2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

1

EC i energetyka rozproszona

Wykład III

1.

Elektrociepłownie

2.

Elektrownie wodne - wstęp

Elektrociepłownie – plan wykładu

1.

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i
ciepła

2.

Łańcuch przemian energetycznych i sprawność
elektrociepłowni

3.

Podstawowe schematy cieplne elektrociepłowni i
parametry stosowanych urządzeń

dr inż. Michał Wydra

2

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

•

Określenie elektrociepłownia (EC) jest nazwą zakładu
przemysłowego dostarczającą odbiorcom dwie postacie
energii:

▫ Energii elektrycznej
▫ Ciepła

•

Udział energii elektrycznej w pokrywaniu ogólnego
światowego zapotrzebowania na energię stale rośnie od
około 11% w 1950 roku od około 28% w roku 2000

•

Zapotrzebowanie na ciepło zajmuje pierwsze miejsce

•

Możliwie największą sprawność wykorzystania energii
pierwotnej tj. zawartej w paliwie jest skojarzone
wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

dr inż. Michał Wydra

3

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

2

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

•

Woda chłodząca na wylocie ze skraplacza elektrowni
kondensacyjnych ma 25 – 35

0

C (parametry wody są zbyt

niskie do praktycznych zastosowań)

•

W

elektrociepłowniach

instalowane

są

turbiny

przeciwprężne i upustowo-kondensacyjne

•

Para na wylocie turbiny lub upuście regulowanym jest
dobierana do potrzeb odbiorców energii elektrycznej i
ciepła

•

Argumenty przemawiające za skojarzoną produkcją
energii elektrycznej i ciepła to:

▫ Ta sama ilość energii pierwotnej jest przetwarzana w

układzie skojarzonym na większą ilość energii wtórnej w
porównaniu do tradycyjnych technologii rozdzielonych

dr inż. Michał Wydra

4

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

▫ Możliwa jest decentralizacja systemów wytwarzania energii

elektrycznej, powodująca obniżenie kosztów inwestycyjnych
związanych z rozbudową elektroenergetycznych sieci
przesyłowych

▫ Mniejsza odległość od źródła odbiorcy finalnego wiąże się z

minimalizacją strat przesyłu energii

▫ Ekologia – układy realizujące wytwarzanie skojarzone min.

układy gazowo-parowe są najlepszym rozwiązaniem, jeśli
na danym terenie konieczne jest obniżenie emisji
zanieczyszczeń

▫ Łatwość lokalizacji – układy skojarzone dzięki wysokiej

sprawności i niskim wartościom emisji są bardzo łatwe do
zainstalowania nawet w regionach wysoce zurbanizowanych

dr inż. Michał Wydra

5

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

dr inż. Michał Wydra

6

Paliwo

Olej, gaz,

węgiel

100%

Elektrownia kondensacyjna

η=38%

Kocioł grzewczy

η=80%

45%

55%

Energia elektryczna 17%

Ciepło użytkowe 44%

Straty

28%

11%

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

3

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

dr inż. Michał Wydra

7

Paliwo

Olej, gaz,

węgiel

100%

Turbina
gazowa

68%

Kocioł

odzyskowy

η=65%

Energia elektryczna 28%

4%

24%

Ciepło użytkowe 44%

Straty

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
uwarunkowania prawne

•

Elektrociepłownie uzyskały w ostatnich latach uzyskały w

ostatnich latach wsparcie w postaci polityki energetycznej i

ekologicznej UE

•

Wyrazem tego są dyrektywy UE:

▫ Dyrektywa 2001/77/EC z 27 Września 2001 dotycząca promocji

źródeł

odnawialnych

i

lokalnych

rynków

energii

L 283/33

▫ Dyrektywa 2003/54/EC z 26 Czerwca 2003 dotycząca lokalnych

rynków energii L 176 15.7.2003

▫ Dyrektywa z 27 Czerwca 2003 dotycząca promocji kogeneracji

•

oraz Rozporządzenia Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9

grudnia 2004 w sprawie szczegółowego zakresu i obowiązku

zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w

odnawialnych źródłach energii oraz energii elektrycznej

wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła:

▫ Dz. U. 2004, nr 267, poz. 2655, 2656

▫ Dz. U. 2004, nr 267, poz. 2657

dr inż. Michał Wydra

8

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
uwarunkowania prawne

•

Zgodnie z rozporządzeniem poz. 2657 przedsiębiorstwa
energetyczne są zobowiązane do zakupu energii
elektrycznej wytworzonej w tzw. skojarzonym źródle
energii, za które uważa się :
„jednostkę wytwórczą wytwarzającą energię elektryczną i
ciepło ze sprawnością przemiany energii chemicznej
paliwa w energię elektryczną i ciepło łącznie co najmniej
70%

obliczoną

jako

średnioroczna

w

roku

kalendarzowym”

dr inż. Michał Wydra

9

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

4

Łańcuch przemian energetycznych i sprawność
elektrociepłowni

dr inż. Michał Wydra

10

Skład paliwa

Skład żużla i

popiołu

Kocioł

Spalanie /

Wymiana ciepła

Turbozespół

Odbiornik

energii

elektrycznej

Postać energii

Paliwo

Spaliny

P

o

w

ie

tr

z

e

S

p

a

lin

y

otoczenie

Para

Prąd elektryczny

Nośnik energii

Urządzenia i

obiegi

Chemiczna

Mechaniczna

Elektryczna

Ciepło

Turbina

Generator

Wymiennik

ciepła

Para

Gorąca woda

Para

O

d

b

io

rn

ik

e

n

e

rg

ii

c

ie

p

ln

e

j

S

k

ro

p

lin

y

Podział elektrociepłowni

•

Elektrociepłownie przemysłowe – budowane w celu
zaspokajania

potrzeb

konkretnego

zakładu

przemysłowego w zakresie ciepła

•

Elektrociepłownie komunalne – budowane w celu
zasilania w ciepło aglomeracji miejskich do ogrzewania
wody użytkowej w ciągu całego roku oraz utrzymywania
odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach w sezonie
grzewczym

•

Oczywiście podział nie jest ściśle zachowywany

dr inż. Michał Wydra

11

Sprawność ogólna EC

dr inż. Michał Wydra

12

T

K

G

PZ

Qc

Tr

Ae

Q

pal

Uproszczony elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną; K - kocioł parowy z przegrzewaczem pary, T – turbina parowa
przeciwprężna, G – generator, Tr – transformator, Qc - ciepło dla odbiorców, Ae – energia elektryczna, Qpal – energia
dostarczona w paliwie

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

5

Sprawność ogólna EC

•

Jeżeli założyć, że urządzenia takie jak kocioł parowy, turbina,
generator,

transformator

są

urządzeniami

idealnymi,

czyli

pracującymi bez strat, wtedy sprawność teoretyczna brutto takiej
elektrociepłowni jest wyrażana zależnością:

•

W rzeczywistości w wymienionych urządzeniach maja miejsce
straty, czyli uwzględniając sprawności kotła i rurociągów

dr inż. Michał Wydra

13

 

.

1

c

e

EC

teor brutto

pal

Q

A

Q













1

:

brutto

c

e

EC

k

r

T

c

e

netto

EC

k

r

T

T

k

r

pal

Q

A

Q

Q

A

Q

gdzie Q

Q



 





 

 













Podstawowe schematy cieplne EC
Parametry stosowanych urządzeń

•

Układy cieplne elektrociepłowni są bardziej zróżnicowane niż układy

cieplne elektrowni

•

Jest to związane z różnymi wymaganiami odbiorców korzystających

z ciepła, którego nośnikiem może być para, gorąca woda oraz

wymagane parametry nośników mogą być różne np. parametry pary

technologicznej

▫ Przemysł chemiczny
▫ Cukrownia

•

W EC muszą zostać stworzone odpowiednie rezerwy w urządzeniach

i połączeniach zapewniającą ciągłość w dostawach

•

Rozwiązanie układu cieplnego musi uwzględniać sezonowość

obciążenia cieplnego (np. turbina przeciwprężna z upustem

regulowanym)

•

Dla pokrycia cieplnych obciążeń szczytowych stosuje się kotły wodne

oraz wymienniki ciepła zasilane parą świeżą poprzez stacje

redukcyjno-schładzające

dr inż. Michał Wydra

14

Podstawowe schematy cieplne EC
Parametry stosowanych urządzeń

dr inż. Michał Wydra

15

Uproszczone schematy EC: I – z turbiną przeciwprężną, II – turbiną upustowo-przeciwprężną,
III – upustowo-kondensacyjną; 1 – stacja redukcyjno-schładzająca, 2 – odbiory ciepła

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

6

Podstawowe schematy cieplne EC
Przykład EC komunalnej

•

Ciepło jest przekazywane za pomocą sieci ciepłowniczej

•

Obieg

wody

gorącej

jest

wymuszony

pompami

zainstalowanymi w rurociągu powrotnym

•

Woda sieciowa jest ogrzewana w podgrzewaczach parą
upustową

•

Temperatura wody gorącej wynosi zazwyczaj 155

0

C

dr inż. Michał Wydra

16

Podstawowe schematy cieplne EC
Przykład EC komunalnej

dr inż. Michał Wydra

17

Uproszczony schemat EC komunalnej oraz fragment instalacji c.w. i c.o. w budynku
mieszkalnym; P

a

> P

b

– dwa różne ciśnienia pary upustowej, KW – kocioł wodny,

PW- podgrzewacz wody sieciowej

Podstawowe schematy cieplne EC
Przykład bloku energetycznego BC-50

dr inż. Michał Wydra

18

1. Kocioł OP-230

2. Turbina przeciwprężna

3. Generator

4. Wymienniki ciepłownicze

5. Wymiennik ciepła woda/woda

6. Kocioł wodny WP-120

7. Podgrzewacze regeneracyjne

8. Pompy wody sieciowej

9. Stacja redu.- schładzająca

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

7

Parametry wybranych kotłów parowych i wodnych
stosowanych w elektrociepłowniach

Typ kotła

Wydajność

kg/s

Moc cieplna

MJ/s

Ciśnienie

MPa

Temperatura

0

C

Sprawność

%

OR-64

17,8

-

3,9

450

82

OP-100

27,8

-

3,9

450

82-85

OP-215

59,7

-

10,8

540

86

WR-25

-

29,0

do 2,0

150

78

WP-120

-

139,5

do 2,45

155

85

WP-200

-

232,6

do 2,45

155

86

dr inż. Michał Wydra

19

OR – kocioł parowy rusztowy opromieniowany,
OP – kocioł parowy pyłowy opromieniowany,
WR – kocioł wodny rusztowy,
WP – kocioł wodny pyłowy

Parametry wybranych turbin parowych
stosowanych w elektrociepłowniach

dr inż. Michał Wydra

20

Typ

Moc

Parametry pary

MW

MJ/s

dolotowej

Przeciwprężnej

lub upustowej

kPa

MPa

0

C

TP

2,5-6

-

3,4

435

400-600

TP20

19,5

-

8,8

510-535

900

TC-30

30,0

-

8,8

535

120-150

13UP55

52,3

107

12,7

535

1100;200;160

13P110

110

190

12,7

535

195; 110

13C200

200-180

365-384

12,7

535

55,2; 26,4

18K370

377-275

0-504

17,6

535

1000;360;160

Parametry wybranych generatorów
stosowanych w elektrociepłowniach

dr inż. Michał Wydra

21

Typ

Moc znamionowa

Stojan

pozorna

czynna

Napięcie

Prąd

Sprawność

MVA

MW

V

kA

%

GT4n

0,63-2,5

0,5-2,0

0,4

94,9-96,3

95-96,3

GT4w

1,0-6,3

0,8-5,0

6,3

0,09-0,58

95,5-96,6

GT2

6,25-50

5-40

10,5

0,34-2,75

97-97,8

TGHW

78,75

63

10,5

4,33

98,3

2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

8

Zadanie

•

W elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną moc na zaciskach
generatora wynosi P

g

= 12,7 MW, moc cieplna oddawana z wylotu

turbiny Q

c

= 50MJ/s, a całkowita moc cieplna doprowadzona do

turbozespołu w parze o parametrach p = 10 MPa, t = 500

0

C, wynosi

Qt =63,4 MJ/s. Obliczyć sprawność brutto i netto EC, jeżeli
η

k

η

r

= 0,82, ε = 10%.

dr inż. Michał Wydra

22





1

c

netto

EC

k

r

T

Q

P

Q





 











12, 7 50.0

0,82

0,811

63, 4

brutto

EC









brutto

c

EC

k

r

T

Q

P

Q



 









50.0 12, 7 0,9

0,82

0, 795

63, 4

netto

EC











Zadanie cd.

•

Dzieląc ciepło doprowadzone na dwie części:

(Q

pal

)

c

– zawarte w paliwie ciepło z którego uzyskuje się energię

cieplną ,
(Q

pal

)

e

– zawarte w paliwie ciepło z którego uzyskuje się energię

elektryczną A

e

, można określić tzw. sprawności cząstkowe

elektrociepłowni.

•

Podział w powyższym wzorze może zostać dokonany różnymi
metodami:

▫ Metoda fizyczna – podziału dokonuje się proporcjonalnie do spadków

entalpii w turbinie związanych odpowiednio z mocą elektryczną i
oddawana mocą cieplną

▫ Metoda termodynamiczna – gdzie spadek entalpii związany z

uzyskaniem mocy elektrycznej odnosi się do spadku entalpii w
równoważnym obiegu kondensacyjnym

dr inż. Michał Wydra

23

   

pal

pal

pal

c

e

Q

Q

Q





Zadanie cd. 2

•

Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania ciepła w elektrociepłowni
przeciwprężnej, przy zastosowaniu metody fizycznej podziału będzie
określona zależnością:

•

Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania energii elektrycznej jest
dana wzorem:

•

Sprawność brutto elektrociepłowni wynosi:

dr inż. Michał Wydra

24

 

 

c

EC

k

r

c

pal

c

Q

Q



 





 

 

e

EC

k

r

m

g

c

pal

c

A

Q



   





 

 

 





k

r

m

g

e

EC

c

EC

e

c

e

EC

brutto

pal

pal

A

Q

A

Q

Q

   













2014-04-22

Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI

9

Zadanie cd. 3

•

Podstawiając wartości liczbowe otrzymuje się wartości sprawności
cząstkowych brutto elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną:

•

Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania energii elektrycznej jest
dana wzorem:

dr inż. Michał Wydra

25

 

0,89 0,98

0,87

EC

k

r

c



 









 

0,89 0,98 0,98 0,97

0,83

EC

k

r

m

g

e



   













Analiza sprawności elektrowni i elektrociepłowni

•

W przytoczonych wzorach określających sprawność EC z
turbiną przeciwprężną nie występuje:

▫ sprawność teoretyczna obiegu Rankine’a η

tR

,

▫ sprawność wewnętrzna turbiny η

w

,

które występują we wzorze na sprawność elektrowni
kondensacyjnej

•

Jest

to

zaleta

EC

wynikająca

ze

skojarzonego

wytwarzania energii elektrycznej i ciepła

•

Sprawność η

tR

związana z oddawaniem ciepła do

otoczenia w skraplaczach jest pomijana, bo ciepło
oddawane przez turbinę w EC jest energią użyteczną

•

Sprawność η

w

wewnętrzna turbiny jest pomijana z

powodu użyteczności ciepła zawartej w parze na wylocie

dr inż. Michał Wydra

26