Prof.nadzw.dr hab.inż. Władysław Brzozowski
Politechnika Częstochowska
Instytut Elektroenergetyki
Wykłady z przedmiotu:
PODSTAWY WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ
studia magisterskie, kierunek Elektrotechnika, sem.II
Wyk*ad 1. Literatura przedmiotu. Zakres wyk*ad*w. Klasyfikacja elektrowni. Termodynamika - podstawowe kategorie.
1. Literatura do wyk*ad*w
W zakresie termodynamiki:
[1] Szargut J.: Termodynamika. PWN, Warszawa 1985 (lub Termodyna- mika techniczna - wydanie p**niejsze tego samego autora).
[2] Pastucha, Mielczarek: Podstawy termodynamiki technicznej, Skrypt Politechniki Cz*stochowskiej, Cz*stochowa 1994.
W zakresie obieg*w cieplnych oraz urz*dze* elektrowni cieplnych konwencjonalnych:
[3] Nehrebecki L.: Elektrownie cieplne. WNT, Warszawa 1974.
[4] Laudyn D., Pawlik F., Strzelczyk F.: Elektrownie. WNT, Warszawa 1990.
[5] Miller A., Lewandowski J.: Uk*ady gazowo-parowe na paliwo sta*e. WNT, Warszawa 1993.
[6] Or*owski P.: Kot*y parowe. Konstrukcja i obliczenia. WNT, Warszawa 1966.
[7] Nikiel T., Turbiny parowe. WNT, Warszawa 1980.
[8] Rakowski J.: Automatyka cieplnych urz*dze* si*owni. WNT, Warszawa 1976.
[9] Janiczek R.: Eksploatacja elektrowni parowych. WNT, Warszawa 1980, 1991.
[10] Brzozowski W.: Modelowanie i optymalizacja procesu eksploatacji elektrowni cieplnej. Seria Monografie nr. 35. Politechnika Cz*stochowska, Cz*stochowa 1995.
[11] Steam and Gas Turbines. Edited by Kostyuk A. and Frolov V. Mir Publishers, Moscow 1988 (tak*e orygina* w j*z. rosyjskim).
W zakresie podstaw elektrowni j*drowych:
[12] Celi*ski Z., Strupczewski A.: Podstawy energetyki j*drowej. WNT, Warszawa 1984.
W zakresie podstaw elektrowni wodnych:
[13] Micha*owski S., Plutecki J.: Energetyka wodna. WNT, Warszawa 1975.
[14] *aski A.: Elektrownie wodne. Rozwi*zania i dob*r parametr*w. WNT, Warszawa 1971.
[15] Jackowski K.: Elektrownie wodne. Turbozespo*y i wyposa*enie. WNT, Warszawa 1971.
2. Cel i zakres wyk*ad*w
Wyk*ady po*wi*cone s* podstawom wytwarzania energii elektrycznej. Na skal* przemys*ow* energi* t* wytwarza si* w elektrowniach.
W energetyce polskiej dominuj* elektrownie cieplne konwencjonalne. Oparte one s* o obiegi para-woda, a tak*e o najnowocze*niejsze obiegi parowo-gazowe. Wszystkimi tymi obiegami rz*dz* prawa termodynamiki.
Istnieje potrzeba, a nawet konieczno** rozwoju w Polsce r*wnie* energetyki j*drowej.
Pracuje tak*e w kraju szereg elektrowni wodnych.
Zgodnie z powy*szym, zakres wyk*ad*w obejmowa* b*dzie:
Klasyfikacj* elektrowni.
Podstawy termodynamiki technicznej, w zakresie dotycz*cym szczeg*lnie obieg*w para-woda.
Rozwi*zania elektrowni cieplnej konwencjonalnej. Plan generalny. Uk*ad elektryczny. Obieg para-woda bloku energetycznego 200 i 360 MW.
Opis i podstawowe charakterystyki urz*dze* g**wnych bloku energetycznego elektrowni cieplnej konwencjonalnej: kot*a, turbiny i generatora.
Podstawy elektrowni j*drowych.
Podstawy elektrowni wodnych.
In*ynier elektryk musi zna* technologie wytwarzania energii elektrycznej. Trzeba te* wiedzie*, *e elektrownie oferuj* ciekaw* i pop*atn* karier* zawodow*. Dobra znajomo** przedmiotu poszerza znacznie perspektywy uzyskania dobrej pracy: nie tylko w dziedzinie w*sko poj*tych technologii elektrycznych, lecz tak*e gospodarki energetycznej ka*dego praktycznie typu przedsi*biorstwa przemys*owego.
3. Klasyfikacja elektrowni
Istniej* 3 systemy klasyfikacji elektrowni:
Ze wzgl*du na typ zastosowanej technologii oraz rodzaj paliwa.
Ze wzgl*du na liczb* stopni przemian energetycznych.
Ze wzgl*du na prac* elektrowni w systemie elektroenergetycznym.
Klasyfikacja elektrowni ze wzgl*du na typ zastosowanej technologii oraz rodzaj paliwa
Elektrownie dzieli si* na 4 grupy:
Grupa I. Elektrownie spalaj*ce paliwa konwencjonalne: sta*e (np. w*giel kamienny, w*giel brunatny), ciek*e (np. ropa naftowa, mazut) lub gazowe (np. gaz ziemny, gaz wielkopiecowy). Zaliczamy do tej grupy: - Podgrupa I.a. Elektrownie cieplne konwencjonalne (oparte o obiegi para-woda oraz nowoczesne obiegi gazowe i parowo-gazowe); - Podgrupa I.b. Elektrownie cieplne oparte o generatory MHD (magneto-hydrodynamicz- ne); - Podgrupa I.c. Elektrownie oparte o ogniwa paliwowe.
Grupa II. Elektrownie wodne: zbiornikowe, przep*ywowe, pompowe i p*ywowe.
Grupa III. Elektrownie oparte o energi* pierwotn* odnawialn*: s*oneczne, wiatrowe, i geotermiczne. Zaliczamy do tej grupy: - Podgrupa III.a. Elektrownie s*oneczne cieplne z systemami luster koncentruj*cych. - Podgrupa III.b. Elektrownie s*oneczne fotowoltaiczne. - Podgrupa III.c. Elektrownie geotermiczne. - Podgrupa III.d. Elektrownie wiatrowe.
Grupa IV. Elektrownie j*drowe - wykorzystuj*ce paliwa rozszczepialne.
Z wymienionych powy*ej rodzaj*w elektrowni znaczenie przemys*owe, w sensie przemys*u elektroenergetycznego - wytwarzania energii elektrycznej na du** skal*, posiadaj* jedynie elektrownie podgrupy Ia, oraz grupy II i IV. B*d* one omawiane dok*adnej w dalszym toku wyk*ad*w.
Inne, co ciekawsze, zostan* kr*tko scharakteryzowane poni*ej. Istniej* r*wnie* inne technologie wytwarzania energii elektrycznej, dotychczas nie wymienione, gdy* nie wysz*y jak dot*d poza faz* laboratoryjn* (np. generatory termioniczne).
MHD
W generatorach MHD wykorzystywany jest strumie* gor*cego gazu (spalin) w stanie zjonizowanym (plazma). Plazma przep*ywaj*c pomi*dzy ok*adkami w silnym polu magnetycznym powoduje wyindukowanie si* na ok*adkach napi*cia elektrycznego sta*ego. Ciep*o gor*cych gaz*w wylotowych wykorzystywane jest jeszcze we wsp**pracuj*cym obiegu konwencjonalnym para-woda.
Ogniwa paliwowe
Ogniwo paliwowe dzia*a jak zwyk*e ogniwo chemiczne (bateria), z tym *e czynniki chemiczne s* do takiego ogniwa doprowadzane i odprowadzane w spos*b ci*g*y. Klasyczne ogniwo paliwowe wykorzystuje reakcj* chemiczn* utleniania wodoru w elektrolicie, jakim jest KOH (wodorotlenek potasu). Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym jako elektrolitem zosta*o wykorzystane w misji kosmicznej GEMINI.
Klasyfikacja elektrowni ze wzgl*du na liczb* stopni przemian energetycznych
Wyr**nia si* elektrownie z 3, 2 i 1-stopniow* przemian* energii.
Elektrownie z 3-stopniow* przemian* energii: - energia chemiczna paliwa konwencjonalnego → energia cieplna → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy Ia (cieplne konwencjonalne). - energia j*drowa paliwa rozszczepialnego → energia cieplna → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie grupy IV (j*drowe). - energia promieniowania s*onecznego → energia cieplna → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy IIIa (s*oneczne lustrzane).
Elektrownie z 2-stopniow* przemian* energii: - energia chemiczna paliwa konwencjonalnego → energia cieplna → energia elektrycz- na. Nale** tu elektrownie podgrupy Ib (MHD). - energia wodna (potencjalna i/lub kinetyczna) → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie grupy II (wodne). - energia geotermiczna → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy IIIc (geotermiczne). - energia kinetyczna wiatru → energia mechaniczna → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy IIId (wiatrowe).
Elektrownie z 1-stopniow* przemian* energii: - energia chemiczna paliwa konwencjonalnego → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy Ic (ogniwa paliwowe). - energia promieniowania s*onecznego → energia elektryczna. Nale** tu elektrownie podgrupy IIIb (s*oneczne fotowoltaiczne).
Klasyfikacja elektrowni ze wzgl*du na prac* elektrowni w systemie elektroenergetycznym
Elektrownie dzieli si* na: podstawowe, podszczytowe i szczytowe - w zale*no*ci od tego jak* cz*** obci**e* systemu elektroenergetycznego pokrywaj*.
Grafik dobowy obci**e* systemu elektroenergetycznego wykazuje 4 charakterystyczne strefy doby: dolin* nocn*, szczyt ranny, dolin* przedpo*udniow* oraz szczyt wieczorny.
Elektrownie podstawowe (najbardziej ekonomiczne) pracuj* ca** dob* z pe*n* moc*. Elektrownie podszczytowe (zwykle starsze) pracuj* z pe*n* moc* jedynie w szczytach obci**e*, natomiast poza szczytami ich obci**enie jest zani*ane. Elektrownie szczytowe pracuj* wy**cznie w szczytach obci**e*.
4. Podstawy termodynamiki technicznej
Przechodzimy do omawiania elektrowni cieplnych konwencjonalnych, kt*re, jak wspomniano, s* podstaw* elektroenergetyki polskiej. Konieczne jest po*wi*ci* tu jednak kilka kolejnych wyk*ad*w podstawom termodynamiki technicznej, gdy* jej prawa rz*dz* obiegami para-woda, b*d*cymi podstaw* elektrowni cieplnych konwencjonalnych.
Zjawiska elektryczne s* ponadto nieod**cznie zwi*zane ze zjawiskami cieplnymi, a st*d ka*dy in*ynier elektryk musi mie* przynajmniej elementarne poj*cie o termodynamice.
4.1. Podstawowe kategorie termodynamiki technicznej
Termodynamika jest to nauka zajmuj*ca si* zjawiskami cieplnymi zachodz*cymi w skali makro, tj. w du*ych zbiorowiskach materii.
Termodynamika jest dzia*em fizyki. Wyr**nia si* 3 kierunki termodynamiki: teoretyczn*, chemiczn* i fizyczn*.
Zjawiska cieplne przebiegaj* zgodnie z prawami obowi*zuj*cymi w przyrodzie. Prawa te przyj*to nazywa* zasadami termodynamiki.
Uk*adem termodynamicznym nazywamy cz*** przestrzeni, wyodr*bnion* za pomoc* abstrakcyjnej os*ony zwanej os*on* kontroln* lub bilansow*.
Uk*ad termodynamiczny mo*e by* otwarty lub zamkni*ty, tj. taki do kt*rego, i z kt*rego, nie dop*ywa *adna substancja.
Parametrem stanu nazywamy tak* mierzaln* wielko** fizyczn* (ci*nienie, temperatura, wilgotno**, pr*dko** itp.), *e ich zbi*r jednoznacznie okre*la stan danego uk*adu termodynamicznego, niezale*nie od historii przemian tego uk*adu.
Je*li jaka* wielko** fizyczna zale*y od sposobu przej*cia do danego stanu uk*adu termodynamicznego, to nie jest ona parametrem stanu (przyk*ad: praca, ciep*o).
Parametry stanu dzielimy na niezale*ne, to jest na takie, kt*re mog* si* zmienia* niezale*nie od innych parametr*w stanu (przyk*ad: ci*nienie, temperatura, po*o*enie), oraz na zale*ne, kt*re nazywamy funkcjami stanu, to jest na takie, kt*re zale** od kilku niezale*nych parametr*w stanu (przyk*ad: entalpia, entropia).
W termodynamice technicznej podstawowe znaczenie maj* tzw. parametry termiczne stanu. S* to: temperatura, ci*nienie oraz obj*to** w*a*ciwa.
Uk*adem adiabatycznym nazywamy taki uk*ad termodynamiczny, w kt*rym pomi*dzy tym uk*adem, a otoczeniem nie nast*puje wymiana ciep*a.
Uk*ad adiabatyczny mo*e jednak wykona* prac* na rzecz otoczenia, tj. przekaza* energi* w postaci pracy (przyk*ad: turbina parowa - cieplnie zaizolowana, lecz nap*dzaj*ca generator).
Przekazywanie energii pomi*dzy uk*adami, nie b*d*ce wykonaniem pracy, jest przep*ywem ciep*a.
Praca i ciep*o nie s* postaciami energii a jedynie formami jej przekazania.
Temperatura jest to parametr stanu charakteryzuj*cy zdolno** uk*adu do przekazania energii w postaci przep*ywu ciep*a.
Zgodnie z teori* wzgl*dno*ci, masa substancji nie jest wielko*ci* sta**, lecz mo*e przechodzi* w energi* (i odwrotnie) zgodnie ze wzorem Einsteina:
(1)
gdzie: c - pr*dko** *wiat*a w pr**ni (c ≅ 3.108 m/s).
Obowi*zuj*ce w fizyce klasycznej prawa zachowania energii i masy nie s* wi*c niezale*ne, lecz stanowi* szczeg*lny przypadek og*lniejszego prawa zachowania materii. Nie przeszkadza to jednak, *e w termodynamice technicznej, w warunkach pr*dko*ci nierelatywistycznych, dopuszczalne jest operowanie nadal odr*bnie prawem zachowania masy i prawem zachowania energii.
Zgodnie z tym podstawow* metod* termodynamiki technicznej jest bilans odr*bnie masy i energii uk*adu termodynamicznego. Bilans masy przedstawia si* na poni*szym rysunku nr. 1.
Rys.1. Bilans masy uk*adu termodynamicznego.
Rys.2. Bilans energii uk*adu termodynamicznego.