6 tmakr Villamosenergiatermels hermvekben Tartalom 1 Fosszilis tzelanyag
6. témakör Villamosenergia-termelés hőerőművekben
Tartalom 1. Fosszilis tüzelőanyagú gőzerőművek. 2. Gázturbinás erőművek. 3. Kombinált gáz-gőz erőművek. 4. Tüzelőanyag-cellák.
A villamosenergia-termelés folyamata hőerőművekben kémiailag vagy Hőfejlesztő hő nukleárisan Hőerőgép mechanikai (forgási) energia kötött energia körfolyamat Generátor Transzformátor villamos energia
Csoportosítás • A felhasznált végenergia 30 -40 %-a villamos energia. • Tüzelőanyag: C, CH, nukleáris, • Munkaközeg: vízgőz, füstgáz, • Hőerőművek: gőz, gázturbinás, kombinált gáz-gőz, (gázmotoros).
6. 1. Fosszilis tüzelőanyagú gőzerőművek
Kapcsolás
Szubkritikus gőzkörfolyamat
Szuperkritikus gőzkörfolyamat
1. Főberendezések és folyamatok • Gőzkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelőanyag elégetésével, a keletkező nagy hőmérsékletű (800 -1500 o. C) láng és füstgáz lehűtése (füstgázoldal), a vízgőz munkaközeg felmelegítése, elgőzölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgőzoldal). • Tüzelőanyagok: – különböző szenek, különböző tüzelési módokkal, – kőolaj-finomítás maradékai, – földgáz (inertes gáz).
1. 1. Gőzkazán • Tüzelés (130 ill. 58 g CO 2/MJ):
Gőzkazán
A hőáram-sűrűség változása a tűztér magassága mentén (p 1<p 1’’)
Szubkritikus gőzkazán: a felületek elrendezése T . TH m 1, p 1, t 1 . mu, pu, tu UH UH D T TE TE E E LE
Gőzkazán: T-Q diagram T fg sugárzás 1 TH konvektív u UH 1’ 1’ E tv 1” TH UH TE LE Q
670 MW névleges hőteljesítményű szénhidrogén-tüzelésű kazán T-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja)
670 MW névleges hőteljesítményű, lignit-tüzelésű kazán T-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja)
Gőzkazán • Gőznyomás szerint: – szubkritikus (p 1<pkr=221, 2 bar) • 40, 70, 100, 130, 170 bar (130 bar-tól újrahevítés), • t 1 max: 540 -560 o. C. • Munkaközeg cirkulációja szerint: – természetes cirkuláció (Δp= ΔHg, c=4 -10), – szivattyús cirkuláció (Δp= Δp. SZ, c=2 -6), – kényszerátáramlású (c=1). • Gőznyomás szerint: – szuperkritikus (p 1>pkr) • 240, 280, 320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés), • t 1 max: 600 -650 o. C (új szerkezeti anyagok). • Munkaközeg cirkulációja szerint: – kényszerátáramlású.
Cirkulációs elgőzölögtető [Cohen]
Kényszerátáramlású gőzkazán [Cohen]
Fluid-tüzelésű gőzkazán füstgáz szilárdanyag arány gáz felületek szekunder levegő C tágy≈ max 800 -900 °C Ca/S - mólarány Ca. CO 3 hamu + Ca. SO 4 primer levegő
Forráskép függőleges és vízszintes csőben
A víz elgőzölgése függőleges csőben: hőmérsékletek és hőátadási viszonyok [Cohen]
Gőzkazán • Teljesítménymérleg: • Hatásfok: – C (6 -28 MJ/kg): 0, 82 -0, 92 – kőolaj: 0, 85 -0, 92 – földgáz: 0, 87 -0, 94.
Fajlagos gőzhő
Gőzkazán (Tisza II. 670 t/h)
1. 2. Gőzturbina • Gőzturbina (GT, 1 -2 o, 1 -2): A nagy nyomású, hőmérsékletű vízgőz (belső) termikus energiájának forgási (mechanikai) energiává alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60 Hz). • Tengelyteljesítmény:
Fajlagos (technikai) munka p 1 h 1 w. T=h 1 -h 2 w. T 0 p 2 2 20 Δsirr s
Gőzturbina • A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka: • ηC=0, 35 -0, 60 → f[ (p 1, ttv, t. UH 1, t. UH 2), • (p 2)] • ηirr. T> ηirr→ (hővisszanyerés)
Gőzturbina • A körfolyamat hatásfokának (ηC) növelése: – – a gőz kezdő nyomásának (p 1) és hőmérsékletének (t 1) növelése, megcsapolásos (regeneratív) tápvízelőmelegítés (ttv növelése), egyszeres (t. UH 1) és kétszeres (t. UH 1, t. UH 2) újrahevítés, a gőz végnyomásának (p 2) csökkentése (p 2≈0, 03 bar) elérte a határt. • Megcsapolásos tápvízelőmelegítés: a kondenzálódott folyadékfázisú 25 -50 o. C-os víz felmelegítése a kazánba lépő tápvíz minél nagyobb hőmérséklete (ttv) érdekében. • (Gőz) újrahevítés: a turbinában expandált gőz kivétele és felmelegítése a gőzkazánban p. UH nyomáson.
Gőzturbina-lapátok • A GT eredő 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 csökkenthető), – reakciós (sebességtől függő surlódási veszteségek csökkenthetők). Eltérő követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.
Gőzturbina-lapátfokozatok h h akciós Δhá reakciós Δhá Δhf S S
Gőzturbina-lapátok fejlesztése [Büki] a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményű lapátok
Hőséma: fő elemek
Gőzturbina (Tisza II. 215 MWe)
Gőzturbina nagynyomású forgórész (Tisza II. )
Tápvízelőmelegítő
1. 3. Generátor és transzformátor • Generátor, transzformátor: A gőzturbina forgási energiájának 10 -40 k. V feszültségű villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére (120 -400 k. V). • Hatásfokok: – – – ηTm=0, 99 -0, 995, ηG=0, 99 -0, 995, ηTR=0, 99 -0, 998, ηε=0, 92 -0, 96, ηm. E=0, 89 -0, 95.
Generátor (Mátrai 215 MWe)
Transzformátor
1. 4. Kondenzátor • Kondenzátor (K, 2 -2’): A gőzturbinában munkát végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgőz cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hő elvonása a környezetbe a hűtővíz-rendszerrel. • Környezetbe távozó hőteljesítmény: • Hűtővíz-rendszerek: – frissvízhűtés (folyó, tenger), – nedves hűtőtorony, – száraz hűtőtorony.
Fajlagos elvont hő
Kondenzátor
Csőkiosztás
Gőz és gőz-levegő keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]
Frissvízhűtés HSZ K tenger folyó tó
Nedves hűtőtorony K levegő póthűtővíz HSZ
Száraz hűtőtorony levegő FKSZ HSZ
Nedves hűtőtorony (Mátrai Erőmű)
Száraz hűtőtorony (Mátrai Erőmű) kéntelenítővel
2. Energetikai jellemzők • Hatásfoka: • Fajlagos tüzelőhő-felhasználása:
Energiafolyam ábra (1 KONDENZÁCIÓS ERŐMŰ H T æ T ç 1 - 2 ç T 1 è -h m. E )P T E ö ÷ Q& ÷ 1 ø P Q& 1 & Q P T & Q ü T 2 T 1 2 Q 2 (1 -h m. H )Q& ü & Q 2, veszt KE
3. Környezeti hatások • CO 2 kibocsátás → ηKE növelése, mert g. CO 2/k. Wh csökken. • Hőszennyezés: (0, 75 -0, 45)Qü környezetbe távozik, télővíz max. 26 -30 o. C (O 2 tartalom) → kapcsolt energiatermelés • szén: – SOx: füstgáz kéntelenítés, – pernye: pernyeleválasztás, – salak: meddőhányók (minél kisebb Hü, annál több meddő) → tájrekultiváció. – NOx: fluid-tüzelés (SOx) és kisebb tláng. • gudron, pakura: – SOx: füstgáz kéntelenítés.
4. Telephely kiválasztás • Tüzelőanyag közelében (bánya, olajfinomító). • Hűtővíz. • Szakember. • Villamos csatlakozás, ellátottság. • Lakott területen kívül.
6. 2. Gázturbinás erőművek
Nyitott egytengelyes gázturbina • Nyitott egytengelyes gázturbina fő berendezései: – Kompresszor (K): a levegő komprimálása a légköri nyomásról 10 -12 (15) bar-ra. – Égőtér (É): a tüzelőanyag elégetése, a levegő-üzemanyag keverék (füstgáz) hőmérsékletének növelése 1000 -1300 (1500) o. C-ra. – Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban. – Generátor (G), Transzformátor (Tr). • Tüzelőanyag: csak CH, – földgáz (inertes gáz), – kerozin, – fűtőolaj (állandó terhelésen).
Kapcsolás
Hőkörfolyamat p 1 T 1 p 0 4 40 2 20 3 S
Gázturbina • T belső teljesítmény: • K belső teljesítmény: • GT teljesítmény: • Tüzelőhő-teljesítmény:
Fokozati és eredő hatásfok T T 1 K 4 40 2 20 3 S
Energiafolyam ábra
Energetikai jellemzők • A villamosenergia-termelés hatásfoka: • Fajlagos tüzelőhő-felhasználása:
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: • t 1 növelése Ni-Cr szuperötvözetű lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözetű bevonatokkal, miközben t 2 is nő. • Környezeti hatások: NOx (tláng=1100 -1500 o. C) → égőtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hűtés.
Gázturbina
Hatásfokjavítás • Kombinált gáz-gőz erőművek. • A kilépő hőáramot maga a gázturbina hasznosítja: – hőregenerálás, – gőztermelés és gőzbefecskendezés (STIG), – légnedvesítés. • Többfokozatú kompresszió és expanzió.
6. 3. Kombinált gáz-gőz erőművek
Kombinált gáz-gőz erőmű • Gázturbinából kilépő füstgáz hőmérséklete túl nagy (t 2>500 o. C), a füstgáz lehűthető hőhasznosító gőzkazánban, s a termelt gőzturbinában expandál → füstgáz és gőz munkaközegű turbinák kombinációja (kombinált gáz-gőz erőmű). • Hőhasznosító gőzkazán: gázturbinában expandált füstgáz (520 -600 o. C) lehűtése (180100 o. C-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60 -90 bar) nyomású gőz termelése. Póttüzelés lehetséges.
Kombinált gáz-gőz erőmű kapcsolása
GE LM 6000 PD gázturbina generátor set
Vízszintes elrendezésű hőhasznosító gőzkazán
Hőkörfolyamat
Energiafolyam ábra (1 - h m. GT h Gh Tr )PGT 0 PGT Q& ü PT 0 Q& 2 (1 - h mÉ )Q& ü PT PE (1 - h m. T h Gh Tr )PT 0 Q& HH Q& 2, gk Q& füstgáz Gőzkörfolyamat
Teljesítménymérleg • HH hőteljesítmény: • Turbina teljesítmények:
Villamosenergia-termelés • Hatásfok: • q. E=8000 -6500 k. Jü/k. Wh. E.
Feltöltött kazánban integrált G/G erőmű. Qü . Q 1 gt Pgt gt PGT
4. Tüzelőanyag-cellák • Tüzelőanyag-cella (TC): a tüzelőanyagból – a reagensek közötti elektrokémiai reakciók révén – közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hőtermelés és a hőkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka). – A TC anódos oldalára áramlik a redukáló, hidrogén-tartalmú tüzelőanyag, – katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegő, – H 2+1/2 O 2→H 2 O, és elektronok egyenárama, amit inverterben váltóárammá alakítanak.
Tüzelőanyag-cella Anód H 2 → 2 H+ + e- 2 e- Elektrolit = ~ 2 e½O 2 2 H+ + ½O 2 +2 e-→ H 2 O Katód H 2 O
ηHEo és ηTCo =f(T) [Büki]
Tüzelőanyag-cella • Tüzelőhő: ΔH a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia ΔS a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.
Tüzelőanyag-cella • A hőmérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nő a T hőmérsékleten távozó D=TΔSi disszipációs hő (ΔSi a reakciótermék (pl. vízgőz) entrópiakülönbsége). A disszipációs hő kapcsolt hőszolgáltatásra vagy gőzerőműben hasznosítható. • A disszipációs hő hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hőmérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.
Tüzelőanyag-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 jellemzői [Büki] A fejlesztett tüzelőanyag-cellák jellemzői Jele Hőmérséklet °C AFC 40 -200 PEMFC 80 PAFC 200 MCFC 650 SOFC 8001000 Tüzelőanyag (anód) hidrogé n Elektrolit, Iontranszport Oxidáló közeg (katód) Villamos hatásfok % kálilúg(KOH) ← OH- oxigén 40 -50 polimer H+ → levegő, oxigén 40 -55 foszforsav (H 3 PO 4) H+→ földgáz, széngáz , biogáz karbonátok (Li 2 CO 3+K 2 CO 3) ( ← CO 32 keramikus anyag (Zr. O 2) ←O 2 - 40 -45 levegő Alkalmazás közlekedés (mozgó) hő-és villamos energia (stabil) 50 -60 villamos energia 50 -60 decentralizá lt erőművek
SOFC TC [Büki] a) csőelem, b) csőköteg, c) a teljes cella
Tüzelőanyag-cella • A teljes TC igen nagyszámú elemből áll. A megvalósított 100 -200 k. We, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6 -10 ezer elemet tartalmaz.
- Slides: 83