2.4. Typy palników stosowanych w kotłach małej mocy
Podział ze względu na paliwo:
GAZOWE:
- Atmosferyczne, pracują w warunkach ciśnienia atmosferycznego są stosowane w kotłach
domowych o mocach 80-100 kW, charakteryzują się naturalnym odprowadzeniem spalin
przez zimne powietrze, są to palniki kinetyczno-dyfuzyjne
- Wentylatorowe (in. nadmuchowe) do kotłów o mocach powyżej 100kW, proces
mieszania paliwa i powietrza jest wspomagany przez wentylatorowy, są to palniki kinetyczne
OLEJOWE:
- Wentylatorowe składają się z dmuchawy, zespołu urządzeń zabezpieczających i
sterujących oraz urządzeniem mieszankowym i zapłonowym
Podział palników ze względu na obciążenia:
- Palniki I stopniowy, pracuje wyłącznie w warunkach nominalnej mocy, generują duże straty,
ponieważ w czasie czuwania musi być włączony płomień pilotujący
- Palniki II stopniowy, pracuje w zakresie obciążeń 60% i 100%
- Palniki III stopniowy, pracuje w zakresie obciążeń 30%, 60% i 100%
- Palniki z mocą modulowaną (zmiennym obciążeniem) możemy płynie zmieniać
obciążenie w zależności od obciążenia kotła, stosowane w kotłach dużej mocy, wiszących i
kondensujących.
2.5. Sposoby zabezpieczenia kotłów małej mocy przed zbyt niską temperaturą wody
powrotnej
Kotły małej mocy to kotły używane w energetyce komunalnej przemysłowej, w gospodarstwach
domowych o mocy do 5 MW. Podział tych kotłów:
1) Małej mocy <50 kW
2) Średniej mocy 50  350 kW
3) Dużej mocy <350kW
Zbyt niska temperatura wody powrotnej może spowodować spadek temepratury ścianki
kotła poniżej temperatury punktu rosy spalin (ok. 35-40 �C) i wykroplenie się pary wodnej w
spalinach, co może się przyczynić do korozji w kotle. Problem ten dotyczy zwykle kotłów śedniej i
dużej mocy, gdzie zład wodny (pojemność wodna instalacji grzewczej) jest większy.
Sposoby zabezpieczania:
1) Sposoby polegające na podmieszaniu wody powrotnej (zimnej) z gorącą wodą na wyjściu z
kotła. Stosuje się:
�� zawór trójdrogowy - kieruje część podgrzanej w kotle wody do rurociągu wody
powrotnej, gdzie są mieszane przed wlotem do kotła
�� zawór czterodrogowy (wg mnie działają tak samo  tworzą dodatkowy obieg kotłowy)-
chyba dla wyższych temperatur
�� moduł pompowy (najszybszy czas reakcji)
2) przerody wewnątrz kotła ( tzw. płaszcz rozbijający) kierują wodę powrotną tak, aby wstępnie
ogrzała się spływając wzdłuż ścian zewnętrznych kotła, a póz
niej miała kontakt z
płomienicami i plomieniówkami
3) Sposób działania wielowarstwowych konwekcyjnych powierzchni wymiany ciepła
Przepływowi ciepła od spalin na powierzchnię wymiany ciepła i stamtąd do wody kotłowej
sprzeciwia się określony opór. Ten opór przepływu ciepła stanowi sumę oporów częściowych, które
m.in. zależą od przewodności cieplnej materiałów, przez które następuje przepływ ciepła.
W zależności od podaży ciepła i poszczególnych oporów przepływu ciepła, na powierzchni
wymiany ciepła ustalają się określone temperatury. Na temperaturę powierzchni po stronie spalin
miarodajny wpływ ma nie wysoka temperatura spalin, lecz o wiele niższa temperatura wody
kotłowej. Przy jednowarstwowych powierzchniach grzewczych na ściance ustala się jedynie
nieznaczna różnica temperatur między temperaturą wody kotłowej a temperaturą powierzchni po
stronie spalin. Dlatego para wodna zawarta w spalinach może się skroplić, jeśli temperatura wody
kotłowej jest niższa od punktu rosy. Natomiast przy wielowarstwowych powierzchniach wymiany
ciepła powstaje dodatkowy opór przepływu ciepła. Przez konstrukcyjną optymalizację można na
niego wpływać tak, aby przy niskiej temperaturze wody kotłowej temperatura ścianki kotła po stronie
spalin była wyższa od punktu rosy i w ten sposób zapobiegała kondensacji (rys. 13)
2.6. Techniki redukcji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych w spalinach.
I Odpylanie gazów - proces rozdziału fazy stałej i gazowej w polu sił zewnętrznych.
*Odpylacze mechaniczne: -różnica masy ziarna pyłu i molekuły gazu,
1. grawitacyjne - komory osadcze (z półkami, z żaluzjami wlotowymi)- działanie siły
ciężkości w czasie
spowolnionego poziomego przepływu zapylonego gazu powoduje opadanie ziaren
pyłu do lejów pyłowych zlokalizowanych na dnie komory.
2. inercyjne - koncentratory inercyjne (żaluzjowe, stożkowe) - efekt odpadania pyłu
od głównego strumienia gazu na skutek elastycznych zderzeń ziaren z odpowiednio
uformowanymi przeszkodami.
3. odśrodkowe:
" cyklony, cyklony bateryjne, multicyklony - ściśle określona średnica cyklonu, istotna
prędkość gazu
(siła odśrodkowa, czas przebywania w odpylaczu) oraz szczelność zamknięcia
pyłowego; duża skuteczność odpylania dla cyklonów małych średnic, smukłej konstrukcji.
" koncentratory odśrodkowe (nie jest urządzeniem odpylającym) - zastosowanie w celu
zatężenia gazu zapylonego, aby zwiększyć skuteczność zainstalowanego dalej cyklonu.
" przeciwbieżne odpylacze cyklonowe - efekt siły odśrodkowej, wzmocniony w
porównaniu z cyklonami, poprzez wprowadzenie do przestrzeni roboczej dodatkowego
strumienia gazu, tzw. gazu
pomocniczego (w układzie otwartym, zamkniętym, recyrkulacyjnym), odporność na
erozję pyłową.
*Odpylacze filtracyjne - filtry tkaninowe. Efekt różnicy wielkości ziarna pyłu i
wielkości przekrojów przepływowych gazu w labiryntowej strukturze filtracyjnej,
Filtracja - proces osadzania rozdrobnionej fazy stałej w medium porowatym, które
może posiadać strukturę: włóknistą uporządkowaną, włóknistą nieuporządkowaną, ziarnistą,
kapilarną.
Aglomeraty pyłu powodują wzrost oporów przepływu, miejscowy wzrost prędkości
gazu, rozsuwanie
tkaniny, a w efekcie zmniejszenie skuteczności odpylania.
W celu uniknięcia ww. - regeneracja materiału filtracyjnego:
" mechaniczna - strzepywanie pionowe lub poziome, wibracje,
" pneumatyczna - strumień gazu o kierunku przeciwnym do przepływu gazu
zapylonego; ciągła - filtry
rewersyjne, pulsacyjna - filtry pulsacyjne
*Odpylacze elektrostatyczne - elektrofiltry. Efekt przyciągania uprzednio
naładowanego ziarna pyłu przez elektrodę oprzeciwnej biegunowości - jonizacja gazu.
Budowa elektrofiltru:
" komora robocza,
" elektroda ulotowa (emisyjna) o biegunowości ujemnej, wykonana z drutu
metalowego,
" elektroda zbiorcza (osadcza) o biegunowości dodatniej, wykonana z blach,
" transformatorowo - prostownikowy zespół zasilający elektrodę emisyjną prądem
stałym o wysokim napięciu,
" system oczyszczania elektrod z pyłu.
Rozwiązania konstrukcyjne:
" kierunek przepływu gazu: pionowe, poziome,
" kształt elektrody zbiorczej: rurowy, bateria elektrofiltrów, płytowe,
" liczba pól elektrycznych: jednopolowe, wielopolowe,
" liczba sekcji: jednosekcyjne, wielosekcyjne.
Bardzo wysokie skuteczności odpylania, powyżej 99%, możliwość odpylania
dowolnych ilości gazu.
II Odsiarczanie spalin.
Metody ograniczenia emisji:
1. Metoda sucha - wiązanie SO2 podczas spalania, wdmuchiwanie alkalicznego
sorbentu do komory paleniskowej kotła, w strefę temperatur 800 - 900OC (nad strefę
płomienia).
" sorbent: kamień wapienny CaCO3 lub wapno hydratyzowane Ca(OH)2 w postaci
mączki,
" konieczna niska temperatura, aby ziarna się nie spiekały,
" pogarsza skuteczność działania elektrofiltru,
" najlepiej sprawdza się w kotłach fluidalnych ze względu na niską temperaturę w
palenisku (800- 900OC) i długi czas przebywania,
" skuteczność odsiarczania 30-40%.
2. Metoda półsucha - usuwanie SO2 z gazów odlotowych, sorbent w postaci
zawiesiny wodnej lub roztworu wodnego wprowadzany jest do suszarki rozpyłowej
(absorbera), przez który przepływają spaliny, gdzie zachodzi absorpcja SO2 w kroplach
roztworu alkalicznego.
" sorbent: Na2CO3, NaHCO3, NaOH, Ca(OH)2, woda amoniakalna (25% roztwór
amoniaku),
" skuteczność odsiarczania 60-80%.
3. Metoda mokra (wapniakowa) - w IOS sorbent (roztwór wodny) jest rozpylany w
spalinach przepływających w przeciwprądzie przez reaktor. Produktem jest opadający na dno
reaktora uwodniony siarczan wapnia
" sorbent: CaCO3, Ca(OH)2 (mleczko wapienne),
" produkt końcowy: gips, dlatego, gdy znajdzie się jego odbiorca, to technologia jest
bezodpadowa,
" skuteczność odsiarczania > 90%.
III Odazotowanie spalin - ograniczenie emisji NOx.
Metody pierwotne  w komorze paleniskowej, zmiana organizacji spalania
Metody wtórne  za kotłem
1. recyrkulacja spalin - obniżenie temperatury w palenisku,
2. zmniejszenie nadmiaru powietrza - obserwuje się skutki uboczne: niedopał,
korozja,
3. stopniowanie powietrza - 15-25% powietrza podawanego do palników kieruje się
jako powietrze wtórne (dopalające) dodatkowymi dyszami (dysze OFA) nad palnikami
pyłowymi, pierwsza strefa spalania jest z niedomiarem powietrza, co obniża temperaturę
spalania,
4. stopniowanie paliwa (reburning) - spalanie trójstopniowe, podanie innego niż
podstawowe paliwo lub ultra - drobnego pyłu węglowego,
5. SNCR - selektywna redukcja niekatalityczna - iniekcja do komory paleniskowej, w
strefę temperatur 900-1000OC amoniaku lub mocznika,
6. SCR - selektywna redukcja katalityczna - konwersja tlenków azotu do N2 z
wykorzystaniem amoniaku jako gazu redukującego w obecności katalizatora; sprawność w
warunkach przemysłowych sprawność> 90%.
2.7. Klimatyzatory i systemy klimatyzacyjne
Klimatyzator - urządzenie do chłodzenia pomieszczenia.
Składa się ze sprężarki, parownika i skraplacza (te dwa ostatnie wyposażone w wentylator).
Wentylator promieniowy wymusza obieg powietrza na parowniku umieszczonym wewnątrz
chłodzonego pomieszczenia. Powietrze z pomieszczenia ochładza się na parowniku oddając
ciepło czynnikowi chłodniczemu pośredniemu, który krąży w obiegu zamkniętym. Następnie
czynnik pośredni (gaz) zostaje sprężony w sprężarce (wzrasta jego temperatura [1]) i jest
przetłoczony do skraplacza który znajduje się na zewnątrz (w powietrzu zewnętrznym). W
skraplaczu ciepło z czynnika zostaje oddane do powietrza zewnętrznego, gaz skrapla się i
staje cieczą (nadal pod wysokim ciśnieniem). Ciecz dostaje się do elementu rozprężnego
(kapilara lub TZR), gdzie jest dławiona - zostaje zmniejszone jej ciśnienie i co za tym idzie
temperatura. Schłodzony czynnik w postaci cieczy ponownie zostaje podany na parownik,
gdzie się ogrzewa od powietrza w pomieszczeniu i przechodzi w stan gazowy.
Rysunek 1 Chłodziarka sprężarkowa (schemat działania klimatyzatora
Klimatyzacja powinna zapewniać:
" temperaturę powietrza (+20oC - pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, pokoje
biurowe ,sale posiedzeń)
" wilgotność względną powietrza (optymalnie ~50-60%)
" prędkość ruchu powietrza w pomieszczeniu (Zaleca się aby ruch powietrza w pomieszczeniu
nie przekraczał prędkości ok. 0,5 m/s w obszarze przebywania w nim ludzi).
Klimatyzacja ma za zadanie ustalić powyższe parametry w pomieszczeniu w celu
zapewnienia warunków optymalnego dobrego samopoczucia (warunków komfortu).
Zalecana ilość powietrza:
Najlepiej jest skorzystać z obu metod obliczeniowych i wybrać największą wartość.
Rodzaje wentylatorów, charakterystyka:
Typy klimatyzatorów:
- Kompakt
-Przenośny
-Split i jego odmiany
- Multi-split
Kanały wentylacyjne:
Kanały muszą być niepalne, wykonywane są najczęściej z blach stalowych,
aluminiowych, ew. z trudnopalnych tworzyw sztucznych (PCV). Najczęściej stosuje się
kanały o przekroju prostokątnym bądz
okrągłym. Przy projektowaniu należy zwrócić uwagę
na prędkość przepływu w kanałach. Im większa prędkość tym mniejszy wymagany rozmiar
poprzeczny kanału, a więc mniej zużytego materiału i niższa cena. Z drugiej strony zbyt duża
prędkość wpływa na hałaśliwość przepływu. W praktyce zaleca się prędkość przepływu ~ 10
m/s.
Największym z
ródłem hałasu są wentylatory, a ich dz
więk można ograniczyć za
pomocą tłumików akustycznych.
Wymienniki stosowane do odzysku ciepła:
- Wymienniki płytowo-krzyżowe
Wymiennik ten składa się z blach (aluminiowych) w kształcie obroconego kwadratu.
Powietrze w danym kierunku przepływa naprzemiennie co drugą blachę co pozwala na
wymianę ciepła na każdej powierzchni blachy. Oba strumienie powietrza nie mieszają się ze
sobą.
- wymienników rotacyjnych
Wymiennik ten składa się z pakietow blach(aluminiowych) o zmarszczonej
powierzchni nawiniętych w kształcie spirali. Powietrze może przepływać pomiędzy tymi
blachami zjednej na drugą stronę walca. Wymiana ciepła zachodzi pomiędzy materiałem
blach a powietrzem. W tym samym momencie jedna połowa blach walca ulega nagrzewaniu a
druga połowa wychładzaniu. Obrot walca jest powolny. Oba strumienie powietrza w
niewielkim stopniu mieszają się ze sobą.
- wymienniki z rurkami ciepła
Wymiennik ten składa się z pakietow lamel zgromadzonych w dwoch grupach: dolnej
i gornej. W lamelach osadzone są rurki ciepła wypełnione czynnikiem chłodniczym w stanie
nasycenia. Gdy dolna część wymiennika jest podgrzewana powietrzem, gorna oddaje ciepło -
możliwe jest więc jedynie przekazywanie ciepła z dolnej części wymiennika do gornej,
odwrotnie zaś nie. Oba strumienie powietrza nie mieszają się ze sobą.
- wymienniki glikolowe
Wymiennik ten składa się z dwoch wymiennikow lamelowych, przez ktore przepływa
czynnik pośredniczący (roztwor glikolu). Pompa wymusza przepływ cieczy. Stosuje się
standardowe wymienniki lamelowe. Wymienniki te mogą być oddalone od siebie na znaczne
odległości. Oba strumienie powietrza nie mieszają się ze sobą.
Filtracja powietrza
Zarówno pyły jak i drobnoustroje wędrujące kanałami wentylacyjnymi można
zatrzymywać na filtrach.
Przykładowe przemiany na wykresie t-x:
- ogrzewanie
- ochładzanie (bez wykroplenia wilgoci)
- ochładzanie (z wykropleniem się wilgoci)
2.8. Kolektory słoneczne i fotoogniwa.
2.8.1: KOLEKTORY
STAGNACJA:
Konstrukcja adsorbera oraz użyte materiały powinny zagwarantować bezawaryjną
pracę mimo okresowych braków odbioru ciepła  głównie dotyczy to sytuacji awaryjnych.
Przyjmuje się, że temperatura adsorbera:
- pokrytego czarną matową farbą  150oC
-pokrytego pokryciem selektywnym  200-240oC
Temperatura w warunkach postoju nazywa się temperaturą stagnacji. Należy
uwzględnić ją już na etapie projektowania. Konstrukcja adsorbera oraz sposób zamontowania
powinny umożliwiać jego
szybkie i całkowite opróżnienie  średnice rur zbiorczych powinny być większe niż
średnice kanałów.
Kolektory skupiające:
1. Kolektor paraboliczny:
2. Fresnela
3. Soczewki Fresnela
4. Kolektor CPC (Compound Parabolic Concentrator)
2.8.2. FOTOOGNIWA:
Klasyfikacja:
- monokrystaliczne;
- polikrystaliczne;
- amorficzne.
Zalety:
- Bezgłośność;
- Brak spalin zanieczyszczających środowisko;
- Brak zużywających się części ruchomych;
- Niezależność od obecności linii przesyłowych (60% ludności świata
mieszka na obszarach bez linii przesyłowych).
Fotoogniwo składa się z cienkiej powierzchni krzemu typu n  tzn. takiego w którym
podstawowymi nośnikami energii są elektrony. Grubość powierzchni nie przekracza kilku
mikrometrów. Grubsza jest powierzchnia krzemu typu p o ładunkach dodatnich i dziurach
jako podstawowych nośnikach energii. Górna część fotoogniwa jest oprawiona w metalową
ramkę tworzącą styk elektryczny ujemny. Wymagania stawiane ujemnej elektrodzie to przede
wszystkich minimalizacja jej powierzchni  aby nie przesłaniała światła słonecznego. Dolna
część fotoogniwa jest pokryta dobrze dopasowanym stykiem prądowym stanowiącym
elektrodę dodatnią. Górna powierzchnia fotoogniwa musi mieć ukierunkowaną jednorodną
strukturę, a więc powinna być chemicznie wytrawiona, bez mikroskopijnych nierówności
powodujących niepotrzebne kierunkowe odbicie światła, czyli zmniejszenie efektywności
ogniwa. Z tego samego powodu półprzewodnik typu n nie może być narażony na korozyjne
działanie atmosfery ziemskiej. Osłona chroni fotoogniwo przed mechanicznym
uszkodzeniem. Jej obecność ogranicza ilość promieniowania strat. Wymagane aby
pochłaniała jak największą jego ilość.
Promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym wywołuje w fotoogniwie
efekt strumienia elektronów. Energia promieniowania dochodzi do złącza i dolnej części
ogniwa przez cienką warstwę górną. Fotony usuwają elektrony z jej sieci krystalicznej i
powodują powstanie ekwiwalentnego ładunku dodatniego  dziur. Zachodzi wówczas
zjawisko polegające na przesunięciu elektronu z pasma walencyjnego, przeskoczeniu przez
niego pasma elektrycznie zabronionego i pojawienie się go w paśmie przewodzenia. Działa
więc mechanizm wytwarzania się ładunku dodatniego i ujemnego  para dziura-elektron  w
obszarze złącza. W rezultacie powstaje wewnętrzne, lokalne pole elektryczne spolaryzowane
w taki sposób, że następuje przesunięcie ruchomych elektronów do struktury typu n oraz do
elektrody ujemnej, a także przesunięcie dziur do struktury typu p i do elektrody dodatniej.
Zjawisko zachodzi gdy energia fotonu jest większa od energii niezbędnej do pokonania pasma
energetycznego zabronionego.
Proces zmiany energii promieniowania świetlnego na energię elektryczną powoduje
nagrzewanie się ogniwa  osłabiając w ten sposób mechanizm wytwarzania ładunków
elektrycznych, a tym samym zmniejszając sprawność ogniwa.
Charakterystyki fotoogniw:
Każde ogniwo zawiera relatywnie rozległe złącze p-n  ta cecha fizyczna umożliwia
porównanie go do diody półprzewodnikowej. Charakterystyka napięciowo-prądowa ogniwa
nieoświetlonego jest
odpowiednikiem klasycznej charakterystyki diody krzemowej łącznie z niewielkim
prądem w kierunku zaporowym. Jednym ze sposobów zwiększenia mocy oraz efektywności,
jest zagęszczenie strumienia świetlnego. Wadą tego rozwiązania jest nadmierne nagrzewanie
się ogniwa, co
zmniejsza efektywność przemian energetycznych. Na potrzeby analizy wprowadzono
pojęcie: stopnia koncentracji  ilorazu szerokości rozpiętości optycznej do szerokości
powierzchni absorbującej promieniowanie. Umożliwiło to uzależnienie charakterystyki mocy
wyjściowej i sprawności od geometrii urządzenia. Zależą one także od rodzaju ogniwa i
technologii wykonania. Należy pamiętać, że zastosowanie odbłyśników i soczewek powoduje
powstawanie dodatkowych strat. Promienie przepuszczone przez soczewkę lub odbite za
każdym razem zostają częściowo pochłaniane, a więc zmniejsza się ich energia. Drugi
problem stanowi wydzielające się ciepło, które również daje się spożytkować. Jedną z
propozycji jest koncepcja przetwornika termofotoelektrycznego.
2.9. Pompy ciepła
Zasada działania pompy ciepła
Urządzenia te rożnią się z
rodłem, z ktorego pobierają ciepło, a są nim najczęściej:
powietrze atmosferyczne, grunt (za pośrednictwem roztworu glikolu krążącego w kolektorach
lub sondach gruntowych) lub woda gruntowa. Wspomniane płyny przepływając przez
parownik w pompie ciepła (UWAGA! Nie dotyczy to wody gruntowej, w przypadku ktorej
należy stosować wymiennik pośredni.), powodują odparowanie znajdującego się tam
czynnika roboczego o niskiej temperaturze wrzenia(czynnik o niskim ciśnieniu). Ten,
odparowując, pobiera pewną ilość ciepła. Dalej sprężarka zasysa i spręża odparowany
czynnik roboczy. Wywołanemu wzrostowi ciśnienia towarzyszy wzrost temperatury. Para
czynnika o podwyższonym ciśnieniu i temperaturze  przechodzi do skraplacza
(kondensatora), gdzie ulega skropleniu. Podobnie, jak odparowując czynnik pobierał ciepło,
tak skraplając się, oddaje je do wody grzewczej, ktora rownież przepływa przez kondensator.
Energia przekazana wodzie grzewczej stanowi sumę ciepła pobranego w parowniku oraz
energii elektrycznej zużytej przez sprężarkę (pomniejszonych o pewne straty, ktorych żaden
układ nie może uniknąć).Następnie czynnik roboczy poprzez zawor rozprężny powraca do
parametrow wyjściowych (niskie ciśnienie i temperatura) i ponownie ulega odparowaniu
2.10. System elektroenergetyczny i jego elementy składowe
System elektroenergetyczny - zespół urządzeń służących do wytwarzania, przesyłu,
przetwarzania i użytkowania energii elektrycznej. Zadaniem SEE jest realizacja procesu
ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom, przy minimalizacji nakładów
przeznaczonych na ten cel.
Elementami głównymi systemu elektroenergetycznego są:
1 - elektrownie, przetwarzające energię chemiczną (zawartą w paliwach), jądrową lub
potencjalną (spiętrzona woda)w energię elektryczną,
2 - sieci elektroenergetyczne, w skład których wchodzą:
" stacje rozdzielcze i transformatorowo-rozdzielcze, w których następuje rozdział
energii elektrycznej oraz zmiana napięcia,
" linie przesyłowe, którymi przesyła się energię elektryczną między elektrowniami,
stacjami i odbiornikami,
3 - odbiorniki energii elektrycznej, w których następuje zamiana energii elektrycznej
w mechaniczną (silniki), cieplną (piece elektryczne, grzejniki itd.), chemiczną (odbiorniki
elektrochemiczne) lub promienistą (z
ródła światła).
Duże elektrownie systemowe wytwarzają moc, która jest transformowana z napięcia
na zaciskach generatorów na napięcie 400 kV lub 220 kV, następnie przesyłana do stacji
NN/110 kV. Oprócz tradycyjnych elektrowni systemowych występują również duże farmy
wiatrowe przyłączane bezpośrednio do sieci przesyłowej 400/220 kV
System
zagraniczny
Turbina
Turbina
Turbina
wiatrowa
cieplna
wodna
Linie
Elektrow nie
G Elektrow nie G
G
wymiany
cieplne
wodne
SN
SN
SN
Siec przesylowa 400/220 kV
Stacje400/110 kV Stacje220/110 kV Stacje400/110 kV
Stacje 110/SN
EC
Stacja 110/6kV
FW
20 kV
Stacja 110/15 kV
Siec 20 kV
FW
z odbiorami
6 kV
0.4 kV
FW
EB
15 kV
Sieć przemyslowa
0.4 kV
Siec
niskiego
napięcia z
odbiorami
Schemat ideowy systemu elektroenergetycznego.
Na rysunku poniżej pokazano schemat połączenia dużego bloku do KSE w Elektrowni
Bełchatów. Z punktu widzenia ustalonych stanów pracy istotne są zmiany mocy czynnej i
biernej generatora.
Sn=1042 MVA
Un=27 kV
Pmax=858 MW
Pmin=560 MW Sn=700 MVA
Qmax=400 Mvar Un=420/27 kV
Qmin=-70 Mvar uk=15%
45 km
BEL_4_13
525 mm2
SEE
BEL4-TB1
G13
YBEL-G13
TRE421
BEL4-TB2
BEL411
Ppw=50 MW
Qpw=60 Mvar
Rys. 1.2. Schemat połączenia bloku 858 MW w El. Bełchatów z węzłem Trębaczów
400 kV
Węzły sieci przesyłowej oprócz nazw długich mają kody, którymi posługują się
analitycy systemowi. Przykładowo TRE421 oznacza:
�� TRE - stacja Trębaczów,
�� 4 - napięcie 400 kV
�� 2 - drugi system szyn w stacji,
�� 1 - pierwszy obszar KSE (Centrum)
Stosowanie kodów węzłów, linii, transformatorów, łączników szyn, generatorów ułatwia
komputerową analizę wyników obliczeń elektroenergetycznych, jakimi są obliczenia
rozpływów mocy oraz obliczenia prądów zwarciowych.
Ze stacji NN/110 kV jest zasilana sieć rozdzielcza 110 kV. Powinna ona pełnić
funkcje rozdziału mocy między stacje 110/SN, z których zasilani są końcowi odbiorcy.
Przesył mocy jest związany ze spadkami napięć i stratami mocy. Związane z tym analizy
techniczne wymagają zbudowania modelu systemu elektroenergetycznego opisującego
wzajemne relacje napięć i mocy.
W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) niektóre linie pełnią również
funkcje przesyłowe. Są to linie wchodzące w skład ciągu 110 kV łączącego stacje NN/110 kV
po stronie 110 kV. Ciągi te rezerwują przesył mocy liniami 400 kV lub 220 kV. Mogą mieć
skomplikowaną konfigurację i bardzo często linie 110 kV są wspólne dla wielu ciągów. W
przypadku wyłączenia linii 400 lub 220 kV ciągi 110 kV przejmują na siebie przesył mocy z
elektrowni systemowych do odbiorów. O zdolności przejmowania przepływów mocy z sieci
400/220 kV przez dany ciąg 110 kV decyduje stosunek reaktancji zastępczej po stronie NN
do reaktancji ciągu 110 kV oraz rozchył kątowy między wektorami napięć w stacjach NN.
Badanie tych zjawisk wymaga zbudowania modeli opisujących wzajemne relacje napięć,
mocy, prądów i reaktancji.
Sieć elektroenergetyczna
Sieć elektroenergetyczna obejmuje linie oraz transformatory, zwane gałęziami i służy
do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Gałęzie łączą węzły, którymi są odpowiednie
systemy szyn w stacji elektroenergetycznej.
Do przesyłu służą linie napowietrzne i kablowe.
1. Rozdział następuje w stacjach elektroenergetycznych za pomocą transformatorów,
szyn i łączników. W stacjach elektroenergetycznych znajdują się również urządzenia
pomiarowe, zabezpieczenia, urządzenia sygnalizacyjne i sterownicze.
2. Odbiorcy energii elektrycznej to osoby prawne lub fizyczne, zawierające umowę, z
dystrybutorem energii elektrycznej na danym terenie, o dostarczenie energii
elektrycznej.
3. Z punktu widzenia analizy systemu elektroenergetycznego istotny jest odbiór
kompleksowy. Jest nim np. duży zakład przemysłowy zasilany z węzła sieci
przesyłowej lub sieć rozdzielcza 110 kV i średniego napięcia na danym obszarze
zasilana z węzła sieci przesyłowej. Cechą charakterystyczną odbioru kompleksowego
jest pobór mocy rzędu kilkudziesięciu - kilkuset MW oraz zasilanie z sieci
przesyłowej.
4. Moc elektryczna dostarczona liniami przesyłowymi wysokich napięć jest następnie
rozprowadzana między odbiorców za pomocą sieci rozdzielczych, które w
odróżnieniu od sieci przesyłowej są siecią promieniową lub o niewielkiej liczbie
oczek.
5. W Polsce są to linie 110 kV i średnich napięć (60, 40, 30, 20, 15, 10 kV).
6. Krajowa sieć 110kV, jakkolwiek jest siecią dystrybucyjną, to poprzez oczkową
konfigurację, bierze częściowy udział w przesyle energii elektrycznej, równolegle z
siecią przesyłową najwyższych napięć.
7. Spośród różnych występujących obecnie poziomów średnich napięć za rozwojowe
uważa się 20 kV. Część odbiorców jest zasilana bezpośrednio z węzłów na średnim
napięciu. Są to mniejsze zakłady przemysłowe. Pozostali odbiorcy to odbiorcy
niskonapięciowi, zasilani z punktów transformatorowych, w których średnie napięcie
jest transformowane na 400V.
Elektrownie
Wśród elektrowni największe znaczenie mają elektrownie przetwarzające energię
cieplną na energię elektryczną, w tym także elektrownie atomowe. Te elektrownie są
stosunkowo tanie, pracują prawie cały rok i wytwarzają najwięcej energii elektrycznej.
Podstawową jednostką wytwórczą jest blok energetyczny składający się z turbiny, generatora
i transformatora blokowego. Ich wadą jest długi rozruch wynoszący ok. 6-8 godzin. Z tego
powodu bloki cieplne nie powinny być często wyłączane i załączane. Kolejna wada to
stosunkowo wąski przedział zmienności wytwarzanej mocy. Minimalna moc mechaniczna
bloku wynosi ok. 60% mocy znamionowej.
Turbina energię cieplną pobieraną z kotła zamienia na energię mechaniczną. Para
wodna o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem uderza w łopatki wirnika turbiny
wprawiając go w ruch obrotowy. Wirnik turbiny jest sprzężony z wirnikiem generatora. W
obwodach elektrycznych wirnika generatora wytwarzane jest pole magnetyczne, które wirując
wraz z wirnikiem wytwarza siły elektromotoryczne w uzwojeniach stojana generatora.
Wytwarzany jest napięcie i prąd 3-fazowy o częstotliwości 50 Hz. Zachwianie równowagi
miedzy energią mechaniczną i elektryczną powoduje przyśpieszanie lub hamowanie ruchu
wirników i może zakończyć się awaria systemową. Badanie tych zjawisk wymaga
zbudowanie modeli opartych nas równaniach różniczkowych ruchu obrotowego
Duże prądy elektryczne nie mogą być przesyłane na duże odległości ze względu na
wytrzymałość cieplną przewodów linii i kabli. Konieczne jest zmniejszenie wartości prądu
poprzez podniesienie napięcia. W rezultacie ta sama moc elektryczna generatora jest
przesyłana na duże odległości przy znacznie mniejszym prądzie. Służą do tego transformatory
blokowe o mocy znamionowej nieco większej od mocy znamionowej generatora. Badanie
tych zjawisk wymaga oblicze elektroenergetycznych opartych na nieliniowych zależnościach
miedzy mocami i napięciami w systemie elektroenergetycznym.
Do elektrowni cieplnych zaliczyć należy również elektrociepłownie, które energię
elektryczną wytwarzają jako uzupełnienie wytwarzania ciepła. Zwykle są przyłączane do sieci
110 kV. W zakładach przemysłowych elektrociepłownie są przyłączane bezpośrednio do sieci
6 kV.
W niektórych systemach duże znaczenie mają elektrownie przepływowe wodne,
wykorzystujące energię kinetyczną spiętrzonej wody dużych rzek nizinnych lub rzek
górskich. Spiętrzona woda spływa przepustami w dół i napędza turbiny wodne. Energia
potencjalna spiętrzonej wody jest zamieniana na energię kinetyczną, a energia kinetyczna na
energię mechaniczną. Turbina wodna napędza generator, który zamienia energię mechaniczną
na elektryczną. Zaletą turbiny wodnej jest jej szybki rozruch. Podobnie jak w elektrowniach
cieplnych konieczne jest tu analizowanie równań różniczkowych ruchu obrotowego wirników
w przypadku naruszenia równowagi między energia mechaniczna i elektryczną.
Budowane są również elektrownie wodne zbiornikowe i pompowe o mniejszej mocy
turbin. Mają one przede wszystkim znaczenie regulacyjne w systemie, gdyż mogą być szybko
uruchamiane w szczycie zapotrzebowania mocy, a w nocy przepompowują wodę z dolnego
zbiornika do górnego.
Obecnie, coraz większego znaczenia napierają odnawialne z
ródła energii elektrycznej.
Są to głównie elektrownie wiatrowe, małe elektrownie wodne, elektrownie na biogaz oraz
elektrownie pływowe wykorzystujące energię przypływów i odpływów mórz i oceanów,
także elektrownie geotermiczne. Na mniejszą skalę stosowane są również ogniwa paliwowe i
słoneczne. Odnawialne z
ródła energii ze względu na małą moc są przyłączane do sieci
średniego napięcia, a nawet niskiego napięcia. Pracują zatem w bliskiej odległości
elektrycznej od odbiorcy, co przyczynia się do zmniejszenia strat przesyłowych w systemie
elektroenergetycznym.
Załączanie małych elektrowni do sieci średniego napięcia powoduje podnoszenie się
napięcia w sieci, a wyłączanie - obniżanie się napięcia w sieci. Zmiany napięcia muszą się
mieścić w dopuszczalnych zakresach procentowych. Szczególnie uciążliwe jest to w
przypadku małych elektrowni wiatrowych. Wymagane są tu obliczenia bazujące na
nieliniowych zależnościach między napięciami sieci i przesyłanymi mocami.
Zasadniczą wadą odnawialnych z
ródeł jest fakt, że mogą pracować tylko równolegle z
siecią nadrzędną, czyli nie są zdolne do pracy wyspowej. Problemy te są przedmiotem badań i
być może, że w niedalekiej przyszłości powstawać będą autonomiczne systemy
elektroenergetyczne zdolne do pracy wyspowej. Wymagać to będzie odpowiednich układów
regulacji napięć i mocy z
ródeł.