Prof.nadzw.dr hab.inż. Władysław Brzozowski

Politechnika Częstochowska

Instytut Elektroenergetyki

Wykłady z przedmiotu:

WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

kierunek Elektrotechnika, specjalno** Elektroenergetyka

Wyk*ad 4. Podstawy termodynamiki (cd.). Obiegi cieplne elektrowni

1.Obiegi cieplne elektrowni. Obieg Carnota

Wyk*ad z obieg*w cieplnych zwyczajowo rozpoczyna si* od przedstawienia obiegu Carnota.

Realizacja tego obiegu w elektrowni, w spos*b *cis*y, na parze wodnej i wodzie nie jest wprawdzie mo*liwa, jednak*e obieg Carnota stanowi obieg teoretyczny wzorcowy, do kt*rego staramy si* zawsze maksymalnie przybli*y*.

Obieg Carnota ma bowiem t* cech*, *e przy danym poziomie temperatur g*rnego i dolnego *r*d*a ciep*a, jego sprawno** termiczna stanowi maximum maximorum sprawno*ci wszystkich innych obieg*w teoretycznych i rzeczywistych.

Obieg Carnota najdogodniej jest przedstawi* na wykresie T,s jak na rys. 1.

Obieg Carnota sk*ada si* z nast*puj*cych przemian termodynamicznych:

ekspansja izotermiczna 1-2

rozpr**anie izentropowe 2-3

kompresja izotermiczna 3-4

spr**anie izentropowe 4-1.

Przemiany 2-3 i 4-1 jako przemiany izentropowe s* przemianami teoretycznymi odwracalnymi. St*d ca*y obieg Carnota jest obiegiem teoretycznym.

Sprawno** termiczna obiegu Carnota wyra*a si* wzorem

Rys. 1. Wykres termodynamiczny obiegu Carnota w uk*adzie T,s temperatura bezwzgl*dna-entropia.

(1)

W powy*szym wzorze:

η_tC - sprawno** termiczna obiegu Carnota, liczba bezwymiarowa

L_ob - praca obiegu interpretowana graficznie jako pole prostok*ta wyznaczaj*cego obieg, kJ

Q_d - ciep*o doprowadzone do obiegu interpretowane jako powierzchnia pod krzyw* przemiany 1-4, kJ

T_I , T_II - temperatura bezwzgl*dna, odpowiednio: g*rnego i dolnego *r*d*a ciep*a, K

Ze wzgl*du na techniczn* niemo*no** realizacji przemiany 4-1 na parze-wodzie obieg Carnota nie jest wprost realizowalny w elektrowniach. Sta* si* on jednak punktem wyj*cia dla wynalezienia obiegu realizowalnego w elektrowniach, jakim jest obieg Clausiusa-Rankine'a.

2. Obieg Clausiusa-Rankine'a

Jest to obieg cieplny para-woda stanowi*cy podstaw* obiegu elektrowni cieplnej konwencjonalnej i elektrowni j*drowych opartych o wod* lekk* tj. elektrowni w technologiach PWR, BWR oraz RBMK.

Historycznie obieg Clausiusa-Rankine'a przechodzi* ewolucj* jak poni*ej, wi***c* si* ze wzrostem sprawno*ci termicznej obiegu.

Ewolucja obiegu Clausiusa-Rankine'a:

• Obieg Rankine'a

• Obieg Hirna (z przegrzewem pary *wie*ej)

• Rozwini*ty obieg Clausiusa-Rankine'a (z przegrzewem pary *wie*ej, z mi*dzystopniowym przegrzewem pary oraz z regeneracj* ciep*a)

Obecnie w du*ych elektrowniach stosuje si* wy**cznie rozwini*ty obieg Clausiusa-Rankine'a. W blokach energetycznych najwy*szych mocy na parametry nadkrytyczne stosuje si* niekiedy podw*jny przegrzew mi*dzystopniowy pary.

Obieg Clausiusa-Rankine'a zostanie przedstawiony poni*ej na przyk*adzie obiegu bloku energetycznego 200 MW, pracuj*cego w elektrowniach polskich.

Obieg cieplny (para-woda) bloku energetycznego 200 MW

Uwaga: nale*y przestudiowa* rysunek - schemat obiegu bloku 200 MW.

Opis obiegu rozpoczniemy od kot*a parowego lub inaczej m*wi*c generatora pary. Do kot*a doprowadza si* wod* zasilaj*c* strumieniem r*wnym 180 kg/s przy obci**eniu znamionowym, o ci*nieniu 13,8 MPa i temperaturze 239 °C. Woda zasilaj*ca w kotle najpierw podgrzewa si* do temperatury nasycenia, nast*pnie odparowuje oraz przegrzewa si* do temperatury 540 °C. *r*d*em energii niezb*dnej dla wytworzenia pary jest energia chemiczna paliwa, przetwarzana na energi* ciepln* w procesie spalania.

Para przegrzana jako tzw. para *wie*a jest kierowana do cz**ci WP turbiny. Po rozpr**eniu w cz**ci wysokopr**nej para posiada ju* ni*sze parametry, mianowicie ci*nienie 2,8 MPa oraz temperatur* 335 °C. Para ta jako tzw. para wt*rna jest zawracana do kot*a i tu przegrzewa si* do temperatury takiej samej jak para *wie*a tj. 540 °C. Jest to tzw. przegrzew mi*dzystopniowy pary.

Para wt*rnie przegrzana kierowana jest z powrotem do turbiny ale ju* tym razem do cz**ci SP. Po rozpr**eniu w cz**ci *redniopr**nej turbiny para posiada parametry: ci*nienie 0,14 MPa oraz temperatur* 228 °C. Para ta jest ju* bezpo*rednio kierowana do cz**ci NP turbiny.

Po rozpr**eniu w cz**ci niskopr**nej turbiny para posiada ju* bardzo niskie parametry: ci*nienie 4 kPa dla otwartego obiegu ch*odzenia i 7 kPa dla zamkni*tego, oraz temperatur* odpowiednio 22 lub 30 °C. Para ta jest kierowana do kondensatora gdzie skrapla si*.

Podane powy*ej ci*nienie pary wylotowej z turbiny odpowiada bardzo g**bokiej pr**ni - por*wnajmy 4 kPa w stosunku do ci*nienia atmosferycznego r*wnego 100 kPa.

Aby skropli* par* w kondensatorze nale*y odebra* od niej ciep*o w postaci entalpii parowania. Ciep*o to przejmuje woda ch*odz*ca, kt*ra kr**y we w*asnym obiegu wody ch*odz*cej, t*oczona pompami wody ch*odz*cej. Podgrzana w kondensatorze woda ch*odz*ca z kolei sch*adza si* w ch*odniach kominowych w przypadku zamkni*tego obiegu ch*odzenia, lub zrzucana jest do rzeki, du*ego jeziora lub do morza w przypadku obiegu otwartego.

Po skropleniu w kondensatorze para zamienia si* w kondensat t*oczony pompami kondensatu pod ci*nieniem 1,6 MPa do uk*adu regeneracji niskopr**nej.

Regeneracja jest to proces polegaj*cy na podgrzaniu wody w postaci najpierw kondensatu, a p**niej wody zasilaj*cej od temperatury 22 °C za kondensatorem do 239 °C przed kot*em. Dzi*ki procesowi regeneracji uzyskujemy znaczny wzrost sprawno*ci termicznej obiegu.

Regeneracyjne podgrzanie wody realizuje si* w wymiennikach ciep*a zwanych podgrzewaczami regeneracyjnymi, kosztem entalpii pary grzewczej pobieranej z upust*w poszczeg*lnych cz**ci turbiny. Przyk*adowo: por*wnaj pierwszy pogrzewacz regeneracyjny, zasilany par* z dwu upust*w cz**ci NP turbiny. Skropliny z pary upustowej s* w tym wypadku kierowane do kondensatora.

Regeneracja niskopr**na sk*ada si* z 4 podstawowych wymiennik*w regeneracyjnych i kilku pomocniczych. Za regeneracj* niskopr**n* kondensat kierowany jest do odgazowywacza. Odgazowywacz jest to r*wnie* podgrzewacz regeneracyjny, czyli wymiennik ciep*a jednak tzw. mieszankowy, w odr**nieniu od pozosta*ych, kt*re s* wymiennikami powierzchniowymi. Tu kondensat jest podgrzewany do temperatury 158 °C, tj. do temperatury nasycenia, w tym celu aby usun** z kondensatu rozpuszczone w nim gazy, a szczeg*lnie tlen.

Kondensat z odgazowywacza zbiera si* w zbiorniku wody zasilaj*cej i st*d ju* jako tzw. woda zasilaj*ca jest t*oczony pompami wody zasilaj*cej pod ci*nieniem 18,5 MPa poprzez regeneracj* wysokopr**n* do kot*a. Regeneracja wysokopr**na sk*ada si* z trzech wymiennik*w regeneracyjnych.

W ten spos*b obieg si* zamyka. Kosztem entalpii pary rozpr**aj*cej si* w turbinie wytwarza si* w turbinie moc mechaniczna na wale turbozespo*u, a ta z kolei zamienia si* na moc elektryczn* w generatorze.

Cz*** mocy elektrycznej wytworzonej w generatorze jest odbierana z zaczepu generatora do zasilania tzw. potrzeb w*asnych, tj. do nap*du pomp wody zasilaj*cej, m*yn*w w*glowych, wentylator*w kot*owych i wielu innych mniejszych nap*d*w bloku energetycznego.

Uwaga: nale*y przestudiowa* rysunek - schemat obiegu bloku 360 MW.

Obieg cieplny bloku 360 MW jest podobny do obiegu bloku 200 MW, z poni*szymi wa*niejszymi r**nicami:

wy*sze ci*nienie pary *wie*ej 18,4 MPa i odpowiednio (do mocy bloku) wi*kszy strumie* masy pary *wie*ej 307 kg/s;

cz*** SP turbiny dwustrumieniowa;

dwa podgrzewacze regeneracyjne regeneracji wysokopr**nej;

pompa wody zasilaj*cej o nap*dzie turbinowym - ma** turbin* parow* zasilan* z upustu cz**ci SP turbiny z w*asnym kondensatorem.

3. Termodynamiczna analiza obiegu Clausiusa-Rankine'a

Termodynamicznej analizy obiegu Clausiusa-Rankine'a dokonamy na przyk*adzie prostej odmiany obiegu jak* jest obieg Hirna. Przypominam, *e jest to obieg tylko z przegrzewem pary *wie*ej, natomiast bez przegrzewu mi*dzystopniowego i bez regeneracji ciep*a.

Schemat technologiczny obiegu Hirna przedstawia si* jak poni*ej na rys. 3.

Rys. 3. Schemat technologiczny obiegu Hirna: GP - generator pary (kocio*), T - turbina parowa, G - generator, TB - transformator blokowy, TZ - transformator zaczepowy, K - kondensator, CH - ch*odnia kominowa, PWCH - pompa wody ch*odz*cej, PWZ - pompa wody zasilaj*cej.

Schematowi technologicznemu obiegu Hirna jak powy*ej na rys. 3. odpowiada wykres obiegu w uk*adzie i,s czyli entalpia-entropia jak na rys.4.

Schemat technologiczny jak i wykres termodynamiczny obrazuj* nast*puj*ce przemiany termodynamiczne, kt*re sk*adaj* si* na obieg Hirna:

ekspansja izobaryczna, pomi*dzy punktami 4-1, realizowana w kotle parowym

rozpr**anie izentropowe w przypadku teoretycznej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 1-2s i adiabatyczne rzeczywiste (politropowe) w przypadku rzeczywistej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 1-2, realizowane w turbinie parowej

kompresja izobaryczna i zarazem izotermiczna, pomi*dzy punktami 2s-3 lub 2-3, realizowana w kondensatorze

spr**anie izotermiczne, pomi*dzy punktami 3-4, realizowane w pompie wody zasilaj*cej (przy rozwa*aniach teoretycznych mo*na zaniedba* przyrost entalpii wody w pompie wody zasilaj*cej).

Sprawno** bloku energetycznego netto, tj. w stosunku do mocy P_n bloku netto, czyli mocy oddawanej do sieci, wynosi

(2)

Rys. 4. Wykres termodynamiczny obiegu Hirna w uk*adzie i,s entalpia-entropia.

W powy*szym wzorze:

- sprawno** bloku netto

- sprawno** generatora pary (kot*a)

- sprawno** teoretyczna obiegu

- sprawno** wewn*trzna turbiny

- sprawno** mechaniczna turbozespo*u

- sprawno** elektryczna generatora

- sprawno** bloku ze wzgl*du na zu*ycie mocy na potrzeby w*asne.

Poszczeg*lne sprawno*ci wyra*aj* si* nast*puj*cymi wzorami.

Sprawno** kot*a

(3)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** generatora pary (kot*a), liczba niemianowana

- strumie* ciep*a przej*ty przez par* i wod* w kotle, kJ/s

- strumie* masy paliwa, kg/s

- warto** opa*owa paliwa, kJ/kg

- strumie* masy pary *wie*ej, kg/s

- entalpia w*a*ciwa pary *wie*ej, kJ/kg

- entalpia w*a*ciwa wody zasilaj*cej, kJ/kg

Sprawno** teoretyczna obiegu Hirna wynosi:

(4)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** teoretyczna obiegu Hirna, liczba niemianowana

- moc cieplna oddana przez par* w turbinie w warunkach teoretycznych, kJ/s (stosuje si* r*wnie* okre*lenie moc wewn*trzna turbiny)

- strumie* ciep*a przej*ty przez par* i wod* w kotle, kJ/s

- entalpia w*a*ciwa pary *wie*ej, kJ/kg

- entalpia w*a*ciwa pary wylotowej z turbiny w warunkach teoretycznych, kJ/kg

- entalpia w*a*ciwa wody zasilaj*cej, kJ/kg

Sprawno** wewn*trzna turbiny

(5)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** wewn*trzna turbiny, liczba niemianowana

- moc cieplna oddana przez par* w turbinie w warunkach rzeczywistych, kJ/s

- moc cieplna oddana przez par* w turbinie w warunkach teoretycznych, kJ/s

- entalpia w*a*ciwa pary *wie*ej, kJ/kg

- entalpia w*a*ciwa pary wylotowej z turbiny w warunkach teoretycznych, kJ/kg

- entalpia w*a*ciwa pary wylotowej z turbiny, kJ/kg

Sprawno** mechaniczna turbozespo*u

(6)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** mechaniczna turbozespo*u, liczba niemianowana

- moc mechaniczna na wale turbozespo*u, kW

- moc cieplna oddana przez par* w turbinie, kJ/s

Sprawno** elektryczna generatora

(7)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** elektryczna generatora, liczba niemianowana

- moc elektryczna na zaciskach generatora lub inaczej moc bloku brutto, kW

- moc mechaniczna na wale turbozespo*u, kW

Sprawno** bloku ze wzgl*du na zu*ycie mocy na potrzeby w*asne

(8)

W powy*szym wzorze:

- sprawno** bloku ze wzgl*du na zu*ycie mocy na potrzeby w*asne, liczba niemianowana

- moc elektryczna na zaciskach generatora lub inaczej moc bloku brutto, kW

- moc elektryczna oddawana przez blok do sieci lub inaczej moc bloku netto, kW

- moc elektryczna zu*ywana przez potrzeby w*asne blokowe, kW

- wzgl*dne zu*ycie mocy elektrycznej przez potrzeby w*asne blokowe, %

Wprowadzone powy*ej wielko*ci mocy chemicznej paliwa, cieplnej, mechanicznej i elektrycznej, a tak*e straty w funkcji ci*gu sprawno*ci dogodnie jest przedstawi* na wsp*lnym wykresie Sankey'a (rysunek 5). Rz*dne wykresu odwzorowuj* w przybli*eniu rzeczywiste proporcje mocy i strat ciep*a.

Najwi*ksz* pozycj* strat s* sumaryczne straty w skraplaczu (kondensatorze) oddawane do otoczenia za po*rednictwem wody ch*odz*cej. Straty te powoduj*, *e sprawno** netto bloku z obiegiem Hirna jest niewielka, rz*du 30%. Sprawno** rozwini*tego obiegu Clausiusa-Rankine'a jest wy*sza, co wynika z zastosowania regeneracji ciep*a, przegrzewu mi*dzystopniowego a tak*e wy*szych parametr*w pary *wie*ej i wt*rnie przegrzanej, jakie stosuje si* w nowoczesnych blokach o du*ej mocy.

4. Obieg Kaliny

Obieg Kaliny jest podobny do obiegu Clausiusa-Rankine'a z t* r**nic*, *e czynnikiem roboczym nie jest tu woda lecz amoniak. W przypadku tego czynnika, w obszarze pary mokrej w uk*adzie T,s, izobary nie pokrywaj* si* z izotermami lecz maj* przebieg rosn*cy. Powoduje to, *e pole reprezentuj*ce prac* obiegu jest, przy tych samych parametrach, wi*ksze ni* dla pary-wody, i odpowiednio sprawno** teoretyczna obiegu Kaliny jest wi*ksza ni* obiegu Clausiusa-Rankine'a. Obieg Kaliny nie znalaz* jednak, na skutek trudno*ci eksploatacyjnych i podwy*szonych koszt*w, wi*kszego zastosowania.

Rys. 5. Wykres Sankey'a mocy i strat w obiegu Hirna.

5. Obiegi para-woda bloku j*drowego w technologii PWR

Technologia j*drowa PWR stanowi podstaw* rozwoju energetyki j*drowej w *wiecie. W technologii tej moderatorem, ch*odziwem a tak*e tzw. reflektorem jest to same medium - woda zwyk*a, czyli lekka pod ci*nieniem rz*du 16 MPa. Reaktor PWR nie jest reaktorem wrz*cym; temperatura ch*odziwa na wyj*ciu z reaktora jest zawsze utrzymywana poni*ej temperatury nasycenia przy danym ci*nieniu (stan wrzenia jest w tej technologii stanem awaryjnym).

Blok energetyczny z reaktorem PWR sk*ada si* z dwu obieg*w: pierwotnego i wt*rnego. Obieg wt*rny jest, w sensie teoretycznym, rozwini*tym obiegiem Clausiusa-Rankine'a. Poni*ej zostanie przedstawiony schemat obieg*w, na przyk*adzie rozwi*za* bloku francuskiego PWR 1300 MW. Liczba 1300 MW oznacza moc elektryczn* bloku netto.

Obieg pierwotny

Urz*dzenia obiegu pierwotnego s* zamkni*te wewn*trz cylindrycznej obudowy bezpiecze*stwa. Schematycznie pokazano to na rys. 6 jako zacieniony okr*g.

Rys. 6. Schemat technologiczny obiegu pierwotnego i wt*rnego bloku energetycznego w technologii PWR, na przyk*adzie rozwi*za* bloku francuskiego 1300 MW: OP - obieg pierwotny, OW - obieg wt*rny, R - reaktor, P1 - P4 - p*tle obiegu pierwotnego, PO - pompa obiegowa, WP (w obr*bie obiegu pierwotnego) - wytwornica pary, SC - stabilizator ci*nienia, WP (w obr*bie obiegu wt*rnego) - cz*** wysokopr**na turbiny, NP1 - NP3 - cz**ci niskopr**ne turbiny, G - generator, PO1 - 2 - przegrzewaczo - osuszacze, K - kondensator, PK1 - 3 - pompy kondensatu, PRN 1.1 - 3.3 - podgrzewacze regeneracyjne niskopr**ne, ODG - odgazowywacz, PWZ1 - 3 - pompy wody zasilaj*cej, PRW 1.1 - 2.2 - podgrzewacze regeneracyjne wysokopr**ne.

Centralnym urz*dzeniem obiegu jest reaktor. Moc cieplna znamionowa reaktora wynosi 3817 MW. Obieg pierwotny sk*ada si* z 4 p*tli wody ch*odz*cej. Ka*da p*tla posiada pomp* obiegow* oraz wytwornic* pary. Do drugiej p*tli obiegu przy**czony jest stabilizator ci*nienia, kt*ry s*u*y do wytworzenia ci*nienia w obiegu pierwotnym a tak*e do jego regulacji. **czny strumie* wody w obiegu pierwotnym przy mocy znamionowej wynosi 6200 kg/s. Ci*nienie wody w obiegu pierwotnym przed reaktorem wynosi 15,5 MPa. Temperatura wody za reaktorem wynosi 293,4 °C.

Obieg wt*rny

Obieg wt*rny, jak wspomniano, jest to obieg Clausiusa-Rankine'a. Jest zatem podobny do obiegu elektrowni cieplnej konwencjonalnej, z tym *e funkcj* kot*a parowego pe*ni* tu wytwornice pary. Nowym elementem s* te* przegrzewaczo-osuszacze, pe*ni*ce analogiczn* rol* jak przegrzew mi*dzystopniowy w bloku konwencjonalnym. S* one zasilane cz**ci* strumienia pary *wie*ej.

Ca*kowity strumie* pary *wie*ej przy mocy znamionowej wynosi 537 kg/s. Ci*nienie pary *wie*ej wynosi 7,15 MPa. Temperatura pary *wie*ej wynosi 288,9 °C. Stopie* sucho*ci pary *wie*ej wynosi 0,9975. Parametry pary *wie*ej s* ni*sze ni* w bloku konwencjonalnym, a st*d sprawno** netto bloku j*drowego PWR jest ni*sza ni* bloku konwencjonalnego du*ej mocy.

Turbina sk*ada si* z cz**ci WP oraz 3 identycznych cz**ci NP. Ci*nienie pary przed cz**ci* NP wynosi 1,01 MPa, a temperatura 266,8 °C. Ci*nienie w kondensatorze, przy otwartym obiegu ch*odzenia wynosi 4,7 kPa. Pr*dko** obrotowa turbozespo*u wynosi 1500 obr/min.

Regeneracja niskopr**na posiada 3 nitki r*wnoleg*e, a wysokopr**na 2 nitki r*wnoleg*e podgrzewaczy regeneracyjnych. Ze wzgl*du na du** moc bloku, pompy wody zasilaj*cej, w liczbie 2 pomp, podzielone na pompy wst*pne i g**wne, s* nap*dzane pomocniczymi turbinami parowymi.

Generator o mocy znamionowej pozornej 1650 MVA wytwarza energi* elektryczn* na napi*ciu 20 kV i przy znamionowym wsp**czynniku mocy 0,9.

6. Obiegi z turbin* gazow*

Elektrownie na obiegach gazowych znane by*y ju* w ubieg*ym stuleciu, jednak*e w*wczas na przeszkodzie ich upowszechnienia sta* brak odpowiednich materia**w *aroodpornych i *arowytrzyma*ych. Dopiero w ostatnich dziesi*tkach lat bloki energetyczne na tych obiegach rozpowszechniaj* si* coraz to bardziej, jednak, w zwi*zku z niedu** sprawno*ci* tych obieg*w, raczej tylko jako bloki szczytowe i podszczytowe.

Schemat technologiczny bloku z obiegiem gazowym w uk*adzie otwartym przedstawia si* jak poni*ej na rysunku 7.

Rys. 7. Schemat technologiczny obiegu z turbin* gazow*: S - spr**arka powietrza, M - silnik elektryczny, PP - pompa paliwa, KS - komora spalania, T - turbina gazowa, G - generator, TB - transformator blokowy, TZ - transformator zaczepowy.

W punkcie 1 obiegu zasysane jest z otoczenia powietrze. Powietrze to po spr**eniu w spr**arce jest prowadzone do komory spalania. Do komory doprowadzane jest tak*e paliwo pod ci*nieniem. Paliwo mo*e by* ciek*e lub gazowe (na rysunku pokazano pomp* paliwa PP jak dla paliwa ciek*ego).

Po spaleniu paliwa w komorze spalania, spaliny zmieszane z powietrzem s* doprowadzane do turbiny gazowej gdzie rozpr**aj* si* do ci*nienia otoczenia i odprowadzane s* do otoczenia. Umownym zamkni*ciem obiegu jest otoczenie.

Rozruch zespo*u spr**arka-turbina odbywa si* z wykorzystaniem silnika elektrycznego, nadaj*cego wst*pnie odpowiedni* pr*dko** obrotow*, przy kt*rej moc turbiny zaczyna przewy*sza* moc pobieran* przez spr**ark*.

Schematowi technologicznemu na rysunku 7 odpowiada wykres termodynamiczny obiegu przedstawiony na rysunku 8 w uk*adzie T,s temperatura bezwzgl*dna-entropia.

Rys. 8. Wykres termodynamiczny obiegu z turbin* gazow* w uk*adzie T,s temperatura bezwzgl*dna-entropia.

Schemat technologiczny jak i wykres termodynamiczny obrazuj* nast*puj*ce przemiany termodynamiczne kt*re sk*adaj* si* na obieg z turbin* gazow*:

spr**anie izentropowe powietrza, w przypadku teoretycznej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 1-2s i adiabatyczne rzeczywiste (politropowe) w przypadku rzeczywistej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 1-2, realizowane w spr**arce

izobaryczny proces spalania i przekazania energii cieplnej czynnikowi roboczemu, kt*rym jest mieszanka spalin i powietrza, pomi*dzy punktami 2-3, realizowany w komorze spalania

rozpr**anie izentropowe w przypadku teoretycznej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 3-4s i adiabatyczne rzeczywiste (politropowe) w przypadku rzeczywistej wersji obiegu, pomi*dzy punktami 3-4, realizowane w turbinie gazowej

izobaryczne sch*odzenie czynnika roboczego - oddanie ciep*a do otoczenia, pomi*dzy punktami 4-1

Sprawno** termiczna rzeczywista obiegu z turbin* gazow*, z uwzgl*dnieniem sprawno*ci energetycznej komory spalania wyra*a si* poni*szym wzorem

(9)

W powy*szym wzorze:

η_tg - sprawno** termiczna rzeczywista obiegu z turbin* gazow* z uwzgl*dnieniem sprawno*ci energetycznej komory spalania, liczba niemianowana

L_t - praca turbiny

L_s - praca spr**arki

Q_d - ciep*o doprowadzone do obiegu w komorze spalania

τ - stopie* wzrostu temperatury czynnika w cyklu, liczba niemianowana

β - stopie* wzrostu ci*nienia w spr**arce

m - wielko** pomocnicza

η_it - sprawno** wewn*trzna turbiny, liczba niemianowana

η_is - sprawno** wewn*trzna spr**arki, liczba niemianowana

η_ks - sprawno** energetyczna komory spalania, liczba niemianowana

T₁- T₄ - temperatura bezwzgl*dna czynnika w punktach 1-4 obiegu, K

p₁- p₄ - ci*nienie czynnika w punktach 1-4 obiegu, K

κ - (kappa) wyk*adnik izentropy

c_p - ciep*o w*a*ciwe gazu przy sta*ym ci*nieniu, kJ/(kg⋅K)

c_v - ciep*o w*a*ciwe gazu przy sta*ej obj*to*ci, kJ/(kg⋅K)

Sprawno** termiczna obiegu z turbin* gazow* w uk*adzie otwartym jest niewielka - nie przekracza 30%. Istniej* rozwi*zania pozwalaj*ce podwy*szy* nieco t* sprawno**. Nale** do nich: regeneracja ciep*a, wielostopniowe spr**anie powietrza, wielostopniowe spalanie, wielowa*owe zespo*y turbinowe i wreszcie obiegi gazowe w uk*adzie zamkni*tym.

7. Obiegi gazowo-parowe

Zar*wno obieg Clausiusa-Rankine'a jak i obieg gazowy z osobna wyczerpa*y mo*liwo*ci racjonalizacji i dalszego podwy*szania sprawno*ci termicznej. Mo*liwo** dalszej racjonalizacji stwarzaj* r**ne uk*ady kombinowane, spo*r*d kt*rych praktyczne zastosowanie maj* obiegi gazowo-parowe.

Liczba mo*liwych rozwi*za* obiegu gazowo-parowego jest du*a. Spo*r*d nich wyr**ni* mo*na jednak 4 g**wne rozwi*zania, zestawione poni*ej.

Podstawowe rozwi*zania obiegu gazowo-parowego:

• uk*ad z wysokoci*nieniow* wytwornic* pary

• uk*ad ze zrzutem spalin do kot*a

• uk*ad z kot*em odzysknicowym

• uk*ad z wykorzystaniem mieszaniny spalin i pary

Spo*r*d powy*szych rozwi*za*, za najdoskonalszy pod wzgl*dem termodynamicznym uwa*a si* uk*ad z kot*em odzysknicowym. Obieg gazowo-parowy oparty o to rozwi*zanie zostanie poni*ej przedstawiony na rysunku 9.

Rys. 9. Schemat technologiczny obiegu gazowo-parowego z kot*em odzysknicowym: S - spr**arka powietrza, M - silnik elektryczny, KS - komora spalania, TG - turbina gazowa, G - generator, KO - kocio* odzysknicowy, TP - turbina parowa, K - kondensator, PWZ - pompa wody zasilaj*cej.

Obieg gazowo-parowy przedstawiony na rysunku 9 sk*ada si* z dwu obieg*w odr*bnie gazowego i parowego, z**czonych kot*em odzysknicowym jako elementem wsp*lnym obu obieg*w. W kotle odzysknicowym ciep*o w postaci entalpii spalin wylotowych z turbiny gazowej jest przekazywane wodzie i parze obiegu parowego. Rozwi*zanie obiegu parowego odpowiada rozwini*temu obiegowi Clausiusa-Rankine'a. Rozwi*zanie obiegu gazowego odpowiada obiegowi gazowemu otwartego typu.

Wykres termodynamiczny obiegu gazowo-parowego odpowiadaj*cy schematowi technologicznemu na rysunku 9, w wersji teoretycznej, w uk*adzie T,s temperatura bezwzgl*dna-entropia, zosta* przedstawiony na rysunku 10 poni*ej.

Sprawno** termiczna kombinowanego obiegu gazowo-parowego, jak przedstawiony powy*ej, jest stosunkowo wysoka - si*ga 50%. Pracuje ju* wiele instalacji z obiegami gazowo-parowymi, g**wnie w opisanej powy*ej wersji z kot*em odzysknicowym.

Rys. 10. Wykres termodynamiczny obiegu gazowo-parowego z kot*em odzysknicowym w wersji teoretycznej, w uk*adzie T,s temperatura bezwzgl*dna-entropia.

---