00000 06.3 06.3.986 36.3 388.3.988 76.9 58.9 0.50 8.776 8.8986 5.7056 0.0000 77.896 77.897 6.95 33.3 395. 6.97 65. 58.0 0. 8.5550 8.779 0.3388 0.0000 57.777 57.778 83.833 38. 0.0 83.835 53. 537. 0.96 8.3689 8.665 5 3.690 0.00003 3.356 3.357 0.75 30. 08.9 0.75.6 56.3 0.3670 8.888 8.5558 3 0.55 0.0000 3.895 3.896 5.67 90.0 5.7 5.67 9.6 555.3 0.365 8.08 8.53 3 5 5.667 0.00006 5.9 5.0 6.58 75.9.5 6.59 7.8 56. 0.5050 7.86 8.35 0 7.38 0.00008 9.57 9.58 67.50 6.7 9. 67.50 05.9 573. 0.573 7.687 8.550 5 9.5898 0.0000 5.6 5.63 88. 7.5 35.9 88. 393.9 58.3 0.6385 7.5 8.69 5 0.3 0.000.036.037 09.3 33.3.6 09.33 38.9 59. 0.7037 7.3708 8.075 Dr. Pátzay György 5
Dr. Pátzay György Az ES_Stable gőztáblázat zámító program 6
W T értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: W T W T + 778 386 39 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: 3600 3600 S. S. C. 9, kg/kw 39, W NET 7. ábra Sankey diagram Dr. Pátzay György 7
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
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
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 + 0,83 358 fg g 68 kj/kg Dr. Pátzay György 30
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 778 5 56 kj/kg A turbina energia mérlege alapján pedig: W T + W T 778 68 60 kj/kg A nettó munkavégzé: W NET WT Wp 60 0,98 609 kj/kg Özeaonlítva az. példa adataival, a kondenzátor beilleztée jelentően megnövelte a 609-39, munkavégzét: % - o munkavégzé növekedé 00 55,7% 39, A termiku atáfok: ami igen jelentő. A nettó munkavégzé: W η Q NET 609 56 0,,% atáfok növekedé,-,75 9,35%. 0000 kg kj kj P m WNET 609 3600 kg Dr. Pátzay György 69 kw,69 MW 3
8/b. ábra Az egyzerű ideáli túlevített vízgőzö Rankin-ciklu Te McGraw-Hill Companie, Inc.,998 Dr. Pátzay György 3
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
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
. 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
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, 778 0.8 778 68, 90kJ/kg, A kilépő fáradt gőz jellemzői: 90 5+ 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
A kazán energiamérlege alapján:, Q + Q, 778 5. 55.8kJ/ kg A turbina anyagmérlege alapján pedig: W T, + W T, 778 90 88kJ/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 88. 86.8kJ / kg A termiku atáfok: W η Q NET 86.8 55.8 0.93 9.3% A termiku atáfok megint cak alaconyabb, mint ideáli eetben. A nettó leadott teljeítmény: P m W. NET 0000 86.8 3600 35kW.35MW kg kj kg kj Dr. Pátzay György 37
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 0.83 + x x + x 0,77 fg g 7.075 5.973 Dr. Pátzay György 38
. ábra Dr. Pátzay György 39
Ezután: f + x fg 5+ 0.77 358 965kJ / kg (Haználatjuk a - diagrammot i leolvaáára.) A kondenzátum entalpiája (0, bar): 3 f 5kJ/kg A zivattyú bemeneti munkája: 5 5 ( p p ) 0.0050 ( 0 0. 0 ) 980J/kg.98kJ/ kg Wp v p 3 A zivattyú energiamérlege alapján: 5+.98 3 + W p 56kJ/kg A kazán energiamérlegével: Q + Q 79 56 538kJ/kg A turbina energiamérlege alapján: W T + W T 79 965 89kJ/kg A nettó (azno) munkavégzé: WNET WT Wp 89.98 8kJ / kg Az alaconyabb gőznyomáú eetez képet a azno munkavégzé 35,3%-al, a atáfok pedig 8,%-al nőtt. Dr. Pátzay György 0
A Rankin-Clauiu ciklu atáfokának növelée A Rankin ciklu atáfoka nem túl maga, mely bizonyo módoítáokkal (. ábra) növelető.. ábra Dr. Pátzay György
T 3 T ( c) nyomá (őm.) növelée 3 (b) Nagyobb túlevíté T (a) Alaconyabb kond. nyomá(őm.) Dr. Pátzay György
. 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
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 600 0 C-ra evítjük a turbina előtt, mekkora a azno munka á a atáfok növekedé? Az expanzió izentrópiku. P 50 bar, p 0, bar, t 600 0 C. A túlevített gőztáblázatból az 50 bar nyomáú é 600 0 C őmérékletű gőz entalpiája 3666 kj/kg é entrópiája 758 kj/kg.k. A kilépő gőz entalpiája (- folyamat izentrópiku: Így x 0,908 0.83 + x 7.075 7.58 A kilépő gőz mot zárazabb, mint az előző példában. Ez cökkenti a turbinalapátok erózióját. Ezután értéke: + x 5+ 0.98 358 39kJ 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 3 5 5 ( p p ) 0.0050 ( 0 0. 0 ) 980J/kg.98kJ/ kg Dr. Pátzay György
A zivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: Q + Q 3666 56 30kJ/kg 5+.98 3 + W p 56kJ/kg A turbina anyagmérlege zerint: W T + W T 3666 39 7kJ / kg A nettó (azno) munkavégzé: WNET WT Wp 7.98 69kJ / kg Az előző példáoz képet a túlevíté jelentően megnövelte a nettó munkavégzét. A munkavégzében a zázaléko növekedé 69 8 00 5% 8 WNET 69 A atáfok: η 0.37 37.% Q 30 A atáfok %-o növekedé 37. - 3.5.7% Ez jelentő növekedé. Dr. Pátzay György 5
. 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
7. Példa Az előző példában az 50 bar nyomáú é 600 0 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 600 0 C, t 3 00 0 C. Az entalpia értékek a - diagramból könnyen leolvaatók: 3665 kj/kg, 955 kj/kg, 3 370 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( 50 0 0, 0 ) p w 6 980 J/kg,98 KJ/kg 5 Dr. Pátzay György 7
A zivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: A nagynyomáú turbina energiamérlege: 5+,98 6 6 Q + W p 6 6 56 kj/kg + Q SB SB 6 3665 56 309 kj/kg W THP + W THP 3665 955 70 kj/kg Az újraevítő anyagmérlege: Q + Q SRH SRH 3 3 370 955 35 kj/kg Az öze közölt ő: Q S QSB + QSRH 309 + 35 37 kj/kg Az alacony nyomáú turbina anyagmérlege: 3 W TLP + W 3 TLP 370 570 700 kj/kg Az öze turbina munkavégzé: A azno munkavégzé: W W T WTHP + WTLP NET 70 + 700 0 kj/kg WT WP0,98 05 kj/kg Dr. Pátzay György 8
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 00 05 37 05-69 00 0,7% 69 00 37,7% 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
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
8. Példa Egy őerőműben a turbinára 50 bar nyomáú, 600 0 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 600 0 C. Az, é 3 állapotú gőz entalpiája a - diagram alapján: 3665 kj/kg, 955 kj/kg, 3 390 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 5 5 + W p 5 5
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 955 + ( y) 5,5 60 y 0, A zivattyú bemeneti munkája: W 5 5 ( p ) 0,00( 50 0 5 0 ) 500 J/kg,5 kj/kg p vw p6 A. zivattyú energiamérlege alapján: 6 + W p 7 60 +,5 7 6,5 kj/kg A kazán energiamérlege alapján: 7 + Q Q 7 3665 6,5 300,5 kj/kg A turbina energiamérlege alapján: y + ( y ) 3 + WT 3665 0, 955 + ( 0,) 390 + WT Dr. Pátzay György W 9 kj/kg 5 T
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 89 00 00 39,% 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.. 0000 A nettó teljeítménykimenet m WNET 89 3303 kw 3,303 MW 3600 Dr. Pátzay György 53
6. ábra 7. ábra Dr. Pátzay György 5
Kombinált cikluok Amennyiben két termék van é a atáfok eléri a 65%-ot, akkor ez kapcolt termelé. Dr. Pátzay György 55
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
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
kapcolt energiatermelé tüzelő - anyag 00 villamo energia, 0 őenergia 65 vezteég 5 Tüzelőő megtakarítá: 55 + 75 00 30 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
Dr. Pátzay György 59
Dr. Pátzay György 60
Dr. Pátzay György 6
Dr. Pátzay György 6
Dr. Pátzay György 63
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 3 3 3 emlegeíté CaSO3+ O CaSO oxidáció CaSO + HO CaSO HO kritályoodá Dr. Pátzay György 6
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
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 + 73.5 R ºF + 59.67 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
Dr. Pátzay György 67
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
Dr. Pátzay György Háztartái űtőgép 69
0-6 A őzivattyú télen fűti, nyáron űti a ázat Dr. Pátzay György 70
Tűzcöve kazán Dr. Pátzay György 7
Vízcöve kazán Dr. Pátzay György 7