Siłownie Cieplne

Pytania – Kolokwium końcowe:

1. Główne układy technologiczne w siłowni cieplnej. Układ cieplny – definicja, główne parametry termodynamiczne i przykładowe wartości

2. Sposoby podwyższania sprawności elektrowni. Dla każdego narysować wykres I-S lub T-s. Jaki ze znanych ci układów cieplnych (elektrowni kondensacyjnej czy elektrociepłowni) pozwala uzyskać największą sprawność?

3. Do czego służy międzystopniowy przegrzew pary? Jak uzyskujemy wzrost sprawności? Narysuj schemat i wykres i-s z przegrzewem jedno i dwustopniowym.

4. Wymień znane Ci układy chłodzenia. Podaj zakres próżni w skraplaczach dla otwartego układu chłodzenia. Jakie czynniki techniczne i ekonomiczne wpływają na to ciśnienie?

5. Podaj parametry pary świeżej, temperaturę wody zasilającej i ciśnienie w skraplaczu dla nowych bloków parowych i nadkrytycznych oraz bloków GP. Jakie czynniki decydują o tych parametrach?

6. Przedstaw na wykresie zależność mocy elektrycznej i mocy ciepłowniczej dla bloku kondensacyjnego i przeciwprężnego. Narysuj ich schematy cieplne i podaj różnicę między nimi. Który łatwiej reguluje moc elektryczną?

Odpowiedzi:

W procesie technologicznym elektrowni można wyodrębnić cztery najistotniejsze układy:

1. Układ paliwo – powietrze – spaliny

2. Układ cieplny (parowo – wodny)

3. Układ chłodzenia skraplaczy

4. Układ wyprowadzenia mocy (układ elektryczny)

W układzie paliwo – powietrze – spaliny do paleniska kotła parowego jest doprowadzane paliwo i powietrze a w rezultacie otrzymujemy odpadowe produkty spalania w postaci żużla i lotnego popiołu (usuwane na zewnątrz kotła) oraz gorące spaliny ogrzewające powierzchnie grzejne kotła.

W układzie cieplnym (parowo – gazowy) jest to jeden z czterech najistotniejszych układów w procesie technologicznym elektrowni, w którym przez rurociąg przemieszcza się czynnik roboczy. Układ cieplny stanowi techniczną realizację przyjętego obiegu cieplnego. Czynnikiem roboczym może być: woda, para nasycona sucha, para przegrzana lub mieszanina parowo-wodna. W kotle tworzona jest para przegrzana, która przepływa do turbiny. Tam zostaje rozprężona. Jest to proces w którym energia cieplna zostaje zamieniona na mechaniczną (ruch obrotowy wału turbiny). Para wykonując pracę rozpręża się do możliwie małego ciśnienia (aby jak najlepiej wykorzystać energię cieplną zawartą w parze). Następnie skraplana jest w skraplaczu przy użycie dużych ilości wody chłodzącej. Woda otrzymana ze skroplenia pary nazywana jest skroplinami lub kondensatem. Ów woda jest przetłaczana pompa skroplin do zbiornika wody zasilającej. W ten sposób zostaje zamknięty główny obieg czynnika roboczego. Obecnie stosowanym rozwiązaniem jest podgrzewanie wody zasilającej za pomocą pary pobieranej z upustu turbiny. Straty wody w takim obiegu są uzupełnianie odpowiednio przygotowaną wodą.

Zadaniem układu chłodzenia (który jest bezpośrednio sprzężony z układem cieplnym parowo-wodnym) jest odprowadzenie z obiegu ciepła zawartego w parze, która wykonała już pracę w turbinie. W skład tego układu wchodzi: skraplacz oraz pompa wody chłodzącej, alternatywnie (zależnie od układu chłodzenia) chłodnia kominowa.

Układ wyprowadzania mocy obejmuje prądnicę, która sprzężona jest z turbiną oraz transformator blokowy i potrzeb własnych oraz rozdzielnice główną i potrzeb własnych, a także sieć przesyłową. W tym układzie następuje zamiana energii mechanicznej na elektryczną.

Główne parametry termodynamiczne oraz ich przykładowe wartości:

Parametr	Przykładowa wartość za kotłem
Ciśnienie	130 bar
Temperatura	550
Objętość właściwa	0,03 $\left\lbrack \frac{m^{3}}{\text{kg}} \right\rbrack$
Entalpia właściwa	3500 $\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$
Entropia właściwa	6,650 $\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kgK}} \right\rbrack$

Sposoby podwyższania sprawności obiegu Rankine’a układowe i parametryczny. Do sposobów układowych zaliczamy stosowanie przegrzewania pary międzystopniowego oraz regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej. Natomiast, do sposobów parametrycznych zaliczamy powiększenie różnicy między górną i dolną temperaturą obiegu. Innymi słowy stosujemy parę przegrzaną o możliwie wysokich parametrach oraz wodę w skraplaczu o jak najniższej temperaturze.

Największe sprawności osiągamy dla układów działających w skojarzeniu (prąd + ciepło), tzn. dla elektrociepłowni. Wynika to ze wzorów na sprawność:

$$\eta_{elektrocieplowni} = \frac{P_{e} + Q_{c}}{{\dot{m}}_{\text{paliwa}}{*W}_{o}}$$

$$\eta_{\text{elektrowni}} = \frac{P_{e}}{{\dot{m}}_{\text{paliwa}}*W_{o}}$$

Przegrzew międzystopniowy służy podnoszenia sprawności obiegu. Polega na zwiększaniu ciśnienia początkowego, nie przekraczając jednocześnie dopuszczalnej wilgotności pary wylotowej z turbiny. Przegrzew realizuję się w dodatkowym przegrzewaczu umieszczonym w kanałach spalinowych kotła. Para o pewnych parametrach początkowych trafia do części wysokoprężnej turbiny i jest rozprężana do pewnego ciśnienia. Następnie kierowana jest do przegrzewacza międzystopniowego w kotle, a tam w wyniku dostarczenia ciepła następuje przegrzanie pary przy stałym ciśnieniu. Z przegrzewacza para przepływa do części średnio- i niskoprężnej turbiny. Najczęściej stosuje się przegrzewanie międzystopniowe jednokrotne, chociaż dla dużych bloków, o dużych mocach i wysokich ciśnieniach dolotowych staję się koniecznością dwukrotne międzystopniowe przegrzewanie pary (ze względu na wilgotność pary opuszczającej turbinę).

Układy chłodzenia dzielimy na obiegi z chłodzeniem otwartym i zamkniętym. Spotyka się też obiegi kombinowane, czyli połączenie dwóch podstawowych.

W układzie chłodzenia z obiegiem otwartym woda pobierana jest z rzeki lub innego dużego zbiornika (jezioro i morze) i po przejściu przez skraplacze turbin wraca z powrotem do rzeki poniżej jej ujęcia. Taki pełny układ tworzą:

• Ujęcie wody wraz z urządzeniami do jej mechanicznego oczyszczania

• Rurociągi lub kanały dopływowe i odpływowe

• Pompownia lub pompy indywidualne

W układzie chłodzenia z obiegiem zamkniętym ciepło przejęte przez wodę w skraplaczu oddawane jest do otaczającej atmosfery w urządzeniu chłodzącym. Woda chłodząca krąży w obiegu: pompa – skraplacz – urządzenie chłodzące – pompa. W takim przypadku urządzeniem chłodzącym może być: zbiornik chłodzący, chłodnie kominowe lub wentylatorowe oraz baseny lub stawy rozpryskowe.