Villamosenergia-termelés hőerőművekben

Az előadások a következő témára: "Villamosenergia-termelés hőerőművekben"— Előadás másolata:

1 Villamosenergia-termelés hőerőművekben
6. témakör Villamosenergia-termelés hőerőművekben

2 Tartalom 1. Fosszilis tüzelőanyagú gőzerőművek.
2. Gázturbinás erőművek. 3. Kombinált gáz-gőz erőművek. 4. Tüzelőanyag-cellák.

3 A villamosenergia-termelés folyamata hőerőművekben
kémiailag vagy nukleárisan kötött energia Hőfejlesztő Hőerőgép Generátor Transzformátor hő mechanikai (forgási) energia villamos energia körfolyamat

4 Csoportosítás A felhasznált végenergia %-a villamos energia. Tüzelőanyag: C, CH, nukleáris, Munkaközeg: vízgőz, füstgáz, Hőerőművek: gőz, gázturbinás, kombinált gáz-gőz, (gázmotoros).

5 Fosszilis tüzelőanyagú gőzerőművek
6.1. Fosszilis tüzelőanyagú gőzerőművek

6 Kapcsolás

7 Szubkritikus gőzkörfolyamat

8 Szuperkritikus gőzkörfolyamat

9 1. Főberendezések és folyamatok
Gőzkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelőanyag elégetésével, a keletkező nagy hőmérsékletű ( oC) láng és füstgáz lehűtése (füstgázoldal), a vízgőz munkaközeg felmelegítése, elgőzölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgőzoldal). Tüzelőanyagok: különböző szenek, különböző tüzelési módokkal, kőolaj-finomítás maradékai, földgáz (inertes gáz).

10 1.1. Gőzkazán Tüzelés (108 ill. 58 g CO2/MJ):

11 Gőzkazán

12 A hőáram-sűrűség változása a tűztér magassága mentén (p1<p1’<p1’’)

13 Szubkritikus gőzkazán: a felületek elrendezése
UH m1,p1,t1 E TE LE TH D T mu,pu,tu .

14 Gőzkazán: T-Q diagram 1’ TH UH E 1” u tv fg 1 Q T sugárzás konvektív
TE LE

15 670 MW névleges hőteljesítményű szénhidrogén-tüzelésű kazán T-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja)

16 670 MW névleges hőteljesítményű, lignit-tüzelésű kazán T-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja)

17 Gőzkazán Gőznyomás szerint: Munkaközeg cirkulációja szerint:
szubkritikus (p1<pkr=221,2 bar) 40,70,100,130,170 bar (130 bar-tól újrahevítés), t1max: oC. Munkaközeg cirkulációja szerint: természetes cirkuláció (Δp= ΔHg, c=4-10), szivattyús cirkuláció (Δp= ΔpSZ, c=2-6), kényszerátáramlású (c=1). szuperkritikus (p1>pkr) 240,280,320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés), t1max: oC (új szerkezeti anyagok). kényszerátáramlású.

18 Cirkulációs elgőzölögtető [Cohen]

19 Kényszerátáramlású gőzkazán [Cohen]

20 Fluid-tüzelésű gőzkazán
szilárdanyag gáz füstgáz felületek primer levegő szekunder C CaCO3 hamu + CaSO4 arány tágy≈ max °C Ca/S - mólarány

21 Forráskép függőleges és vízszintes csőben

22 A víz elgőzölgése függőleges csőben: hőmérsékletek és hőátadási viszonyok [Cohen]

23 Gőzkazán Teljesítménymérleg: Hatásfok: C (6-28 MJ/kg): 0,82-0,92
kőolaj: 0,85-0,92 földgáz: 0,87-0,94.

24 Fajlagos gőzhő

25 Gőzkazán (Tisza II. 670 t/h)

26 1.2. Gőzturbina Gőzturbina (GT, 1-2o, 1-2): A nagy nyomású, hőmérsékletű vízgőz (belső) termikus energiájának forgási (mechanikai) energiává alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60Hz). Tengelyteljesítmény:

27 Fajlagos (technikai) munka
p2 p1 wT=h1-h2 wT0 Δsirr 2 h s 1 20

28 Gőzturbina A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka: ηC=0,35-0,60 → f[ (p1,t1,ttv,tUH1,tUH2), (p2)] ηirrT> ηirr→ (hővisszanyerés)

29 Gőzturbina A körfolyamat hatásfokának (ηC) növelése:
a gőz kezdő nyomásának (p1) és hőmérsékletének (t1) növelése, megcsapolásos (regeneratív) tápvízelőmelegítés (ttv növelése), egyszeres (tUH1) és kétszeres (tUH1,tUH2) újrahevítés, a gőz végnyomásának (p2) csökkentése (p2≈0,03 bar) elérte a határt. Megcsapolásos tápvízelőmelegítés: a kondenzálódott folyadékfázisú oC-os víz felmelegítése a kazánba lépő tápvíz minél nagyobb hőmérséklete (ttv) érdekében. (Gőz) újrahevítés: a turbinában expandált gőz kivétele és felmelegítése a gőzkazánban pUH nyomáson.

30 Gőzturbina-lapátok A GT eredő hatásfokát
a lapátok fokozati hatásfoka és az expanzió mértéke határozza meg. A GT-fokozat hatásfokát befolyásolja a lapátfelület érdessége (<0,3-0,2 μm). Lapátfokozat akciós (résveszteség csökkenthető), reakciós (sebességtől függő súrlódási veszteségek csökkenthetők). Eltérő követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.

31 Gőzturbina-lapátfokozatok
h Δhá akciós Δhf S reakciós

32 Gőzturbina-lapátok fejlesztése [Büki] a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményű lapátok

33 Hőséma: fő elemek

34 Gőzturbina (Tisza II. 215 MWe)

35 Gőzturbina nagynyomású forgórész (Tisza II.)

36 Tápvízelőmelegítő

37 1.3. Generátor és transzformátor
Generátor, transzformátor: A gőzturbina forgási energiájának kV feszültségű villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére ( kV). Hatásfokok: ηTm=0,99-0,995, ηG=0,99-0,995, ηTR=0,99-0,998, ηε=0,92-0,96, ηmE=0,89-0,95.

38 Generátor (Mátrai 215 MWe)

39 Transzformátor

40 1.4. Kondenzátor Kondenzátor (K, 2-2’): A gőzturbinában munkát végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgőz cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hő elvonása a környezetbe a hűtővíz-rendszerrel. Környezetbe távozó hőteljesítmény: Hűtővíz-rendszerek: frissvízhűtés (folyó, tó, tenger), nedves hűtőtorony, száraz hűtőtorony.

41 Fajlagos elvont hő

42 Kondenzátor

43 Csőkiosztás

44 Gőz és gőz-levegő keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]

45 Frissvízhűtés tenger folyó tó K HSZ

46 Nedves hűtőtorony levegő K HSZ póthűtővíz

47 Száraz hűtőtorony levegő HSZ FKSZ

48 Nedves hűtőtorony (Mátrai Erőmű)

49 Száraz hűtőtorony (Mátrai Erőmű) kéntelenítővel

50 2. Energetikai jellemzők
Hatásfoka: Fajlagos tüzelőhő-felhasználása:

51 Energiafolyam ábra ( ) KONDENZÁCIÓS ERŐMŰ H T E Q2 Q & ÷ ø ö ç è æ - P
1 2 Q & ÷ ø ö ç è æ - P ( ) mE h veszt 2, ü mH KE

52 3. Környezeti hatások CO2 kibocsátás → ηKE növelése, mert gCO2/kWh csökken. Hőszennyezés: (0,75-0,45)Qü környezetbe távozik, télővíz max oC (O2 tartalom) → kapcsolt energiatermelés szén: SOx: füstgáz kéntelenítés, pernye: pernyeleválasztás, salak: meddőhányók (minél kisebb Hü, annál több meddő) → tájrekultiváció. NOx: DeNOx (NH3), fluid-tüzelés (SOx) és kisebb tláng. gudron, pakura: NOx: DeNOx (NH3).

53 4. Telephely kiválasztás
Tüzelőanyag közelében (bánya, olajfinomító), jó megközelítés. Hűtővíz. Szakember, szakmakultúra. Villamos csatlakozás, ellátottság. Lakott területen kívül. Meglévő erőművek telephelyének felértékelődése, mindezek megvannak.

54 6.2. Gázturbinás erőművek

55 Nyitott egytengelyes gázturbina
Nyitott egytengelyes gázturbina fő berendezései: Kompresszor (K): a levegő komprimálása a légköri nyomásról (15) bar-ra. Égőtér (É): a tüzelőanyag elégetése, a levegő-üzemanyag keverék (füstgáz) hőmérsékletének növelése (1500) oC-ra. Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban. Generátor (G), Transzformátor (Tr). Tüzelőanyag: csak CH, földgáz (inertes gáz), kerozin, fűtőolaj (állandó terhelésen).

56 Kapcsolás

57 Hőkörfolyamat 3 4 40 T p0 p1 2 S 1 20 légkör

58 Gázturbina T belső teljesítmény: K belső teljesítmény:
GT teljesítmény: Tüzelőhő-teljesítmény:

59 Fokozati és eredő hatásfok
3 4 40 T 2 S 1 20 K

60 Energiafolyam ábra

61 Energetikai jellemzők
A villamosenergia-termelés hatásfoka: Fajlagos tüzelőhő-felhasználása:

62 Gázturbina p1=10-12 (20-30) bar, t1=1000-(1300-1500) oC,
p2=1 bar (légkör), t2= oC. A körfolyamat Carnot hatásfoka: t1 növelése Ni-Cr szuperötvözetű lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözetű bevonatokkal, miközben t2 is nő. Környezeti hatások: NOx (tláng= oC) → égőtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hűtés.

63 Gázturbina

64 Kombinált gáz-gőz erőművek.
Hatásfokjavítás Kombinált gáz-gőz erőművek. A kilépő hőáramot maga a gázturbina hasznosítja: hőregenerálás, gőztermelés és gőzbefecskendezés (STIG), légnedvesítés. Többfokozatú kompresszió és expanzió.

65 Hőregenerálás É K1 K2 T hűtés

66 Kombinált gáz-gőz erőművek
6.3. Kombinált gáz-gőz erőművek

67 Kombinált gáz-gőz erőmű
Gázturbinából kilépő füstgáz hőmérséklete túl nagy (t2>500 oC), a füstgáz lehűthető hőhasznosító gőzkazánban, s a termelt gőz gőzturbinában expandál → füstgáz és gőz munkaközegű turbinák kombinációja (kombinált gáz-gőz erőmű). Hőhasznosító gőzkazán: gázturbinában expandált füstgáz ( oC) lehűtése ( oC-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60-90 bar) nyomású gőz termelése. Póttüzelés lehetséges.

68 Kombinált gáz-gőz erőmű kapcsolása

69 GE LM6000 PD gázturbina generátor set

70 Vízszintes elrendezésű hőhasznosító gőzkazán

71 Hőkörfolyamat

72 Energiafolyam ábra Q & P ) 1 ( h - Gőzkörfolyamat ü GT0 GT Tr G mGT HH
füstgáz 2,gk T T0 mT Gőzkörfolyamat 2 E

73 Teljesítménymérleg HH hőteljesítmény: Turbina teljesítmények:

74 Villamosenergia-termelés
Hatásfok: qE= kJü/kWhE.

75 Feltöltött kazánban integrált G/G erőmű
gt . Pgt Qü Q1gt PGT

76 6.4. témakör Tüzelőanyag-cellák

77 Tüzelőanyag-cellák Tüzelőanyag-cella (TC): a tüzelőanyagból – a reagensek közötti elektrokémiai reakciók révén – közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hőtermelés és a hőkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka). A TC anódos oldalára áramlik a redukáló, hidrogén-tartalmú tüzelőanyag, katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegő, H2+1/2O2→H2O, és elektronok egyenárama, amit inverterben váltóárammá alakítanak.

78 Tüzelőanyag-cella ½O2 Anód H2 → 2H+ + e- 2H+ + ½O2 +2e-→ H2O
Elektrolit H2 Katód H2O = ~ 2e-

79 ηHEo és ηTCo =f(T) [Büki]

80 Tüzelőanyag-cella Tüzelőhő:
ΔH a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia ΔS a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.

81 Tüzelőanyag-cella A hőmérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nő a T hőmérsékleten távozó D=TΔSi disszipációs hő (ΔSi a reakciótermék (pl. vízgőz) entrópiakülönbsége). A disszipációs hő kapcsolt hőszolgáltatásra vagy gőzerőműben hasznosítható. A disszipációs hő hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hőmérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.

82 Tüzelőanyag-cella TC típusai: Alkáli (Alkaline Fuel Cell-AFC),
Polimer-elektrolit membrános (Polymere Electrolyte Membrane FC-PEMFC), Foszforsavas (Phosphoric Acid FC-PAFC), Folyékony karbonátos (Molten Carbonate FC-MCFC), Szilárd oxidos (Solide Oxide FC-SOFC).

83 A fejlesztett TC-k jellemzői [Büki]
A fejlesztett tüzelőanyag-cellák jellemzői Jele Hő- mérséklet °C Tüzelő- anyag (anód) Elektrolit, Iontranszport Oxidáló közeg (katód) Villamos hatásfok % Alkalmazás AFC 40-200 hidrogén kálilúg(KOH) ← OH- oxigén 40-50 közlekedés (mozgó) PEMFC 80 polimer H+ → levegő, 40-55 hő-és villamos energia (stabil) PAFC 200 földgáz, széngáz, biogáz foszforsav (H3PO4) H+→ levegő 40-45 MCFC 650 karbonátok (Li2CO3+K2CO3) ( ← CO32- 50-60 SOFC keramikus anyag (ZrO2) ←O2- decentralizált erőművek

84 SOFC TC [Büki] a) csőelem, b) csőköteg, c) a teljes cella

85 Tüzelőanyag-cella A teljes TC igen nagyszámú elemből áll. A megvalósított kWe, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6-10 ezer elemet tartalmaz.