Wykład VII Układy parowo - gazowe w energetyce

Sprawności cieplne parowych elektrowni kondensacyjnych na parametry nadkrytyczne z przegrzewami międzystopniowymi i układami regeneracji ciepła osiągają wartości graniczne możliwe do uzyskania w zastosowaniach praktycznych. Dalsze podnoszenie temperatury źródła górnego ( pary zasilającej ) jest obecnie ze względów materiałowych nieopłacalne. Dalszy wzrost sprawności może następować w układach hybrydowych - kombinowanych w których łączy się niskotemperaturowe obiegi parowe z obiegami wysokotemperaturowymi realizowanymi w turbinach gazowych. - powstał w ten sposób układ parowo - gazowy.

Układ parowy: zalety- mały stosunek pracy sprężania do pracy rozprężania oraz sposób odprowadzania ciepła do źródła dolnego przebiegający przy stałej temperatury wyższej tylko o 5 -7 ⁰K od temperatury otoczenia - skraplaczu. Wadą jest natomiast proces doprowadzanie ciepła przez wymiennik przeponowy - stalowy obciążony mechanicznie co ogranicza możliwość dalszego podnoszenia tem. źródła górnego - pary - powyżej 570⁰C.

Układ gazowy: zaleta - stosowane są znacznie wyższe tem. źródła górnego - czynnika roboczego - nawet 1250⁰C - przy czym nowe materiały pozwolą w najbliższej przyszłości podnieść tą temperaturę. Wadą układu jest wysoka temperatura odprowadzania ciepła do źródła dolnego która rośnie z wzrostem T max.

Układ parowo- gazowy łączy zalety obu układów co powoduję znaczny wzrost różnicy temperatur procesu i znaczący wzrost sprawności cieplnej.

Układy parowo gazowe - rodzaje. Sposobów połączenia obu układów jest wiele. Zostaną omówione jedynie układy podstawowe bez zaznaczenia regeneracji ciepła z najprostszymi typami turbin parowych i gazowych. Podstawowe układy pokazano poniżej;

Cztery podstawowe układy parowo - gazowe: I - układ z wysokociśnieniową wytwornicą pary, II - układ ze zrzutem spalin do kotła, III - układ z kotłem odzysknicowym I V - układ z mieszaniną spalin i pary; S - sprężarka, T - turbina , KS komora spalania , TP - turbina parowa kondensacyjna, WWP- wysokociśnieniowa wytwornica pary, - kocioł doładowany, KP - kocioł parowy , E - wymiennik ciepła spaliny woda zasilająca - ekonomajzer, KO- kocioł odzysknicowy, G - generator, K - skraplacz, P - pompa, C i doprowadzenie paliwa

Układ I - z wysokośnieniową wytwornicą pary; dobre wskaźniki techniczno - ekonomiczne, kocioł pracuje przy znacznym nadciśnieniu i dużych prędkościach przepływu spalin co ogranicza jego wymiary i zużycie materiałów konstrukcyjnych, gazy rozprężone w turbinie podgrzewają wodę zasilającą wytwornicę pary która równocześnie spełnia rolę komory spalania

Układ II - z zrzutem spalin do kotła: spaliny z turbiny gazowej która ma własną komorę spalania (KS) są doprowadzone do kotła parowego ( KP) , ponieważ spaliny odlotowe z turbiny zawieraja znaczny nadmiar tlenu 16 -18 % zostają wykorzystane w procesie spalania w kotle zasilanym np. pyłem węglowym. KP nie posiada podgrzewacza powietrza. Układ na trochę gorsze wskaźniki od układu I

Obiegi porównawcze dla wszystkich układów na wykresach T -S pokazano poniżej.

Porównawcze teoretyczne obiegi podstawowych układów parowo - gazowych: Q_g - ciepło dostarczone do części gazowej, Qp - ciepło dostarczone do części parowej, Q pr - ciepło do przegrzania pary , Qpa ciepło odparowania wody, Qe - ciepło konieczne do podgrzania wody , przy czym Qp = Qe + Qpa + Qpr.

Uwaga. Układ I i II ma wspólną termodynamiczną wadę: a mianowicie większość ciepła części parowej jest doprowadzona z pominięciem części gazowej ( Qpa i Q pr ) z poziomu izobary 2-3 - wysokiego ciśnienia lub 1 - 4 niskiego ciśnienia czyli jedynie ciepło konieczne do podgrzania wody ( kondensatu ) Qe dostarczane jest z części gazowej . Podstawową zaletą układu II jest możliwość spalania w kotlę KP dowolnego paliwa a więc i węgli. Druga zaletę jest możliwość prowadzenia części gazowej i parowej w sposób niezależny od części uzupełniającej.

Układ III z kotłem odzysknicowym stosowany często w elektrociepłowniach komunalnych małych mocy przy równoczesnym zasilaniu systemów ciepłowniczych , za turbiną gazową znajduje się kocioł odzysknicowy - wymiennik spalinowo - wodny - w którym wytwarzana jest para dla turbiny parowej i ewentualnie znajduje się część wodna zasilająca obieg ciepłowniczy. Z termodynamicznego punktu widzenia obieg ten jest najbardziej doskonały gdyż całe ciepło z obiegu gazowego wykorzystywane jest o obiegu parowym. Wzrost znaczenia tego układu zależy od opanowania wysokotemperaturowej turbiny gazowej ( materiały ) ponieważ obieg parowy powinien pracować przy temperaturach pary 530 -550 ⁰C . Zasadniczą wadą układu jest współzależność pracy obiegu parowego od gazowego. - czyli moc turbiny parowej jest zależna od parametrów pracy układu gazowego.

Układ IV z wykorzystaniem mieszaniny spalin i pary - układ odmienny od poprzednich - w jednej turbinie jest rozprężana mieszanina pary i spalin wytwarzanych w łacznie komorze spalania (KS). Para jest uzyskiwana w KS w wyniku wtrysku podgrzanej uprzednio wody w chłodnicy międzystopniowej i rekuperatorze spalin opuszczającej turbinę. Sprawność układu mniejsza od poprzednich. Zastosowania specjalne, układ ma małe wymiary.

Zastosowania układów parowo - gazowych w energetyce i ciepłownictwie

W energetyce zawodowej i ciepłownictwie eksploatuje się już ponad 500 takich układów o łącznej mocy ok. 70 000 MWel. Najczęściej stosuje się II i III układ technologiczny. Bardzo popularny jest układ pokazany na kolejnym rysunku.

Uproszczony schemat układu parowo - gazowego

W schemacie tym do wytwarzania pary stosuję się wyłącznie kocioł odzysknicowy (KO) zasilany spalinami odlotowymi z turbiny Dla tego układy na kolejnym rysunku pokazano zależność sprawności cieplnej turbiny od temperatury za (T₄) i przed turbiną (T₃) , obecnie 460^o< T₄< 550^oC.

Sprawność cieplna turbiny gazowej w układzie prostym według danych ABB

Na kolejnym rysunku pokazano zależność sprawności cieplnej całego układu - turbina + kocioł - w funkcji tych samych temperatur. W nowoczesnych układach sprawności cieplne układów osiągają poziom 50 -53%.

Sprawność cieplna układu parowo - gazowego w funkcji T₄ ,T₃

Zwiększenie mocy części parowej czy ciepłowniczej uzyskuje się stosując dodatkową komorę spalania KS2 umieszczoną przed kotłem KO. - występuje wtedy układ II w którym wykorzystuje się wysoki współczynnik nadmiaru powietrza w turbinie redukując jego wartość w KS₂ do λ = 1,05. Czyli w istocie moc cieplną KS₂ ogranicza ten czynnik.

Układy parowo - gazowe zasilane węglem zgazowanym. Proces ten jest stosowany od dawna w technologach carbo -chemii np. w celu otrzymania gazu syntezowego lub redukcyjnego dla dalszych technologii chemicznych czy metalurgicznych . W obszarze energetyki proces zgazowania węgla jest transformacją paliwa stałego w paliwo gazowe - przebiega on wysokiej temperaturze przy czym substancjami zgazowującymi najczęściej jest : powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek węgla czy wodór. W tym zakresie ma on na celu

• po pierwsze, zgazowanie paliw stałych niskokalorycznych dla uzyskania paliwa wysokokalorycznego łatwego do transportu jak substytutu gazu ziemnego - wariant I

• po drugie, wykorzystanie węgli niskich jakości zasiarczonych i zapopielonych w energetyce wariant II.

Podstawowy - wariant II - realizacji tego procesu w sposobie allotermicznym ( z doprowadzeniem energii ) czy autotermicznym ( baz doprowadzenia węgla ) pokazano poniżej'

.

Schemat blokowy procesu zgazowania węgla parę wodną, tlenem lub powietrzem

Na kolejnym rysunku pokazano cały parowo - gazowy układ technologiczny w tzw wersji zinegrowanej. W praktyce energetycznej oczyszczony gaz może być spalany bądź w kotle wodnym ( ciepłowniczym ) czy parowym bądź w turbinie gazowej.

Uproszczony schemat zintegrowanego układu parowo - gazowego z zgazowaniem węgla

Typowy układ węzła zgazowania węgla w ujęciu bardziej szczegółowym pokazuje kolejny rys.

Typowy układ zgazowania dla celów energetycznych: I przygotowanie węgla , II - reaktor zgazowania z nawrotem części nieprzereagowanej 1 , III - schładzanie gazu , IV - dokładne odpylanie gazu V - odsiarczanie gazu

Zgazowanie węgla w ciśnieniowym kotle fluidalnym Przykładem takiego rozwiązania jest elektrociepłownia w Sztokholmie ( 1989 r. ) - Värtan następujących danych;

• moc cieplna - ciepłownicza 230 -240 MWth

• moc elektryczna w kondensacji ; 150 Mwel, w trybie ciepłowniczym 135 Mwel

• moc w paliwie zasilającym 410 - 430 MWpal

• sprawność w trybie ciepłowniczym 89%

• w trybie kondensacyjnym 38,5% po zastosowaniu przegrzewu wtórnego 41,5%.

Szczegółowy schemat tej EC pokazano poniżej

Schemat elektrociepłowni z fluidalnym ciśnieniowym kotłom i układem parowo -gazowym: 1 - zbiornik ciśnieniowy kotła (1,2 Mpa , 320^oC ), 2- kocioł fluidalny, 3 - cyklony odpylania spalin, 4 - rurociąg powietrzno spalinowy, 5 - tyrbina gazowa dwuwałowa, S₁ , S₂ - sprężarki nisko i wysokoprężne, T₁, T₂ - turbina nisko i wysokoprężna, 6 - chłodnica międzystopniowa, 7 - zasobnik sorbentu , 8 - zasobnik węgla surowego, 9 - układ przygotowania i podawania paliwa 10- turbina parowa - WP +SP - wysoko i nisko prężna , NP. - część niskoprężna, 11 - skraplacz, 12 - podstawowe wymienniki ciepłownicze, 13- wymiennik szczytowy, 14 - pompa kondensatu , 15 - odgazowywacz, 16 - pompa zasilająca , 17 - spalinowe regeneracyjne podgrzewacze wody, 18 - odpylanie 19 - czopuch - wylot spalin, 20 - chłodnice popiołu z cyklonów 21 - odprowadzenie popiołu z kotła 22 - zasobnik poppiołu, 23 - układ rpzpalania kotła, 24 - zasobnik regulacji wysokości złoża.

Gundlich W. Porochnicki J. Procesy zgazowania węgla na potrzeby kombinowanych siłowni parowo - gazowych. Gospodarka Paliwami i Energią 6/1980

Obszar obecnych zastosowań

Sprawności maksymalne

860⁰C

320⁰, 1,2 MPa

---