Klasyfikacja elektrowni ze względu na surowce energetyczne .

1. Elektrownie cieplne wykorzystują paliwa konwencjonalne :

a) Elektrownia parowa konwencjonalna pracuje według obiegu Rankina , wykorzystują różne rodzaje paliw , w praktyce wykorzystują paliwa stałe np. : węgiel kamienny lub brunatny .

b) Elektrownie gazowe turbozespoły , w skład wchodzi turbina gazowa , elektrownie spalają paliwo gazowe i ciekłe .

c ) Kombinowane układy gazowo parowe sprawność około 60%

d ) Elektrownie w których wykorzystuje się wysoko prężne silniki opalane paliwem ciekłym ( silniki Diesla ) moc do kilkunastu MW .Stosowane w warunkach dużo palonego paliwa ( wschód ) , duża sprawność 50% ponieważ silniki Diesla , stosowane w małych systemach elektroenergetycznych , posiadają małe zapotrzebowanie na wodę .

e) Elektrownie MHD - magneto - hydro - dynamiczne wytwarzają energię w ogniwach paliwowych .Występuje bezpośrednia zmiana energii chemicznej w energię elektryczną .

2.Elektrownie wodne wykorzystują dwie przemiany energii : energię wody w energię mechaniczną w energię elektryczną .Sprawność dość wysoka 80% , moce zainstalowane znaczne , moce elektrowni kilkanaście tysięcy MW . Mogą być elektrowniami przepływowymi i zbiornikowymi .

- Przepływowe stosuje się na rzekach i występują na części przepływu wody , pracują w sposób ciągły .

- Zbiornikowe przeznaczone są do pracy podszczytowej lub szczytowej , nie pracują w sposób ciągły .

- Szczytowo - pompowe .

3.Elektrownie jądrowe - wykorzystują energię roztrzepienia paliw jądrowych , ma obieg pierwotny reaktora jądrowego i wyprowadzają ciepło z reaktora , oraz obieg wtórny który zamienia energię cieplną na energię elektryczną .Jej moce przekraczają 1000 MW .

4.Elektrownie wykorzystujące inne surowce energetyczne w tym odnawialne .

a) elektrownie wiatrowe od kilku tysięcy kV do kilku Mw .

b) elektrownie słoneczne pracują według dwóch technologii - oparte na wykorzystywaniu ciepła w obiegu Rankina lub oparte na wykorzystywaniu ogniwa fotoelektrycznego .

c) elektrownie geotermiczne wykorzystują naturalne zasoby ciepła w skorupie ziemskiej

d) elektrownie na biomasę lub biogazy związane z częściową utylizacją odpadów wykorzystują szybko rosnące rośliny np. : słoma i inne odpady .

W Polsce mamy moc około 38000 MW . 96% stanowią elektrownie lub elektrociepłownie cieplne z czego 60% wytwarzane na węglu kamiennym , a 40% na brunatnym .

Bełchatów to największa elektrownia ma 12 bloków o mocy 360 MW , opalana węglem brunatnym .Opole posiada bloki o mocy 360 MW opalane węglem kamiennym .Turów posiada 2 bloki o mocy 500 MW na węgiel brunatny , Zagłębie konińskie składa się z Pontów , Konin , Atamów.

Moce elektrociepłowni około 100 - 200 MW .Siekierki jest największą elektrociepłownią o mocy elektrycznej 600 MW , a cieplnej 2400MW .Gonów ma bloki gazowe o mocy 50 MW .Elektrownie szczytowo pompowe to Wrocław , Żydów, Solina. Wiatraki w pasie nadmorskim i nidaleko Poznania .

Elektrownia cieplno - parowa

Trzy urządzenia wytwórcze kocioł , turbina parowa , generator , standardem układ blokowy .Kocioł z wody zasilającej poprzez pompę uzyskujemy parę podgrzewaną , która trafia na turbinę ( podgrzewacz wody , parownik , przegrzewacz ) odpylacz spalin ( elektrofiltry ) trzeba wytwarzać odpowiednią ilość ciepła .Młyn węglowy przygotowuje paliwo do kotła .Przez możliwość spalania pyłu węglowego , duży skok w wydajności w parametrach kotłów .Z kotła wyprowadzamy żużel , reszta popiołu niesiona przez spaliny , odpylana przez elektrofiltr .Wentylator spalin i spaliny trafiają do kominów. Między odpylaczem spalin a wentylatorem znajduje się urządzenie do odsiarczania spalin .Para wychodząca z kotłów I grupa 12 - 13 MPa a temper 550 C , II 16 MPa 560 C , III 25 - 26 MPa 650 C .Skraplacz następuje skroplenie pary wychodzącej z turbiny .Skraplacz jest urządzeniem próżniowym 0,006 - 0,005 MPa .Para przy tak niskim ciśnieniu ma temper około 30 C .Żeby się skropliło musimy odebrać ciepło skraplane poprzez wodę chłodzącą .Wodne chłodzenie może być realizowane w ciągu otwartym i zamkniętym .Na 1 kilogram pary aby ją schłodzić potrzeba kilku dziesięciu kilogramów wody chłodzącej .

Części elektryczne bloku .

- Generator maszyna trójfazowa , twornik w którym generowana jest energia umieszczona jest na stojanie .3000 obr / min najszybsza prędkość generatora uzależniona od częstotliwości przy napięciu od 6 kV małych do 30 kV dużych , prąd rzędu kA.

- Transformator blokowy transponuje napięcie generatora na napięcie przesyłowe 110 , 220 , 400 kV .

- Transformator zaczepowy na napięcie 6 kV i zasila blokową rozdzielnię potrzeb własnych z której zasilane są duże silniki i transformatory 6 kV / 0,4 kV.

Obliczanie procesów spalania .

a) obliczanie stechiometryczne - daje nam odpowiedz na pytanie ile razy należy doprowadzić powietrza do spalania określonej ilości paliwa i ile pozostaje spalin i jaki będzie ich skład określamy warunki pracy wentylatorów .

b) obliczanie energetyczne - pozwalają wyznaczyć ilość ciepła wydzielającego się w procesie spalania , straty i sprawność kotła .

Obliczanie stechiometryczne paliw stałych i ciekłych .

Elementy składu paliwa .

C-węgiel , H- wodór , S- siarka , O-tlen , N-azot , W-woda , A-popiół

Składniki palne składniki nie palne

Podstawą tych obliczeń są reakcje spalania składników palnych.

C + O2 → CO2 , 1+1→1 , 12 + 32 → 44 kgmol

S + O2 → SO2 , 1+1→1 , 32 + 32 → 64 kgmol

H2 + 1/2O2 → H2O , 1+1/2→1 , 2 + 16 → 18 kgmol

Przeliczanie składu paliwa na udziały kilo - molowe .

n'c = C / 100*12 [ kmolC/1kgp ] , n'H2 = H / 100*2 , n's = S / 100*32

n'O2 = O / 100* 32 , n'N2 = N / 100*28 , n'H2O = H2O / 100*18

Teoretyczna ilość tlenu potrzebna do spalenia w sposób zupełny i całkowity substancji palnych zawartych w 1 kg .

nO2t = n'C + n's + ½ n'H2 + n'O2 [ kmolO2 / 1 kg p ]

Nadmiar tlenu dostarczony do spalenia λ

λ = nO2 / nO2t

zależy od rodzaju paliwa , sposobu spalania paliwa , najwięcej tlenu potrzebne jest do spalenia ciała stałego .

Początek drugiej części!!!!!!!!!!

Ilość potrzebnego powietrza do spalenia 1 kg paliwa:

n_pow=λ n_o2t / 0,21[k mol pow / kg pal]

n_o2=λ n_o2 - rzeczywista ilość tlenu

Przeliczenie ilości tlenu na ilość powietrza:

Azotu - 79% , tlenu - 21% masa tlenu w objętości powietrza jest większa, gdy temperatura rośnie ilość gazu maleje, gdy ciśnienie rośnie ilość gazu rośnie. Jeśli przyjmiemy 1m³, temperaturę 0^oC, p=1atm to 1 kg mol gazu ma objętość 22,42 um³, 1 kg mol = 22,42 um³

v_pow - objętość powietrza potrzebna do spalenia paliwa wyznaczamy:

v_pow = (λ n_O2t / 0,21)*22,42 [um³/kg p]

V_pow = B*v_pow[um³/s]

B - zapotrzebowanie paliwa [kg/s]

Wyznaczanie ilości zapotrzebowanego powietrza w m³:

V_pow=B*(λn_O2t / 0,21)*22,42*(273+t_pow/273) [m³/s]

t_pow - rzeczywista temperatura powietrza jet to czynnik wynikający z przemiany izobarycznej, gaz zmienia swoją objętość o 1/273 przy zmianie o 1^oC.

Wyznaczenie ilości i składu spalin:

Załóżmy, że mamy do czynienia ze spalniem zupełnym i całkowitym. Przy takim założeniu powinniśmy mieć składniki:

Spaliny suche n^II_ss(CO₂, SO₂, N₂, O₂) gdy dodamy (H₂O) to będą to spaliny wilgotne n^II_sw

n^II_CO2=n^I_C [k mol CO₂/kg p], n^II_SO2=n^I_S [k mol SO₂/kg p],n^II_N2=n^I_N2+0,79(n_o2tλ/0,21)[k mol N₂/kg p],n^II_O2=(λ-1)n_O2t , n^II_H2O=n^I_H2+n^I_H2O

Woda bierze się ze spalania wodoru, z wilgoci zawartej w paliwie, oraz w powietrzu. Spalanie zupełne i całkowite polega na tym, że w stałych i gazowych produktach spalania nie ma gazów palnych. Do spalania należy doprowadzić więcej powietrza niż jest to wymagane, co powoduje straty ciepła i obniżenie sprawności kotła.

W niecałkowitym spalaniu występuje dodatkowy element: tlenek węgla w spalinach C+1/2O₂→CO, pojawienie się palnych składników w stałych produktach spalania .Odbija się to na stechiometrycznym procesie spalania, zmienia się skład spalin.

CO₂, CO, SO₂, N₂, O₂- są to spaliny suche n^II_ss po dodaniu H₂O- są to spaliny wilgotne, n^II_C*12- jest to nie spalony węgiel.

Na podstawie pomiarów mamy określone(nawias [ ] oznacza zawartość w spalinach suchych):

[CO₂][%], [CO][%], C_ż [%]. C_ż- jest to procentowy udział węgla w stałych produktach spalania czyli w popiele i żużlu. W wyniku spalania niezupełnego i niecałkowitego mamy do czynienia :

n^I_C - n^II_C = n^II_CO2 + n^II_CO

n^II_C -w całości się nie spala

C_ż = [12n^II_C/12n^II_C+(A/100)]*100%

Stałe produkty spalania biorą się z popiołu A oraz z nie spalonego węgla.

n^II_C=(C_ż/100-C_ż)*(A/100*12) - niecałkowita ilość spalonego węgla

n^II_ss=(n^I_C-n^II_C/[CO]+[CO₂])*100% - ilość spalin suchych

n^II_CO2=[CO₂]*n^II_ss/100 - ilość nie spalonego węgla

n^II_CO=[ CO]*n^II_ss/100 - ilość spalonego węgla

SO₂ tak samo jak dla spalania całkowitego i zupełnego

n^II_SO2=n^I_S

N₂ tak samo jak dla spalania całkowitego i zupełnego

N^II_N2=n^I_N2

Odbija się na spalaniu tlenu i jest go więcej ponieważ jest w całości niewykorzystany

n^II_CO2=(λ-1)n_O2t+1/2n^II_CO+n^II_C

H₂O tak samo jak dla spalania całkowitego i zupełnego, wodór się spali i wilgoć zawarta w paliwie przejdzie do spalin.

n^II_H2O= n^I_H2O+n^I_H2

Ilość spalin :

V=B*n^II_sw*22,42[um³/s]*(273+t_sp/273)[um³/s]

Wartość opałowa jest to ilość energii jaką można uzyskać ze spalania 1kg paliwa oznaczona przez Q_w[kJ/kg]-jest to ilość ciepła wydzielona przy spalaniu zupełnym i całkowitym 1kg paliwa i schłodzenia spalin przy założeniu, że woda zawarta w spalinach nie ulegnie skropleniu.

Wartość opałową paliwa można wyznaczyć w sposób pomiarowy, może być wyliczona teoretycznie ze wzoru:

Q_w=33900*C/100+10400*S/100+121000*[H/100-O/800]-2500*W/100

Wodór nie spala się w całości, ostatni czynnik pomniejsza ilość ciepła potrzebną do odparowania wilgoci zawartej w paliwie.

Zjawiska zachodzące w kotle: doprowadzamy strumień paliwa, ciepło pobierane przez odparowywaną podgrzewaną wodę, część w formie strat oddawana jest do otoczenia.

η=Q_k/B*Q_w=100-(ΔQ/B*Q_w%)

Σs=(ΔQ/B*Q_w%)

Q_k=B*Q_w-ΔQ

Strata promieniowania jest to pewna ilość ciepła tracona z powierzchni rozgrzanego kotła do otoczenia.

Strata nie całkowitego spalania węgla:

S_n%=(n^II_C-12*33900/Q_w)*100%

Strata niezupełnego spalania pewnej części węgla:

S_g%=( n^II_CO*22,42*12628/Q_w)*100%

Strata S_g jest mniejsza od straty S_n

Strata wylotowa decyduje o sprawności kotła ponieważ jest to największa strata:

S_w%=(I_sp-I_pow/Q_w)*100%

Entalpia powietrza:

I_pow=n_pow*cp_pow*tp_pow

I_sp- ilość ciepła unoszona poza kocioł ze spalinami powstającymi ze spalania 1kg paliwa, I_pow- ilość ciepła wnoszona do kotła z powietrzem potrzebnym do spalenia 1 kg paliwa

Q_w- wartość opałowa ponieważ liczone jest 1 kg paliwa

I_sp=n^II_CO2*Cp_CO2*t_sp+ n^II_CO+ Cp_CO*t_sp+...

Strata promieniowa nie jest wyznaczana w obliczeniach dokładnie, dobierana z tabel w zależności od wielkości i mocy kotła.

Para jako czynnik termodynamiczny:

Przemiany zachodzące wokół pary i wody najlepiej przedstawić za pomocą wykresów termodynamicznych:

T-temperatura bezwzględna,

S-entropia, jej zmiana określa odwracalność przemiany,

i-entalpia to parametr określający energię czynnika ujmujący zarówno energię wewnętrzną czynnika i pracę jest to funkcja temperatury czynnika i ciśnienia jej wymiar [kJ/kg],

K-to punkt krytyczny dla wody wynosi 375 ^oC i 20,5 Mpa,

x=0-odpowiada nasyceniu wody czyli stanowi wrzenia,

x=1-odpowiada nasyceniu pary,

Między x=0 i x=1 jest obszar pary wilgotnej, następuje parowanie i skraplanie przy przechodzeniu z x=1 do x=0. Ts - wykres ciepła dlatego, że pole przedstawia ciepło podczas przemiany, obrazuje nam ilość ciepła oddanego. Nie określamy ilości energii zamienionej na parę mechaniczną lub dochodzącej jako para mechaniczna.

i→s jest wygodniejsze w użyciu.

W obszarze wody ciśnienie ma pewien wpływ na entalpie ale niewielki bo woda jest mało ściśliwa. W obszarze pary wilgotnej musimy znać albo p - ciśnienie albo t- temperaturę i stopień suchości, to wtedy:

i=i`+x(i``-i`)

i` - entalpia wody w stanie wrzenia

i`` - entalpia pary nasyconej suchej

x - stopień suchości czyli masowy udział pary w mieszaninie parowo-wodnej.

Zmiana ciepła z kotła na pracę użyteczną obiegu cieplnego elektrowni.

Obieg Carnota - najbardziej sprawny obieg cieplny zamieniający ciepło w parę użyteczną.

η=(T₁-T₂)/T₁

η=(Q₁-Q₂)/Q₂

Obieg Rankina - woda jest jako czynnik termodynamiczny

4-1 - izobara doprowadzenia ciepła

1-2 - adiabata rozprężania pary

2-3 - oddawanie ciepła w dolnym źródle przez skraplanie pary

3-4 - sprężanie czynnika

η=(Q_d-Q₀)/Q_d

i_sk - entalpia skroplin

i_wz - entalpia wody zasilającej

η=[(i₁-i_wz)-(i₂-i_sk)]/(i₁-i_wz)

η=[(i₁-i₂)-(i_wz-i_sk)]/(i₁-i_wz) gdzie (i_wz-i_sk)≈0

η=(i₁-i₂)/(i₁-i_wz)

Straty w rurociągu.

η_r=(i₁-i₂)/(i₀-i₂₀)

η_i=(i₁-i`₂)/(i₁-i₂)

Jeżeli doprowadzimy do kotła strumień energii chemicznej BQ, kocioł pracuje ze sprawnością η_K, ilość ciepła doprowadzonego do obiegu wynosi:

BQη_K=(i₀-i_wz)D*η_ob* BQη_K=D(i₀-i₂₀)*η_r=D(i₁-i₂)η_i=D(i₁-i₂``)=N_i

D - strumień pary

η_ob - sprawność obiegu

η_i - sprawność wewnętrzna turbiny

N_i - moc wewnętrzna turbiny

N_i*η_m=N_m*η_g=N_ec

η_m - sprawność mechaniczna

η_g - sprawność generatora

B*Q_w*η_el=N_el

Sprawność kotłów η_K=90% max 92%

Sprawność obiegu η_ob=(37 - 44)% max 50%

Sprawność wewnętrzna turbin η_i=(70 - 87)% max 89%

Sprawność rurociągu η_r=99%

Sprawność mechaniczna η_m=(96-98)% max 99%

Sprawność generatora η_g=(95 - 98)% max 99%

η_ob=(i₀-i₂₀)/(i₀-i_wz)

Możemy obniżyć ciśnienie wylotowe turbiny:

• i₀ ograniczając materiały stopowe

• i_wz ograniczając skraplacz

Uzyskując duży przyrost η_ob poprzez wprowadzenie:

• wtórnego przegrzewu pary

• podgrzewa regeneracyjnego wody zasilającej.

Wtórny przegrzew pary wymaga podziału turbiny na kadłub wysoko i nisko prężny.

η_ob=[(i₀-i₂₀)+(i₃-i₃₀)]/[(i₀-i_wz)+(i₃-i₂)]

Najlepiej gdy ciśnienie wtórnego przegrzewu wynosi 20% ciśnienia początkowego.

Podgrzew regeneracyjny - podwyższ entalpie wody zasilającej, nie cała para przepływa do kondensatora. W turbinie są upusty pary. Para pobierana z turbiny podgrzewa wodę zasilającą.

Para upustowa oddaje ciepło do przegrzewu i kondensacji.

Układ cieplny bloku 120 MW - stary, montowany w latach 60-70, w elektrowni Adamów jest 5 takich bloków.

Układ cieplny bloku 200 MW - turbina PWK - 200, podstawowa w naszym systemie (przeszło 60 sztuk), zamontowane w Turowie, Dolna Odra, Śląsk.

Układ cieplny turbozespołu 500 MW. Dwa w systemie, w elektrowni Kozienice. Pompa wody zasilającej ma napęd z turbiny.

Układ cieplny bloku 360 MW. W naszym systemie jest w Bełchatowie na węgiel brunatny, a w elektrowni Opole na węgiel kamienny, są najnowocześniejsze.

Schemat układu cieplnego umożliwiający obliczenia.

t_k1 - temp do które następuje podgrzew kondensatu

t_wz - temp wody zasilającej za regulacją wysokoprężną

sprawności turbin η_iwp,η_inp

sprawność mech η_m

sprawność generatora η_g

sprawność kotła η_k

Wykres IS

Entalpia pary na wyjściu z kotła

(i₁-i`<sub>I</sub>)/(i<sub>1</sub>-i<sub>I</sub>)=η<sub>iwp</sub>→i`_I=i₁-η_iwp*(i₁-i_I)

Obliczenia energetyczne opierają się na zasadzie bilansu energetycznego.

Bilans turbin.

Strumień energii - ilość energii przekazywana w czasie [kJ/s].

Gęstość strumienia energii [kJ/s/m]

Entalpia i [kJ/kg]

Wymiar mocy D [kg/s] E=d*i

D - całkowity przepływ

D*i₁ - strumień energii dopływającej do turbozespołu

Di₁+(D-D_odg-D_I)i₃=D_I*i`<sub>I</sub>+D<sub>odg</sub>*i`₂+(D-D_odg-D_I)i`<sub>2</sub>+D<sub>II</sub>*i`_II+(D-D_odg-D_I-D_II)i`_K+[N_el/(η_mη_g)]

PRI bilans podgrzewacza regeneracyjnego wody zasilającej

D_I*i`_I+D*i_odg=D_I*i_skrI+D*i_wz

i_odg=t_odg*4,19

i_skr - para upustowa skraplająca się jako entalpia wody wrzącej przy ciśnieniu P₁

D_I(i`_I-i_skrI)=D(i_wz-i_odg)

PR II

(D-D_odg-D_I-D_II)i`<sub>K</sub>+ D<sub>II</sub>*i`_II=(D-D_odg-D_I-D_II)i`_K1+D_II*i_skrII

Odgazowywacz

D_odg*i`<sub>2</sub>+D<sub>I</sub>*i<sub>skrI</sub>+(D-D<sub>odg</sub>-D<sub>I</sub>-D<sub>II</sub>)i`_K1 =D*i_odg

Sprawność elektrowni calkowita

Q_k=D(i_o-i_wz)+ (D-D_I- D_odd) (i-i₂^')

;
_OB.-sprawność obiegu

_OB.=

d- jednostkowe zurzycie pary, czyli ilość pary

b- jednostkowe zużycie paliwa

d=D/N_el; b=B/N_el

Elektrownie jądrowe

Jest jedno naturalne paliwo jądrowe (uran izotop 235), występuje w nieznacznej ilości. Można uzyskać dwa paliwa sztuczne: pluton 239 - powstaje z uranu 238 i uran 233 - powstaje z toru 232. energia bierze się z tzw defektu masy tzn suma neutronów i protonów jest większa od rzeczywistej mocy jądra i ta różnica mas jest to wynik równania: ²³⁵₉₂U+¹₀n => ²³⁶₉₂U => ^A1_Z1F₂+ ^A2_Z2F₂+2,5¹₀n+Q;

Najbardziej prawdopodobna masa atomowa tych składników to około 90 i 140. średnia na jeden okt. Mniej więcej 90% energii powstaje w postaci energii kinetycznej. Na 1 akt rozpadu powstaje 160 eMW. Neutrony wynoszą 5eMW energii. Neutrony z rozkładu to neutrony szybkie (10tys km/s) nie są one w stanie powstrzymać reakcji jądrowej, bo są za szybkie. W rdzeniu stosowany jest modulator, który spowalnia neutrony. Neutrony termiczne - energi 25 tys eV ( 2,2 km/s). Zderzenie sprężyste jądra pochłania neutrony.

Typy reaktorów jądrowych: bewuery RBWK (grafitowe z chłodzeniem kanałowym wody)

Układ elektrowni jądrowej z 1 obiegiem cieplnym

z obiegiem pierwotnym i wtórnym PWR

Reaktory GCR i AGR

W przypadku gazowych 600^o pozwala, ze temp w tym obiegu wtórnym mamy parametry zbliżone do normalnych elektrowni. Reaktory bez moderatora „prężne” wykorzystuje się do rozprężania.

Stopień wzbogacenia paliwa jest rzędu 90%

LMFBR

Typy reaktorów 500MW w skali 1:200: gazowo grafitowy; PWR- ciśnieniowo wodny; BWR - wodno wrzący z odparowaniem wody w rdzeniu reaktora; RBMK; Super Phenix 1200MW

Obieg rankina

Osuszacz:

D_(2')=X_(2')D+(1-x)D_(2')

D(i₁-i_Skr1)=D_(2'')(i_2”-i_2”)

D-ilość pary nasyconej

Elektrownie cieplne z turbinami gazowymi

Obieg Breitona Joule'a składa się z dwóch izobar i adiabat odwracalnych (izentrop)

1:2 - gaz sprężony w sprężarce; 2: - izobaryczne doprowadzenie ciepła, czyli wzrost temp; 3:4 - rozprężanie (wykonanie pracy); 4:1 - izobaryczne oddawanie ciepła, zamknięcie obiegu przez ogrzewanie powietrza w czasie spalania. Jest to obieg otwarty.

Turbozespół gazowy, turbina gazowa, komora spalania

Sprawność obiegu Joule'a Breitona teoretyczna η=1- T₄/T₃; W punkcie 1 - ciśnienie otoczenia temp ok. 25 st C; w pkt 2 sprężanie ciśnienia kilkunastu atmosfer 1,005 Mpa

T3- ograniczenie temp z jaką spaliny są doprowadzane do turbiny gazowej, od tego zależy T4, temp spalin na wyjściu, T4 wynosi około 500st K i wyżej. Sprawność nie jest wysoka, a wytwarzanie energii jest to około 30% sprawności. T3 - temp spalin, wysokie współczynniki nadmiaru powietrza; dodatkowe powietrze ma obniżyć temp spalin

poprawa sprawności przez ograniczenie pracy przez sprężarke

Regeneracyjny podgrzew

układy gazowo-parowe

Trzy metody kojarzenia układu gazowego i parowego.

1. Skojarzenie tych układów poprzez kocioł odzysknicowy zasilany gazami wylotowymi z turbiny gazowej, wytwarza się para do zasilania części parowej, najbardziej sprawny układ przy zastosowaniu paliwa gazowego otrzymuje się sprawnosc 60%. Turbinie gazowej większa moc zainstalowana około 2xwiększa niż w turbinie parowej.

2. Skojarzenie części gazowej z parową poprzez zrzut spalin z turbiny gazowej do kotła parowego. W turbinie gazowej λ=4, to tlenu jest tyle prawie co w powietrzu, spaliny są dobrymi utleniaczami. Są to obiegi dwu częściowe. Kocioł opalany najczęściej paliwem stałym. Sprawność 40%. Ciepło wykorzystywane w części parowej i gazowej. Moc części gazowej, aby ilość tlenu w spalinach wylotowych była wystarczająca do spalenia paliwa, potrzebnego do pracy części parowej, jeżeli turbina za mała, więcej doprowadzić powietrza, jeśli za duża to spaliny nie wszystkie będą utlenione. Turbina parowa większa moc od turbiny gazowej dlatego mniejsza sprawność. Retrofit - odbudowa połączona z modernizacją, do starej parowej dodajemy turbinę gazową

3. zastosowanie ciśnieniowej wytwornicy pary - element źródłem pary do turbiny parowej i spalin do turbiny gazowej. Wspólne wytwarzanie czynników. Problem ze spalaniem ciśnieniowym paliwa stałego. Praktyczne zastosowanie gdy wprowadzono do eksploatacji kotły fluidowe o złożach ciśnieniowych; sprawność nieco powyżej 40%; kotły fluidalne proces spalania około 1000st C; spalanie paliw stałych kiepskich jakości. Fluidyzacja - zawieszenie w gazie rozdrobnionego materiału stałego. Tworzy się złoże fluidalne, materiał zachowuje się jak pył, dlatego dobre wymieszanie z powietrzem oraz temp 1000st, małych λ.

Zwiększenie ciśnienia, daje większą moc, kilkukrotne zmniejszenie urządzenia w którym następuje spalanie.

W części parowej moc nieco większa

Schematy układów parowo-gazowych kompresor pobierający powietrze, turbina gazowa, komora spalania, kocioł odzysknicowy, generator

Rozw I

Wykres TS

OG obieg gazowy

OP obieg parowy

Ciepło doprowadzone

Ciepło przekazywane do obiegu

Ciepło tracone

Nel=Nel+Nel_TP

Rozw II

Nel=Nel_TG+Nel_TP

Bilans energetyczny

Rozw III

Kocioł jednociśnieniowy odzysknicowy

Ilość ciepła która może być przekazana do części parowej

Qp=Gs(is-isw)

Ciśnienie pary jakie chcemy uzyskać, daje nam temp.nasycenia

Pp->Tn

Qpw+gs(is1-is2)

Qp=Gs(is2-is1)

Qpp=Gs(is1-is2)

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

Elektrociepłownie

Turbiny parowe-parametry pracy turbiny 540stopni 13-14 Mpa

Turbozespół wysoko prężny jeżeli ciśnienie pary jest wyższe od atmosferycznego, albo turbozespołem pracującym przy pogorszonej próżni jeżeli ciśnienie pary wylotowej jest nieco niższe od c. atmosf.

Produkuje moc elektryczną w generatorze i oddaje ciepło którego strumień wynosi Qc turbozespół. Źródłem ciepła grzewczego jest zainstalowany wymiennik para-woda, w którym podgrzewana jest woda która jest nośnikiem ciepła. Jeżeli ma być źródłem ciepła technologicznego to nośnikiem ciepła jest para pobrana z wylotu turbiny.

Z przecięcia punktów dla parametrów początkowych mamy rozprężanie do izobary pp

ηi=i1-i2'/i1-i2

nie wpływa sprawność wewnętrzna turbiny

moc elektryczna uzyskiwana Nel=D(i1-i2')ηm*ηg

ilość uzyskiwanego ciepła Q=D(i2'-i2'skr)

Powiązanie między obciążeniem cieplnym a produkcją energii el. Turbozespół pracuje według obciążenia cieplnego, obciążeniem podstawowym jest ciepło, a produkcja energii elektrycznej jest sprawą wynikową.

Stopie skojarzenia

σ=Nel/Qc=Eel/Ec

wskaźnik skojarzenia zależy;

gdy rosną parametry początkowe to σ rośnie

gdy obciążamy ciśnienie przeciw prężne to σ rośnie

Sprawność układu może być precyzowana.

Sprawność elektroenergetyczna ciepłowni

Straty mechaniczne i generatora nie są duże

W kotle największa strata a ich sprawność 80-91%

Sprawność energetyczna elektrociepłowni jest 80 kilka%

Elektrociepłownia mało elastyczna

Trzeba doprowadzić do większej elastyczności kosztem sprawności

Turbozespół kondensacyjno upustowy

Turbina wprowadzona w upust regulowany, jeżeli zawór przymknięty, to więcej ciepła bo więcej pary płynie przez upływ.

Rozprężanie pary

Dławienie pary jest izentalpowa ze stałą entalpią

Rozpływ pary w turbinie

Wartość przepływu pary przez upust zależy od zapotrzebowania ciepła

Ograniczenia pracy tego turbozespołu

-wydajność kotła, max ilość pary można z kotła pobrać

-min przepływ pary przez części niskoprężne

Praca turbiny w zależności od zapotrzebowania na ciepło im więcej ciepła potrzeba tym więcej pary pobierane jest z upustu, otrzymujemy mniej energii i praca przesuwa się do turbozespołu przeciw prężnego wzrasta sprawność, zmniejsza się przepływ do kondensatora i otrzymujemy mniej energii el.

Możemy kosztem sprawności zwiększyć elastyczność.

Wskaźnik skojarzenia w turbinie będzie większy niż w turbinie przecie prężnej

Turbozespół możemy podzielić na turbozespół na potrzeby grzewcze i ciepłownicze przemysłowe

Turbozespoły przemysłowe występują o mocy kilku kilkunastu MW, ciśnienie do 10Mpa, temp max 500stopni, wymagane parametry nośnika ciepła są to turbozespoły przeciw prężne, w niektórych przypadkach przeciwprężno upustowe wpasowany w regulowany upust. Ze względu na małe moce jest stosowany regeneracyjny podgrzew wody do150stopni gazowy

Ciepłownie w elektrowniach moce kilkadziesiąt MW parametry początkowe pary są takie same jak w blokach energetycznych

Turbiny pracują na pograniczu pracy przeciw prężnej lub z pogorszoną próżnią , nie ma zastosowanego przegrzewu międzystopniowego pary, ciśnienie przy którym kończy się rozprężanie nie ma zagrożenia że para nie będzie miała dużej wilgotności

Elektrociepłownie z turbozespołami gazowymi

-umożliwia produkcję pary, może być elektrociepłownią gazową

-może być oparta o turbozespół gazowy wlot gazowo parowy ciepłowniczy

gazy wylotowe są wykorzystywane w wodnym kotle odzysknicowym

Układ z kotłem odzysknicowym para-woda, może być też kocioł z dopalaniem co powoduje zwiekszenie ciepła otrzymywanego

Układ gazowo parowy

Kocioł odzysknicowy daje wiele realizacji takich układów

Bloki siłowniczo ciepłownicze

-są to agregaty prądowe napędzane silnikami tłokowymi zasilanymi gazem

Ciepło użyteczne brane z chłodzenia korpusu silnika oraz chłodzenia spalin wylotowych, redukcja między produkcje ciepła i energii jest mniej więcej równa zbliżone 1;1

Max temp podgrzewu wody to 90 stopni, są to żródła wyłącznie ciepłownicze. Mikro elektrociepłownie są budowane o jak najwiękeszej wydajności energetycznej. Produkcja energii elektrycznej jest wynikowa

Elektrociepłownie wpasowane w turbiny prowe

Układ elektrociepłowni zależy od warunków w jakich pracuje

Roczny wykres obciążenie elektrociepłowni

Qco-odbiór sezonowy

Qcwu-odbiór całoroczny

W elektrociepłowni istnieje podział na źródła podstawowe czyli około 5000 godz pracy i źródła szczytowe.

Ważnym parametrem jest wsp skojarzenia- to stosunek mocy cieplnej wytworzonej w skojarzeniu do max mocy cieplnej

α=Qc(s)/Qc

Źródła szczytowe podgrzewają czynnik podgrzewany wcześniej w źródłach podstawowych . Zmienia się przepływ i temperaturę występuje regulacja jakościowa

Schemat współpracy źródła podstawowego i szczytowego.

Elektrociepłownia przemysłowa.

Wykres obciążeń uporządkowanych rocznych

80% stanowi nieraz zapotrzebowanie technologiczne . podstawowy nośnik ciepła to para , obieg o najmniejszej mocy zainstalowanej i rozległości sieci cieplnej mniejszej , duża wrażliwość odbiorców na przerwy w pracy.

Nie można podać podziału na podział podstawowy i szczytowy . Bardzo ważne jest zapewnienie pewności zasilania . Kłopoty z przeprowadzeniem remontu w okresie letnim . Moc elektryczna rzędu kilku kilkunastu MW. Układ technologiczny elektrociepłowni przemysłowej - kotły parowe , które pracują korektorowo , jeden kocioł w rezerwie zawsze sprawny ilość kotłów n+1 , do korektora podłożone turbozespoły ciepłownicze z zespołem upustowym przeciw prężnym , dwa zespoły pary.

Moc cieplna która daje turbozespoły , dobrano do zapotrzebowania na moc przemysłową. Dodatkowo umieszczone stacje redukcyjno schładzające do utrzymania stałego ciśnienia i temp ich wydajność dostosowana do max zapotrzebowania pary.

Efekt ekonomiczny.

Przy stosowaniu gospodarki skojarzonej.

ΔE=(Nel/ηel)+(Qc/ηc)-((Nel+Qc)/η_EC)

Podział kosztów

Kc koszt ciepła

KE koszt en.el.

BQw=Echp

Echp en.chem.paliwa

Qc/ηk=Echc

Echc en.chem.zurzytego na ciepło

Echc/Qw=Bc zurzycie na ciepło

B-Bc=B_EL na produkcje en.el.

2*więcej ciepła niż en.el. Płaci odbiorca ciepła.

Urządzenia wytwarzające są hydrozespołami i turbiny wodne.

Turbiny wodne- przetwarzają en.kinetyczną w mechaniczną.

Urządzenia spiętrzające- wywołuje spad wody.

Turbiny wodne

Moc cieku wodnego

Nw=VHρzależy od przepływu V

Wysokć spadu H

Gęstość wody ρ

Energia wody określona przez równanie Bernuliego

E=Vρg[(h_A-h_B)+(p_A-p_B)/ρg+(c_A²-c_B²)/2g]

Energia składa się z trzech elementów en.potencjalnej, en.naporu, en.kinetycznej

Turbina Peltona

Dwudyszowa, elementy wirnika, dysze, komory wirnika

Ciśnienie statyczne wody za dyszami jest równe ciśnieniu otoczenia, cała energia jest w postaci energii kinetycznej. Przystosowane do pracy w dużych spadach 500m.. a nawet do 2000 metrów. Prędkość wypływu wody z dyszy jeżeli spad ok. 1000 m. √2gh z tego wzoru oszacować możemy√2*9,81*1000=141m/s

Dysz może być więcej niż jedna. Wirnik może być wykonany z trzech kół z łopatkami jeżeli niższe spady. Jeżeli istnieja potrzeba zmiany obciażenia, trzeba otworzyć lub zamknąć zawór. Odchylacze strugi skierowują wode obok koła łopatkowego

Wykorzystanie energii naporu, trzeba umieścić turbinę na spadzie. Są to turbiny naporowe lub reakcyjne ze względu na sposób działania mają one, czynnik dopływający ma ciśnienie statyczne większe od atmosferycznego, to ciśnienie wykorzystywane w wirniku turbiny.

Trzy rodzaje turbin;

-Francisa pracuje ze średnimi spadami rząd kilkudziesięciu metrów do300

-śmigłowa pracuje przy spadach kilku kilkunastu metrów

-kaplana ma łopatki przestawiane, a śmigłowa nie ma łopatek przestawianych

Moc uzyskiwana w turbinie

Elementy turbozespołu i hydrozespołu

Prędkość unoszenia aby była m/s

Πdn/60

Ze względu na małe prędkości odwrotne przy pracy znamionowej są mało wrażliwe na rozbieganie te turbiny.

Przepływ wody, zmiana parametrów wywołana przepływem wody przez turbinę naporową

p- ciśnienie

c- prędkość

Ciśnienie statyczne spada poniżej ciśnienia atmosferycznego na wejściu. Na wyjściu wirnika woda wpływa do rury ssącej mającej kształt rozbieżny jej przekrój wzrasta tz dfuzor w nim następuje wyhamowanie wody i zwiększenie ciśnienia.

Równanie opisujące moc.

M=Vρ(r1c1cosα1-r2c2cosα2)

N=Mω

N=Vρ(U1C1cosα1-U2C2cosα)

Moc jaką można uzyskać w turbinie

VHρg=Vρ(U1C1cosα1-U2C2cosα2)

Przyczyny strat:

-część wody ominie wirnik

-ujęcie wody sztolniami przecieki wody woda pobieana z górnego zbiornika a nie trafia na wirnik

-straty mechaniczne w łopatkach wirnika w oparciu kierowniczym część prędkości tracimy

Równanie turbiny podstawowe

Hη_H=1/g(U1C1cosα1-U2C2cosα2)

Sprawność całkowita mechaniczna i hydrauliczna jest 0,88-0,83, to iloczyn sprawności mech i hydrau.

Zachowanie turbiny pracującej w zmiennych wirnikach

Zależnośćmiędzy prędkością obrotową turbiny a wielkością spadu jest:

n1:n2=√H1:√H2

zależność między ilością wody przepływającą przez turbinę a wielkością spadu jest:

V1/√H1=V2/√H2

Parametry pracy turbiny w zależności od spadu określają wielkości zredukowane odnoszące do spadu 1 metra

Zredukowana prędkość obrotowa

n1n=n1√H

zredukowana przekładnia

V1V=V1√H

Zredukowany moment obrotowy

M1N=N1H^3/2

Dobór turbin do przewidywanej elektrowni

Turbiny dostosować do warunków hydraulicznych i zadań elektroenergetycznych. Dobór turbin dokonywany jest w oparciu o teorie podobieństwa, turbiny budowane są w typoszeregach cały szereg turbin jednego typu charakteryzuje się wymiarami części przepływowej, ważna jest średnica wirnika, podobieństwo stanu pracy, występuje gdy mamy do czynienia z dwoma podobnymi turbinami, trójkąty prędkości dolotowych i wylotowych są podobne.

Każdy typoszereg turbin charakteryzuje się wyróżnikiem szybkobieżności który jest prędkością obrotową, turbiny podobnej pracującej, ze przy spadzie 1 metra rozwija moc jednego konia mechanicznego.

Wyróżnik szybkobieżności

Turbiny Peltona mają najmniejsze n_s a turbiny śmigłowe i Kaplana mają n_s duży.

Wielkości podwójne zredukowane.

Prędkość obrotowa podwójnie zredukowana.

n_I' ;

Przełyk podwójnie zredukowany.

;

Moment podwójnie zredukowany.

;

Moc podwójnie zredukowana.

;

Charakterystyka turbiny wodnej

Podstawowa charakterystyka eksploatacyjna

Elektrownie wodne

Dzielimy na:

1. Elektrownie przepływowe - budowane na wielkich rzekach z dużymi przełykami małymi spadami wykorzystują przepływ wody, Kaplana lub śmigłowe.

2. Elektrownie zbiornikowe - pracują w oparciu o górny zbiornik który jest spiętrzony zaporą, w terenach górskich, pracują z różnym okresem wyrównania musi się zbilansować przepływ i odpływ wody, wyrównania dzienne - roczne spełnia funkcję retencyjne, mają turbiny wykorzystujące średnie lub duże spady, przełyki turbin maleją może się zmieniać sposób wykorzystania turbin, przepływ wody większy niż normalny przepływ, podszczytowe lub szczytowe może spełniać funkcje.

Elektrownie zbiornikowe

3.Elektrownie pompowo-szczytowe - akumulacja energii elektrycznej, górny zbiornik często sztuczny, energia zużywana na pompowanie wody do góry, sprawność ok. 60%, przejście do pracy turbinowej pompowej rząd kilku minut.

Okres wyczerpania złuż :

znanych całkowitych

Węgiel po 2060 po 2200

Ropa 2020 2050

Gaz 2012 2060

Uran 2060 2200

SO₂ - użytkować paliwa o mniejszej zawartości siarki, w węglu siarki od 0,5 d0 2%, stosować wzbogacenie węgla, w węglu piryt czyli związek siarki najłatwiej usunąć.

- oczyszczenie spalin instalowanie odsiarczania, działanie na spaliny związkami wapnia np. wapniem palonym, uzyskujemy siarczany wapnia i możemy produkować gips

Tlenki azotu NOX - utlenia się przy wysokiej temp. Spalania oraz nadmiar powietrza sprzyja tworzeniu NOX, stosować niskoemisyjne spalarki

- pyły oczyszczanie, odpylanie spalin

Odpylanie spalin:

- elektrostatyczne popiół nie przewodzący w polu, elektrofiltry, ze sprawnością 99% lotny pył wyłapywany

- tkaninowe filtry workowe, tkaniny szklane lub mineralne, wytrzymałość na temp.

Podział energii naturalnej powstającej ze słońca. Możliwa do zagospodarowania mechaniczna wody w rzekach 3TW. Energia biomasy 80 TJ/rok 6TW/A pozostałości po uprawach zboża, 1,9Pj/rok, odpady zwierzęce 80 PT/rok

Energia mechaniczna wiatru - 3TW lata

Energia termiczna wiatru - 1TWA

Energia słoneczna - 2,2 TWA

Energia pływów - 0,045TWA

Energia geotermalna - 2TWA

Użytkowanie energii wodnej

1. energia pływów, fal, dyfuzji, prądów morskich

Energia pływów- na brzegach oceanów mórz okresowo występują przypływy odpływy różnica poziomów kilka metrów elektrownia pracuje podobnie jak pompowo- szczytowa w czasie przypływu napełnia zbiornik, w czasie odpływu jest możliwa praca turbin typu Kaplana lub śmigłowe dla najniższych spadów.

Energia fal - wymuszanie ruchu powietrza metodą szczytową lub elastyczną.

Wyznaczenie mocy jaką może uzyskać:

P- moc fali kW/m , H - wysokość fali , X - długość fali, g- przyspieszenie ziemskie, V -częstotliwość, ς- gęstość wody

energia 10 razy tańsza jej koszt produkcji dla zasilania platform wiertniczych

Energia dyfuzji - wykorzystanie gęstości wody na różnych poziomach ze względu na zasolenie.

Wykorzystanie energii wiatru

Wykorzystuje się min. 5-4 m/s prędkości wiatru, a max. 25 m/s w tym zakresie mogą pracować turbiny. Zależy od wysokości n.p.m. - 3/4 energii przypada na wysokość powyżej 100m, reszta poniżej 100m, skuteczne wykorzystanie od 20 do 80m. Moc użyteczna zależy od przepływu czynnika, różnicy energii kinetycznej wiatru przed i za wirnikiem.

Max moc uzyskujemy gdy

D - średnica wirnika

Siła nośna

Siła oporu

V₀ - prędkość wiatru

Moc silnika wiatrowego

e -współczynnik wykorzystania energii wiatru

C_op, C_N -współczynnik sił nośnych

z- charakteryzuje konstrukcje wirnika

Sprawność przepływowa turbiny

koszt inwestycyjny elektrowni wiatrowych na 1kW 1980 - 4000 $, wielkość mocy zainstalowanej - 1km² - 10 MW można uzyskać.

Wykorzystanie promieniowania słonecznego

Elektrownie haliocentryczne skupiają ciepło wykorzystywane do wytwarzania czynnika roboczego.

Ogniwa fotowoltaniczne

Wykorzystywane promieniowanie widzialne. Energia fotonu E = n*V, działanie baterii słonecznych polega na tym że jeżeli w półprzewodniku na atom zadziała foton o odpowiedniej energii wybija elektron z pasma walencyjnego. Krzem, arsenek galu, fosforan galu, siarczan galu, jeżeli mamy ognisko krzemowe to wytwarzanie energii elektrycznej biorą ogniwa które promieniują z prędkością 0,3

Wykorzystanie biomasy

Biomasa to jest to co powstaje na skutek konwersji energii promieniowania słonecznego w roślinach , także odchody zwierząt, odpady produkowane przez człowieka.

Biomasa pierwotna- spalać łącznie biomasę z węglem aby ograniczać emisje SO₂.opieranie energetyki o biomasę jest trudne, są pewne drzewa i rejony świata gdzie przyrost biomasy jest rekordowy np. Brazylia, drzewem o rekordowej wydajności jest eukaliptus 113m² z hektara w ciągu roku mamy 65 ton drzewa. Odpady po produkcji rolnej czyli słoma oraz łajno i inne w których biomasa się zgazowuje - gaz drzewny, generatory gazu z drewna do zasilania samochodów. Produkowany gaz spalany w silniku gazowym.

Ekopaliwa- czyli produkcja paliwa ciekłego lub w oparciu o olej rzepakowy.

Biogaz -wykorzystanie biomasy odpadowej jest to gaz powstający na drodze fermentacji, najlepiej gdy nie ma dostępu powietrza. Motorem napędowym są bakterie ten gaz składa się z metanu, gaz składowiskowy na wysypiskach. wartości opałowe biogazu są porównywane do gazu ziemnego.

Wykorzystanie wodoru, ogniwa paliwowe- anoda i katoda między nimi elektrolit np. AFC - alkaniczne, KOM - elektrolit, temp. Pracy 100⁰C ogniw, MCFC - ogniwa węglowe, sprawność do 65%.elektroliza kosztem prądu wytwarzanego w foto ogniwach, wykorzystanie energii słonecznej dla produkowania energii elektrycznej.

---