ENERGIATERMELÉS 5. Energiatermelés hőerőművekben Dr. Pátzay György HŐERŐMŰVEK Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint lehetnek: Hőerőművek Vizerőművek Szélerőművek Egyéb erőművek A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: Tisztán villamos energiát szolgáltató Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek Az erőművek kihasználása szerint: Alaperőművek, egész évben egyenletesen termel, jól kihasználja a kapacitását Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megszabott menetrend szerint Csúcserőművek, csak a terhelési csúcsok idején szolgáltat energiát Dr. Pátzay György
A napi villamos terhelés (csoportokra osztva; 00.06.0.) alaperőmű menetrendtartó erőmű csúcserőmű 6000 MW 5000 000 3000 000 000 import 0 GWh menetrendtartók, 35 GWh (földgáz, olaj, szén) alaperőművek, 60 GWh (atom, lignit, kapcsolt) 0 0 8 6 0 Dr. Pátzay György 3 Erőművek közötti kapcsolat szerint: Együttműködő erőművek Elszigetelt erőművek Magyarország villamos energiájának döntő részét hőerőművekben állítják elő, melynek során hőenergia szabadul fel fosszilis tüzelőanyagok égetése, vagy maghasadás révén és hő-körfolyamat segítségével a hőenergia egy részét villamos energiává alakítják. Az átalakítás során mechanikai munkát nyernek a hőkörfolyamat révén, majd a mechanikai munka egy részét villamos energiává alakítják. Hőerőmű alaptípusok A hőerőművekben jelenleg rendszerint vizgőz-körfolyamat, az ún. Rankin-Clausius körfolyamat valósul meg. A körfolyamatnak számos hatásfokot javító változata ismert. A csak villamosenergia termelést végző hőerőművet kondenzációs erőműnek nevezzük. Ennek kapcsolási vázlata és T-s diagramja a következő -. ábrákon látható: Dr. Pátzay György
. ábra Kondenzációs erőmű. ábra T-s diagramm A bevezetett hőmennyiség az --3- görbe alatti, míg a rendszerből kikerülő hőmennyiség a - alatti területtel arányos. Kondenzációs erőműnél a kondenzátorral elvont hőmennyiség a munkafolyamat szempontjából veszteség. Ez a veszteség csökkenthető, ha az itt elvont hőmennyiséget valamilyen más célra, például fűtésre hasznosítjuk. Gyakorlatilag ez a hasznosítás akkor lehetséges, ha a kondenzációs hőmérsékletet megnöveljük (70-80 0 C), azaz melegebb kondenzált vizet vezetünk ki a rendszerből. Ekkor az erőmű a villamos energián felül már hőenergiát is szolgáltat (forróvíz), melyet egyéb hasznos célra, például fűtésre lehet felhasználni. Az ilyen kapcsolt energiatermelésű (kogenerációs) hőerőművet ellennyomásos hőerőműnek nevezzük, melynek kapcsolását a 3. ábrán és a folyamat T-s diagramját pedig a. ábrán az - -3- - pontok határolják. Dr. Pátzay György 5 3. Ábra Ellennyomásos erőmű Dr. Pátzay György 6 3
. ábra Elvételes kondenzációs erőmű A harmadik fontos hőerőmű alaptípusnál, az elvételes-kondenzációs hőerőműnél az ellenyomásos és kondenzációs rendszert összekapcsolják. Az ilyen erőmű kapcsolási vázlata a. ábrán látható. Ez utóbbi rendszer rugalmasabb, lehetőség van csak villamos energia termelésére is. Ezt a típust hívják exkrakciós kondenzációs erőműnek is. Dr. Pátzay György 7 Extrakciós kondenzációs erőmű Dr. Pátzay György 8
A kapcsolt (elektromos és hőenergia) energiatermelés következő példája egy gázturbinás villamos energia és egy gőz/melegvizes kazán kapcsolását mutatja. Dr. Pátzay György 9 Az ún. kombinált ciklusú vagy bináris ciklusú erőműveknél például egy vagy több gázturbinás ciklus (felső ciklus) és egy gőzturbinás ciklus (alsó ciklus) van kombinálva. Dr. Pátzay György 0 5
Van olyan kombinált ciklusú energiatermelő erőmű is, ahol egy dízelmotoros villamos erőművet kombinálnak egy gőz/melegvizes kazánnal. Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György Egyszerű gőzerőmű 6
Energia minőség (a termodinamika. főtétele) Az energia minőséget a hőmérséklet határozza meg, minél magasabb a hőmérséklet, annál magasabb a minőség. Míg az energia mennyisége megmaradó, a munkavégzési potenciál nem. Amikor a hőenergia a magasabb hőmérsékletű helyről az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé áramlik az energia minősége degradálódik. Az összes energia átalakításban, annak egy része degradálódik, minden fizikai folyamatban az alkalmazott energia átlagos minősége csökken. Nincs olyan folyamat, ahol energia a hidegebb helyről áramolna a melegebb hely felé. Nincs olyan folyamat, melynek eredményeként adott mennyiségű hőenergiát át lehetne alakítani mechanikai energiává (energia minőség csökkenés lép fel). A rendezettség rendetlenség irányába tart. A rendszer entrópiája (S) a rendszer hőenergiájának mechanikai munkává való teljes alakításának korlátozottságát jelenti. Exergia (E)- egy rendszer energiatartalmának reverzibilis körfolyamatban tetszőleges más energia formává alakítható része, anergia (A)- a rendszer energiatartalmának más energiaformává át nem alakítható része. Ezek bármelyike 0 és 00% között változhat. A mechanikai energia (kinetikai és potenciális) és a villamos energia tiszta exergia, a rendszer belső energiája pedig tiszta anergia. Az exergia tulajdonképpen azt mutatja, hogy a rendszer mennyiben tér el a környezeti egyensúlytól. A hőenergia exergia és anergia tartalma: T E = ( ) Q T A = L L Dr. Pátzay György T T 3 H H Q Példa: Mekkora kg szobahőmérsékletű (5 o C) víz és termosz (800 cm 3, 0,8kg) 00 o C-os kávé energiája, exergiája és anergiája? Az energiatartalom azonos: kj Qvíz = c pvíz mvíz Tvíz =, kg 98K = 53kJ kg K kj Qkávé = cpkávé mkávé Tvíz =, 0,8kg 373K = 53kJ kg K Ezzel szemben exergia és anergia tartalmuk különböző: E E A A víz víz kávé TL = ( ) Q T kávé TL = ( ) Q T TL = ( ) Q T H TL = ( ) Q T H H H víz 98K = ( ) 53kJ = 0kJ 98K 98K = ( ) 53kJ = 5kJ 373K 98K = ( ) 53kJ = 53kJ 98K kávé víz kávé 98K = ( ) 53kJ = 00kJ 373K Dr. Pátzay György 7
00 kj/kg hő exergiája 5 o C környezeti hőmérsékleten Hőmérséklet ( o C) 5 50 00 50 00 00 600 800 000 00 E (exergia) (kj/kg) 0,0 00*(-98/33)= 7,7 0, 9,55 37,00 55,7 65,86 7,3 76,59 79,70 Alkalmazás Nincs Egyedi és távfűtés Hagyományos erőművek Gáz/gőz közegű erőművek Dr. Pátzay György 5 Oil furnace Energy Flow Fuel Heat η en - 85% Exergy Flow Fuel Heat η ex - % Electric heater El Heat η en -00% El Heat η ex - 5% Electric heat pump El Heat Heat El Heat η ex - 5% Combined power and heat plant Fuel η en - 300 % El & heat η en - 85% Fuel El & heat η ex - 0% Dr. Pátzay György 6 8
Energiatermelés hőerőművekben A XX. Században az elektromos energia nélkülözhetetlen. Ez egy nagyon flexibilis, fűtésre, hűtésre, világításra, hajtásra könnyen felhasználható, könnyen szállítható és ellenőrizhető energiaforma. A civilizáció összeomlana nélküle, ezért fontos nagymennyiségű energia átalakítása elektromos energiává. A hőerőművekben történik a fosszilis és nukleáris üzemanyagokból felszabadított termikus energia átalakítása elektromos energiává. A világon üzemelő erőművek kétharmada gőztermelő erőmű, a maradék egyharmad vizi-, dieselmotoros, vagy gázturbinás erőmű. A szél-árapály-napés egyéb erőművek jelenleg fejlesztési stádiumban vannak. A termodinamikából ismert, hogy a hőtermelő körfolyamatokban a hőt magas hőmérsékletű forrásból nyerik, egy részét munkává alakítják és a maradék hőt egy alacsony hőmérsékletű nyelőbe bocsátják ki. Az összes felvett hő sajnos nem alakítható munkává. A maximális hatásfokot a Carnot körfolyamattal számíthatjuk ki, de ez csak elméleti lehetőség, mert a reális folyamatok sajnos mind irreverzibilisek és így a gyakorlati hatásfokok alacsonyabbak, mint a Carnot körfolyamat hatásfokai. A Carnot körfolyamat 8-ben Sadi Carnot francia mérnök egy hipotetikus reverzibilis hőerőgépet fogalmazott meg (5 ábra). Dr. Pátzay György 7 A dugattyúval ellátott hengerben levegő van. Körfolyamatban történő üzemeltetésénél nettó munkavégzés nyerhető. A körfolyamat lépésből áll: - Izoterm hőátadás A T H hőmérsékletű hőforrásból Q s hőenergiát közlünk a levegővel. A levegő hőmérséklete állandóan T H marad. A hő elhanyagolható hőmérséklet különbség mellett megy át. A levegő kitágul és bizonyos munkát ad le. -3 Adiabatikus kiterjedés Nincs hőátadás. A levegő kitágul és munkát ad le, miközben T H hőmérsékletről T L hőmérsékletre hűl le. 3- Izoterm hőleadás A levegő lead Q R hőenergiát a T L alacsony hőmérsékletű nyelőnek. A levegő hőmérséklete állandó T L. Itt is a hő elhanyagolható hőmérséklet különbség mellett megy át. A levegőt komprimáljuk és ehhez bizonyos munkavégzés kell. - Adiabatikus kompresszió 5. ábra A Carnot-körfolyamat A levegőt komprimáljuk hőátmenet nélkül. Ehhez szintén bizonyos munkavégzés Dr. Pátzay György 8 szükséges. 9
A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 0 6. ábra Munkavégzés reverzibilis körfolyamatban 0
Az 5/b. ábrán a körfolyamat lépéseinek T-s diagramja látható, a fölvett hőmennyiség Q s, a leadott hőmennyiség pedig Q R. Az 5/c. ábrán egy Carnot gőzgép működésének sémája, az 5/d. ábrán pedig a teljes körfolyamat T-s görbéje látható. A leadott nettó munkavégzés a görbe alatti területtel egyenlő. Az ábrák alapján: Illetve mert Q Q Wnet = Qs QR Wnet QS Q ηcarnot = = Qs QS TH TL TL = = T T H s R ( s s ) = ( s s ) H 3 R T H T T = H L ( s s ) ( s s ) 3 ( s s ) TL ( s3 s ) T ( s s ) H = A Carnot körfolyamat hatásfoka bármely T H, T L hőmérsékleteken üzemelő gőzgép hatásfok maximumát határozza meg. A körfolyamat hatásfoka növekvő T H és csökkenő T L értékkel nő. Dr. Pátzay György Példa: Egy Carnot gőzgép 00 C-on hőt vesz fel és munkavégzés után hőt ad le egy 80 C-os nyelőnek. A leadott munka 5 kw. Mekkora a gép hatásfoka? Mekkora a hőközlés és hőleadás sebessége? Mekkora a hatásfok javulás, ha a hőleadás 0 C-os nyelőbe történik? Megoldás: Wnet Wnet 5 80 + 73 ηcarnot = Qs = = =, 7kW η Carnot = = 0,69 Qs ηcarnot 0,69 00 + 73 QR = Qs Wnet =,7 5 = 6, 7kW 0 ha T = 0 C η W Carnot net L 0 + 73 = = 0,787 00 + 73 = η = 0,787,7 = 7,kW Carnot Q s igy a % - os munka novekedes 7,-5 = 0, azaz% 5 A gyakorlati határ a Carnot körfolyamat esetén: A környezet hőmérséklete ritkán alacsonyabb 30 C-nál, a tüzelőanyagok égetésekor elérhető maximális hőmérséklet 800 C alatt van, így η Carnot 303 = = 0,9 3073 Dr. Pátzay György
Tehát az elméletileg elérhető hatásfok 90% körül van. Gyakorlatban azonban a füstgázok hőfoka ~00 C, metallurgiai okokból 000 C fölé nem mehet a hőmérséklet, így a reális körfolyamat hatásfoka nem mehet 5-0% fölé! Gépjármű motor T h = 00 o C = 73 K T l = 500 o C = 773 K η = (73-773)/73 = 8% Fosszilis tüzelésű gőzerőmű T h = 700 o C = 973 K T l = 00 o C = 73 K η = (973-73)/973 = 5% Geotermális erőmű T h = 50 o C = 3 K T l = 80 o C = 353 η = (3-353)/3 = 7% Valóságos elérhető hatásfokok Autó a sztrádán: kb. 5% Geotermális erőmű: 5% körül, néha <% A Carnot-ciklus csak elméletileg működik. Víz munkaközeg esetén például víz+gőz vegyes fázist kellene szállítani és komprimálni. Reális lehetőség viszont az a megoldás, ahol a rendszerbe egy kondenzátort iktatunk be és a fáradt gőzt lekondenzáltatjuk Rankine-Clausius körfolyamat. Dr. Pátzay György 3 A víz belső energiája A víz 0 00 C hőmérséklet tartományban bármely hőmérsékleten párolog. A párolgáshő 7.6-szor nagyobb mint az olvadáshő vízgőz Belső energia (MJ) 3 víz jég 0-0 -0 0 0 0 60 80 00 0 0 Hőmérséklet (oc) Hőkapacitás (J/kg-K) Látens hő (MJ/kg) Jég 0 0.33 Víz 90.5.5/0.33 = 7.6 Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György 5 Példa Atmoszférikus nyomású víz 00 o C-on forr és 9 kj/kg energia szükséges kg 0 o C-os víz 00 o C-os vízzé melegítéséhez. Így az atmoszférikus nyomású 00 o C-os víz fajlagos entalpiája 9 kj/kg. További 57 kj/kg energia szükséges kg 00 o C-os víz kg 00 o C-os gőzzé alakításához. Így a 00 o C-os gőz fajlagos entalpiája h g =9+57=676 kj/kg. Mivel az atmoszférikus nyomású gőz korlátolt gyakorlati felhasználással rendelkezik, ezért a kazánokban legalább 7 bar abszolút nyomású gőzt állítanak elő. Ezen nyomás fölötti gőz már megfelelő átmérőjű csővezetéken szállítható. Növekvő nyomású gőz esetén nő a sűrűség és csökken a fajlagos térfogat. Dr. Pátzay György 6 3
Példa 6 bara nyomású 0,9 szárazsági fokú gőz (6 m% víz, 9 m% gőz) teljes fajlagos entalpiája (58,8 o C): h g =697,5 kj/kg+0,9*066 kj/kg=693,5 kj/kg A gőz fázis diagrammja: A B 0 o C 00 o Cvíz h f (A-B) B C 00 o C víz-00 o Cgőz C D 00 o c gőz- túlhevített gőz Dr. Pátzay György Kritikus pont 37,5 o C,, bar 7 7. ábra A víz T-s diagramja Dr. Pátzay György 8
Sarjúgőz (Flash steam) Nagy nyomású adott az bar nyomású víz forrpontja feletti hőmérsékletű víz nyomáscsökkentése során a csökkenő nyomású vízből részben gőz keletkezik. Ha a nagy nyomású víz hőmérséklete kisebb, mint az bar nyomású víz forrpontja nem keletkezik gőz. Példa 5 barg túlnyomású 59 o Chőmérsékletű vizet atmoszférikus nyomásra (0 barg) viszünk, mekkora a keletkezett sarjúgőz fajlagos mennyisége? A 59 o C-os víz fajlagos entalpiája 67 kj/kg, a 00 0 C-os vízé 9 kj/kg. h p h h fgp p 67 9 = = 0, 57 Kg gőz/kg víz Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 30 5
Energiaátalakító folyamatok eredő hatásfoka Példa: dízelgenerátoros villamos vízszivattyú Dr. Pátzay György 3 A Rankine-Clausius körfolyamat A gyakorlatban a folyamatok nem reverzibilisek, így a valós hatásfok még kisebb. Egy lehetséges gyakorlati körfolyamat a Rankine-Clausius körfolyamat. William Rankine skót mérnök volt. Körfolyamata a szén-, olaj, gáz- és atomerőművek hőtermelésének leírására alkalmazható. Az erőművekben általában fosszilis tüzelőanyagot égetnek el (magas hőmérsékletű forrás) és a környező levegő, vagy víz (tó, folyó, tenger) az alacsony hőmérsékletű nyelő. A Rankin körfolyamatban a hőhordozó, amely leggyakrabban víz, fázisváltáson megy keresztül. A Rankin-Clausius körfolyamat (röviden Rankin-körfolyamat) négy alapvető szerkezeti komponensből áll (lásd 8. ábra): a kazánból, a turbinából, a kondenzátorból és a szivattyúból. Dr. Pátzay György 3 6
8. ábra a Rankin-Clausius körfolyamat Kazán: Itt a vízzel hőt közlünk és nagynyomású gőzt hozunk létre. Turbina: Itt a nagynyomású gőz expandál alacsony nyomású gőz keletkezik és a turbina rotorjának forgatásával munkát végez. Kondenzátor: Itt bizonyos hőleadás révén az alacsony nyomású gőz lehűl és lekondenzál vízzé. Szivattyú: Itt az alacsony nyomású vizet visszaszivattyúzzák a kazánba, melynek végén nagynyomású alacsony hőmérsékletű víz lesz belőle. Dr. Pátzay György 33 A Rankine körfolyamat a 9. a,b,c ábrán szemléltetett termodinamikai változásokon megy keresztül. Ennek lépései a következők: Állandó nyomáson hőközlés a hőhordozóval. Ez a - lépés. Az elégetett tüzelőanyag először fölmelegíti a -es állapotban belépő hideg vizet a telítési hőmérsékletre (T si ), majd elpárologtatja nagynyomású száraz telített gőzzé (-es állapot). A hőhordozó izentrópikus (adiabatikus +reverzibilis) expanziója, - lépés. A kazánból érkező nagy nyomású -es állapotú gőz adiabatikusan és reverzibilisen expandál a turbinákon és alacsony nyomású gőz keletkezik (- es állapot). Eközben a turbina forgatásával munkát végez. A hőhordozó hőleadása az alacsony hőmérsékletű nyelőnek állandó hőmérsékleten, - 3 -as lépés. A turbinából kilépő alacsony nyomású, -es állapotú gőz lehűl és állandó nyomáson lekondenzál, 3-as állapotú telített víz keletkezik. A hőhordozó izentrópikus kompressziója (szivattyúzása), 3- lépés. A kondenzátorból 9. ábra A Rankin-körfolyamat kikerülő alacsony nyomású vizet szivattyúval a kazánba vezetik, ahol a -es állapotnak megfelelő Dr. Pátzay György állapotba kerül. Eközben bizonyos munkavégzés 3 szükséges. 7
A ábrán a közölt hő Q s, a leadott hő Q R, a turbinán leadott munkavégzés W T a T-s diagramokon a megfelelő sraffozott területekkel egyenlő. Az egyszerű Rankine körfolyamat elemzése Ha h, h, h3, és h a hőhordozó fajlagos entalpiája (kj/kg) az,,3 és állapotban és elhanyagoljuk a kinetikus és potenciális energiákban bekövetkező változásokat a munkavégzés és hőátmenet mértéke mindegyik komponensre számítható. A következő, állandósult állapotra vonatkozó elemzés kg munkaközeggel számolva a következő: A kazán energiamérlege (0.ábra) Az összes bemenő energia=az összes kimenő energiával h + Q = h Q = h h s s (kj/kg) 0. ábra A kazán energiamérlege Dr. Pátzay György 35 A turbina energiamérlege (. ábra) az összes bemenő energia=az összes kimenő energia h = QL + WT + h. ábra A turbina energiamérlege Ha a turbinaház jól szigetelt a Q L hőveszteség kicsi és elhanyagolható (Q L =0), így: a W T = h h (kj/kg) A kondenzátor energiamérlege (. ábra) az összes bemenő energia=az összes kimenő energia h Q R = Q R + h 3 = h h 3 (kj/kg). ábra A kondenzátor energiamérlege Dr. Pátzay György 36 8
A szivattyú energiamérlege (3. ábra) Az összes bemenő energia=az összes kimenő energia h3 + WP = h (kj/kg) Mivel a víz összenyomhatatlan a szivattyú munkája közelítőleg: 3. ábra szivattyú bemenő munka = v ( p p ) vw W p = 000 3 kj kg w ( p p ) 3 3 m N Nm kgm kg J kg ahol W p a szivattyú bemenő munkája (kj/kg) v w a víz fajlagos térfogata (0,00 m 3 /kg körülbelül) p 3, p a szivattyú bemenetén és kimenetén a nyomás, (N/m) A nettó munka munkavégzés: W NET = W T W Dr. Pátzay György 37 p A TELJES RENDSZER ENERGIAMÉRLEGE (. ábra) az összes bemenő energia=az összes kimenő energia Q + W = W + Q ahol Q NET, W NET a rendszerbe bevitt nettó hő (kj/kg) és a rendszer munkavégzése (kj/kg) A rendszer nettó teljesítmény kimenete: ahol. ábra A teljes rendszer energiamérlege P a nettó teljesítmény, kw m. a gőz tömegárama, kg/s W Dr. Pátzay György NET nettó munkavégzés, kj/kg 38 Q s s NET p Q Q = W W R = W NET. kg kj kj P = m WNET = = kw s kg s T T R p 9
A rendszer termikus (Rankine) hatásfoka: rendszer nettó munkavégzése W η = = rendszerrel közölt hõmennyiség Qs Másik fontos jellemző a munkavégzés aránya (work ratio, WR): NET WR=nettó munkavégzés/turbina munkavégzés=w NET /W T A Rankine ciklusban a szivattyú munkaigénye igen kicsi a turbina munkavégzéséhez képest (kb. 5%). Így WR>0,95. A kondenzálódó fáradt gőz térfogata drasztikusan csökken a szivattyúzás előtt, ezért csökken le a szivattyúzási munka.( kg víz térfogata kb. ezerszer kisebb mint ugyanannyi kis nyomású gőzé). Ez a Rankine ciklus fő előnye a többi ciklushoz képest. Ezzel szemben a Carnot ciklusnál, vagy a gázturbina-ciklusnál a szivattyúzáshoz, vagy a kompresszióhoz szükséges munka igen nagy, körülbelül 0%, így WR kicsi. Harmadik fontos jellemző a fajlagos gőzfogyasztás (specific steam consumption, SSC). Ez a kg/h egységben kifejezett gőz-tömegáram, amely kw nettó teljesítmény kimenethez szükséges: 3600 S. S. C. = W NET (kg/kwh) Minél alacsonyabb a fajlagos gőzfogyasztás, annál kisebb lesz ugyanakkora elektromos energiatermeléshez szükséges gőzáram mennyisége. Ez végeredményben kisebb kazánés kondenzátorméreteket jelent, azaz minél kisebb a fajlagos gőzfogyasztás, annál kompaktabb lesz a gőzerőmű. Kisméretű erőműveknél sokszor a kondenzátort elhagyják és a turbináról lejövő fáradt gőzt kiengedik a levegőbe és a veszteséget friss tápvízzel pótolják (kipufogós üzemmód). Dr. Pátzay György 39. példa A 5. ábrán bemutatott nyitott áramkörű gőzerőműben az atmoszferikus nyomású és 30 C-os tápvizet olajtüzelésű kazánba táplálják, ahol száraz, telített 0 bar nyomású gőzt termelnek. Ez a gőz turbinára kerül és izentrópikusan atmoszferikus nyomásig expandál és a környező levegőbe távozik. Határozzuk meg: az erőmű termikus hatásfokát. a munkavégzés arányát, a fajlagos gőzfogyasztást. Megoldás: Ha az atmoszferikus nyomás bar, p =0 bar, p = bar, t 3 =30 C A gőz-entalpia táblázatokból a 0 bar-os száraz telített gőz entalpiája: h =h s =778 kj/kg A nedves (fáradt) gőz h entalpiája a következő megfontolások alapján határozható meg: Az - lépés izentrópikus expanzió, így s = s 5. ábra Nyitott áramkörű (kipufogós gőz) erőmű s f + x. s fg = s g Dr. Pátzay György 0,303 + x 6,056 = 6,586 0
azaz az x szárazsági fokú nedves gőz entrópiája (s ) egyenlő a telített folyadékfázis entrópiájának (s f ) és a szárazsági fokkal megszorzott párolgási entrópia (x *s fg ) értékének összegével. A táblázatból 0 bar nyomás mellett s g =6,586 kj/kgk, és bar nyomás esetén s f =,303 kj/kgk, s fs =6,056 kj/kgk. Így a fáradt gőz szárazsági foka (gőzaránya) x =0,87. Ebből következik, hogy hasonlóan az entrópiára felírtak szerint: h = hf + x hfg = 7 + 0,87 58 = 386 kj/kg ( bar nyomáson h f =7 kj/kg, h fs =58 kj/kg) A táblázat alapján a 30 C-os tápvíz entalpiája h 3 =h f =5,7 kj/kg. A szivattyúzás munkaigénye: 6 5 ( p p ) = 0,000 ( 0 ) Wp = vw 3 3 m N Nm = = kg m kg A szivattyúzás energiamérlege alapján h értéke: h3 + W p = h = 5,7 + 0,9 = 6,6 kj/kg A kazán energiamérlege alapján pedig Q s értéke számítható: J kg = 900 J/kg = 0, 9 kj/kg h + Qs = h Dr. Pátzay György Q = h h = 778 6,6 = 65, kj/kg s 6. ábra Fajlagos entrópia számítása a a víz-gőz rendszer különböző tartományaiban Dr. Pátzay György
Dr. Pátzay György 3 T P Specific Volume, m 3 /kg Internal Energy, kj/kg Enthalpy, kj/kg Entropy, kj/(kg K) C kpa v f v fg v g u f u fg u g h f h fg h g s f s fg s 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
Dr. Pátzay György Az ES_Stable gőztáblázat számító program 5 W T értéke pedig a turbina energiamérlege alapján: h = W + h W = h h T T = 778 386 = 39 kj/kg A nettó munkavégzés: W NET =W T -W P =39-0,9=39, kj/kg (a szivattyúzás munkaigénye elhanyagolható a turbina munkavégzéséhez képest) A termikus hatásfok: W η = Q NET s = 39, 65, = 0,75 =,75% A munkavégzés aránya: WR W = NET WT 39, = = 0,998 39 a fajlagos gőzfogyasztás pedig: 3600 3600 S. S. C. = = = 9, kg/kwh 39, W NET 7. ábra Shankey diagram Dr. Pátzay György 6 3
A kondenzátor szerepe A Carnot ciklusból kiderült, hogy a hőleadásnál a T L hőmérséklet csökkentése növelte a nettó munkavégzés mértékét és a hatásfokot. Ennek alapján illesztették be a kondenzátorokat a gőzerőművekbe. Az előző példában a 00 C-os atm nyomású fáradt gőzt kibocsátották a környező atmoszférába. Más szóval a hőleadás 00 C-on történt. Kondenzátor beillesztésével a fáradt gőz lekondenzál és a folyadékfázis keletkezésével drasztikus térfogatcsökkenés következik be, ami parciális vákuumot okoz és p abszolút nyomás az atmoszférikus nyomás alá csökkenhet. Így a turbinában nagyobb az expanzió és így a munkavégzés. Ha a turbina kimenő nyomása csökken, a megfelelő telítési hőmérséklet T s is csökken, azaz a hőleadási hőmérséklet is csökken. Ezt az esetet a következő 3. példában mutatjuk be (lásd 8. ábra). Dr. Pátzay György 7 Minél alacsonyabb a kibocsátási nyomás, annál jobb az erőmű hatásfoka. A rendelkezésre álló hűtővíz hőmérséklete a korlátozó tényező. Északi országokban, télen közel 0 C a hűtővíz hőmérséklete, így télen üzemelnek a gőzerőművek a legjobb hatásfokkal. Tehát a kondenzátor fő feladata, hogy a turbina ellennyomását csökkentve, növelje a munkavégzést és így az erőmű hatásfokát. Ezenfelül a kondenzvíz recirkulálható a tápvízkörben. 8. ábra Zárt áramkörű gőzerőmű Dr. Pátzay György 8
3. példa Az előző példában szereplő erőműhöz kondenzátort illesztve a turbina ellennyomása p =0, bar értékre csökkent. Határozzuk meg: a fáradt gőz paramétereit, a nettó munkavégzés és a hatásfok emelkedését, 000 kg/h gőzáram mellett az erőmű energialeadását. Megoldás: p =0 bar, p =0, bar A gőz-táblázatból a 0 bar nyomású száraz, telített gőz entalpiája: h =h g =778 kj/kg. A fáradt gőz h entalpiája, az - lépés izentrópikus: s = s 0,83 + x A fáradt gőz szárazsági tényezője x =0,83 így: h = h f + x h fg = 5 + 0,83 358 = 7,075 = 6,586 (Használhattuk volna a h-s diagramot is h közvetlen meghatározására (8/c ábra), de az kevéssé pontos eredményt adna.) s f + x s fg x = 0,83 = s g 68 kj/kg Dr. Pátzay György 9 A kondenzátum entalpiája: h 3 =h f =5 kj/kg (0, bar nyomáson) A szivattyú bemenő munkája: 6 ( p ) = 0,000 (.0 ) = 980 J/kg 0,98 kj/kg W = v p p w 3 = A szivattyú energiamérlege: h + W = h 3 p 5+ 0,98 = 5 kj/kg A kazán energia mérlege alapján: h + Q = h Q = h h s s = 778 5 = 56 kj/kg A turbina energia mérlege alapján pedig: h = h + W W = h h T T = 778 68 = 60 kj/kg A nettó munkavégzés: W NET = WT Wp = 60 0,98 609 kj/kg Összehasonlítva az. példa adataival, a kondenzátor beillesztése jelentősen megnövelte a 609-39, munkavégzést: % - os munkavégzés növekedés = 00 = 55,7% 39, A termikus hatásfok: ami igen jelentős. W η = Q NET s 609 56 = 0, =,% hatásfok növekedés =,-,75 = 9,35%. 0000 kg kj kj P = m WNET = 609 = A nettó munkavégzés: 3600 s kg s Dr. Pátzay György = 69 kw =,69 MW 50 5
8/b. ábra Az egyszerű ideális túlhevített vízgőzös Rankin-ciklus The McGraw-Hill Companies, Inc.,998 Dr. Pátzay György 5 A Termodinamika. törvénye és Carnot hatásfok. törvény:hő nem alakítható át munkává bizonyos hőveszteség nélkül. Carnot hatásfok:a végzett munka és a rendszerrel közölt hő csak a hőmérséklettõl függ. Nincs jobb hatásfokú hőerőgép a Carnot hőerőgépnél. Fontos:A hőmérséklet Kelvin vagy Rankine egységben lehet. η c =W net /Q high = (T high -T low )/(T high ) η c = -(T low /T high ) K = ºC + 73.5 R = ºF + 59.67 A. törvény szerinti hatásfok A. törvény szerinti hatásfok a rendszer aktuális hatásfokának és a maximális lehetséges (Carnot) hatásfoknak az aránya. η II =. törvény szerinti hatásfok (hatásosság) η II = η I /η c η I =. törvény szerinti hatásfok η c =Carnot hatásfok Dr. Pátzay György 5 6
Dr. Pátzay György 53 Eltérés az ideális Rankin-Clausius ciklustól A reális körülmények között fellépő veszteségek közül a legjelentősebbek a súrlódási és a környezetbe jutó hőveszteségek. Ezek irreverzibiltást okoznak és növelik az entrópiát. A kazánban fellépő nyomásesés következtében a kazánba belépő tápvizet a kilépő gőznyomásnál jelentősen nagyobb nyomáson kell beszivattyúzni. Turbina veszteségek A turbinánál fellépő veszteségek fő oka a turbina-házon keresztül távozó hőveszteség és az turbina lapátokon, valamint szelepeken áramló gőz súrlódási veszteségei. Ezek ugyancsak irreverzibilitást és entrópia növekedést okoznak. Ezen okok miatt az expanzió nem izentrópikus, ahogy azt a 9. ábra is mutatja. Az ábrán a -es pont az izentrópikus expanzió utáni ideális állapotot, a ` pont pedig a reális végállapotot mutatja. A fenti okok miatt a valódi munkavégzés kisebb lesz és a kilépő fáradt gőz magasabb entalpiával, valamint entrópiával távozik. Dr. Pátzay György 5 7
9. ábra A turbina izentrópikus hatásfoka: Aktuális turbina munka kimenet h h ηt = = Izentrópikus munka kimenet h h, Szivattyú veszteségek Ugyancsak a súrlódási veszteségek miatt a szivattyúzás már nem izentrópikus kompresszió és így a valódi szükséges munkavégzés a szivattyúnál megnövekedik. A szivattyú izentrópikus hatásfoka: Izentrópikus munka bemenet h h3 η = =, Aktuális munka bemenet h h Jó turbina és szivattyú konstrukciók esetén az izentrópikus hatásfokok értéke 0,8-0,85 között van. Dr. Pátzay György 55 3. Példa A 3. példában szereplő adatok alapján, ha az izentrópikus hatásfok a turbina esetén 8% és a szivattyúnál 85%, mekkora a nettó teljesítmény kimenet? Milyenek a turbináról kilépő gőz paraméterei? Lásd 0. ábra. 0. ábra Egy reális Rankin ciklus Dr. Pátzay György 56 8
η T = 0.8; η P = 0.85 A. példa alapján h = 778 kj/kg; h = 68 kj/kg h 3 = 5 kj/kg; h = 5 kj/kg. A turbina izentrópikus hatásfoka alapján:, h h ηt = h h, 778 h 0.8 = 778 68, h = 90kJ/kg A kilépő fáradt gőz jellemzői:, h = h, + x h, 90 = 5+ x 358, x = 0.856 f fg (A gőztáblázatból 0, bar nyomásnál h f =5 és h fg =358 kj/kg) x értéke a 0. ábra c görbéjéhez hasonló H-s görbékből is leolvasható közvetlenül. Az így nyert gőz szárazabb, minta az ideális ciklus alapján számított érték (x =0,83). A szivattyú hatásfoka pedig: h h3 η =, h h 5 5 0.85 =, h 5, h = 5.kJ / kg 3 Dr. Pátzay György 57 A kazán energiamérlege alapján: A turbina anyagmérlege alapján pedig:, h + Q = h, Q = h h = 778 5. = 55.8kJ/kg s s, h = h + W, W = h h = 778 90 = 88kJ/ kg T T Látható, hogy a turbina valóságos kimeneti munkája lényegesen alacsonyabb, mint az ideális ciklus esetén (60 kj/kg)., h3 + Wp = h A szivattyú energiamérlege alapján:, W = h h = 5. 5=.kJ/ kg A reális munka szivattyún nagyobb, mint az ideális esetben. A nettó munkavégzés: WNET 86.8 A termikus hatásfok: η = = = 0.93 = 9.3% Qs 55.8 A termikus hatásfok megint csak alacsonyabb, mint ideális esetben. A nettó leadott teljesítmény: WNET = WT Wp = 88. = 86.8kJ / kg p P = m W. NET = 35kW =.35MW Dr. Pátzay György 58 3 0000 kg kj kj = 86.8 = 3600 s kg s 9
A kazánnyomás növekedés hatása A kazánnyomás növekedése a maximális ciklus hőmérséklet növekedését okozza és így a hatásfok is növekszik. Ez a hatás ~50 barig áll fent, efölött a h fg látens hő drasztikusan csökken és így kevesebb hő megy át, így a hatásfok enyhén csökken. 5. Példa A 3. példánál a kazánnyomás 0 bar, a kondenzátornyomás pedig 0, bar volt. Ha a kazánnyomást 50 bar-ra növeljük, mekkora lesz a hasznos munkavégzés és a hatásfok növekedése? Tételezzük föl, hogy a turbinára száraz, telített gőz áramlik és az expanzió izentrópikus. Lásd. ábra. Az ábra szerint p =50 bar, p =0, bar. A gőztáblázatból az 50 bar nyomású, száraz, telített gőz entalpiája: h =h g =79 kj/kg és entrópiája s g =5973 kj/kg.k. A kilépő gőz h entalpiájának meghatározásához (- lépés izentrópikus): s = s s f 0.83 + x 7.075 = 5.973 x = 0,77 + x s fg = s g Dr. Pátzay György 59. ábra Dr. Pátzay György 60 30
Ezután: h = hf + x hfg = 5+ 0.77 358 (Használhatjuk a h-s diagrammot is h leolvasására.) A kondenzátum entalpiája (0, bar): A szivattyú bemeneti munkája: = h3 = hf = 5kJ/ kg 965kJ / kg 5 5 ( p p ) = 0.0050 ( 0 0. 0 ) = 980J/ kg.98kj/ kg Wp = v p 3 = A szivattyú energiamérlege alapján: A kazán energiamérlegével: A turbina energiamérlege alapján: h + W = h 3 5+.98 = h h = 56kJ/ kg h + Q = h p Q = h h = 79 56 = 538kJ / kg s s h = h + W W = h h = 79 965 = 89kJ/ kg T T A nettó (hasznos) munkavégzés: WNET = WT Wp = 89.98 = 8kJ / kg W η = Q NET s 8 = 0,36 = 3,6% 538 hatásfok növekedés = 3,6, = 8,36% Az alacsonyabb gőznyomású esethez képest a hasznos munkavégzés 35,3%-al, a hatásfok pedig 8,%-al nőtt. Dr. Pátzay György 6 A Rankin-Clausius ciklus hatásfokának növelése A Rankin ciklus hatásfoka nem túl magas, mely bizonyos módosításokkal (. ábra) növelhető.. ábra Dr. Pátzay György 6 3
T 3 T ( c) nyomás (hőm.) növelése 3 (b) Nagyobb túlhevítés T s s (a) Alacsonyabb kond. nyomás(hőm.) s Dr. Pátzay György 63 Dr. Pátzay György 6 A regeneratív tápvíz előmelegítés hatása 3
. Túlhevítés Növelve a gőz hőmérsékletét a Carnot ciklus szerint nő a hatásfok. A kazánból kilépő nedves vagy száraz telített gőzt a túlhevítőn vezetik keresztül, amíg a gőz egy adott magasabb hőmérsékletre melegszik. Minél magasabb a túlhevített gőz hőmérséklete, annál nagyobb a hatásfok. (lásd 3. ábra). A hőmérséklet felső határa a jelenlegi anyagok esetén ~00 0 C. 3. ábra Dr. Pátzay György 65 6. Példa Az előző példában 50 bar nyomású, száraz, telített gőzt vezettünk a kazánból a turbinára és a kondenzátor nyomása 0, bar volt. Ha a kazánból kilépő gőzt 600 0 C-ra hevítjük a turbina előtt, mekkora a hasznos munka ás a hatásfok növekedés? Az expanzió izentrópikus. P =50 bar, p =0, bar, t =600 0 C. A túlhevített gőztáblázatból az 50 bar nyomású és 600 0 C hőmérsékletű gőz entalpiája h =3666 kj/kg és entrópiája s =758 kj/kg.k. A kilépő gőz h entalpiája (- folyamat izentrópikus: s = s Így x =0,908 s f + x s fg = s 0.83 + x 7.075 = 7.58 A kilépő gőz most szárazabb, mint az előző példában. Ez csökkenti a turbinalapátok erózióját. Ezután h értéke: h = h + x h = 5+ 0.98 358 39kJ kg f fg = / h értéke megint csak leolvasható a h-s diagramból is. A kondenzátum entalpiája 0, bar nyomáson: h3 = hf = 5kJ / kg A szivattyú bemeneti munkája: W = v 5 5 ( p p ) = 0.0050 ( 0 0. 0 ) = 980J/ kg.98kj/ kg p w 3 = Dr. Pátzay György 66 33
A szivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: h + Q = h A turbina anyagmérlege szerint: Q = h h = 3666 56 = 30kJ / kg s s h = h + W W T h + W = h 3 5+.98 = h h = 56kJ/ kg = h h = 3666 39 = 7kJ/kg T p A nettó (hasznos) munkavégzés: WNET = WT Wp = 7.98 = 69kJ / kg Az előző példához képest a túlhevítés jelentősen megnövelte a nettó munkavégzést. 69 8 A munkavégzésben a százalékos növekedés = 00 = 5% 8 WNET 69 A hatásfok: η = = = 0.37 = 37.% Qs 30 A hatásfok %-os növekedés = 37. - 3.5 =.7% Ez jelentős növekedés. Dr. Pátzay György 67. Újrahevítés Itt a gőz átlagos hőmérsékletét más módon növelik. Miután a gőz a turbinán expandált elvezetik onnan azon a ponton, ahol éppen nedves gőz lenne és az újrahevítőben magasabb hőmérsékletre hevítik. Az újra hevített gőz aztán a turbinán a kondenzátor nyomásig expandál. Lásd. ábra.. ábra Dr. Pátzay György 68 3
7. Példa Az előző példában az 50 bar nyomású és 600 0 C-os túlhevített gőz a turbinán 0, bar nyomásig expandált. Az erőművet a. ábra szerint módosítva a túlhevített gőz belép a nagynyomású turbinába ás 5 bar nyomásig expandál, majd ez a gőz áthalad az újrahevítőn, ahol állandó nyomáson 00 0 C-ra hevül. Az újrahevített gőz ezután az alacsony nyomású turbinára kerül, ahol a 0, bar kondenzátor nyomásig expandál. Mekkora a növekedés hasznos munkavégzésben és a hatásfokban? Mindkét turbinán az expanziót izentrópikusnak tételezzük föl. A. ábra szerint: p =50 bar, p =5 bar, p 3 =5 bar, t =600 0 C, t 3 =00 0 C. Az entalpia értékek a h-s diagramból könnyen leolvashatók: h =3665 kj/kg, h =955 kj/kg, h 3 =370 kj/kg, h =570 kj/kg. Az alacsony nyomású turbináról távozó gőz jellemzője a diagramról ugyancsak könnyen leolvasható: x =0,98. A gőz tehát szárazabb, mint az előző példában, így tovább csökken a turbina lapátok eróziós igénybevétele. A kondenzátum entalpiája: h s =h f =5 kj/kg 0, bar nyomáson. A szivattyú bemeneti munkája: 5 5 W = v ( p p ) = 0,0050 ( 0 0, 0 ) p w 6 = 980 J/kg =,98 KJ/kg 5 = Dr. Pátzay György 69 A szivattyú energiamérlege: A kazán energiamérlege: A nagynyomású turbina energiamérlege: h + W s 5+,98 = h 6 p = h h = 56 kj/kg h + Q 6 Q SB SB 6 = h = h h h = h + W W THP 6 THP = h h 6 = 3665 56 = 309 kj/kg = 3665 955 = 70 kj/kg Az újrahevítő anyagmérlege: Az összes közölt hő: h + Q Q SRH SRH 3 = h 3 = h h = 370 955 = 35 kj/kg QS = QSB + QSRH = 309 + 35 = 37 kj/kg Az alacsony nyomású turbina anyagmérlege: h = h + W 3 W TLP = h h 3 TLP = 370 570 = 700 kj/kg Az összes turbina munkavégzés: A hasznos munkavégzés: WT = WTHP + WTLP = 70 + 700 = 0 kj/kg W W W 0,98 05 kj/kg NET = T P Dr. Pátzay György 70 35
Az előző példához képest az újrahevítés jelentősen megnövelte a hasznos munkavégzést. A százalékos növekedés a munkavégzésben és a hatásfokban: 05-69 % - os munka növekedés = 00 = 0,7% 69 WNET 05 η = 00 = 00 = 37,7% Q 37 S A hatásfok növekedés 37,7-37,=0,5% elhanyagolható, mert a hőközlés átlagos hőmérséklete csak kicsit változott. Az újrahevítés fő előnye az, hogy csökken az alacsony nyomású turbinában a gőz nedvessége. 3. Tápvíz regeneratív előmelegítése Túlhevítéssel és újrahevítéssel együtt is a Rankin ciklus hatásfoka nem éri el a 0%-ot. Az ideális Carnot ciklus hatásfoka a 7. példa adataival 6%. A különbség oka az, hogy a Rankin ciklusban a hő zömét a ciklus maximális hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékleten közöljük. Ez a hatás a tápvíz regeneratív előmelegítésével csökkenthető. Lásd 5. ábra. A regeneratív tápvíz előmelegítésnél gőzt vonnak el a turbina köztes fokozatától a kazánba belépő tápvíz előmelegítésére. Így a kazánban a hőbevitel magasabb átlagos hőmérsékleten történik. Dr. Pátzay György 7 Dr. Pátzay György 7 36
Dr. Pátzay György 73 Mivel a turbinától elvont gőz nem tud munkát végezni a turbinán, annak munkája lecsökken. Ugyanakkor a kazánba betáplált hőmennyiség jelentősen csökken, így a hatásfok növekszik. 5. ábra Dr. Pátzay György 7 37
8. Példa Egy hőerőműben a turbinára 50 bar nyomású, 600 0 C hőmérsékletű gőz áramlik. Miután 5 bar nyomásig expandált, a gőz egy részét tápvíz előmelegítésre vonjuk el egy nyitott hőcserélőben. A hőcserélőből távozó telített víz 5 bar nyomású. A turbinán maradó gőz a 0, bar kondenzátor nyomásig (izentrópikusan) expandál. Mekkora a ciklus termikus hatásfoka? Mekkora a hasznos teljesítmény 0000 kg/óra gőztermelés mellett? A 5. ábra szerint: p =50 bar, p =5 bar, p 3 =0, bar, t =600 0 C. Az, és 3 állapotú gőz entalpiája a h-s diagram alapján: h =3665 kj/kg, h =955 kj/kg, h 3 =390 kj/kg. A kondenzátum entalpiája: h =h f =5 kj/kg 0, bar nyomáson. Az szivattyú bemeneti munkája: W Az. szivattyú energiamérlege alapján: 5 5 ( p ) = 0,005 ( 0 0, 0 ) = 8J/kg 0,8 kj/kg p = vw 5 p = h + W 5+ 0,8 = h Dr. Pátzay György h = 5,5 kj/kg 75 5 p = h 5 5 h 6 =az 5 bar nyomású, telített víz entalpiája=h f =60 kj/kg Lépjen ki kg gőz a kazánból és y kg gőzt vonjunk el a turbinától tápvíz előmelegítésre. A tápvíz előmelegítő energiamérlege alapján: Összes belépő energia=összes kilépő energia y h + ( y) h5 = h6 y 955 + ( y) 5,5 = 60 y = 0, A szivattyú bemeneti munkája: W 5 5 ( p ) = 0,0050 ( 0 5 0 ) = 500 J/kg,5 kj/kg p = vw p6 = A. szivattyú energiamérlege alapján: h6 + Wp = h7 60 +,5 = h7 = 6,5 kj/kg A kazán energiamérlege alapján: h7 + Qs = h Qs = h h7 = 3665 6,5 = 300,5 kj/kg A turbina energiamérlege alapján: h = y h + ( y ) h3 + WT 3665 = 0, 955 + ( 0,) 390 + WT Dr. Pátzay György W = 9 kj/kg 76 T 38
A nettó munkavégzés: W NET = WT p ( y) Wp W = 9 ( 0,) 0,8,5 = 89 kj/kg A termikus hatásfok: W η = Q NET s 89 00 = 00 = 39,% 300,5 Tehát a tápvíz regeneratív előmelegítése nélküli 37,%-os hatásfok 39,%-ra javult, tehát fokotzatonként ~%-os javulás érhető el. A nagy erőművekben maximum 7 fokozatú előmelegítő rendszert alkalmaznak.. 0000 A nettó teljesítménykimenet= m WNET = 89 = 3303 kw = 3,303 MW 3600 Dr. Pátzay György 77 6. ábra 7. ábra Dr. Pátzay György 78 39
9-9 További hatásfok javítási lehetőségek. Kombinált ciklusok (bináris ciklusok) alkalmazása Egy erőmű termikus hatásfoka tovább növelhető bináris ciklusok (kombinált ciklusok) alkalmazásával. A bináris ciklus két külön ciklusból áll: egy magasabb hőmérsékletű (topping cycle) és egy relatíve alacsonyabb hőmérsékletű ciklusból. A legáltalánosabb bináris ciklus a gáz-gőz (turbinás) kombinált ciklus, ahol egy gázturbina (Joule-Brayton ciklus szerint) üzemel a magasabb hőmérsékletű tartományban és egy gőzturbina az alacsonyabb hőmérsekletű tartományban. Az első ciklusból, a gázturbináról kilépő forró füstgázok hevítik fel gőzzé a vizet a második ciklusban. Természetesen a kombinált ciklus alkalmazása esetén a termikus hatásfok magasabb, mint a külön alkalmazott egyes ciklusok hatásfokai. Dr. Pátzay György 79 9- Kombinált ciklusú gáz-gőzerőmű sémája Dr. Pátzay György 80 0
Dr. Pátzay György 8 Dr. Pátzay György 8
Dr. Pátzay György 83 Kombinált ciklusok Amennyiben két termék van és a hatásfok eléri a 65%-ot, akkor ez kapcsolt termelés. Dr. Pátzay György 8
. Kapcsolt energiatermelés (Kogeneráció) Kapcsolt energiatermelés: Mechanikai, villamosenergia és hőenergia együttes termelése. A hőenergia lehet: gőz (általában technológiai célra) forróvíz (technológiai illetve fűtési célra) forró levegő (technológiai célra, általában szárítás) Kapcsolt energiatermelés energetikai mutatói Két fontos mutató együttes használata szükséges összhatásfok (mennyiségi hatásfok) fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelés Dr. Pátzay György 85 Ideális kapcsolt energiatermelés Dr. Pátzay György 86 3
Dr. Pátzay György 87 Dr. Pátzay György 88
Kapcsolt energiatermelés Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés, amikor egy villamosenergia-termelő berendezés termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladékhőjét olyan hőfokszinten tudjuk előállítani, hogy az még hőigények elsősorban fűtési igények kielégítésére felhasználható. Az ilyen rendszerekben a felhasznált tüzelőhő 80-90%-a hasznosul villamos- vagy hőenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függően eltérő lehet. Ennek megfelelően a kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót kell használni. Az egyik az összes hatásfok a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hőteljesítményhez, a másik a két hasznos teljesítmény aránya (a fajlagos villamosenergia-termelés), amely a hasznos villamos teljesítmény (P vill ) és hőteljesítmény (Q fűtési ) aránya: Pvill + Q& fűűtés Pvill η = és σ = Q& összes Q& fűűtés Az utóbbi mutatónak az adja a jelentőségét, hogy különválasztott megtermelés esetén a csak villamos-energiát termelő folyamatok hatásfoka általában 30-0%, míg fűtési hő kb. 90% hatásfokkal állítható elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldás, amelyben több értékes villamosenergia termelhető, azaz nagyobb a fajlagos villamosenergia-termelése. Dr. Pátzay György 89 Több évtizede ismeretes és alkalmazott eljárás a nagy távhőrendszerekben alkalmazott kapcsolt energiatermelés gőzkörfolyamatokban. Ez célszerűen több tíz, vagy inkább 00 MW-ot meghaladó csúcshőigényű távhőrendszerekben alkalmazható (általában fűtési célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gőz hőhordozó előállítására. A hőkiadás módja ellennyomású vagy elvételes kondenzációs lehet. Az ellennyomású hőszolgáltató blokk turbinájában csak annyi gőzt lehet expandáltatni, amennyit a fogyasztók igényelnek vagy amennyivel a fogyasztók által igényelt forróvíz felmelegíthető. Ez azt jelenti, hogy a villamosenergia előállítása és a tüzelőanyag fogyasztás közelítőleg arányos a hőigény nagyságával. Egy ellennyomású fűtőblokk kapcsolását a következő ábra mutatja. Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők t e tv Tápvízelőmelegítő rendszer Az összes hatásfok általában 80 90%, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke a körfolyamat paramétereitől és a hőkiadás hőfokszintjétől függően 0, és 0, között lehet. Egy ilyen kapcsolt energiatermelés és az azt helyettesítő külön-külön termelés energiaáramait mutatja kerekített számokkal a következő ábra. Dr. Pátzay György 90 5
kapcsolt energiatermelés villamos energia, 0 tüzelő - anyag 00 hőenergia 65 veszteség 5 Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 00 = 30 külön hő- és villamosenergia termelés tüzelőanyag 55 tüzelőanyag 75 villamos energia, 0 veszteség 35 veszteség 0 hőenergia 65 Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők t e tv Tápvízelőmelegítő rendszer Elvételes kondenzációs erőmű Az ellennyomású kapcsolt energiatermeléstől eltérően az elvételes kondenzációs kapcsolt energiatermelés esetén nincs általános kényszerkapcsolat a két termék aránya között. Az ellennyomású fűtőblokknak alapvetően három különböző üzemállapota van: Minimális kondenzáció: a kondenzátorba ömlő gőzáram nem csökkenthető nullára, még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlasztó csappantyú esetén sem. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelhető, mint egy közös gépben megvalósuló minimális kondenzációs és egy ellennyomású körfolyamat szuperpozíciója. Maximális gőznyelés: ilyenkor a hőkiadás növelése a villamos teljesítmény csökkenését vonja maga után. A villamos teljesítmény csökkenésének és a kiadott hőteljesítménynek az arányát fajlagos kiesett villamosenergia-termelésnek nevezzük. Közbenső tartomány: a két kiadott hasznos teljesítmény egymástól függetlenül változtatható, beállítható. Dr. Pátzay György 9 Dr. Pátzay György 9 6
Dr. Pátzay György 93 Dr. Pátzay György 9 7
Villamosenergia termelés hatásfoka 00 90 80 Efficiency (%) 70 60 50 0 30 0 0 0 Hydro power plant Tidal power plant Large gas fired CCGT power plant Melted carbonates fuel cell (MCFC) Pulverised coal boilers with ultra-critical steam parameters Solid oxide fuel cell (SOFC) Coal fired IGCC Atmospheric Circulating Fluidised Bed Combustion (CFBC) Pressurised Fluidised Bed Combustion (PFBC) Large gas turbine (MW range) Steam turbine coal-fired power plant Steam turbine fuel-oil power plant Wind turbine Nuclear power plant Biomass and biogas Waste-to-electricity power plant Diesel engine as decentralised CHP unit (electrical share) Small and micro turbines (up to 00 kw) Photovoltaic cells Geothermal power plant Solar power tower Dr. Pátzay György 95 Dr. Pátzay György 96 8
Dr. Pátzay György 97 Dr. Pátzay György 98 9
Dr. Pátzay György 99 Dr. Pátzay György 00 50
Tüzelés O /CO atmoszférában Dr. Pátzay György 0 Dr. Pátzay György 0 5
0- A hűtőgép és a hőszivattyú Dr. Pátzay György 03 A hőszivattyú alacsonyabb hőmérsékletű helyről munka befektetésével magasabb hőmérsékletű helyre szállít hőenergiát. A szállítandó hőenergiát a környezetből (levegőből, talajból, vízből, vagy ipari maradékhőből) nyeri. A hőszivattyú alkalmas hűtésre is, ekkor a magasabb hőmérsékletű helyről szállít hőt munka befektetésével az alacsonyabb hőmérsékletű helyre. Típusai:. Kompressziós hőszivattyú A LEGISMERTEBB TÍPUS. Megfordított sorrendű Carnot ciklus szerint dolgozik. A bepárlóban az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból. Ezután munka befektetésével kompresszorral komprimáljuk és megnöveljük a hőhordozó nyomását és hőmérsékletét. A megnövelt nyomású és hőmérsékletű hőhordozó ezután a kondenzátorban lekondenzál és hőt ad le a magasabb hőmérsékletű helyen, azaz fűt. Ezután egy expanziós szelepen alacsony nyomásra expandál és elpárologva újra hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból. Dr. Pátzay György 0 5
Kompressziós hőszivattyú Dr. Pátzay György 05 A hőszivattyú hatékonyságát az ún munka végzés arányával( work ratio) vagy COP értékkel (coefficient of performance) jellemzik.ez a leadott hőmennyiség és a befektetett munka aránya, a modern hőszivattyúknál COP~6, azaz 6 kw hő nyerhető kw elektromos energia befektetésével.. Abszorpciós hőszivattyú A bepárlóból érkező gáz halmazállapotú munkaközeg folyékony oldószerben nyelődik el és eközben hő szabadul fel. A továbbhaladó kombinált közeget munka végzéssel a szivattyú megnövelt nyomással ejektorba juttatja, ahol külön válik a gáz munkaközeg a folyadéktól egy külső hőforrás (maradékhő, gázégő) segítségével. A nagynyomású gáz munkaközeg a kondenzátorba léve lekondenzál és hőt ad le a magasabb hőmérsékletű helyen. Ezután folytószelepen áthaladva bepárlóban az alacsony nyomású és hőmérsékletű hőhordozó közeg elpárolog és hőt vesz fel az alacsony hőmérsékletű forrásból. Dr. Pátzay György 06 53
Abszorpciós hőszivattyú Dr. Pátzay György 07 A hőszivattyúk előnyei: Alacsony hőmérsékletű hőenergiát képesek képesek munka befektetésével megfelelő hőmérsékletű hőenergiává alakítani Kicsi az elektromos energia igényük és kisebb a gáz emissziójuk a szokványos hőerőgépekhez képest és kevés bennük a mozgó alkatrész, Hátrányuk: A maximálisan elérhető hőmérséklet ~0 O C Csak magas energiaáraknál gazdaságos a működésük Fejlődésük során egyre bonyolultabbak Alkalmazási területük: Fűtés,gőzfejlesztés Szárítás Bepárlás, desztilláció Dr. Pátzay György 08 5
Dr. Pátzay György Háztartási hűtőgép 09 0-6 A hőszivattyú télen fűti, nyáron hűti a házat Dr. Pátzay György 0 55
Hőerőgépek... Expanzió MUNKA Hőközlés HŐ Turbina Kazán Kondenzátor HŐ Hőelvonás Szivattyú Kompresszió Dr. Pátzay György Domain... hűtőgépek MUNKA Kompresszió Melegítés HŐ Hűtő sprirál Kompressor Kondenzátor HŐ Hűtés Folytószelep Expanzió Dr. Pátzay György Domain 56
Tűzcsöves kazán Dr. Pátzay György 3 Vízcsöves kazán Dr. Pátzay György 57
Dr. Pátzay György 5 58