Dr inż. Andrzej Tatarek
Siłownie cieplne
1
1
Wykład 2
Podstawowe przemiany energetyczne
Jednostkowe zużycie ciepła i energii
chemicznej paliwa w elektrowni
parowej
2
Podstawowe przemiany
Proces przetwarzania energii elektrycznej w
elektrowni parowej konwencjonalnej
(trójstopniowy):
1. Spalanie  energia chemiczna paliwa zamieniana
jest na energiÄ™ cieplnÄ… przekazywanÄ… czynnikowi
roboczemu
2. Praca wykonana przez czynnik w silniku cieplnym
 energia cieplna czynnika zamieniana jest na
energiÄ™ mechanicznÄ…
3. Energia mechaniczna zamienia jest na energiÄ™
elektryczną w napędzanej przez turbinę prądnicy
3
Podstawowe przemiany
Układ przemian energetycznych elektrowni
cieplnych (trójstopniowy)
Energia Energia
Energia Energia
1 2 3
paliwa cieplna
mechaniczna elektryczna
1  kocioł, 2  silnik cieplny (turbina parowa lub gazowa),
3  prÄ…dnica
4
Podstawowe przemiany
Proces technologiczny elektrowni realizuje
się w czterech najważniejszych układach:
1. układ paliwo  powietrze  spaliny
2. układ parowo  wodny (cieplny)
odpowiadający obiegowi głównemu
czynnika roboczego
3. układ chłodzenia skraplaczy
4. układ wyprowadzenia mocy (układ
elektryczny)
5
Podstawowe przemiany
Rys.  Elektrownia Bełchatów  katalog reklamowy
6
Podstawowe przemiany
Obieg termodynamiczny jest to przemiana, w której stan
końcowy czynnika jest identyczny z początkowym.
W obiegu prawobieżnym średnia temperatura czynnika
obiegowego przy pobieraniu ciepła jest wyższa niż przy
oddawaniu. Obieg prawobieżny jest obiegiem silnika.
Silnik pobiera ciepło ze z
ródła o temperaturze T1, wykonuje
dodatnią pracę i oddaje ciepło do z
ródła o temperaturze T2,
niższej od T1 (zwykle do otoczenia).
7
Podstawowe przemiany
Maksymalna sprawność energetyczna silnika cieplnego
wyraża się zależnością, gdzie:
T1śr  jest temperaturą górnego z
ródła ciepła,
T2śr  jest temperaturą dolnego z
ródła ciepła (zwykle
otoczenia)
T2śr
·to =1-
T1śr
8
Podstawowe przemiany
Najprostszy obieg odwracalny działający pomiędzy dwoma
z
ródłami ciepła o stałych temperaturach składa się z dwu
izoterm i dwu adiabat. Jest to tzw. obieg Carnota.
Rys. Szargut  Termodynamika
9
Podstawowe przemiany
Przy technicznej realizacji obiegu silnika cieplnego górna temperatura
czynnika obiegowego jest ograniczona odpornością materiałów
konstrukcyjnych (żarowytrzymałość, żaroodporność). y
ródłem
odbierającym ciepło jest otoczenie.
W obiegu Carnota najtrudniej jest zrealizować przemiany
izotermiczne, podczas których przebiega równocześnie ekspansja lub
kompresja czynnika oraz wymiana ciepła z zewnętrznymi z
ródłami.
Przemianę izotermiczną można łatwo uzyskać, jeżeli czynnikiem
obiegowym jest para nasycona mokra, dla której przemiana
izotermiczna jest również izobarą, do której realizacji wystarczy
wymiennik ciepła. Dlatego w siłowniach cieplnych zazwyczaj stosuję
się parę jako czynnik obiegowy. Ze względu na stosunkowo niską cenę
wody stosuje siÄ™ parÄ™ wodnÄ….
10
Podstawowe przemiany
Przemiany czynnika przedstawia siÄ™ na wykresach: p-v, T-s oraz i-s.
Rys. Szargut  Termodynamika
11
Podstawowe przemiany
Obieg siłowni parowej powinien składać się z
izobarycznego podgrzewania i parowania 4-1,
rozprężania izentropowego pary nasyconej
mokrej 1-2, z izobarycznego skraplania pary
mokrej 2-3 oraz sprężania cieczy 3-4.
Obieg porównawczy jest obiegiem wyidealizowanym, przebiegającym bez tarcia.
Obieg porównawczy siłowni parowej nazwano obiegiem Clausiusa-Rankine a.
W rzeczywistej siłowni rozprężanie adiabatyczne przebiega nieodwracalnie, a
podczas przepływu czynnika obiegowego przez wymienniki ciepła występują
straty ciśnienia.
Rys. Szargut  Termodynamika
12
Podstawowe przemiany
Rys. Szargut  Termodynamika
13
Podstawowe przemiany
Czynnik obiegowy pobiera w kotle parowym ciepło przekazywane
przez gorące spaliny uzyskane po spaleniu paliwa. Do kotła dopływa
woda tłoczona przez pompę zasilającą. Wodę podgrzewa się w kotle,
a następnie odparowuje.
Para z kotła płynie do silnika  najczęściej jest to turbina  gdzie
rozpręża się adiabatycznie. Następnie para przepływa do skraplacza,
gdzie oddaje ciepło skraplając się izobaryczno-izotermicznie.
Ciepło w skraplaczu przejmuje woda chłodząca, którą przetłacza
przez skraplacza pompa wody chłodzącej. Woda chłodząca oddaje
ciepło do otoczenia.
14
Podstawowe przemiany
W związku z trudnością uzyskania izotermicznego
rozprężania pary wodnej w temperaturze wyższej
od krytycznej, zrezygnowano w siłowniach
parowych ze ścisłego naśladowania obiegu
Carnota. Tylko część ciepła dostarcza się podczas
przemiany izotermicznej, przy niezbyt wysokiej
temperaturze. Parę nasyconą o stopniu suchości
zbliżonym do x=1 kieruje się do przegrzewacza, w
którym temperatura pary podwyższa się do
maksymalnej wartości, na jaką pozwalają materiały
konstrukcyjne.
Sprawność energetyczną obiegu Clausiusa-Rankine a można wyznaczyć z zależności
lCR i1 - i2
·tCR = H"
qd i1 - i4
Rys. Szargut  Termodynamika
15
Sprawność elektrowni
Sprawność termiczna  jest jednym z podstawowych
wskaz
ników charakteryzujących gospodarność cieplną
elektrowni (wyznaczana z bilansu wyprodukowanej
energii i zużycia paliwa)
Nel
·ek =
"
BÅ" Qr
w
16
Sprawność elektrowni
Sprawność brutto i netto  podział ten wynika z faktu iż
w elektrowni oprócz paliwa zużywa się energię
elektryczną na potrzeby własne (do napędu urządzeń
pomocniczych).
E - E
E
el p wł
el
· = · =
ek b
ek n
B Å" Qr
B Å" Qr
w
w
Gdzie: E  Ep wł przedstawia ilość energii elektrycznej oddanej do sieci
elektrycznej w określonym czasie, a E p wł zużytej na potrzeby własne
elektrowni w tym samym czasie.
17
Sprawność elektrowni
Względne zużycie energii elektrycznej na potrzeby
własne elektrowni:
E N
p wł p wł
µ = =
E N
el el b
Zależy od rodzaju paliwa, ciśnienia początkowego pary i innych parametrów.
Dla wiÄ™kszoÅ›ci elektrowni kondensacyjnych µ = 5  9 % wyprodukowanej energii
elektrycznej.
· = · Å"(1- µ)
ek n ek b
18
Sprawność elektrowni
Przyczyny zużycia energii na potrzeby własne
elektrowni:
Napęd pomp zasilających (3  5 %) i pomp kondensatu  wynika
z wysokich ciśnień początkowych pary
Napęd pomp wody chłodzącej i innych pomp turbozespołu
Napęd urządzeń transportu i przemiału paliwa (taśmociągi,
młyny itp.)
Napęd wentylatorów powietrza i spalin w instalacji kotłowej
19
Sprawność elektrowni
Na sprawność siłowni rzeczywistej wywierają wpływ sprawności
poszczególnych jej elementów:
·ek =·tCR Å"·k Å"·r Å"·i Å"·m Å"·g
i1 - i2s
·tCR =
Sprawność obiegu Clausiusa-Rankine a
i1 - i4
Dp(i1 - i4)
Sprawność kotła parowego
·k =
B Å"Qir
"i
·r =1-
Sprawność rurociągów
i1 - i4
i1 - i2
·i =
Sprawność wewnętrzna turbiny
i1 - i2s
le
·m =
Sprawność mechaniczna turbozespołu
li
Nel
·g =
Sprawność generatora elektrycznego
Ne
20
Wskaz
niki
Jednostkowe zużycie energii chemicznej paliwa
w elektrowni kondensacyjnej  wskaz
nik określający
jednostkowe zużycie energii chemicznej paliwa q na
wytworzenie energii elektrycznej.
"
BÅ" Qr
1
w
q = =
ek b
E ·
ek b
"
BÅ" Qr
1
w
q = =
ek n
E - E ·
pwł ek n
21
Wskaz
niki
Jednostkowe zużycie paliwa umownego (węgiel o Qwr =
30 MJ/kg) w stanie ustalonym:
N
"
el
Bu =
· Å" Qr
ek w
22
Wskaz
niki
Jednostkowe zużycie paliwa umownego na jednostkę
energii elektrycznej:
1
b =
u b
· Å" Qr
ek b w
1
b =
u n
· Å" Qr
ek n w
23