6. témakör Villamosenergia-termelés hıerımővekben
Tartalom 1. Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek. 2. Gázturbinás erımővek. 3. Kombinált gáz-gız erımővek. 4. Tüzelıanyag-cellák.
A villamosenergia-termelés folyamata hıerımővekben kémiailag vagy nukleárisan kötött energia Hıfejlesztı hı Hıerıgép mechanikai Generátor (forgási) energia Transzformátor körfolyamat villamos energia
Csoportosítás A felhasznált végenergia 30-40 %-a villamos energia. Tüzelıanyag: C, CH, nukleáris, Munkaközeg: vízgız, füstgáz, Hıerımővek: gız, gázturbinás, kombinált gáz-gız, (gázmotoros).
6.1. Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek
Kapcsolás
Szubkritikus gızkörfolyamat
Szuperkritikus gızkörfolyamat
1. Fıberendezések és folyamatok Gızkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelıanyag elégetésével, a keletkezı nagy hımérséklető (800-1500 o C) láng és füstgáz lehőtése (füstgázoldal), a vízgız munkaközeg felmelegítése, elgızölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgızoldal). Tüzelıanyagok: különbözı szenek, különbözı tüzelési módokkal, kıolaj-finomítás maradékai, földgáz (inertes gáz).
1.1. Gızkazán Tüzelés (108 ill. 58 g CO 2 /MJ): ) / (47 5 2,25 (55%) 2,75 4 1 / 36 / 44 / 64 / 16 2 2 ) / 42 (40 2 1 ) 2 1 ( ) / 28 6 : 33,8; ( (100%) 3,66 2,66 1 / 44 / 32 / 12 2 2 2 4 2 2 2 2 2 kg MJ H kg kg kg kg kg mol g mol g mol g mol g hı O H CO O CH kg MJ H O mh nco O n H C kg MJ szén C H kg kg kg mol g mol g mol g hı CO O C ü ü m n ü + = + = + + = + + + = + + + = + + = + = + = + + = +
Gızkazán
A hıáram-sőrőség változása a tőztér magassága mentén (p 1 <p 1 <p 1 )
Szubkritikus gızkazán: a felületek elrendezése T T TH UH. m 1,p 1,t 1. m u,p u,t u UH D TE E TE E LE
Gızkazán: T-Q diagram T sugárzás fg konvektív 1 TH u UH 1 1 E 1 TH UH TE LE t v Q
670 MW névleges hıteljesítményő szénhidrogén-tüzeléső kazán T-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja) 1500 T[ o C] füstgáz víz 1000 T 1 =540 T u2 =540 500 T s =350 450 E F=2250 TH UH F=3918 F=8665 T =340 u1 TE F=1800 T t =250 5000 10000 15000 20000 F [m 2 ]
670 MW névleges hıteljesítményő, lignit-tüzeléső kazán T-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja) 1500 T[ o C] füstgáz 1150 víz 1000 500 T s =350 T 1 =540 T u2 =540 300 T u1 =340 T t =220 10000 20000 30000 40000 F [m 2 ]
Gızkazán Gıznyomás szerint: szubkritikus (p 1 <p kr =221,2 bar) 40,70,100,130,170 bar (130 bar-tól újrahevítés), t 1max : 540-560 o C. Munkaközeg cirkulációja szerint: természetes cirkuláció ( p= H g, c=4-10), szivattyús cirkuláció ( p= p SZ, c=2-6), kényszerátáramlású (c=1). Gıznyomás szerint: szuperkritikus (p 1 >p kr ) 240,280,320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés), t 1max : 600-650 o C (új szerkezeti anyagok). Munkaközeg cirkulációja szerint: kényszerátáramlású.
Cirkulációs elgızölögtetı [Cohen] Vg 1 c= = x V g + Vvíz
Kényszerátáramlású gızkazán [Cohen]
Fluid-tüzeléső gızkazán füstgáz szilárdanyag gáz arány szekunder levegı felületek t ágy max 800-900 C Ca/S - mólarány C CaCO 3 hamu + CaSO4 primer levegı
Forráskép függıleges és vízszintes csıben
A víz elgızölgése függıleges csıben: hımérsékletek és hıátadási viszonyok [Cohen]
Gızkazán Teljesítménymérleg: Q& Q& Hatásfok: η ü GK = m& = η & 1 Q = Q& ü ü H Q& ü = m& T C (6-28 MJ/kg): 0,82-0,92 kıolaj: 0,85-0,92 földgáz: 0,87-0,94. ( s1 stv ) = m& g ( h1 1 GK ü g 1 tv h )
Fajlagos gızhı
Gızkazán (Tisza II. 670 t/h)
1.2. Gızturbina Gızturbina (GT, 1-2o, 1-2): A nagy nyomású, hımérséklető vízgız (belsı) termikus energiájának forgási (mechanikai) energiává alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60Hz). Tengelyteljesítmény: W& T = η Q& η & ) η C 1 irrt = mg ( h1 h2o irrt
Fajlagos (technikai) munka h 1 p 1 wt0 w T =h 1 -h 2 2 0 2 p 2 s irr s
Gızturbina A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka: η C = 1 T T 2 1 η C =0,35-0,60 f[ (p 1,t 1,t tv,t UH1,t UH2 ), (p 2 )] T 2 η irrt > η irr (hıvisszanyerés) T 1
Gızturbina A körfolyamat hatásfokának (η C ) növelése: a gız kezdı nyomásának (p 1 ) és hımérsékletének (t 1 ) növelése, megcsapolásos (regeneratív) tápvízelımelegítés (t tv növelése), egyszeres (t UH1 ) és kétszeres (t UH1,t UH2 ) újrahevítés, a gız végnyomásának (p 2 ) csökkentése (p 2 0,03 bar) elérte a határt. Megcsapolásos tápvízelımelegítés: a kondenzálódott folyadékfázisú 25-50 o C-os víz felmelegítése a kazánba lépı tápvíz minél nagyobb hımérséklete (t tv ) érdekében. (Gız) újrahevítés: a turbinában expandált gız kivétele és felmelegítése a gızkazánban p UH nyomáson.
Gızturbina-lapátok A GT eredı hatásfokát a lapátok fokozati hatásfoka és az expanzió mértéke határozza meg. A GT-fokozat hatásfokát befolyásolja a lapátfelület érdessége (<0,3-0,2 µm). Lapátfokozat akciós (résveszteség csökkenthetı) termikus-kinetikus energia átalakítás (állólapát-sor), reakciós (sebességtıl függı súrlódási veszteségek csökkenthetık) kinetikus-mechanikai energia átalakítás (forgólapát-sor), Fokozat: álló+forgólapát-sor. Eltérı követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.
Gızturbina-lapátfokozatok h akciós h reakciós h á h á h f h f S S
Gızturbina-lapátok fejlesztése [Büki] a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményő lapátok
Hıséma: fı elemek Gõzkörfolyamat Hûtõvíz gõz GF kazánvíz GT NE K póttápvíz GTT KE tápvíz fõcsapadékvíz KT csapadékvíz
Gızturbina (Tisza II. 215 MW e )
Gızturbina nagynyomású forgórész (Tisza II.)
Tápvízelımelegítı
1.3. Generátor és transzformátor Generátor, transzformátor: A gızturbina forgási energiájának 10-40 kv feszültségő villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére (120-400 kv). P KE =η η η η W& ε = η Tm G Hatásfokok: η Tm =0,99-0,995, η G =0,99-0,995, η TR =0,99-0,998, η ε =0,92-0,96, η me =0,89-0,95. TR T me W& T
Generátor (Mátrai 215 MW e )
Transzformátor
1.4. Kondenzátor Kondenzátor (K, 2-2 ): A gızturbinában munkát végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgız cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hı elvonása a környezetbe a hőtıvíz-rendszerrel. Környezetbe távozó hıteljesítmény: T2 Q& = + ηirrt Q1 = m2 ( h2 T & & & 1 Hőtıvíz-rendszerek: frissvízhőtés (folyó, tó, tenger), nedves hőtıtorony, száraz hőtıtorony. ( ) ) 2 1 h2'
Fajlagos elvont hı
Kondenzátor
Csıkiosztás
Gız és gız-levegı keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]
Frissvízhőtés HSZ K tenger folyó tó Q& = m& h h ) = m& 2 gk ( 2 2' hvc( tki tbe )
Nedves hőtıtorony K levegı póthőtıvíz HSZ Q& = m& h h ) = m& c( t t ) = V& ρ c 2 gk ( 2 2' hv ki be l l l ( tlki tlbe )
Száraz hőtıtorony levegı FKSZ HSZ Q& = m& h h ) = m& c( t t ) = V& ρ c 2 gk ( 2 2' hv be ki l l l ( tlki tlbe )
Nedves hőtıtorony (Mátrai Erımő)
Száraz hőtıtorony (Mátrai Erımő) kéntelenítıvel
2. Energetikai jellemzık Hatásfoka: η KE P η η η η Q& KE GK C T me ü = = = η GKη Cη Tη me Q& ü Q& ü = ( 0,20 0,46) J E / J ü Fajlagos tüzelıhı-felhasználása: 1 q KE = 3600 = (18000 7830 ) kj ü / η KE kwh E
Energiafolyam ábra KONDENZÁCIÓS ERİMŐ ( ) 1 η P me T H T E T 2 1 Q& T 1 1 P T P KE Q & ü T T 2 Q 1 1 & Q & 2 Q2 ( ) 1 η Q & mh ü Q & 2, veszt
3. Környezeti hatások CO 2 kibocsátás η KE növelése, mert gco 2 /kwh csökken. Hıszennyezés: (0,75-0,45)Q ü környezetbe távozik, t élıvíz max. 26-30 o C (O 2 tartalom) kapcsolt energiatermelés szén: SO x : füstgáz kéntelenítés, pernye: pernyeleválasztás, salak: meddıhányók (minél kisebb H ü, annál több meddı) tájrekultiváció. NO x : DeNOx (NH 3 ), fluid-tüzelés (SO x ) és kisebb t láng. gudron, pakura: SO x : füstgáz kéntelenítés, NO x : DeNOx (NH 3 ).
4. Telephely kiválasztás Tüzelıanyag közelében (bánya, olajfinomító), jó megközelítés. Hőtıvíz. Szakember, szakmakultúra. Villamos csatlakozás, ellátottság. Lakott területen kívül. Meglévı erımővek telephelyének felértékelıdése, mindezek megvannak.
6.2. Gázturbinás erımővek
Nyitott egytengelyes gázturbina Nyitott egytengelyes gázturbina fı berendezései: Kompresszor (K): a levegı komprimálása a légköri nyomásról 10-12 (15) bar-ra. Égıtér (É): a tüzelıanyag elégetése, a levegı-üzemanyag keverék (füstgáz) hımérsékletének növelése 1000-1300 (1500) o C-ra. Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban. Generátor (G), Transzformátor (Tr). Tüzelıanyag: csak CH, földgáz (inertes gáz), kerozin, főtıolaj (állandó terhelésen).
Kapcsolás
Hıkörfolyamat T 1 p 1 p 0 4 0 4 2 2 0 3 S
Gázturbina T belsı teljesítmény: K belsı teljesítmény: & W T & W K = m& = m& ( h 2 ) 1 1 h ( h ) 3 3 4 h GT teljesítmény: P GT = ( W & W& T K )η mgt η G η Tr Tüzelıhı-teljesítmény: & m& H = & & η ü ü Q ü = m1h1 ( m3h4 + mühü É )
Fokozati és eredı hatásfok 1 1 1 3 4 3 4 = irrkf T T T T o o irrk η η 1 2 1 2 1 1 T T T T o o irrt irrtf = η η 3 4 4 0 T 2 S 1 2 0 T K
Energiafolyam ábra K T P K0 P K ( 1 ηgηtr ) PT, net 1 ηk 1 P K0 P T0 ( 1 η T ) P T0 P T P T, net P GT Q & ü Q & 2 Q & HH É ( 1 η ) Q & ü mé Q & 2H
Energetikai jellemzık A villamosenergia-termelés hatásfoka: η GT = P Q& GT ü = ( W& W& ) T K m& η ü É η H ü mgt η G η Tr = ( 0,25 0,35) J E / J ü Fajlagos tüzelıhı-felhasználása: q GT 1 = η GT 3600= (14400 10280) kj ü / kwh E
Gázturbina p 1 =10-12 (20-30) bar, t 1 =1000-(1300-1500) o C, p 2 =1 bar (légkör), t 2 =520-560-600 o C. A körfolyamat Carnot hatásfoka: η C = 1 T 2 = 0,35 T 1 0,50 t 1 növelése Ni-Cr szuperötvözető lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözető bevonatokkal, miközben t 2 is nı. Környezeti hatások: NO x (t láng =1100-1500 o C) égıtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hőtés.
Gázturbina
Hatásfokjavítás Kombinált gáz-gız erımővek. A kilépı hıáramot maga a gázturbina hasznosítja: hıregenerálás, gıztermelés és gızbefecskendezés (STIG), légnedvesítés. Többfokozatú kompresszió és expanzió.
Hıregenerálás É K1 K2 T hőtés
6.3. Kombinált gáz-gız erımővek
Kombinált gáz-gız erımő Gázturbinából kilépı füstgáz hımérséklete túl nagy (t 2 >500 o C), a füstgáz lehőthetı hıhasznosító gızkazánban, s a termelt gız gızturbinában expandál füstgáz és gız munkaközegő turbinák kombinációja (kombinált gáz-gız erımő). Hıhasznosító gızkazán: gázturbinában expandált füstgáz (520-600 o C) lehőtése (180-100 o C-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60-90 bar) nyomású gız termelése. Póttüzelés lehetséges.
Kombinált gáz-gız erımő kapcsolása
GE LM6000 PD gázturbina generátor set
Vízszintes elrendezéső hıhasznosító gızkazán
Hıkörfolyamat
Energiafolyam ábra ( 1 η η η P mgt G Tr ) GT0 P GT0 P GT Q& ü P T0 P T P E Q& 2 Q& HH ( 1 η η η P mt G Tr ) T0 ( 1 η Q & mé ) ü Q& füstgáz Gızkörfolyamat Q& 2,gk
HH hıteljesítmény: Teljesítménymérleg Q& HH = m& fgc fg ( t2 t2h ) = m& 1g ( h1 1 tv h ) Turbina teljesítmények: P E P T = P GT 1 P 2 + P GT T
Hatásfok: Villamosenergia-termelés η E = P Q& E ü = P Q& GT üé + P + Q& T üp = ( 0,45 0,55) J E / J ü q E =8000-6500 kj ü /kwh E.
Feltöltött kazánban integrált G/G erımő. Q ü. Q 1gt Pgt gt P GT
6.4. témakör Tüzelıanyag-cellák
Tüzelıanyag-cellák Tüzelıanyag-cella (TC): a tüzelıanyagból a reagensek közötti elektrokémiai reakciók révén közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hıtermelés és a hıkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka). A TC anódos oldalára áramlik a redukáló, hidrogén-tartalmú tüzelıanyag, katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegı, H 2 +1/2O 2 H 2 O, és elektronok egyenárama, amit inverterben váltóárammá alakítanak.
Tüzelıanyag-cella Anód H 2 H 2 2H + + e - 2e - Elektrolit = ~ 2e - ½O 2 2H + + ½O 2 +2e - H 2 O Katód H 2 O
η HEo és η TCo =f(t) [Büki] η HEo T = 1 2 T 1 η TCo G H T S = = = 1 G H T S H
Tüzelıanyag-cella Tüzelıhı: Q ü = G = H H a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia E = G = H S S a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.
Tüzelıanyag-cella A hımérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nı a T hımérsékleten távozó D=T S i disszipációs hı ( S i a reakciótermék (pl. vízgız) entrópiakülönbsége). A disszipációs hı kapcsolt hıszolgáltatásra vagy gızerımőben hasznosítható. A disszipációs hı hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hımérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.
Tüzelıanyag-cella TC típusai: Alkáli (Alkaline Fuel Cell-AFC), Polimer-elektrolit membrános (Polymere Electrolyte Membrane FC-PEMFC), Foszforsavas (Phosphoric Acid FC-PAFC), Folyékony karbonátos (Molten Carbonate FC-MCFC), Szilárd oxidos (Solide Oxide FC-SOFC).
A fejlesztett TC-k jellemzıi [Büki] A fejlesztett tüzelıanyag-cellák jellemzıi Jele Hımérséklet C Tüzelıanyag (anód) Elektrolit, Iontranszport Oxidáló közeg (katód) Villamos hatásfok % Alkalmazás AFC 40-200 kálilúg(koh) OH - oxigén 40-50 közlekedés (mozgó) PEMFC PAFC 80 200 hidrogén polimer H + foszforsav (H 3 PO 4 ) H + levegı, oxigén 40-55 40-45 hı-és villamos energia (stabil) MCFC 650 földgáz, széngáz, biogáz karbonátok (Li 2 CO 3 +K 2 CO 3 ) ( CO 3 2- levegı 50-60 villamos energia SOFC 800-1000 keramikus anyag (ZrO 2 ) O 2-50-60 decentralizált erımővek
SOFC TC [Büki] a) csıelem, b) csıköteg, c) a teljes cella
Tüzelıanyag-cella A teljes TC igen nagyszámú elembıl áll. A megvalósított 100-200 kwe, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6-10 ezer elemet tartalmaz.