1. Klasyfikacja elektrowni

I grupa:

Elektrownie cieplne - korzystające z naturalnych paliw kopalnych(65%). Do tej grupy zaliczamy:

- Elektrownie parowe - w których realizowany jest obieg Rankina, są opalana paliwem stałym(węg. Kamienny i brunatny). Charakteryzują się dużymi mocami jednostkowymi. Mają niską sprawność, wykorzystują surowce w 30-40%.

- Elektrownie gazowe -są to turbozespoły gazowe. Wykorzystują paliwa gazowe, ale również mogą wykorzystywać paliwa ciekłe. Moce jednostkowe są zdecydowanie mniejsze-kilka, kilkadziesiąt MW. Wada jest wysoka temp. spalin

- Elektrownie (agregaty wytwórcze) oparte na silnikach Diesla - mają najwyższą sprawność, moce od kilkuset kW do 20MW, używają olej napędowy, nie wymagają (albo b. mało) wody, są manewrowe.

Stosuje się ogniwa paliwowe - urządzenia w których energia chemiczna paliwa jest zamieniana bezpośrednio w energię elektryczną.

II grupa:

- Elektrownie wodne:

elektrownie przepływowe - budowane na dużych rzekach, pracują przy niskich spadach, a dużym przepływie wody.

elektrownie zbiornikowe - charakteryzują się dużymi spadami, a małymi przepływami wody, współpracują z zaporami. Zazwyczaj przepustowość turbin jest większa od ilości wody dopływającej do zbiornika. Odmianą e.z. jest elektrownia pompowo-szczytowa.

III grupa

Elektrownie jądrowe - są to też elektrownie parowe, źródłem ciepła jest reaktor jądrowy, obieg parowy jest realizowany na niskich lub normalnych obiegach, moc od 1000 do 1300 MW.

IV grupa:

Elektrownie wykorzystujące surowce odnawialne:

- Elektrownie wiatrowe - wykorzystują energię wiatrową

- Elektrownie słoneczne - elektr. Fotowoltamiczne elektr. Cheliotermiczne

2. Zadania elektrowni

Czas wykorzystania mocy zainstalowanej dla elektrowni podstawowych od 15-20godz/h. Elektrownie podstawowe pracują w sposób ciągły. Czas wykorzystania mocy dla elektrowni podszczytowych 6-12godz/h, a szczytowe 2-6godz/h.

Elektrownie podst. to:

- Elektrownie wodne-przepływowe, jądrowe, cieplne

Elektrownie szczytowe: pompowo-szczytowe, zbiornikowe

Elektrownie podszczytowe: zbiornikowe, cieplne

Nasza energetyka oparta jest o elektrownie cieplne. Podstawowe są elektrownie opalane węglem kamiennym i brunatnym. Elektrownie wodne - w naszym systemie jest ich nie dużo w Polsce. Jedyna elektrownia to Włocławek. Moce zainstalowane są w elektrowniach pompowo szczytowych (największe moce).

3. Układ technologiczny elektrowni parowej

dzieli się na następujące bloki:

- Powietrze, paliwo, spaliny (doprowadzenie surowca energetycznego, utleniacza)

- Obieg parowo-wodny (obieg w którym realizowany jest obieg Rankina oraz zamiana ciepła w pracę mechaniczną)

- Ukł. Chłodzenia skraplaczy - oddzielny elem. Ukł. Technologicznego

- Część elektryczna - G, TZ, TB - regulacje mocy generatora przeprowadza się przez regulacje turbiny. W turbinie moc mechaniczna zamieniana jest na elektryczna. Moc bierną regulujemy przez prąd wzbudzenia, a czynną przez regulacje turbiny.

4. Obliczanie spalania

C(węgiel), H(wodór), S(siarka), N(azot), O(tlen), W(wilgoć), A(popiół).

C+H+S+N+O+W+A=100%

C+O₂=CO₂, S+O₂=SO₂ , H₂+0,5O₂=H₂O

Udział kilomolowy n' - ilość kmoli poszczególnych gazów w 1 kg paliwowa

Obliczanie teoretycznego zapotrzebowania tlenu

λ-wsp. Nadmiaru utleniacza

λ=0,5 (gazy) , λ=1,1 (pal. ciekłe), λ=1,2-2 (pal. stałe)

Wyznaczenie ilości i składu spalin (n” )

- Składniki spalin powstałe w wyniku spalania całkowitego całkowitego i zupełnego

CO₂ , SO₂ , N₂ , O₂ , H₂O

Ilość spalin suchych ( n”_ss)

ilość spalin wilgotnych ( n”_SW)

Skład spalin

[CO₂]-udziałw spalinach suchych

(CO₂)-udział w spalinach wilgotnych

- Składniki spalin powstałe w wyniku spalania całkowitego niecałkowitego i niezupełnego

Bilans węgla w paliwie

gdzie: A/100 -masa popiołu w 1 kg C

B- strumień paliwa [kg/s]

Q_w - wartość opałowa

Q=D(i_P -i_WZ) [kJ/s]

Q- ilość ciepła, którą przyjął czynnik termodynamiczny w kotle

Entalpia i [kJ/kg]-suma energii wewnętrznej(energi związanej z temp.) i pracy przetłaczania(pracy która trzeba włożyć)

Q_w- ilość ciepła jaką uzyskuje się przy zupełnym i całkowitym spaleniu 1 kg paliwa, jeżeli spaliny przy oddawaniu ciepła zostaną ochłodzone do początkowej temp. Paliwa i utleniacza, a para wodna zawarta w spalinach pozostanie w fazie gazowej

BQ_W- ilość doprowadzonej energii

ΔQ- ilość strat

Wartość opałowa jest wyznaczana doświadczalnie.

Dla paliw stałych można ja wyliczyć z zależności:

Wyznaczanie sprawności kotła metoda pośrednią:

Straty całkowitego spalania (S_n%)

Straty niezupełnego spalania (S_g%)

Strata wylotowa (kominowa) zależna od temp. i ilości spalin (S_W%)

Strata w żużlu (S_ż%)

Strata promieniowania (strata oddawania ciepła drogą konwekcji i promieniowania) (S_pr%)

n”_C - ilość kilomoli węgla która się nie spala

n”_C·12 - kg nie spalonego węgla

n'_C- ilość kilomoli

n'_C·22,42 - ilość umownych moli CO

n'_C·22,42·12600 - wartość opałowa CO odnosząca się do 1 metra sześciennego CO

I_SW - ciepło unoszone ze spalinami powstające ze spalenia 1 kg węgla

I_pow - ilość ciepła wnoszona do spalania z powietrzem potrzebnym do spalenia 1 kg wegla

Przejście wody w parę

1. woda

2. para nasycona

3. para przegrzana

p=const - izobary , t=const - izotermy

s=const- adiabata

S[kJ/kgK] , i[kL/kg] , k - punkt krytyczny

X=0 - krzywa graniczna wody wrzącej

X=1 - krzywa graniczna pary nasyconej suchej

5. Obieg Rankine'a

1-2 rozprężanie pary

2-3 oddanie ciepła przez skroplenie rozprężenonej pary

3-4 sprężenie (pompowanie wody)

4-1 2 izobara, doprowadzenie ciepła

(1) - odparowanie, (2) - przegrzew pary

(i₁-i₂) - rozprężanie (i₄-i₃) - sprężanie

(i₁-i₄) - ciepło doprowadzone

K- kocioł , T - turbina , S - skraplacz

P_wz - pompa wody zasilającej

W kotle woda zmienia się w parę. W turbinie para jest sprężana. W skraplaczu para zamienia się w wodę. W pompie woda się spręża.

-Sprawność rurociągu

-Sprawność wewnętrzna turbiny

6. Obliczenie sprawności elektrowni:

Bilans kotła:

B·Q_w·η_K - ilość ener.przejęta w parze w kotle

B·Q_w- ilość ciepła doprowadzona w paliwie

(i₀-i_wz) - ilość ciepła którą pobiera kg pary w kotle

D(i₁-i_2') - moc wewn. turbiny -ilość ciepła która w turbinie została efektywnie wykorzystana

η_tob = η_tr ·η_r ·η_i - sprwn. termiczna obiegu

,

Ni- moc wewnętrzna

Nm - moc mechaniczna

Nel - moc elektryczna

η_m - sprawność mechaniczna

η_g - sprawność generatora

Sprawność elektrowni

Sprawność wewn. turbiny - 0,7-0,89

Sprawność mechaniczna turbiny - 0,96-0,98

Sprawność generatora - 0,96-0,98

Niska sprawnośc obiegu wynika z konieczności oddawania ciepła w skraplaczu. Zaleta- mała praca skraplania. Pompowanie wody pochłania około 3% energii wytworzonej w turbinie.

Trzy poziomy ciśnień:

1 poziom -13-14MPa, 2 poziom -16-18MPa, 3 poziom -25-30MPa

(nadkrytyczne, krytyczne 22,5 MPa)

Trzy poziomy temp. pary za kotłem

540-poziom najniższy(dla stali stopowych)

560- poziom średni(dla stali wysokostopowej)

650 i więcej - poziom najwyższy (dla stali austentycznych)

Sposoby podniesienia sprawności obiegu Rankine'a

7. Przegrzew międzystopniowy pary

1-paramerty pary świeżej za kotłem, ta para rozpręża się do ciśnienia 2 i wraca do kotła. Para przegrzana 3 -od tego ciśnienia następuje rozprężanie do izobary skraplania 4. Najczęściej temperatura w punktach 1 i 3 jest taka sama.

Różnica entalpii (i₁-i₂) jest zbliżona do (i₃-i₂)

Wtórny przegrzew pary ogranicza wilgotność.

8. Zastosowanie regeneracyjnego podgrzewu wody zasilającej

0,6÷0,75tn

9. Obliczenia energetyczne obiegów cieplnych elektrowni

Schemat

Dane: parametry pracy obiegu, temperatura pracy i obiegu w pkt 1 i 2, wydajnośc kotła(pytanie dotyczy mocy elektrycznej)

1.Ustalenie entalpii wody i pary w istotnych punktach obiegu

2.Moc turbiny

3.Entalpia skroplin ze skraplaczem

Na podst. P₁ i t₁ musimy znaleźć entalpie

Obliczenie prowadzi się stosując bilanse energetyczne.

Bilans turbiny:(schemat pod punktem 9)

Di₁=Di₂+N_i gdzie

Bilans kotła:

Bilans skraplacza

Układ z upustem:

10. Elektrownie jądrowe

W elektrowni jądrowej jest realizowany obieg Rankina, ciepło wytworzone jest przez rozkład pierwiastków promieniotwórczych.Są 2 rodzaje realizacji rozpadu:

-zderzenie zwane wychwytem radiacyjnym, elektron zostaje na moment wchłonięty przez jądro(po krótkim czasie zostaje „wyplute” i następuje także emisja promieniowania)

-sprężyste uderzenie elektronu

Mikroskopowy przekrój czynny danego pierwiastka.

Aby Izotop był traktowany jako paliwo jego jądra muszą dac się rozczepic neuronami termicznymi(e=0,025eV,V=2km/s); izotop jest zdolny wytworzyc mase krytyczną.

Paliwo naturalne: (URAN 235-0,7%reszta URAN 238) URAN NATURALNY

Paliwa sztuczne: (Pluton 239-powstaje z URANU 238)

170MeV-ciepło

5MeV-energia neutronów

Natychmiastowe promieniowanie γ -5MeV

11. Elementy w reaktorze:

-paliwo-występuje jako tlenek uranu (w postaci koralików koszulkach paliwowych)

-moderator-materiał spowalniający neutrony (ciężka woda, grafit, deuter, woda). Powinien mieć duże przekroje czynne na zderzenia sprężyste. Powinien być lekki

-do regulacji -pierwiastki pochłaniające neutrony(bor, kadm, ind)

chłodziwo-czynnik wyprowadzający duże ilości ciepła (woda, gaz -hel, CO₂)

12. Rodzaje reaktorów w energetyce

1)wodny ciśnieniowy(PWR)-woda jest moderatorem i chłodziwem, ciśnienie wody 200Mpa, a temp.300°C

2)wodny wrzący(BWR)-woda jest moderatorem i chłodziwem ale w rdzeniu woda częściowo odparowuje i jest kierowana na turbine, poskropleniu wraca do reaktora. W ten sposób obniża się ciśnienie. Ma właściwości samoregulujące się.

3)gazowy—moderatorem jest grafit a chłodziwem gaz sprężony (2-3MPa),gaz jest gęstszy, uzyskuje się wyższą temp. wyprowadzania ciepła(CGR,AGR)

4)kanałowy(RBMK)(ten w czarnobylu)-moderator-grafit, chłodziwo-woda

rys.1(BWR) (wodny wrzący)

rys.2BWR-dwuobiegowy

13. Wytwarzanie energii elektrycznej

Charakterystyka

14. Elektrownie z turbinami gazowymi

Turbiny pracują w oparciu o obieg termodynamiczny Brightona-Joala

Rys.1

Przemiany:

1-2-sprężanie

2-3-izobara doprowadzenia ciepła

3-4-adiabata-rozprężanie

4-1-izobara-oddawanie ciepła w dolnym źródle

Może być realizowany jako obiekt otwarty lub zamknięty

Rys.1.obieg zamknięty(K-kompresor,TG-turbina gazowa)

Rys.2.obieg otwarty

1-pobieranie powietrza

4-wyrzut spalin do atmosfery

ks -komora spalania

P₍₁₎=0,1MPa P₍₂₎=1,5-2,5MPa P₍₃₎=1,5-2,5MPa P₍₄₎=0,1MPa t₁-temp. otoczenia t₂-około 400°C t₃=900-1200°C

t₄=500-600°C

Sprawność poniżej 30%, duża moc z małej objętości

15. Obliczenia energetyczne elektrowni gazowej

1-2'-obliczanie pracy jednostkowej sprężania

p₁ -ciśnienie w pkt 1 [N/m²],

p₂ -ciśnienie w pkt 2-końcowe ciśnienie sprężania

v₁ -objętość właściwa w punkcie 1

- sprawnośc wewnętrzna kompresora

2'-3-doprowadzenie ciepła, spalanie paliwa w komorze spalania

I_z^' -temp. powietrza sprężonego

Q_w -wartośc opałowa paliwa

t₃ - temp spalin przed turbiną, która ma być osiągnięta

t₂^' -temp. powietrza

schemat obliczeń

przyjmujemy λ=1

ciepło powietrza ciepło spalin

w temp t₂^'

spalin

ostatecznym rezultatem obliczania komory jest ustalenie jak kg masy paliwa trzeba dodac do 1 kg powietrza aby otrzymac spaliny o temp t₃.

3-4'-rozprężanie w turbinie

Wyznaczymy jaką pracę wykona nam 1kg spalin-tych spalin co wyznaczyliśmy w komorze spalania

-wewnetrzne sprężanie turbiny gazowej

określamy moc elektryczną gdybyśmy mieli Xkg paliwa,(1+x)kg spalin i 1kg powietrza

wymagany przepływ powietrza, strumień powietrza:

Sprawność elektrowni gazowej

16. Sposoby podniesienia sprawności el. gazowej

1)podgrzew powietrza ze sprężarką ciepłem spalin wylotowych

2)zmniejszenie pracy sprężania

3)powiększanie pracy rozprężania

Schemat

17. Zwiększanie układów gazowych parowych

Tworzenie układów gazowo-parowych

Zwiększenie (poszukiwanie) większej efektywności gazu jako paliwa energetycznego spowodowało, że powstały koncepcje, skojarzenia układu gazowego z układem parowym

Sprawność rzędu 60%. Moc części gazowej jest około 3 razy większa od mocy części parowej. Zwykle kilka turbozespołów gazowych współpracuje z 1 blokiem parowym.

Sprawność do 40%

Układ z tzw. Wysokociśnieniową wytwornicą pary

Spalanie następuje pod wysokim ciśnieniem, spaliny spaliny wykorzystywane są w turbinie gazowej, a para w układzie parowym. Do zasialnia turbin gazowych można wykorzystać paliwa stałe.

Zapotrzebowanie ciepła przez parownik

18. Różne rodzaje elektrowni cieplnych:

a) kogeneracja jest to wytwarzanie jednoczesne ciepła i en elektrycznej; b) występowanie zapotrzebowania na ciepło(podstawowym nośnikiem jest woda 70-90°C) w przemyśle para wodna

Układ z turbina przeciwprężną

Jeżeli cisnienie na wylocie jest wyższe od cisnienia atmosferycznego to mówimy że jest to turbina przeciwprężna z pogorszona próżnią

Wskaźnik skojarzenia

lub mniej (dużo ciepła, mało energii elektrycznej)

19. Układ oparty o turbozespół parowy, (kondensacyjno upustowy)

Cechą jest regulowany upust pary, najczęściej wynosi 1%

Charakterystyka pracy układu przeciwprężnego:

Charakterystyka pracy układu upustowego:

Kolejne:

Może być kotłem wodnym, parowo—wodnym; można wprowadzić dodatkowe paliwo i mamy wtedy kocioł z dopalaniem; można też upuszczać część spalin do atmosfery kanałem gorącym zimny jest na dole. Przy max. skojarzeniu (½, ½) mamy więcej ciepła niż w obiegu parowym, sprawność około 80—85%. Jeżeli chodzi o moc el. Turbozespołów miejskich 50 MW, moc cieplna 100 MW, lub moc el. 100MW a cieplna 200MW, a w przemyśle ok. kilku dziesięciu MW energi.

20. Zastosowanie układu gazowo—parowo—ciepłowniczych:

Bloki siłownianociepłownicze, czyli silniki tłokowe zasilane gazem napędzają generatory, a ciepło i chłodzenie główne spalin i oleju wykorzystuje się jako ciepło użyteczne. Ze względu na różnicę w cenie między paliwem gaz. a stałym obecnie nie ma możliwości zastosowania paliw gaz. Wykorzystywane zespoły gazowe dotyczą EC

Silnik zasilany paliwem gazowym:

Sprawność ok. 80% temperatura wody max. 80°C moc do około 2,5MW

21. Elektrownie wodne:

-przepływ objętościowy

H -spiętrzenie

ρ- gęstość

g- przyspieszenie ziemskie

N_iV ---?

22. Podział elektrowni wodnych:

a)przepływowe np. na rzekach; b) zbiornikowe (duże spady wody, mała lib co najmniej średnia ilość wody, dużą rolę odgrywa wielkość górnego zbiornika)

Elektrownia pompowo szczytowa (zbiornikowa) pompują wodę z dolnego zbiornika do górnego, działają jako elektrownie szczytowe pompują wodę poza szczytem.

23. Równania Bernouliego:

P_A, P_B ciśnienia hydrostatyczne; C_A, C_B prędkości

Mamy także turbiny napędowe: a) Turbina Francisa spady średnie od 20,30 do 300m; b) turbina Coplana niskie spady, kilka kilkanaście metrów; c) turbina Peltona

Hydrozespół z turbiną Peltona

Gdzie C—prędkość , p—ciśnienie

C=prędkość względna+prędkość wznoszenia

idealna

Rzeczywista

24. Układ roboczy turbin elektrowni wodnej

25. Moment napędowy przepływającej przez łopatki wody wynika z różnicy momentu na wlocie i wylocie

V -przepływ [m³/s]

ρ -gęstość [kg/m³]

r -promień

c -prędkości całkowite

26. Moc turbiny wodnej

moc wydzielana w turbinie musi się zgadzać z mocą wody przepływającej w turbinie

V -ilość wody która wpływa z górnego zbiornika

V´ -ilość wody która rzeczywiście przepływa przez turbinę

η_k -sprawność przesyłu

27. Praca turbiny w zmiennych warunkach

-Prędkość

-Przełyk

M=M₁H -Moment obrotowy

-Moc

n₁, M₁, V₁, N₁ (tam jest 1 ale rzymska) wartości zredukowane

H-prędkość

28. Dobór turbiny do miejsca zainstalowania

wyróżnik szybkości

Jest to prędkość obrotowa turbiny podobnej geometrycznie pracującej w stanie izogatalnym(?), która pod spadem 1m osiąga 1 kM mocy.

n—prędkość rzeczywista, N—moc w koniach mechanicznych, H—spad w metrach

n_S={Coplona 500do 930; Francisa 90 do 290; Peltona 4,2 do 27,6

n₁^' -powoduje zredukowanie prędkości (rzymska 1 ); D—średnica, wielkość turbiny

(rzymska 1 );

(rzymska 1 );

(rzymska 1 );

29. Charakterystyka turbin wodnych:

30. Charakterystyki regulacyjne:

---