PRACA ELEKTROWNI GAZOWYCH W SYSTEMIE
ELEKTROENERGETYCZNYM
Autorzy: Sylwester Robak, D�sir� Dauphin Rasolomampionona, A
ukasz Szymankiewicz
( Rynek Energii  nr 3/2013)
Słowa kluczowe: elektrownie gazowe, automatyczna regulacja częstotliwości i mocy wymiany, odnawialne
z
ródła energii
Streszczenie. y
ródła gazowe, w warunkach polskich, mają obecnie małe znaczenie dla wytwarzania energii
elektrycznej. Z drugiej zaś strony, od wielu już lat, w kolejnych dokumentach rządowych, takich jak  Polityka
energetyczna Polski , przewiduje się znaczący wzrost zużycia gazu do produkcji energii elektrycznej i ciepła. W
referacie omówiono problematykę rozwoju z
ródeł gazowych oraz ich wpływu na regulację częstotliwości i mocy.
Rozważania teoretyczne zostały wzbogacone badaniami symulacyjnymi, w których przeanalizowano wpływ
struktury wytwarzania na właściwości dynamiczne sytemu elektroenergetycznego, w zakresie regulacji
częstotliwości.
1. WST
P
Obecna struktura z
ródeł wytwarzania energii elektrycznej w Polsce charakteryzuje się
przewagą elektrowni cieplnych opalanych węglem. Wiąże się to z historią rozwoju energetyki
krajowej w okresie powojennym. Taka struktura korzystnie wpływa na poziom
bezpieczeństwa energetycznego w wymiarze technicznym i ekonomicznym. Jednakże
dominacja z
ródeł węglowych ma negatywny wpływ na środowisko, powodowany dużą emisją
substancji szkodliwych. Dodatkowo starsze bloki węglowe charakteryzują się relatywnie niską
efektywnością procesu wytwarzania energii elektrycznej. Nowo budowane bloki węglowe
będą osiągały znacznie lepsze parametry, w tym sprawność netto na poziomie 45%.
Aktualnie realizowana polityka energetyczna Unii Europejskiej wymusza zmiany w strukturze
z
ródeł wytwarzania energii elektrycznej zarówno dziś, jak i w perspektywie do 2020 i 2030 r.
Zgodnie z obowiązującym pakietem energetyczno-klimatycznym, planowany jest istotny
wzrost udziału z
ródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej. Ponadto, polityka
energetyczna Unii przyczynia się do inwestowania w niskoemisyjne z
ródła wytwórcze. Stąd,
w sytuacji, w której Unia Europejska przyjęła kierunek na dekarbonizację gospodarki oraz
stawia rosnące wymogi emisyjne, energetyka konwencjonalna w Polsce ma ograniczone
możliwości rozwoju.
W sytuacji intensywnego rozwoju odnawialnych z
ródeł energii, w celu zagwarantowania
odpowiedniej regulacyjnej rezerwy mocy, należy przewidywać, między innymi ze względu na
niskie koszty inwestycji, dużą rolę dla elektrowni gazowo-parowych CCGT [2, 3].
Elektrownie tego typu stanowią rozwiązanie odznaczające się wysoką efektywnością
wytwarzania energii. Osiągają sprawność na poziomie 60%. Ich atutem jest także szybka i
ekonomiczna budowa. Z uwagi na stosunkowo wysoką efektywność energetyczną, są bardzo
przyjazne dla środowiska.
2. PRESPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI GAZOWEJ
Obecna i prognozowana struktura mocy wytwórczych z
ródeł energii elektrycznej w Polsce,
zgodnie z danymi Ministerstwa Gospodarki [1], została pokazana na rys. 1.
Struktura mocy wytwórczych
110%
100%
2% 2% 2% 2% 2% 2%
7%
10%
0%
90% 2% 16%
0%
2% inne
23%
25%
26%
0%
OZE
3%
80%
Jądrowe
4%
70% 4%
7% Gaz
9%
89%
86% 5% Węgiel
60% 7%
79%
68%
61%
50%
56%
40%
2006 2010 2015 2020 2025 2030
Rok
Rys. 1. Obecna i prognozowana struktura z
ródeł wytwarzania energii elektrycznej w Polsce, wg [1]
Z przedstawionego rysunku wyraz
nie wynika, że w perspektywie do roku 2030 w Krajowym
Systemie Elektroenergetycznym nastąpi zmiana udziału poszczególnych paliw/technologii w
strukturze mocy wytwórczych. Zgodnie z założeniami zawartymi w [1], nastąpi zmniejszenie
udziału węgla, który zostanie zastąpiony poprzez elektrownie wykorzystujące odnawialne
z
ródła energii, energię jądrową oraz gaz.
Realny rozwój z
ródeł wytwórczych odbiega od założeń zawartych w [1]. Zauważyć można
znaczny przyrost mocy z
ródeł odnawialnych (głównie wiatrowych) oraz problemy z
przygotowaniem inwestycji w zakresie elektrowni jądrowej. Taka sytuacja związana jest ze
skalą nakładów na jednostkowe inwestycje oraz trudnościami z akceptacją społeczną rozwoju
energetyki jądrowej.
Porównanie wybranych wskaz
ników techniczno- ekonomicznych różnych technologii
wytwarzania energii elektrycznej przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Porównanie wybranych technologii wytwarzania energii elektrycznej z różnych z
ródeł [2, 3, 4]
Czas Liczba lat Koszty Współczynnik
Technologia budowy eksploatacji inwestycyjn wykorzystania mocy Sprawność
e zainstalowanej
lata lata - *) % %
Bloki opalane węglem 5 40 1,00 85 38 (45)
Bloki gazowo-parowe 3 30 0,72 85 60
Elektrownie jądrowe 8 50 2,22 90 35
Elektrownie wiatrowe 2 25 1,20 30 -
*) Koszty 1 kW odniesione do kosztów związanych z inwestycją w bloki węglowe opalane węglem brunatnym
Zgodnie z rys. 1 z
ródła gazowe w warunkach polskich mają obecnie marginalne znaczenie dla
wytwarzania energii elektrycznej. W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym
zainstalowanych jest około 750 MW mocy w z
ródłach wykorzystujących do wytwarzania
energii elektrycznej gaz ziemny. Stanowi to około 2,2% mocy osiągalnej w polskim systemie.
Produkcja energii realizowana jest głównie w instalacjach z turbinami gazowymi pracującymi
w elektrociepłowniach. Niewielkie ilości energii z gazu ziemnego generowane są w oparciu o
silniki gazowe (także produkcja skojarzona). Zestawienie największych jednostek gazowych,
pod względem mocy elektrycznej czynnej zainstalowanej, przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2 y
ródła gazowe w KSE wytwarzające energię elektryczną
Rodzaj
Nazwa obiektu Moc Elektryczna Moc cieplna Rok uruchomienia
bloku
- - MW Mj/s
Elektrociepłownia Lublin Wrotków BGP 235 150 2002
Elektrociepłownia Zielona Góra BGP 198 135 2004
Elektrociepłownia Nowa Sarzyna BG 116 70 2000
Elektrociepłownia Rzeszów 101 76 2003
Elektrociepłownia Gorzów BGP 55 64 1999
Elektrociepłownia Siedlce BG 14,6 22,4 2002
Elektrociepłownia Władysławowo BG 11 18 2002
Od wielu już lat w kolejnych dokumentach rządowych, takich jak  Polityka energetyczna
Polski , przewiduje się znaczący wzrost zużycia gazu do produkcji energii elektrycznej i
ciepła. W dokumencie [1] zawarto plany rozbudowy elektrowni, które do roku 2030
przewidują przyrost mocy zainstalowanej w blokach gazowo parowych o wartości 2240 MW.
Dodatkowo przewiduje się przyrost mocy zainstalowanej równy 700 MW w różnego typu
elektrociepłowniach gazowych. Wśród dużych jednostek wytwórczych gazowo-parowych w
najbliższym okresie planowane są następujące inwestycje: Blok G-P Włocławek - 500 MW,
Blok G-P Elektrownia Stalowa Wola  422 MW [5].
Obecnie w celu zwiększenia sprawności wytwarzania energii z gazu stosowane są układy
kombinowane dwuczynnikowe, to jest gazowo-parowe. Typowo, blok gazowo-parowy
stanowi układ kombinowany składający się z:
- turbozespołu gazowego do produkcji energii elektrycznej,
- turbiny parowej upustowo-kondensacyjnej do produkcji energii elektrycznej i ciepła w
gospodarce skojarzonej.
W przypadku elektrociepłowni blok może dodatkowo zawierać kocioł odzyskowy
wykorzystujący ciepło spalin wylotowych z turbiny gazowej do produkcji wody i podgrzewu
wody sieciowej.
Układy gazowo-parowe posiadają szereg zalet, spośród których najważniejsze to:
- bardzo wysoka sprawność, sięgająca nawet 60%,
- mniejsze obciążenie środowiska niż układy węglowe,
- niska awaryjność połączona z dużą dyspozycyjnością (ta ostatnia jest szczególnie cenna dla
mocy rezerwowanych),
- relatywnie niskie koszty inwestycyjne,
- krótki czas realizacji inwestycji,
- duża elastyczność w zakresie warunków pracy.
Najpoważniejszą wadą elektrowni gazowych są bardzo wysokie koszty eksploatacyjne,
wynikające z wysokiej ceny gazu ziemnego. Dodatkowo, w obecnej sytuacji gospodarczej,
cena gazu jest obarczona wysokim ryzykiem.
3. TURBINY GAZOWO-PAROWE
W układach z pojedynczą turbiną gazową, podłączoną bezpośrednio do generatora, możliwa
jest produkcja energii elektrycznej ze sprawnością (liczoną jako stosunek energii w paliwie do
produkcji energii elektrycznej) na poziomie ok. 38%. Sprawność taką uzyskuje się przy
wykorzystaniu najnowocześniejszych obecnie technologii. Gazy wylotowe, opuszczające
turbinę gazową, mają jeszcze ciągle bardzo wysoką temperaturę i niosą ze sobą znaczną ilość
energii. Energię tę wykorzystuje się w układach kombinowanych, kogeneracyjnych. W
układach kogeneracyjnych następuje wykorzystanie gazów wylotowych z turbiny gazowej do
wytwarzania pary wodnej o takich parametrach, aby można ją dalej skierować na wlot
dodatkowej turbiny parowej, do której podłączony jest kolejny generator, produkujący energię
elektryczną. Takie rozwiązanie pozwala osiągnąć bardzo wysoką sprawność całego układu
skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła.
Rys. 2. Schemat kombinowanego układu kogeneracyjnego, wg [6]
4. MODEL MATEMATYCZNY TURBINY GAZOWO-PAROWEJ
Procesy dynamiczne, które odbywają się w turbinach parowo-gazowych można podzielić na
cztery kategorie [7]:
- regulacja prędkości i mocy,
- regulacja paliwa i powietrza,
- dynamika turbiny gazowej,
- dynamika przemiany gazu na moc mechaniczną na poziomie kotła odzyskowego.
Schemat ogólny powiązań między procesami dynamicznymi odbywającymi się w turbinach
gazowych o cyklu kombinowanym jest przedstawiony na rys. 4. Na rysunku przyjęto
następujące oznaczenia: Pref - moc zadana, "� - odchyłka prędkości (poślizg), FD 
'
zapotrzebowanie na paliwo, � - prędkość turbiny, W - dopływ gazu, WT - dopływ paliwa, TE
- zmierzona temperatura gazów wylotowych, Ti - temperatura gazów wlotowych, TE -
rzeczywista temperatura wylotowa, PMS - moc mechaniczna turbiny parowej, PMG - moc
mechaniczna turbiny gazowej.
Ti
"�
Pref PMG
W
FD regulacja paliwa i
regulacja
Wf turbina gazowa
prędkości i mocy powietrza
"� TE
'
TE
W
�
PMS
Kocioł odzyskowy
(HRSG)
Rys. 4. Schemat ogólny modelu turbiny gazowo-parowej wraz z jej regulacją wg [7]
Regulator prędkości i mocy jest typowo realizowany za pomocą układu PID. Natomiast
schemat układu regulacji paliwa i powietrza przedstawiono na rys. 5. W układzie LVG
przedstawionym na rys. 5 odbywa się proces regulacji paliwa [8]. Układ LVG składa się z
członu LVS (ang. Low Value Select), czyli miniselektora oraz ogranicznika. Górna granica
sygnału wejściowego jest określona na podstawie właściwości fizycznych układu zasilania
paliwa. Dolna granica odpowiada minimalnemu poziomowi paliwa niezbędnego do
utrzymania układu zasilania w ruchu.
Na rys. 6 przedstawiono model matematyczny turbiny gazowej w układzie kombinowanym.
Jest to model, który pokazuje w jaki sposób uzyskuje się moc mechaniczną PMG oraz
temperaturę gazu wylotowego TE mając jako sygnały wejściowe przepływ paliwa WF oraz
przepływ powietrza W.
Kocioł odzyskowy można zamodelować jako iloczyn dwóch układów proporcjonalno-
całkujących z dwoma stałymi czasowymi, rys. 7. Sygnałami wejściowymi są przepływ gazu W
oraz temperatura wylotowa TE [7, 8].
Przedstawiony model wymaga określenia wielu parametrów (wzmocnień oraz stałych
czasowych). Wielu autorów badań dotyczących pracy z
ródeł gazowych w systemie
elektroenergetycznym pomija szczegółowe rozważania dotyczące powyżej przedstawionych
układów i stosuje modele uproszczone. Jednym z najpopularniejszych modeli uproszczonych
jest model turbiny gazowej opracowanej przez Rowena [9], który został przedstawiony na
rys. 8
'
TE - 1+T5s
Ł
Tts
+
1.05
1
1+ sTR1
�
1.0
1.0
TR
Ti
WD 1
W
A
Ą
1+ sTV
k6
0.5
+
VCE
FD a 1 Wf
LVG Ą - K3e-sT + Ł
be + c 1+ sTf
-
�
Kf
Rys. 5. Model regulacji paliwa i powietrza turbiny gazowo-parowej wg [7]
"�
Wf
TI
CR
-�-sE
+
1.0
W do kotła odzyskowego Ł
+
C12
PG
�ł1- 1 x -1�ł +
�ł� �ł �ł
PMG
�ł
W ł -1 �ł -1) Wf Tf Tf �ł �ł -Ti�ł W 1
łł
(x
x
Ti �ł1+ śł + K2 �ł łł T �ł �ł +
x �C łł Ą Ł Ą
ł
[PR0W]
1+ sTCD
�C W
�ł �ł
K0
bf1
TE
-
�ł 1 �ł
�ł1- �ł� �ł
-sETD
Tf �ł1- �ł �ł Ł
T -�
�ł �ł
x
�ł łł
�ł łł + do kotła odzyskowego
1
K5 1 TE
K4 +
1+ T3s 1+ T4s
do regulatora turbiny gazowej
Rys. 6. Model turbiny gazowej wg [7]
TE
PMS
1
Ą
(1+ sTM)(1+ sTB)
WG
Rys. 7. Model kotła odzyskowego w układzie kombinowanym wg [7]
"Pg
1- sTCR 1
"� Xs +1 a
1+ sTF 1+ sTCD
Ys +1 bs + c
Regulator Zawór Komora
Turbina
szybkości regulacyjny spalania
Rys. 8. Model turbiny gazowej wraz z układem regulacji [9]
5. BADANIA SYMULACYJNE
Analizę wpływu z
ródeł gazowych na jakość regulacji częstotliwości i mocy przeprowadzono z
wykorzystaniem 3-systemowego układu testowego. Podstawowe dane charakteryzujące
poszczególne systemy (podsystemy) przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3 Parametry systemów elektroenergetycznych A, B i C
Parametr System A System B System C
Zapotrzebowanie, MW 90000 30000 10000
Moc zwarciowa, MVA 1200 9000 5000
Rezerwa mocy, % 10 10 10
Do analizy przyjęto dwie konfiguracje połączeń międzysystemowych. Podstawowy wariant
konfiguracji pokazano na rys. 9. W drugim wariancie konfiguracji sieci, linia przesyłowa
bezpośrednio łącząca System A z Systemem C była wyłączona.
Rys. 9. Podstawowa konfiguracja układu 3-systemowego
W wersji podstawowej system testowy składa się z połączonych ze sobą systemów
elektroenergetycznych A, B i C. Są one połączone przez trzy linie wymiany  linia łącząca
systemy A i B (100 km), linia łącząca systemy B i C (100 km) oraz linia łącząca systemy C i
A (250 km). W wariancie podstawowym przesył energii z systemu A do C jest określony na
poziomie 500 MW, w ten sposób, że bezpośrednio z systemu A do C dopływa 200 MW,
a przez system B do systemu C 300 MW. W drugim wariancie konfiguracji cała moc równa
500 MW przepływa z systemu A do systemu C przez system B.
W analizie założono, że w każdym z wyszczególnionych podsystemów A, B i C mogą
wystąpić cztery rodzaje generacji: generacja konwencjonalna, generacja wiatrowa, generacja
wodna, generacja gazowa.
Do oceny jakości regulacji w poszczególnych badaniach wykorzystano całkowe kryterium
J1 = edt (1)
+"
gdzie: e = "fi  odchyłka częstotliwości w i-tym podsystemie; jako zakłócenie testowe
przyjęto zmianę wielkości mocy zapotrzebowania w systemie B.
Do badań wyselekcjonowano 3 warianty (scenariusze) struktur z
ródeł wytwórczych w
poszczególnych systemach (podsystemach) tabela 5. W rozważanych scenariuszach struktura
podsystemów A oraz C była stała, natomiast w systemie B z
ródła cieplne były zastępowane
przez z
ródła gazowe. Wyniki badań jakości regulacji w zakresie regulacji pierwotnej
(regulacja wtórna jest wyłączona) podano w tabelach 5 oraz 6.
Z otrzymanych wyników zawartych w tabeli 5 oraz tabeli 6 wynika, że zarówno zmiana
struktury wytwarzania, jak i zmiana konfiguracji sieci łączącej poszczególne podsystemy ma
wpływ na jakość regulacji częstotliwości. Zaobserwować można, że wzrost udziału generacji
gazowej, przy braku optymalizacji układów regulacji, przyczynia się do pogorszenia jakości
regulacji częstotliwości i mocy.
Tabela 4 Procentowa struktura z
ródeł wytwórczych
w systemach A,B,C w poszczególnych wariantach
Typ Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3
generacji A B C A B C A B C
Cieplna 30 50 50 30 30 50 30 10 50
wiatrowa 50 30 50 50 30 50 50 30 50
wodna 10 10 0 10 10 0 10 10 0
gazowa 10 10 0 10 30 0 10 50 0
Tabela 5 Wartości wskaz
nika jakości dla regulacji pierwotnej
 podstawowa konfiguracja sieci
Struktura z
ródeł
System A System B System C
wytwórczych
Wariant 1 0,241600 0,204100 0,223000
Wariant 2 0,263300 0,253300 0,262200
Wariant 3 0,229700 0,385400 0,224800
Tabela 6 Wartości wskaz
nika jakości dla regulacji pierwotnej
 linia AC wyłączona
Struktura z
ródeł
System A System B System C
wytwórczych
Wariant 1 0,232800 0,181600 0,109500
Wariant 2 0,250300 0,245700 0,178800
Wariant 3 0,270100 0,259000 0,190500
6. PODSUMOWANIE
W perspektywie, do roku 2030, w wielu krajach Unii Europejskiej nastąpi zmiana udziału
poszczególnych paliw/technologii w strukturze mocy wytwórczych. Prognozowany jest
znaczący wzrost udziału z
ródeł gazowych. Również w przypadku Krajowego Systemu
Elektroenergetycznego należy przewidywać wzrost mocy zainstalowanej z
ródeł gazowych.
Można przypuszczać, że będą to głównie z
ródła kogeneracyjne umożliwiające uzyskanie
dużej sprawności przetwarzania energii. y
ródła gazowe będą miały wpływ na jakość regulacji
częstotliwości i mocy. Z wstępnych analiz przedstawionych w tym referacie wynika, że
zmiana struktury wytwarzania musi wiązać się z odpowiednim doborem parametrów regula-
torów turbin gazowych.
LITERATURA
[1]  Polityka Energetyczna Polski do 2030 roku . Ministerstwo Gospodarki, 10.11.2009.
[2] Projected Costs of Generating Electricity 2010, OECD, Nuclear Energy Agency
[3] Wójcik T.: Królewska Akademia zbadała& Ile kosztuje energia? Gigawat, 09/2004.
[4] Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie. WNT, Warszawa 1995.
[5] Plan rozwoju - w zakresie zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na
energię elektryczną na lata 2010  2025. Wyciąg. PSE Operator S.A., Konstancin 
Jeziorna, marzec 2010.
[6] Wędzik A.: Układy kombinowane produkcji energii elektrycznej. Część I. Zagadnienia
techniczne Energetyka, maj 2006, str. 323-329.
[7] Working Group on Prime Mover and Energy Supply Models for System Dynamic
Performance Studies, Dynamic models for combined cycle plants in power system
studies. IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 9, N03, August 1994, pp. 1698 1708.
[8] Zhang, Q., So, P.L.: Dynamic modeling of a combined cycle plant for power system
stability studies, IEEE Power Engineering Society Winter Meeting 2000, Vol. 2, 2000,
pp. 1538-1543.
[9] Rowen W.I.: Simplified mathematical representation of heavy duty gas turbine. Journal of
Engineering for Power, October 1983, Vol. 105, pp. 865-869.
GAS POWER PLANT OPERATION IN POWER SYSTEM
Key words: gas turbine, load frequency control, renewable energy sources
Summary. Gas sources are now of minor importance for the generation of electricity in Poland. For many years,
according to the subsequent government documents such as the "Polish Energy Policy", a significant increase in
gas consumption to produce electricity and heat is expected.Presented paper discusses the problems of the
development of gas resources and their impact on the load frequency control. The problem of wind generation
impact on load and frequency control is explicitly detailed. Accompanying simulations are included in order to
clarify the theoretical basis presented in the first sections of the paper. Simulations show the impact of gas
sources on frequency quality control and dynamical features of power systems under the angle of frequency
control.
Sylwester Robak, dr hab. inż., Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut
Elektroenergetyki,
e-mail: [e-mail]
D�sir� Rasolomampionona, dr hab. inż., Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny,
Instytut Elektroenergetyki, e-mail: [e-mail]
A
ukasz Szymankiewicz, inż., Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut
Elektroenergetyki