2014-04-22
EC i energetyka rozproszona
Wykład III
1. Elektrociepłownie
2. Elektrownie wodne - wstęp
2
dr inż. Michał Wydra
Elektrociepłownie  plan wykładu
1. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i
ciepła
2. A
ańcuch przemian energetycznych i sprawność
elektrociepłowni
3. Podstawowe schematy cieplne elektrociepłowni i
parametry stosowanych urządzeń
3
dr inż. Michał Wydra
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
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 1
2014-04-22
4
dr inż. Michał Wydra
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
" Woda chłodząca na wylocie ze skraplacza elektrowni
0
kondensacyjnych ma 25  35 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
5
dr inż. Michał Wydra
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 z
ródła 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
�% A
atwość lokalizacji  układy skojarzone dzięki wysokiej
sprawności i niskim wartościom emisji są bardzo łatwe do
zainstalowania nawet w regionach wysoce zurbanizowanych
6
dr inż. Michał Wydra
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
Energia elektryczna 17%
Elektrownia kondensacyjna
45%
�=38%
Paliwo
Olej, gaz, węgiel
100%
Ciepło użytkowe 44%
Kocioł grzewczy
55%
�=80%
11% 28%
Straty
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 2
2014-04-22
7
dr inż. Michał Wydra
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
Energia elektryczna 28%
Paliwo
Turbina
Olej, gaz, węgiel
gazowa
100%
Ciepło użytkowe 44%
Kocioł
68% odzyskowy
�=65%
24%
4%
Straty
8
dr inż. Michał Wydra
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
z
ródeł 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 z
ródłach 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
9
dr inż. Michał Wydra
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 z
ródle
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
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 3
2014-04-22
10
dr inż. Michał Wydra
A
ańcuch przemian energetycznych i sprawność
elektrociepłowni
Postać energii Chemiczna Ciepło Mechaniczna Elektryczna
Nośnik energii Paliwo Spaliny Para Prąd elektryczny
Odbiornik
Skład paliwa energii
Urządzenia i
elektrycznej
Kocioł
obiegi Turbozespół
Spalanie / Wymiana ciepła
Turbina Generator
Skład żużla i
popiołu
Para Para
otoczenie
Wymiennik
ciepła
Gorąca woda
11
dr inż. Michał Wydra
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
12
dr inż. Michał Wydra
Sprawność ogólna EC
Qpal K T G Tr
Ae
Qc
PZ
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
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 4
Spaliny
Powietrze
Skropliny
Odbiornik
energii cieplnej
2014-04-22
13
dr inż. Michał Wydra
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:
Qc +� Ae
h�EC teor.brutto =� =�1
(� )�
Qpal
" W rzeczywistości w wymienionych urządzeniach maja miejsce
straty, czyli uwzględniając sprawności kotła i rurociągów
Qc +� Ae
brutto
h�EC =�h�kh�r
QT
Qc +� Ae 1-�e�
(� )�
netto
h�EC =�h�kh�r
QT
gdzie : QT =�h�h�rQpal
k
14
dr inż. Michał Wydra
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
15
dr inż. Michał Wydra
Podstawowe schematy cieplne EC
Parametry stosowanych urządzeń
Uproszczone schematy EC: I  z turbiną przeciwprężną, II  turbiną upustowo-przeciwprężną,
III  upustowo-kondensacyjną; 1  stacja redukcyjno-schładzająca, 2  odbiory ciepła
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 5
2014-04-22
16
dr inż. Michał Wydra
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 1550C
17
dr inż. Michał Wydra
Podstawowe schematy cieplne EC
Przykład EC komunalnej
Uproszczony schemat EC komunalnej oraz fragment instalacji c.w. i c.o. w budynku
mieszkalnym; Pa > Pb  dwa różne ciśnienia pary upustowej, KW  kocioł wodny,
PW- podgrzewacz wody sieciowej
18
dr inż. Michał Wydra
Podstawowe schematy cieplne EC
Przykład bloku energetycznego BC-50
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
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 6
2014-04-22
19
dr inż. Michał Wydra
Parametry wybranych kotłów parowych i wodnych
stosowanych w elektrociepłowniach
Typ kotła Wydajność Moc cieplna Ciśnienie Temperatura Sprawność
0
kg/s MJ/s MPa C %
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
OR  kocioł parowy rusztowy opromieniowany,
OP  kocioł parowy pyłowy opromieniowany,
WR  kocioł wodny rusztowy,
WP  kocioł wodny pyłowy
20
dr inż. Michał Wydra
Parametry wybranych turbin parowych
stosowanych w elektrociepłowniach
Moc Parametry pary
dolotowej Przeciwprężnej
Typ
MW MJ/s lub upustowej
0
MPa C
kPa
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
21
dr inż. Michał Wydra
Parametry wybranych generatorów
stosowanych w elektrociepłowniach
Moc znamionowa Stojan
Typ 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
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 7
2014-04-22
22
dr inż. Michał Wydra
Zadanie
" W elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną moc na zaciskach
generatora wynosi Pg = 12,7 MW, moc cieplna oddawana z wylotu
turbiny Qc = 50MJ/s, a całkowita moc cieplna doprowadzona do
0
turbozespołu w parze o parametrach p = 10 MPa, t = 500 C, wynosi
Qt =63,4 MJ/s. Obliczyć sprawność brutto i netto EC, jeżeli
�k�r = 0,82, � = 10%.
��
12,7 +� 50.0
Qc +� P brutto
brutto
h�EC =� 0,82 =� 0,811
h�EC =�h�kh�r ��
63, 4
QT
��
50.0 +�12,7 ��0,9
Qc +� P 1-�e�
(� )� netto
netto
h�EC =� 0,82 =� 0,795
h�EC =�h�kh�r ��
63, 4
QT
23
dr inż. Michał Wydra
Zadanie cd.
" Dzieląc ciepło doprowadzone na dwie części:
Qpal =� Qpal c +� Qpal e
(� )� (� )�
(Qpal)c  zawarte w paliwie ciepło z którego uzyskuje się energię
cieplną ,
(Qpal)e  zawarte w paliwie ciepło z którego uzyskuje się energię
elektryczną Ae, 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
24
dr inż. Michał Wydra
Zadanie cd. 2
" Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania ciepła w elektrociepłowni
przeciwprężnej, przy zastosowaniu metody fizycznej podziału będzie
określona zależnością:
Qc
h�EC c =� @�h�kh�r
(� )�
Qpal c
(� )�
" Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania energii elektrycznej jest
dana wzorem:
Ae
h�EC c =� @�h�kh�rh�mh�g
(� )�
Qpal c
(� )�
" Sprawność brutto elektrociepłowni wynosi:
h�EC c Qc +� h�EC e Ae h�kh�r h�mh�g Ae
(� )� (� )� (� )�
h�EC brutto =�=�
(� )�
Qpal Qpal
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 8
2014-04-22
25
dr inż. Michał Wydra
Zadanie cd. 3
" Podstawiając wartości liczbowe otrzymuje się wartości sprawności
cząstkowych brutto elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną:
h�EC c =�h�kh�r =� 0,89��0,98 =� 0,87
(� )�
" Sprawność cząstkowa brutto wytwarzania energii elektrycznej jest
dana wzorem:
h�EC e =�h�kh�rh�mh�g =� 0,89��0,98��0,98��0,97 =� 0,83
(� )�
26
dr inż. Michał Wydra
Analiza sprawności elektrowni i elektrociepłowni
" W przytoczonych wzorach określających sprawność EC z
turbiną przeciwprężną nie występuje:
�% sprawność teoretyczna obiegu Rankine a �tR ,
�% sprawność wewnętrzna turbiny �w ,
które występują we wzorze na sprawność elektrowni
kondensacyjnej
" Jest to zaleta EC wynikająca ze skojarzonego
wytwarzania energii elektrycznej i ciepła
" Sprawność �tR związana z oddawaniem ciepła do
otoczenia w skraplaczach jest pomijana, bo ciepło
oddawane przez turbinę w EC jest energią użyteczną
" Sprawność �w wewnętrzna turbiny jest pomijana z
powodu użyteczności ciepła zawartej w parze na wylocie
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń,
WEiI 9