Magas termodinamikai hatásfok. Kombinált gőz/gázciklusú rendszer előnyei:

1. Gáz/gőzüzemű erőművek bemutatása [1] [11] A kombinált ciklus egyesíti a Joule-Brayton gázciklus és a Rankine gőzciklus előnyeit, ezzel megvalósít egy kitűnő hatásfokú, gazdaságos, megbízható energia-átalakító rendszert. Napjainkban a kombinált ciklusú erőművek villamos teljesítményre vonatkoztatott hatásfoka jellemzően az 50 57 % közötti tartományban van. A gázturbinák folyamatos fejlesztése, a magas hőmérsékletet és nagy nyomást elviselő szuperötvözetek, a gázturbinalapátok felülethűtési és gőzhűtési technológiája ill. a szuperkritikus gőzturbinák fejlesztése abba az irányba mutat, hogy a kombinált ciklusú erőművek következő generációja, hatásfok tekintetében, elérheti, sőt meg is haladhatja a 60 %-ot. 1.1 Gáz/gőzüzemű erőművek tulajdonságai A gáz/gőz kombinált ciklus széleskörű elterjedése a következő tényezőknek köszönhető: A részegységek, melyekből egy kombinált ciklusú erőmű felépül, régóta elfogadottak, jelenleg is megbízhatóan üzemelnek az erőművekben. A beruházási és fejlesztési költségek fajlagosan alacsonyabbak. Alacsony környezetszennyezés. A munkaközegek (levegő és víz) nagy mennyiségben állnak rendelkezésre, nem mérgezőek és nem drágák. Magas termodinamikai hatásfok. Kombinált gőz/gázciklusú rendszer előnyei: 1. Magas termikus hatásfok: A gáz/gőz kombinált ciklusú erőművek hatásfoka jóval magasabb, mint bármely másik konvencionális energia-átalakító rendszeré. Az 1 6. ábrán látható különböző erőművek hatásfokának összehasonlítása a kiadott teljesítmény függvényében. 2. Alacsony telepítési és üzemeltetési költségek: A részegységek előregyárthatók, gyárilag összeszerelhetők, ezzel csökkenthetők a beépítési költségek és az átfutási idő, 1 7. ábra. A fajlagos beruházási költségek összehasonlítása különböző erőműtípusoknál az 1 8. ábrán látható, a költségek változhattak 1988 óta, de az arányok hasonlóak. Az ábra szemlélteti, hogy a nyíltciklusú gázturbinás erőmű fajlagosan a legolcsóbb, illetve az újrahevítéses széntüzelésű erőmű a legdrágább. A többi típus pedig e kettő fajlagos beruházási költség közötti tartományban található. A nagyfokú előszereltséggel csökkenthető a helyszíni raktározási terület- és költségigény. A gázturbina telepítése után az működhet különállóan is, azaz áramot termelhet a többi alkotórész telepítésének befejezése előtt. Így hamarabb térülhet meg a befektetés. Bár az üzemeltetési költség legnagyobb részét a tüzelőanyagok ára adja, ill. a működési és adminisztrációs költség is csak mintegy 5 10 %-a a tüzelő-anyagénak, mégis érdemes megemlíteni, hogy a kombinált ciklusú erőműveknél még ez is alacsonyabb. Ennek oka az, hogy a gázturbina egyszerűbb felépítésű. Kevesebb kezelőszemélyzetre van szükség, továbbá a karbantartási költségek is alacsonyabbak, mint egy hagyományos gőzerőműben.

1 6. ábra. Különböző típusú erőművek hatásfokainak összehasonlítása. CC Kombinált-ciklusú erőmű ST-R Újrahevítéses (UH) gőzerőmű GT Gázturbinás (nyílt) erőmű ST-NR Nem újrahevítéses gőzerőmű 1 7. ábra. Különböző típusú erőművek létesítési idejének összehasonlítása. CC Kombinált-ciklusú erőmű ST-RC UH gőzerőmű, széntüzeléssel GT Gázturbinás erőmű ST Gőzturbina, olaj vagy gáztüzeléssel

1 8. ábra. Fajlagos beruházási költség különböző erőműtípusoknál. (1988) CC Kombinált-ciklusú erőmű ST-RC UH gőzerőmű, széntüzeléssel GT Gázturbinás (nyílt) erőmű ST Gőzerőmű, olaj- vagy gáztüzeléssel 3. Rugalmasság a tüzelőanyagok terén: A kombinált ciklusú erőművek magas hatásfokon üzemeltethetők a tüzelőanyagok széles skáláján, a földgáztól és tüzelőolaj kezdve, a nagy koromtartalmú nyersolajon keresztül egészen a nehézolajokig. Szénelgázosításból származó gázzal is működnek már turbinák, ami az utóbbi időben egyre nagyobb teret nyer. 4. Rugalmas működési tartomány: A kombinált ciklusú rendszerek jó hatásfokkal működnek alap-, menetrendtartó- és csúcsüzemű erőműként is. Nyílt ciklusban a gázturbina általában ¼ órán belül hálózatra kapcsolható. Többtengelyű elrendezés esetén a gőzturbina mintegy 60 percen belül indítható. Részterhelésen a jó hatásfokot a kilépő gázturbina füstgázmennyiség viszonylag magas értéke biztosítja. Gazdasági összehasonlításban tehát a kombinált ciklusú erőmű sokkal előnyösebb bármelyik másik erőművel összevetve, mivel rövidebb idő alatt, olcsóbban épül fel; előbb kezd el áramot termelni és jobb hatásfokkal üzemel, mint bármelyik más típusú erőmű. 1.2 Gáz/gőzüzemű kombinált ciklusú erőművek fejlődése A kombinált ciklusú erőművek fejlődése párhuzamos a gázturbinák fejlődésével. Napjainkig a kombinált ciklusok három generációja különíthető el, jelenleg éppen az átmenet van folyamatban a harmadik- és negyedik generációs berendezések között.

1.2.1 Elsőgenerációs kombinált ciklusú erőművek Az első gázturbina, melyet elektromos áram termelésére használtak az USA-ban, kombinált ciklusú kapcsolatban volt egy hagyományos gőzerőművel. A 3,5 MW teljesítményű (1 9. ábra) gázturbina füstgázhőjét a 35 MW teljesítményű gőzciklus tápvizének előmelegítésére használták (ezen hőcserélőket 1959-ig simafalú, nem bordázott csövekkel szerelték). 1 9. ábra. Az első áramtermelésre szolgáló gázturbina, kombinált ciklusba kapcsolva. Az 50-es és 60-as években épült kombinált ciklusú erőművek többségében hagyományos kazánokat alkalmaztak. A gázturbinák füstgázát mint égési levegőt használták fel. Ezzel a kombinációval 5 6 %-kal jobb hatásfokot értek el, mint az akkori hagyományos erőművek. Az 1 1. táblázatban láthatók az elsőgenerációs kombinált ciklusú erőművek legfőbb tulajdonságai. Gázturbina Alkalmazások Gőzciklus Károsanyag kibocsátás Tüzelőanyag Kis teljesítményű gázturbinák Repowering, kogeneráció, 1949-68 Nem újrahevített, egy- vagy kétnyomású Nincs szabályozva Tüzelőolaj, földgáz 1 1. táblázat. Elsőgenerációs kombinált ciklusú erőművek tulajdonságai.

1.2.2 Másodikgenerációs kombinált ciklusú erőművek 1958-tól kezdve a kazángyártók a füstgázoldali hőátadás javításának céljából alkalmazni kezdték a hegesztett, bordáscsöves előmelegítő felületeket (spirális borda-elrendezéssel), így sokkal jobban hasznosíthatóvá vált a megnövekedett teljesítményű és egyre magasabb füstgázhőmérsékletű gázturbinák kilépő hőmennyisége. Az első ilyen típusú hőhasznosító kazánnal (Heat Recovery Steam Generator HRSG) ellátott kombinált ciklusú erőmű 1959- ben épült fel. A 60-as években építettek néhány ilyen jellegű erőművet, de igazán széles körben elterjedt és elfogadott csak a 70-es és 80-as időszakban lett. Ami cseppet sem véletlen az ebben az időszakban kitört első olajválság tükrében. Az akkori mércével égbeszökő olajárak mindenkit a hatékonyabb energia-átalakító rendszerek fejlesztésére és építésére ösztönöztek. Környezetvédelmi okok miatt a 70-es években elkezdték törvényileg szabályozni a kilépő füstgáz NO x tartalmát. Ekkor kezdtek alkalmazni víz- vagy gőzbefecskendezést az égőtérbe, ezzel teljesítve (gazdaságosan és egyben jó hatásfokkal) az új előírást. A füstgáz NO x tartalma ~75 ppm lehetett, 15 % O 2 mellett. Mivel az előírások egyre szigorúbbak lettek, a 80-as évek közepén katalizátorokat (Selective Catalytic Reduction System SCR) kezdtek beépíteni, hogy az előírt mennyiségre csökkenthessék a füstgáz NO x tartalmát. Az 1 2. táblázatban láthatók a másodikgenerációs kombinált ciklusú erőművek legfőbb tulajdonságai. Gázturbina Alkalmazások Gőzciklus Károsanyag kibocsátás Tüzelőanyag 50 90 MW teljesítményű gázturbinák Hőhasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú erőművek, 1969-90 Nem újrahevített, kettő- vagy háromnyomású Víz- vagy gőzbefecskendezés, SCR rendszerek beépítése a hőhasznosító kazánokba Tüzelőolaj, földgáz, alacsony fűtőértékű gáz, nehézolaj 1 2. táblázat. Másodikgenerációs kombinált ciklusú erőművek tulajdonságai 1.2.3 Harmadikgenerációs kombinált ciklusú erőművek Az első- illetve a második generációs kombinált ciklusú erőműveknél olyan gázturbinákat alkalmaztak, melyek működése a szimpla gázciklushoz volt optimalizálva. Ezzel szemben a 80-as és 90-es években olyan gázturbinákat kezdtek kifejleszteni, melyek optimálisan illeszthetők egy kombinált ciklusba. Az 1 10. ábra bemutatja, mind a kombinált gáz/gőzmind a sima gázciklusú erőmű termikus hatásfokának változását a turbina belépő és kilépő hőmérsékletének függvényében. A sima gázciklus esetén a legmagasabb termikus hatásfokot akkor érjük el, ha a kilépési hőmérséklet igen alacsony, 400 450 C, 1 10. ábra a,. Ezzel szemben a kombinált ciklusú erőművek esetében az optimum pont eltolódott a

magasabb kilépési hőmérséklet felé, 550 650 C, 1 10. ábra b, mert így érhetünk el magasabb hatásfokot a gőz oldalon. Gazdasági megfontolások miatt az újonnan tervezett gázturbinákat nem hatásfokra, hanem energiasűrűségre optimalizálják. Szerencsére ez az optimum megegyezik a kombinált ciklusú erőművek optimális hatásfokával, végeredményül is napjaink gázturbináinak többsége optimálisan illeszthető kombinált ciklusba. a, b, 1 10. ábra. Termikus hatásfok változása a turbina belépő és kilépő hőmérséklet függvényében. a, Meztelen gázturbina b, Kombinált ciklusú gázturbina A gázturbinák fejlődésének van a legnagyobb hatása a kombinált gáz/gőzciklus termikus hatásfokának javulására, köszönhetően az égési hőmérséklet növekedésének, amit az tett lehetővé, hogy oxidációnak és korróziónak magas hőmérsékleten is ellenálló ötvözeteket vezettek be és felületi hűtést alkalmaznak. Természetesen a gőzturbinák fejlődése is nagyban elősegítette a minél jobb hatásfok elérését. Az 1 3. táblázatban láthatók a harmadikgenerációs kombinált ciklusú erőművek legfőbb tulajdonságai.

Gázturbina 90 270 MW teljesítményű gázturbinák Alkalmazások Hőhasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú erőművek, 1990-es évek elejétől napjainkig Gőzciklus Újrahevített, háromnyomású Károsanyag kibocsátás Tüzelőanyag Víz vagy gőz befecskendezés, SCR rendszerek beépítése a hőhasznosító kazánokba Tüzelőolaj, földgáz, alacsony fűtőértékű gáz, nehézolaj 1 3. táblázat. Harmadikgenerációs kombinált ciklusú erőművek tulajdonságai. 1.2.4 Negyedikgenerációs kombinált ciklusú erőművek A negyedik generációs kombinált ciklusú erőművek fejlődésére, korábbi generációkhoz hasonlóan, a legnagyobb befolyása a gázturbináknak lesz. Növekvő egységteljesítmény esetén, jelenleg már 300 MW fölött, a gázturbináknál a hatásfok javul, ami mostani berendezések esetében 35 39 %. A korróziónak és oxidációnak magas hőmérsékleten is ellenálló acélok valamint a felületi hűtés fejlődése, továbbá a lapátok gőzzel való hűtése egyre magasabb turbina előtti hőmérsékletet tesz lehetővé: a mostani 1350 C-ot is meghaladva akár az igen magasnak tűnő 1700 C is elérhetővé válhat. A hőmérséklet növekedésével a nyomásviszony is növekedni fog az optimalizálás során, különböző gyártók esetén más-más mértékben, jelenleg 17 30 általában, de egyes esetekben ennél magasabb is lehet. További szigorítások várhatóak a kibocsátott károsanyagok mértékével kapcsolatban, ezért a gázturbina gyártók továbbfejlesztik a tüzelőberendezéseket, a magasabb hatásfok és alacsonyabb károsanyag kibocsátás érdekében. Összegezve: a következő generációs kombinált ciklusú erőműveknek még magasabb lesz a hatásfoka, nagyobb a kiadott teljesítménye, alacsonyabb károsanyag emisszió mellett. Az 1 4. táblázatban láthatók a negyedikgenerációs kombinált ciklusú erőművek legfőbb tulajdonságai.

Gázturbina 300 MW nagyobb teljesítményű gázturbinák Alkalmazások Hőhasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú erőművek, ezredforduló kezdetétől Gőzciklus Újrahevített, háromnyomású Károsanyag kibocsátás Tüzelőanyag Víz ill. gőz befecskendezés nélküli alacsony NO x kibocsátású égők, SCR rendszerek beépítése a hőhasznosító kazánokba Tüzelőolaj, földgáz, alacsony fűtőértékű gáz, nehézolaj 1 4. táblázat. Negyedikgenerációs kombinált ciklusú erőművek tulajdonságai. 2. Kombinált ciklusú erőművek alapvető típusai [7] [8] A két erőműtípus, gázturbinás erőmű illetve gőzerőmű, összekapcsolására több lehetőség nyílik, melyek között vannak lazább, illetve szorosabb kapcsolatok. 1 11. ábra. Kombinált ciklusú erőmű laza kapcsolatban: füstgáz hőjének hasznosítása tápvíz előmelegítésre. A legegyszerűbb és egyben a leglazább kapcsolat egy gázturbina és egy gőzerőmű között az 1 11. ábrán látható. Ebben az esetben a gázturbina füstgázának kilépőhőjét a gőzerőmű tápvizének előmelegítésére használjuk fel, ezzel természetesen jobb hatásfokot érhetünk el, mint külön-külön. A két rendszer külön is működhet, mind a kettőnek saját tüzelőberendezése van. Meglévő szénbázisú gőzerőművek kisebb teljesítményű gázturbinás kiegészítésénél

( gázturbinás fejelés ) alkalmazzák ezt a laza kapcsolatot, a blokk teljesítményének növelésére és hatásfokának javítására. A drágább tüzelőanyag miatt a gázturbinát általában csúcsüzemben működtetik. 1 12 ábra. Kombinált ciklusú erőmű laza kapcsolatban: a gőzkazán égési levegője a gázturbinából kilépő füstgáz. Az 1 12. ábrán látható kombináció is kevésbé kötöttnek tekinthető, ebben a kapcsolatban a gázturbina kilépő füstgázát a gőzerőmű kazánjába vezetjük és mint égési levegő hasznosítjuk. A gázturbinából kijövő füstgáz még legalább 14 15 % oxigént tartalmaz, így még feltétlenül alkalmas égési levegőnek. Ebben az esetben is javul a hatékonyság és növekszik a teljesítmény, habár a kazán kilépési vesztesége is megnő. Szintén csúcsüzemben alkalmazzák. 1 13. ábra. Kombinált ciklusú erőmű szorosabb kapcsolatban, hőhasznosító kazánnal. A kombinált ciklusú erőművek legelterjedtebb típusának az egyszerű vázlata látható az 1 13. ábrán. A gázturbinában történik a tüzelés, de néhány esetben van ún. póttüzelés beépítve, az utánkapcsolt hőhasznosító kazán (HRSG) elé. Ezzel a kombinációval lehet elérni a legmagasabb hatásfokot. A gázturbina külön is üzemelhet, viszont a gőzturbina csak kombinációban működhet.

1 14. ábra. Kombinált ciklusú erőmű szoros kapcsolata: feltöltött kazán. A legszorosabb kapcsolat akkor jön létre, ha a gázturbinát és a gőzerőművet nyomás alatt lévő, ún. feltöltött kazánnal kapcsoljuk össze, ahogy az 1 14. ábrán látható. A két rendszer csak együtt üzemelhet, külön nem. Magas, 42 50 % közötti hatásfokot érhetünk el. Hátránya, hogy hamumentes tüzelőanyagot igényel, vagy széntüzelés esetén nagyon jó hatásfokú füstgáztisztítást. Előnye a hagyományos gőzerőművekkel szemben a magasabb hatásfok, ill. az alacsonyabb károsanyag kibocsátás. 3. Ideális gáz/gőz körfolyamat A kombinált gáz/gőz körfolyamatban az egyszerű gáz illetve gőz körfolyamathoz képest úgy érünk el magasabb hatásfokot, hogy a gázturbinából kilépő magas hőmérsékletű füstgáz hőjét egy hőcserélőn keresztül a gőz körfolyamatba juttatjuk. Az 1 15. ábra. szemlélteti a reverzibilis gáz/gőz körfolyamat T s diagramját. 1 15. ábra. Reverzibilis kombinált gáz/gőzkörfolyamat T-S diagramja 1 2 adiabatikus kompresszió 3 4 adiabatikus expanzió 2 3 izobár hőbevitel 4 1 izobár hőátadás

4 5 adiabatikus expanzió 5 1 izobár hőátadás A gázturbina Joule Brayton körfolyamatában az egyes (1) pontban T 1 hőmérsékletű, p 1 nyomású környezeti levegőt szív be a kompresszor. Adiabatikus, izentropikus kompresszióval komprimálja p 2 nyomásra, miközben a hőmérséklet T 2 -re emelkedik. A gázturbinába a hőbevitel a 2-3 izobár szakaszon történik. A tüzelőanyagot az égőkamrában elégetjük a p 2 nyomású levegővel és ezzel a munkaközeg (füstgáz) hőmérsékletét növeljük (T 3 ). A nagy nyomású és hőmérsékletű füstgáz a turbinába kerül és p 1 környezeti nyomásig expandál, adiabatikus, izentropikus állapotváltozás során. A gázturbina füstgáz maradék hőjének gőzfejlesztéshez való felhasználása a 4-1 görbe mentén történik. Ezen a szakaszon a hőátadás állandó nyomáson megy végbe. A 4-5 szakaszon a gőz adiabatikusan expandál a gőzturbinában, kondenzátornyomásig. Az 5-1 szakaszon izobár hőelvonás történik, a kondenzátorban. Az ideális gáz/gőz körfolyamat hatásfoka [7] T3 T G 1 T (1.1) T π π 1 1 η / Go = 1 = 1 ln κ 1 κ 1 T2 3 T3 κ κ 1 κ 1 κ H 2 3 T3 T2 T3 T1 π T 2 3 = = = (1.2) S T 2 3 3 T3 ln ln κ 1 T2 κ π alakban írható fel, ahol T 1 2 3 a hőelvonás hőmérséklete T a hőközlés termodinamikai átlaghőmérséklete a gázturbinában T 3 π κ a gázturbina belépő füstgáz hőmérséklete nyomásviszony adiabatikus kitevő

1 16. ábra. Reverzibilis kombinált gáz/gőzkörfolyamat hatásfoka a hőmérséklet és nyomásviszony függvényében. A (1.1)-es összefüggésből látszik hogy a veszteségmentes gáz/gőz körfolyamatot három változó befolyásolja, a π = p 2 p1 nyomásviszony, a κ adiabatikus kitevő és a T3 T 1 hőmérséklet arány. A 1 16. ábra bemutatja η G / Go hatásfok változását a π nyomásviszony és T3 T1 hőmérséklet függvényében. A nyomásviszony és a hőmérsékletarány növelésével az ideális körfolyamat hatásfoka növekszik. Az ábráról egyértelműen leolvasható, hogy a kombinált gáz/gőz körfolyamat hatásfoka mind a nyomásviszony mind a hőmérsékletarány figyelembevételekor jóval meghaladja a Joule-Brayton körfolyamatú reverzibilis gázturbina hatásfokát. 4. Gázturbina és gőzerőmű illesztése, a hőhasznosító-gőzfejlesztő Az 1 18. ábra bemutat egy egyszerű felépítésű, egynyomású, póttüzelés nélküli kombinált gáz/gőzciklusú erőmű-blokkot: gázturbina egynyomású hőhasznosító kazán kondenzációs gőzturbina víz- vagy levegőhűtésű kondenzátor egyfokozatú tápvízelőmelegítés a gáztalanítóban A hőhasznosító kazán három fő részegységből épül fel: tápvíz előmelegítő elgőzölögtető túlhevítő

1 17. ábra. Kombinált körfolyamat a T-s diagramban 1 18. ábra. Egynyomású kombinált gáz/gőzerőmű blokk sematikus ábrája. 1 Kompresszor 6 Tápvízelőmelegítő 11 Kondenzátum tartály, gáztalanító 2 Gázturbina 7 Kazándob 12 Tápvíz szivattyú 3 Füstgáz by-pass 8 Gőzturbina 13 Kondenzátum szivattyú

4 Túlhevítő 9 Kondenzátor 5 Elgőzölögtető 10 Gőz by-pass Az 1 17. ábrán a rendszer T-s diagramja látható: a Joule-Brayton körfolyamatot a magasabb hőmérsékletek miatt felső ciklusnak (topping cycle) is hívják. A Rankine ciklus az alacsonyabb hőmérsékletek miatt alsó ciklusnak (bottoming cycle) is nevezhető. A valóságos illetve ideális körfolyamatok közötti eltérések okai: 1 2 irreverzibilis kompresszió 3 4 irreverzibilis expanzió 4 5 véges felületű hőcserélő 9 10 irreverzibilis expanzió Az irreverzibilitások miatt a valóságos hatásfok mindig alacsonyabb, mint az ideális. A gázturbinába bevitt tüzelőteljesítmény Q & = B & H (1.3), be GT tü i alakban írható fel, ahol: B & tü a tüzelőanyag tömegárama H a tüzelőanyag fűtőértéke i A gázturbina hatásfoka a nyomásveszteségek és az irreverzibilis kompresszió, illetve expanzió miatt P GT η GT = (1.4) Q& be, GT alakban írható fel, ahol: P GT a gázturbina által leadott teljesítmény A gázturbinából kilépő magas t 4 hőmérsékletű, közel légköri nyomású füstgáz hőjének egy részét ezután gőztermelésre használjuk a hőhasznosító kazánban, melyben a véges hőátadó felületek miatt a hőhasznosítás hatásfoka Q& Q& η h = = (1.5) Q& ( Q& be be k1, GT 1 η GT ) be, GT alakban írható fel, ahol: Q & be a hőhasznosító kazánban gőztermelésre felhasznált hő

Tehát a hőhasznosítóból kilépő gőz a gőzturbinában expandál. Itt is fellépnek irreverzibilitások, ezért a hatásfok Pgöz η göz = (1.6) Q& be képletből számítható, ahol: P göz a gőzturbina által leadott teljesítmény Ezekből a képletekből a kombinált ciklusú erőmű hatásfoka η P + P = = η + (1 η ) η η GT göz G / G Q& be, GT GT GT h göz (1.7) egyenletből határozható meg. 1 19. ábra. Egynyomású kombinált gáz/gőzerőmű energiafolyam diagramja (példa). Q Bevitt tüzelőteljesítmény V1 Kondenzátor veszteség V3 Sugárzási veszteség a HRSG-ben V4 Veszteség a füstgáz by-pass kéményen V5 Generátor és sugárzási veszteség, a gőzturbinánál V6 Generátor és sugárzási veszteség, a gázturbinánál ST Gőzturbinával előállított elektromos áram GT Gázturbinával előállított elektromos áram V2 Kémény veszteség

Az 1 19. ábra szemlélteti számunkra az egynyomású, póttüzelés és újrahevítés nélküli, kombinált ciklusú erőmű energiafolyam diagramját, egy példán keresztül, konkrét értékekkel, a mennyiségek és nagyságrendek érzékeltetése céljából. Az ábrán látható, hogy a legnagyobb veszteség a kondenzátoron keresztül távozik: a bevitt hő 28,3 %-a (ezt elkerülni nem lehet, mivel a gőzt le kell kondenzáltatni). Majdnem hasonló mértékű veszteség (25,2 %) távozik a kéményen keresztül is, aminek elsődleges oka az egynyomású gőztermelés. Az össz. veszteség mintegy 55 % ami a kondenzátorban elvont és a kéményen át távozott hőmennyiségen kívül egyéb veszteségeket is tartalmaz, melyek összessége 1,5 %, így a blokk eredő hatásfoka 45 %-os. Az összes bevitt energia 30,1 %-a hasznosul a gázturbinában és 14,9 % a gőzturbinában. Az arányok (2/3-1/3) a kombinált ciklusú erőművekben megszokott, tipikus értékek, ebből is látszik, hogy a gázturbinának mennyivel nagyobb hatása van az egész rendszer hatásfokára. Hasonló hatásfokú, egynyomású kombinált ciklusú erőművi blokk Magyarországon pl. a Dunamenti Erőműben található. A Dunamenti G1+G2 blokkokban 145 MW névleges teljesítményű Siemens gázturbinák üzemelnek (a korábban épített G1 blokk HRSG egynyomású, hatásfoka így a mai szemmel szerénynek mondható 46 % körüli érték). 5. Erőművi gázturbinák A gőzturbinákkal ellentétben, ahol több, az előírt teljesítményhez hasonló kapacitású gőzturbinát tudnak ajánlani a gyártók, a gázturbinákat csak meghatározott méretben, ahhoz tartozó teljesítménnyel, szabványos kondíciók mellett (15 C, 1.013 bar és 60 % relatív páratartalom) választhatunk. Választható gázturbina típusok és tulajdonságaik [11]: Aeroderivatív: Teljesítményük korlátozott, maximum 40 MW, kombinált ciklus esetén ez mintegy 55 60 MW. Magas gázhőmérséklet (1200 1300 C); nagy nyomásviszony; magas termikus hatásfok, akár 42 %. Könnyű, kicsi, kompakt egységek; akár 2 napon belül is cserélhető. Hagyományos gázturbinák: Hosszútávú üzemeltetési tapasztalatok felhasználásával kifejlesztett és továbbfejlesztett gázturbinák. Szerényebb gázhőmérséklet (1100 C körüli), alacsonyabb termikus hatásfok. Általában nagyobb rugalmasság a tüzelőanyagok tekintetében. Teljesítmény 60 Hz esetén kb. 110 MW, 50 Hz-es berendezésnél mintegy 160 MW; kombinált ciklusban ~180 240 MW. Fejlett nagyteljesítményű gázturbinák:

Magasabb frekvencia esetén (60 Hz) 200 MW körüli a teljesítmény, 50 Hz esetén már van 310 MW, ill. még nagyobb teljesítményű gázturbina is. Kombinált ciklusba kapcsolva a kiadható teljesítmény 300 530 MW. A magas gázhőmérsékletnek (1300 C) és nagy nyomásviszonynak (20 30) köszönhetően, a gázturbina hatásfoka 39 %, kombinált ciklusú erőműben akár 60 % is lehet. A magas kilépési hőmérséklet (630 C) és a viszonylag nagy szállított tömegáram (640 kg/s) gazdaságos és jó hatásfokú gőzkörfolyamatot eredményez. 5.1 A gázturbinák fejlődése Az erőművi gázturbinák hosszú idő alatt, sokirányú fejlesztés eredményeként alakultak ki. A gázturbina belépési hőmérsékletének növelése és az ezt elősegítő kutatások eredményei tették lehetővé a kombinált ciklusú erőművek versenyképessé válását az energetikai iparban. Párhuzamosan a turbinákkal, a kompresszorokat is fejlesztették és ennek eredményeként, napjainkra a szállítható tömegáram az 1950-es években megszokott többszörösére nőtt, valamint a modern kompresszorok nyomásviszonya a 30-at is meghaladja. A turbina előtti hőmérséklet és szállított tömeg növekedésének tendenciája az 1950 90-es évekig bezárólag az 1 20. ábrán látható (a tendencia az ezredfordulóig fennmaradt). 1 20. ábra. Turbina előtti hőmérséklet és a szállított tömegáram növekedés 1950 1990 között [11].

5.2 Kezdőhőmérséklet növelés hatásai A gázturbina előtti hőmérséklet (környezeti levegő) nagyban befolyásolja a valóságos gázturbina körfolyamattal és kombinált ciklussal elérhető hatásfokot és teljesítő-képességet [7]. Az 1 21. ábrán látható a kezdőhőmérséklet és nyomásviszony függvényében a gázturbina körfolyamat valóságos hatásfokának változása. A kompresszióviszonynak minden egyes gázhőmérséklet esetén optimuma van. Mind a fajlagos teljesítmény mind a hatásfok nagymértékben növekszik a T 3 turbina előtti hőmérséklet növelésével és a hozzá tartozó optimális hatásfokkal. a, b,

1 21. ábra. Nyomásviszony és kezdőhőmérséklet hatása a valóságos gázturbina körfolyamat a, fajlagos teljesítményére és b, hatásfokára. Ahogy a diagrammokon látható, a két optimum (a hatásfok és az energiasűrűség) nem esik egybe. Mivel az energiasűrűségre való optimalizálás megegyezik a kombinált ciklusú erőművek optimumával, ezért az új típusú gázturbinákat így tervezik. Az optimális nyomásviszony számításához szükséges képletet úgy kaphatjuk meg, hogy a gázturbina hasznos teljesítmény képletét a nyomásviszony szerint deriváljuk, nullával egyenlővé tesszük, majd kifejezzük a π-t. A valóságos gázturbina folyamatnál az optimális nyomásviszony (a nyomásveszteséget elhanyagolva) a következő π opt 1 κ g l g 1 κ 1 κ 1 + κ g κl c pg κ g T3 = η adk η adt c κ pl l 1 T (1.8) 1 κ l összefüggésből határozható meg [10], ahol c pg magas hőmérsékletű füstgáz fajhője c pl környezeti hőmérsékletű levegő fajhője κ g füstgáz adiabatikus kitevő κ l levegő adiabatikus kitevő η adk kompresszor adiabatikus hatásfok η adt turbina adiabatikus hatásfok T 3 T 1 turbina előtti hőmérséklet kompresszor előtti levegő hőmérséklet Az (1.8) összefüggésből látható, hogy a valóságos nyomásviszony függ az égéstermék és levegő fajlagos hőkapacitás közti különbségtől, a sűrítés és az expanzió során az adiabatikus kitevők változásától, kompresszor és turbina adiabatikus hatásfokától, továbbá pontosabb számításnál még a nyomásveszteségtől is. A π optid és π opt valos közötti kapcsolat a nyomásveszteség változásakor az 1 21. ábrán látható.

1 21. ábra. A teljesítmény szempontjából optimális nyomásviszony relatív változása nyomásveszteség hatására. Az 1 5. táblázatban található adatokat felhasználva, különböző gyártók által tervezett gázturbinák teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonyai az előzőekben bemutatott képlet alapján számítható ki. A számítás során a következő adatokat használtam fel, melyeket Dr. Fülöp Zoltán: Gázturbinák c. könyvében olvastam: c pg = 1,257 kj/kgk (1400 1600 K, λ=3,5) c pl = 1 kj/kgk (288 K) κ g 1 = 0,227 (1400 1600 K, λ=3,5) κ g κ l = 0,285 (288 K) η adk = 0,88 η adt = 0,86 T 3 T 1 turbina előtti hőmérséklet = 288 K σ e = 0,88 az 1 21. ábrából kinézve a szorzó 1,07 Az Alstom GT26-os gázturbina teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya, az (1.8) képletbe behelyettesítve a fenti adatokat: 1,257 0,277 1503 0,277+ 0, 285 π opt = 0,88 0,86 1,07 = 15,686 (1.9) 1 0,285 288 1 A General Electric MS9001FA típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya: 1,257 0,277 1561 0,277+ 0, 285 π opt = 0,88 0,86 1,07 = 16,89 (1.10) 1 0,285 288 1

A Mitsubishi 701F típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya: 1,257 0,277 1623 0,277+ 0, 285 π opt = 0,88 0,86 1,07 = 18,226 (1.11) 1 0,285 288 1 A Siemens SGT5-4000F (régebbi nevén V94.3A) típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya: 1,257 0,277 1583 0,277+ 0, 285 π opt = 0,88 0,86 1,07 = 17,359 (1.12) 1 0,285 288 1 A számított optimális nyomásviszonyok alátámasztják azt az állítást, hogy az új típusú gázturbinák teljesítményre optimalizáltak. Az új gázturbináknál jellemző 1200 1350 C turbina előtti hőmérséklethez 16 18-as teljesítményre vonatkoztatott nyomásviszony tartozik, optimálisan. A négy gyártó közül az Alstom gázturbinája működik magasabb nyomásviszonnyal, közelebb a hatásfok optimumhoz. Ennek oka az lehet, hogy a GT26 gázturbina ún. soros tüzelésű és ebben az esetben érdemesebb magasabb nyomásviszonyt választani: ezzel csökkenthető a turbina belépő hőmérséklete, illetve az NO x kibocsátott mennyisége is. Kombinált ciklusba való illesztés esetén nincs jelentősebb különbség a villamos teljesítményre vonatkoztatott hatásfok szempontjából. 5.3 Kezdőhőmérséklet növelésének lehetőségei és üteme Mint az 1 22. ábrán látható, az 1960 70-es években ~750 C volt a gázhőmérséklet, majd a fokozatos, több irányú fejlesztések eredményeként 2000-re a nagyteljesítményű (200 300 MW) gázturbinák esetén elérte az 1300 C körüli hőmérsékletet. A gázhőmérséklet T 3 növelésének lehetőségei: Megfelelő anyagok alkalmazása Felületi hűtés Zárt gőzhűtés Keramikus bevonat Az ötvözés célja a diszlokációk mozgásának megakadályozása, az ún. szuperötvözetek a kezdetek óta nikkel- és kobalt bázisúak. Kezdetben a hagyományos öntvényeket (Conventional Cast-CC), a statisztikusan kristályosodó polikrisztallitokat alkalmazták [7]. Később szilárdságnövelés céljából csökkentették a Cr-tartalmat és más ötvözők (Mo, W, Ta, Nb) mennyiségét növelték meg.

1 22. ábra. Kezdőhőmérséklet növelésének lehetőségei és időbeli változásai CC Hagyományos öntvények T a Lapátanyagban megengedett hőmérséklet T b Lapátburkolat által áthidalt hőmérséklet T h Lapáthűtés SC Egykristály DS Irányított dermedés T 3 Gázhőmérséklet Diszlokációk mozgásának megakadályozásában, megszüntetésében nagy szerepe van a krisztallitok méretének és elrendezésének. Ezért kezdték el alkalmazni az irányított dermedést (Directional Solidification-DS) az öntészetben, valamint az egykristály szerkezetet. A megfelelő anyagok alkalmazása ~200 C-os gázhőmérséklet emelkedést tett lehetővé a turbina előtt. 1 23. ábra. Lapáthűtés komprimált levegővel, illetve gőzzel.

A lapátok filmhűtése, valamint a mostanában alkalmazott zárt rendszerű gőzhűtés további ~300 C-os fokos emelkedést tett lehetővé mostanáig illetve a jövőben ezen technológiák fejlődése várhatóan további hőmérsékletnövekedést fog lehetővé tenni. Az 1 23. ábrán láthatunk a filmhűtés, illetve a gőzhűtés megoldásaira egy-egy példát. Az 1990-es évek óta alkalmaznak a lapátok felületének bevonására keramikus védőréteget, ami további plusz ~100 200 C növelést tett lehetővé a füstgáz illetve a lapát felületi hőmérséklete között. 6. A hőhasznosító (HRSG) kazánok bemutatása [7] A hőhasznosító kazánok feladata a gázturbina füstgáz érzékelhető hőjének visszanyerése gőz előállításához. Annak érdekében, hogy jó hatásfokot érjünk el a gőzoldali részen, viszonylag magas gőzparaméterekre van szükség. Legmagasabb hatásfokot akkor érünk el többnyomású HRSG esetén, ha nincs póttüzelés, tehát valamennyi bevitt tüzelőanyagot a gázturbinában tüzeljük el. Egynyomású HRSG hatásfokát növeli a póttüzelés alkalmazása. Elvárások egy optimális hőhasznosító kazánnal szemben: Minél több visszanyert hő (magas hatásfok) Alacsony nyomásesés füstgázoldalon (ökölszabály: ~10 mbar nyomáscsökkenés kb. 0,8 % teljesítmény- és hatásfokromlást eredményez). Alacsony hőmérsékleti korrózió elkerülése. Nagy nyomásváltozások tűrése az indítás során. 6.1 A hőhasznosító (HRSG) kazán kialakításai [9] Kétféle hőhasznosító kazánszerkezetet alkalmaznak az iparban: a függőleges illetve a vízszintes elrendezést. A kétféle kialakítást az 1 24. ábrán láthatjuk: a, függőleges b,. vízszintes. A függőleges kialakítású hőhasznosító kazán előnyei: A szerkezet kihasználja a természetes huzatot, ami fontos a füstgáz hidraulikai ellenállása miatt, ugyanis az csökkenti a gázturbina teljesítményét. Magas füstgázsebesség (15 m/s): jobb füstgázoldali hőátadási tényező. Kisebb területigény, mint vízszintes elrendezés esetén. Hátránya: A hőcserélő felületek vízszintes elrendezése miatt az elgőzölögtető csövekben nem alakul ki természetes cirkuláció, ezért nagyteljesítményű keringtető szivattyúkra van szükség.

a, b, 1 24. ábra. Hőhasznosító kazán kialakításának lehetőségei, a, függőleges, b, vízszintes elrendezés. A vízszintes kialakítású hőhasznosító kazán előnye: Természetes áramlás alakulhat ki a függőleges elrendezésű hőcserélő felületek miatt, bár ebben az esetben is lehet alkalmazni keringtető szivattyút (természetesen sokkal kisebb teljesítményűt, mint függőleges esetben). Hátránya: Füstgázoldalon nem alakul ki természetes huzat, ebből kifolyólag az áramlási ellenállás - változatlan sebesség mellett - megnő.

Mint a fentiekből látható, mindkét elrendezésnek vannak előnyei, illetve hátrányai, ebből következően mindkettő hasonlóan elterjedt. 6.2 Nyomásszintek összehasonlítása A hőhasznosító kazánban a füstgázhő visszanyerésének hatásossága attól is függ, hány nyomásszinten történik a gőzfejlesztés. Az ideális eset az 1 25. ábrán a, látható, de mivel az evaporáció állandó hőmérsékleten megy végbe, a valóságban ez nem valósítható meg. Valóságos egynyomású gőztermeléskor a hőátadás az 1 25. ábrán b, látható: ilyenkor az átadható hőmennyiség korlátozott, mivel az elgőzölögtető felületet elhagyó füstgáz hőmérséklete magasabb kell, hogy legyen, mint a fejlesztett telítettgőz telítési hőmérséklete. Mivel a tápvíz előmelegítőben is korlátozott a visszanyerhető hő mennyisége, ez magas távozó füstgázhőmérsékletet eredményez, így a vártnál alacsonyabb lesz a hővisszanyerés hatásfoka. A hátrányok ellenére vannak előnyei is az egynyomású hőhasznosító kazánnak: kevesebb helyet foglal; kevesebb anyag beépítése szükséges; alacsonyabb üzemeltetési költség. a,

b, 1 25. ábra. Ideális hőátadás a, valóságos hőátadás b, egynyomású hőhasznosító kazánban. A kombinált ciklus termikus hatásfokát úgy tudjuk növelni, hogy több nyomásszinten állítunk elő gőzt és/vagy újrahevítést alkalmazunk, ilyenkor a víz-gőz oldal jobban illeszkedik a lehűlő füstgázoldalhoz. A legmodernebb kombinált ciklusú erőműveknél 3-nyomású újrahevítéses ( 3PU ) hőhasznosító kazánokat alkalmaznak. Két- illetve háromnyomású hőhasznosító kazán, újrahevítés és szuperkritikus gőzjellemzők hatását láthatjuk az 1 26. ábrán, ugyanazon gázturbina után kapcsolva. A diagram x tengelyén a η h hőhasznosító kazán termikus hatásfoka látható, míg az y tengelyen az η k gőzturbina - hőhasznosítóban visszanyert hőre vonatkoztatott - hatásfoka található. Balról jobbra, átlósan pedig az η G/G rendszer villamos hatásfokának változása látható, mint paraméter. Az újrahevítés nélküli, kétilletve háromnyomású hőhasznosító kazánnal ( 2P ill. 3P ) kapjuk a legjobb kazánhatásfokot, de az alacsony gőzparaméterek miatt nem lesz túl jó a gőzturbina hatásfoka, továbbá az összhatásfok is alacsonyabb lesz, mint a többi esetnél. Újrahevítés ( U ) alkalmazásakor a gőzparaméterek javulása miatt nőni fog az erőművi összhatásfok is. Háromnyomású újrahevítéses HRSG ( 3PU ) alkalmazásával további ~1 2 %-os javulás jelentkezhet az összhatásfokban. 400 500 MW-os kombinált ciklusú erőműveknél egy százalékpontos hatásfokjavulás 15 20 millió $-ral csökkenti a működési költségeket a berendezés élettartama alatt. Az ábra szerint a legjobb erőművi hatásfok akkor érhető el, ha szuperkritikus háromnyomású újrahevítéses HRSG-t ( 3PUS ) alkalmazunk, de gazdaságossági tanulmányok azt mutatják, hogy az elérhető hatásfokjavulás napjainkban még nincs egyensúlyban a befektetési többlet-költségigénnyel [1]. A háromnyomású gőztermelésre láthatunk egy példát az 1 27. ábrán.

1 26. ábra. Hőhasznosító gőzfejlesztő jellemzői. 1 27. ábra. Háromnyomású gőztermelés és újrahevítés T-Q diagramja. 7. Környezeti feltételek hatása a hatásfokra és teljesítményre [11] Mint már említésre került, egy kombinált ciklus működését leginkább befolyásoló egység a gázturbina. A gázturbinák esetében a működési elvből adódóan a működési tartomány nagyon széles (a környezeti állapotok tekintetében), ezzel szemben a gőzturbinákat egy viszonylag szűk paraméter-tartományra tervezik és működtetik - ideális esetben. Egy gázturbina és/vagy kombinált ciklusú erőmű tervezésénél és üzemeltetésénél négy fő befolyásoló tényezőről beszélhetünk: külső levegő hőmérséklet; légköri nyomás, tengerszint feletti magasság; relatív nedvességtartalom;

hűtési megoldások/lehetőségek, hűtőközeg hőmérséklete. 7.1 Környezeti levegő hőmérséklet változásának hatása Kettő alapvető oka van annak, hogy a külső levegő hőmérsékletének nagy befolyása van a gázturbina és ezzel a kombinált ciklusú erőmű leadott teljesítményére és hatásfokára: A hőmérséklet növekedésével csökken a sűrűség, azaz változatlan térfogatáramot feltételezve nagymértékben redukálódik a szállítható tömegáram. Hőmérséklet növekedésével nő a kompresszor által felhasznált fajlagos teljesítmény, miközben nincs jelentősebb teljesítményváltozás a turbina oldalon (a T 3 hőmérséklet általában állandó, szabályozott érték). Az 1 28. ábrán látható a gázturbina és kombinált ciklusú erőmű relatív hatásfoka a környezeti hőmérséklet függvényében, változatlan egyéb paraméterek esetén. Ahogy az ábra is mutatja, a környezeti hőmérséklet növekedése pozitív hatással van a kombinált ciklus hatásfokára, mivel a gázturbina kilépő füstgázának magasabb a hőmérséklete (a gázturbina lapátokon kevésbe hatékony a munkavégzés, tehát az expanzióvonal vége az ideálistól jobbra és felfelé mozdul), ez növeli a gőzciklus hatásfokát. Ez a hatásfoknövekedés több, mint ami a gázturbina hatásfok-csökkenése, így összességében a kombinált ciklusú erőmű hatásfoka nő. A gőzturbina hatásfokának változása a környezeti hőmérséklet függvényében az 1 29. ábrán látható. Ez az állítás természetesen csak akkor igaz, ha a hűtővíz hőmérsékletét állandónak tekintjük. 1 28. ábra. Gőzturbina relatív hatásfoka a kombinált ciklusú erőműben, a külső hőmérséklet függvényében. (20 C a hűtővíz hőmérséklete) A kombinált ciklusú erőmű kiadott teljesítményére merőben más hatással van a környezeti levegő hőmérsékletének megváltozása. Itt a levegő és füstgáz tömegáram csökkenése a döntő.

Az 1 30. ábra szemlélteti a gázturbina és kombinált ciklusú erőmű teljesítményének változását a környezeti levegő változásának függvényében. Látható, hogy a hőmérsékletcsökkenés kisebb hatással van a kombinált ciklusra, mint a gázturbinára (fent említett okok miatt a gőzciklus teljesítménye nem csökken arányaiban annyival, mint a gázturbináé). 1 29. ábra. Gőzturbina relatív hatásfoka a kombinált ciklusú erőműben, a külső hőmérséklet függvényében. (20 C a hűtővíz hőmérséklete)

1 30. ábra. Relatív kiadott teljesítmény gázturbina illetve kombinált ciklusú erőmű esetén, a külső hőmérséklet függvényében. (20 C a hűtővíz hőmérséklete) 7.2 A légköri nyomás és tengerszint feletti magasság hatása Gázturbinák tervezésénél figyelembe vett légnyomás 1,013 bar(a), ami körülbelül megegyezik a tengerszinten mérhető átlagos környezeti nyomással. A magasság változásával az átlagos légköri nyomás is változik, ami hatással lehet a gázturbinára és ezen keresztül a kombinált ciklusú erőműre (igazán számottevő azonban a sugárhajtású repülőgépek esetében: ~10.000 m magasságban a nyomás már csak mintegy harmada a tengerszintinek). A gázturbina hatásfokára a légnyomás változása (azonos környezeti hőmérséklet mellett) nincs különösebb hatással. A kiadott teljesítményt viszont befolyásolja a kompresszor által beszívott tömegáram, ami arányos a légköri nyomással, azaz hatással van a füstgáz tömegáramára. Így közvetve a légköri nyomás arányban áll a füstgáz által átadható hőmennyiségre. Amennyiben elfogadjuk azt a szakirodalmi feltevést, hogy a gőzfolyamat hatásfokának változása zéró [4], az azt eredményezi, hogy a gőzturbina teljesítményére is hasonló hatással van a légköri nyomásváltozás, mint a gázturbinánál. Tehát a kombinált ciklusú erőműnél a légköri nyomásváltozás nem befolyásolja a hatásfokot, de a kiadott teljesítmény arányosan változik. Az 1 31. ábrán kerül bemutatásra a relatív teljesítmény és a relatív légnyomás változása, a tengerszint feletti magasság változásának függvényében. 1 31. ábra. Relatív kiadott teljesítmény és relatív légnyomás változása a tengerszint feletti magasság függvényében.

7.3 Relatív nedvességtartalom (RH) hatása A relatív nedvességtartalom növekedésével a gázturbina és kombinált ciklusú erőmű teljesítménye és hatásfoka kis mértékben növekszik, amennyiben más környezeti paraméter nem változik, ahogy ez az 1 32. ábrán is látható. A javulás elméletileg annak köszönhető, hogy magasabb relatív páratartalom esetén a bevitt plusz nedvesség entalpiáját a gázturbina hasznosítja, továbbá a füstgázból visszanyerhető energia is valamelyest növekszik. Ezt a hatást némiképp ellensúlyozza a kilépő füstgáz nagyobb nedvességtartalom okozta veszteségnövekedése. A gyakorlatban azonban igen nehezen érhető tetten ez a jelenség, mivel az ábrán látható széles RH-tartomány egy adott helyszínen ritkán tapasztalható. 1 32. ábra. Relatív kiadott teljesítmény és hatásfok alakulása a relatív nedvességtartalom függvényében. 7.4 Hűtőrendszerek, hűtőközegek A hűtőrendszer fő feladata a gőzturbinából kilépő, munkát végzett gőz lekondenzálása ill. a kondenzációs hő elvonása (ezen felül hűtővízzel kell ellátni némely segédberendezéseket is, mint pl. generátor körléghűtők, olajhűtők stb.). Minél alacsonyabb a hűtőközeg hőmérséklete, annál alacsonyabb kondenzátornyomást lehet elérni. Alapvetően háromféle hűtőrendszert alkalmaznak az energiaiparban, attól függően, milyen hűtőközeg áll rendelkezésre: frissvízhűtés; nedves hűtőtorony; száraz hűtőtorony.

1 33. ábra. Kondenzátornyomás a hűtőközeg hőmérsékletének függvényében, száraz hűtőtorony, nedves hűtőtorony és frissvízhűtés esetén. (RH: 60 %) Kalorikus szempontból legjobb eset, ha frissvízhűtést alkalmazunk, ennek feltétele az, hogy az erőmű közelében legyen bővizű folyó vagy nagykiterjedésű víz (tó és/vagy tenger). Ha ez nem lehetséges, akkor a nedves torony a következő lehetőség, de különleges esetben szóbajöhet még egy megoldás: a száraztornyos. A folyók és nagy kiterjedésű vizek átlagos hőmérséklete szinte mindig alacsonyabb, mint a környezeti levegő hőmérséklete. Ahogy az 1 33. ábrán is látható, a legalacsonyabb kondenzációs nyomást frissvízhűtés esetén lehet elérni. Alacsonyabb kondenzátornyomás esetén a gőzkörfolyamat hatásfoka magasabb, köszönhetően a nagyobb entalpiacsökkenésnek ( hosszabb expanzióvonal): az 1 34. ábrán látható a kondenzátornyomás függvényében a relatív hatásfok, 0,03 bar(a) vákuum környezetében 1 az érték. Az 1 34. ábrán a, kondenzátornyomás hatását látjuk a gőzturbina teljesítményére egy-, kettő- és háromnyomású hőhasznosító kazán esetén: hasonló trend figyelhető meg itt is, azaz alacsonyabb kondenzátornyomással nagyobb teljesítményt lehet elérni, azonos körülmények között.

a, b, 1 34. ábra. a, Kiadott teljesítmény egy-, kett - illetve háromnyomású kombinált ciklusú er m esetén kondenzátornyomás függvényében. b, Relatív teljesítmény változása a kondenzátornyomás függvényében. A h t víz és környezet h mérsékletének hatása figyelhet meg egyszerre az 1 35. ábrán, ami teljes mértékben igazolja a fentebb leírtakat. 1 35. ábra. Relatív teljesítmény és -hatásfok változása kombinált ciklusú er m esetén a környezeti leveg és h t víz h mérséklet függvényében.

8. Fejlett 400 MW-os kombinált ciklusú erőművi blokkok A korszerű kombinált ciklusú erőművek teljesítmény, hatásfok és egyéb fontosabb adatai az 1 5. táblázatban láthatóak. Az újépítésű kombinált ciklusú erőművek mind háromnyomású és újrahevítéses ( 3PU ) hőhasznosító kazánnal épülnek, ezzel igen jó, 58 % körüli hatásfokot tudnak elérni. Valamennyi gyártó modern, nagy teljesítményű gázturbinájának hatásfoka magas, továbbá a fejlett tűztereknek köszönhetően a károsanyag kibocsátás is alacsony. Egytengelyű elrendezés látható az 1 36. ábrán, melynek az előnye, hogy a gázturbina, a generátor és a gőzturbina egy tengelyre van kapcsolva, így csökkenthetők a beruházási költségek. 1 36. ábra. Fejlett 400 MW-os kombinált ciklusú erőművi blokk, egytengelyű elrendezéssel

Adatok M.egys. Alstom GE Mitsubishi Siemens Gázturbina típusa GT26 MS9001FA 701F SGT5-4000F Kombinált blokk jele KA-26-1 S109FA SCC5-4000F (V94.3A) Gázturbina nettó teljesítménye [MW] 268,8/281 * 255,6 270 278 Nyomásviszony 32:1 17:1 17:1 17:1 Kompresszor fokozatszám Turbina belépő hőmérséklet Turbinából kilépő hőmérséklet Fajlagos hőfogyasztás Füstgáz tömegáram 22 17 15 15 [ C] 1230 1288 1350 1310 [ C] 620 602 586 562 [kj/kwh] 9398 9757 9420 9412 [kg/s] 620 641 650 640 NO x kibocsátás [ppm] <25 <25 <25 <25 Égők száma 30/24 14 24 Gázturbina hatásfoka Kombi blokk nettó teljesítménye A blokk fajlagos hőfogyasztás A blokk nettó hatásfoka Fajlagos beruházási költség [%] 37,9/39,2 * 35,7 37,5 37 [MW] 410,3 390,8 397,7 419 [kj/kwh] 6228 6350 6317 6239 [%] 57,8 56,7 57 58,4 [$/kw] 360 354 348 348 *12 MW közvetve a gőzturbinán adódik le, a komprimált levegőből előállított gőzből.

1 5. táblázat. Modern 400 MW-os kombinált ciklusú erőművek és gázturbinák, különböző gyártóktól. Irodalomjegyzék 1. David L. Chase: Combined-Cycle Development and Future. GE Power System, Schenectady, NY, 2001 2. Dr. Mehervan P: Boyce: Handbook for cogeneration and combined cycle power plant. New York, ASME Press, 2001 3. Bihari Péter: Műszaki termodinamika. Kézirat, Budapest, 2001 4. Bihari Péter: Erőművek. Kézirat, Budapest, 2002 5. Dr. Fatih Birol: World Energy Outlook. Economic Analysis Division 2002 6. Dr. Büki Gergely: Gázturbinák a gőzerőművek megújításában. Magyar Energetika, 2002. március, pp 3-9 7. Dr. Büki Gergely: Erőművek. Műegyetem Kiadó, Budapest, 2004 8. Dr. Büki Gergely: Energiaátalakítás, gáz-gőzerőművek. Akadémia Kiadó, Budapest, 2000 9. Dr. Cinkóczky Botond, Dr. Penninger Antal: Összekapcsolt gáz-gőzturbinák. Tantárgyi jegyzet, Budapest, 2004 10. Dr. Fülöp Zoltán: Gázturbinák. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975 11. Rolf Kehlhofer: Combined cycle gas & steam turbine power plants. The Fairmont press, Inc, Lilburn 1991 12. H. Kotschenreuther et al: Improvement of output and Efficiency of Coal-fired Plants by Cost-effective Repowering Concepts. VGB PowerTech, 2001. május, pp 67-70 13. R. G. Narula: Salient design considerations for an ideal combined cycles power plant. Heat recovery systems & CHP, 1995 Február, Nu. 2, Volume 15, pp 94-104 14. S. Rajaram: HRSGs for combined cycle power plantst. Heat recovery systems & CHP, 1995 Február, Nu. 2, Volume 15, pp 155-161 15. A. V. Scsegljajev: Gőzturbinák. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979