Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

1

1 . Charakterystyka ilo ściowa i ogólna elektrowni parowej konwencjonalnej

Elektrownia o mocy zainstalowanej P = 1200 MW, opalana węglem kamiennym o wartości opałowej Wu = 21 MJ/kg, o zawartości popiołu p = 10% oraz siarki s = 0,9% i stopniu uwęglenia wynoszącym C = 78%; pozostałe to: wilgoć, wodór, tlen i azot. Ogólna sprawność netto tej elektrowni ηo = 38%. (Wartości odpowiadają średniemu poziomowi krajowemu z roku 2010). Tablica 1. Zapotrzebowanie na surowce, emisja odpad ów i produkcja energii przez elektrowni ę o mocy P = 6 ×××× 200 = 1200 MW

Warto ści Substancja jednostkowe

(na kW ⋅⋅⋅⋅h) na godzin ę na dob ę na rok

(przy T i = 6500 h) Produkcja energii elektrycznej - 1200 MW⋅h 28,8 GW⋅h 7,8 TW⋅h Wartość wytworzonej energii (przy ce = 0,05 €/(kWh) - 60 tys. € 1,44 mln € 390 mln €

Zapotrzebowanie na węgiel 0,45 kg 541 t 12992 t 3,5 mln t Zapotrzebowanie na powietrze 3,8 m3 4,56⋅106 m3 109,44⋅106 m3 29,64⋅109 m3 Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą 144 l 172,8⋅103 m3 4,147⋅106 m3 1,123⋅109 m3 Zapotrzebowanie na wodę bezzwrotną 1,1÷1,55 l 1320÷1860 m3 31,68÷44,64⋅103 m3 8,58÷12,09⋅106 m3 Emisja spalin 6,7 m3 8,04⋅106 m3 192,96⋅106 m3 52,26⋅109 m3 Emisja CO2 1,290 kg 1548 t 37,158 tys. t 10,062 mln t Emisja SO2 7 g 8,3 t 199,5 t 53,95 tys. t Emisja NOx w przeliczeniu na N2O5

(średnio 0,33 emisji SO2) 2,3 g 2,77 t 66,5 t 17,98 tys. t

Popiół i żużel 0,045 kg 54 t 1296 t 0,352 mln t Emisja pyłu do atmosfery, średnio 0,77 g 0,92 t ok. 22 t ok. 5980 t

Rys. 1. Uproszczony schemat bloku elektrowni parowej:

K — kocioł parowy z przegrzewaczem pary, T - turbina parowa, S - skraplacz pary,

PS - pompa skroplin, ZWZ - zbiornik wody zasilaj ącej, PZ - pompa zasilaj ąca kocioł,

G - generator, TB - transformator blokowy, TPW – transformator potrzeb własnych

(odczepowy)

a)

Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: a) przekrój budynku głównego elektrowni z blokami o mo cy 200 MW,

bez odsiarczania spalin: 1 - kocioł, 2 - turbozespół, 3 - skraplacz, 4 - pod grzewacz powietrza, 5 - młyn w ęgla, 6 - elektrofiltr, 7 - wentylator spalin, 8 - k omin,

9 - przeno śniki ta śmowe w ęgla, 10 - transformatory: blokowy i potrzeb własnyc h, 11 - zbiornik wody zasilaj ącej z odgazowywaczem, 12 - nastawnia, 13 - rozdzielnica potrzeb własnych, 14 - wentylator młyna, 15 – went ylator powietrza,

16 - rozdzielnica elektrofiltrów, 17 - zasobnik w ęgla

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

2

b)

Rys. 2. Elementy składowe bloku energetycznego: b) układ technologiczny elektrowni na przykładzie Elek trowni BEŁCHATÓW

2. Kotły parowe

Rys. 3. Uproszczony przekrój kotła parowego:

1 - walczak, 2 - komora paleniskowa, 3 - palniki, 4 - rury opadowe,

5 - przegrzewacz pary, 6 - podgrzewacz wody,

7 - podgrzewacz powietrza, 8 - wentylator powietrza

Rys. 4. Uproszczony schemat bloku z międzystopniowym przegrzewaniem pary:

K - kocioł parowy; PI, PII - przegrzewacze pary: pi erwotny, wtórny (mi ędzystopniowy);

WP - wysokopr ężna część turbiny; NP - niskopr ężna część turbiny; S - skraplacz pary; PS - pompa skroplin;

ZWZ - zbiornik wody zasilaj ącej; PZ - pompa zasilaj ąca kocioł; G – generator

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

3

Tablica 2. Parametry niektórych krajowych energetyc znych kotłów parowych

Symbol kotła Wydajno ść [t/h] / Moc bloku [MW]

Ciśnienie pary [MPa/MPa]

Temperatura pary [°C/°C]

Sprawno ść [%]

Temperatura wody zasilaj ącej [°C]

OP-380 380/120 13,6/2,7 540/540 87÷90 230 OP-650 OB-650 650/200 15,6/2,7 540/540 91÷92

88 240

BB-1150* 1150/360 18,3/4,2 540/540 91 255 BB-2400 2400/858 26,1/5,46 554/582 ? 278

* Z obiegiem dodatkowo wspomaganym w obrębie parownika

Rys. 5. Charakterystyka energetyczna kotła parowego : Qkmin - minimum techniczne kotła,

Qkmax - maksymalna wydajno ść kotła

3 . Turbiny parowe

T u r b i n a p a r o w a jest silnikiem cieplnym stosowanym w elektrowni do napędu generatora synchronicznego. Silnik ten ma cechy szczególnie predestynujące go do takiego zastosowania. Turbina parowa jest silnikiem przepływowym, wirnikowym - rozwijającym na wale równomierny moment obrotowy.

Rys. 6. Turbina parowa: a) zasada działania turbiny jednostopniowej, b) przekrój pogl ądowy;

1 - dysza/wieniec dysz, 2 - wieniec łopatek wirnika , ZR - zawór regulacyjny, S - skraplacz pary, PS - pompa skroplin

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

4

Rys. 7. Turbiny: a) jednokadłubowa, b) dwukadłubowa , c) trójkadłubowa, d) czterokadłubowa; e) wirnik t urbiny 40 MW; f) przekrój osiowy cz ęści WP i SP turbiny 18K380 (17,5/4,2 MPa; 550/570 °°°°C; 380 MW); kadłuby: WP - wysokopr ężny, SP - średniopr ężny,

NP - niskopr ężny; MPP - mi ędzystopniowy przegrzewacz pary (element kotła parow ego)

Rys. 8. Symbole turbin parowych: a) kondensacyjna, b) przeciwpr ężna, c) upustowo-przeciwpr ężna,

d) upustowo-kondensacyjna. Indeksy przy symbolach parametrów pary oznaczaj ą parę: 1 - świeża zasilaj ąca turbin ę, 2 – na wylocie z turbiny kondensacyjnej, p - opuszc zająca turbin ę przeciwpr ężną, u - pobierana z upustu turbiny

Tablica 3. Parametry niektórych krajowych turbin pa rowych

Parametry pary Upust regulowany temperatura Moc

ciśnienie pocz ątkowa wt. prz.

Ciśnienie na wylocie ciśnienie pobór pary Symbol

MW MPa °C °C MPa MPa t/h Turbiny kondensacyjne

TK 120 13K 215 18K 360 K 500*

120 200 360 500

12,7 13,0 17,7 16,3

535 535 535 535

535 535 535 535

Turbiny przeciwprężne TP ... TP 20 TP 30

13UP50

2,5 do 6 19,5 30 50

3,5 9,0 9,0

13,0

435 500 500 535

- - - -

Turbiny upustowo-kondensacyjne UK 8 UK 12

2 do 8

5 do 12

2,4 3,5 4,5 2,4

i 3,5

380 435 450 380 435 450

- - - - - -

skraplacz skraplacz skraplacz skraplacz

0,4÷0,6

0,9 0,12

0,07 i 0,03**

skraplacz

skraplacz

- - - - - - -

1,0

0,12÷0,6

0,12÷0,6

- - - - - - -

7,5÷85

2,5÷51

5,0÷65

* Konstrukcja b. Leningradzkiej Fabryki Turbin. ** Dwa wyloty, turbina upustowo-przeciwprężna.

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

5

Rys. 9. Charakterystyki energetyczne turbozespołów kondensacyjnych; QTz - strumie ń zapotrzebowania na ciepło przez

turbozespół, PN - moc znamionowa generatora, Pe - moc ekonomiczna

4. Skraplacz pary i jego chłodzenie

Silnik cieplny, jakim jest turbina parowa, pracuje w układzie między źródłem ciepła a chłodnicą. W elektrowni źródłem ciepła jest kocioł parowy, zaś chłodnicą s k r a p l a c z p a r y . Zadaniem skraplacza jest odprowadzenie z obiegu cieplnego tej części ciepła, która - zgodnie z II zasadą termodynamiki - nie jest i nie może być w silniku cieplnym zamieniona na pracę.

Rys. 10. Skraplacz turbiny parowej:

1 - komora wodna, 2 - przestrze ń parowa,

3 - dno sitowe, 4 - rury wodne, 5 - wodowskaz,

PS - pompa skroplin

Rys. 11. Schemat poł ączeń urządzeń towarzysz ących skraplaczowi pary: 1 - skraplacz, 2 - smoczek parowy, 3 - para zasilaj ąca smoczek,

4 - skraplacz pary ze smoczka, 5 - odprowadzenie skroplin pary smoczka,

6 - ruroci ąg recyrkulacji skroplin, PS - pompa skroplin

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

6

Rys. 12. Chłodnia kominowa:

1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik wody ochłodzonej, 3 - zraszalnik

Rys. 13. Chłodnie wentylatorowe: a) pojedyncza z dy fuzorem, b) fragment chłodni celkowej; 1 - doprowadzenie wody, 2 - zbiornik wod y ochłodzonej, 3 - zraszalnik,

4 - wentylator, 5 - silnik z przekładniami, 6 - dyf uzor

5. Obieg termodynamiczny i sprawno ść elektrowni

Praktyczne wykorzystanie i techniczna realizacja w elektrowni parowej procesu przetwarzania ciepła na energię mechaniczną wymaga znajomości podstawowych właściwości czynnika roboczego, tj. wody i pary wodnej. Właściwości te są określone przez podstawowe parametry: ciśnienie p, temperaturę T lub t i obję-tość V lub objętość właściwą υ. W analizach teoretycznych i w praktycznych obliczeniach technicznych są przydatne jeszcze dwie wielkości: entalpia I lub entalpia właściwa i, entropia S lub entropia właściwa s. E n t a l p i a w ł a ś c i w a jest ilością ciepła niezbędną do doprowadzenia 1 kg czynnika od umownego punktu początkowego do pewnego punktu końcowego przy stałym ciśnieniu (p = const.). E n t r o p i a nie ma interpretacji fizycznej; wprowadzenie jej jako pojęcia o charakterze matematycznym pozwala na przedstawienie obiegów termodynamicznych za pomocą przejrzystych i wygodnych w użytkowaniu wykresów. Używane dalej określenia: entalpia i entropia odnoszą się do entalpii i entropii właściwej (dla 1 kg czynnika). Do obliczeń praktycznych i potrzeb kontroli pracy elektrowni parowych powszechnie stosuje się wartości parametrów zestawione w tablicach pary wodnej lub opracowane na ich podstawie wykresy. Przy analizie zjawisk termodynamicznych związanych z parą wodną jako czynnikiem roboczym powszechne zastosowa-nie znalazły wykresy T-s (temperatura-entropia) i i-s (entalpia-entropia).

Rys. 14. Wykres T-s dla wody i pary wodnej Rys. 15. Wykres i-s dla wody i pary wodnej Wykres T-s oraz i-s pary wodnej umożliwia przedstawienie na nim, w postaci pewnego konturu, obiegu cieplnego elektrowni. Punkt K na krzywej granicznej odpowiada parametrom krytycznym, określającym stan fizyczny, w którym ciecz staje się, bez doprowadzenia ciepła, parą suchą nasyconą. Parametry tego stanu dla cieczy i pary suchej są takie same: pkr = 22,13 MPa, tkr = 374,15°C (647,31 K), υυυυkr = 0,00315 m3/kg, ikr = 2095,2 kJ/kg, skr = 4,424 kJ/(kg .K); ciepło parowania r = 0. Na krzywej granicznej z lewej strony punktu krytycznego K leżą punkty odpowiadające w o d z i e (stopień suchości x = 0) o temperaturze nasycenia; gałąź krzywej po prawej stronie punktu K przedstawia zbiór punktów dla p a r y n a s yc o n e j s u c h e j (x = 1). Obszar ograniczony krzywymi granicznymi obejmuje stany p a r y w i l g o t n e j . Krzywe x = const. wyznaczają punkty o stałym stopniu suchości pary. W obszarze po lewej stronie krzywej granicznej x = 0 czynnik roboczy występuje jako ciecz, a po prawej stronie krzywej x = l i ponad nią - jako p a r a p r z e g r z a n a .

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

7

Rys. 16. Obieg Carnota dla pary nasyconej Rys. 17. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowe j kondensacyjnej: 1 - kocioł; 2 - przegrzewacz pary; 3 - turbina; 4 - prądnica (generator); 5 - skraplacz (kondensator); 6 - pompa wody chłodz ącej; 7 - pompa skroplin; 8 - zbiornik wody zasilaj ącej; 9 - pompa wody zasilaj ącej

Rys. 18. Obieg Rankine’a elektrowni parowej kondens acyjnej: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s

Rys. 19. Zale żność sprawno ści teoretycznej obiegu Rankine’a od: a) temperatury pocz ątkowej T1;

b) ci śnienia pocz ątkowego p1, c) ci śnienia (temperatury) w skraplaczu

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

8

Rys. 20. Schemat obiegu cieplnego elektrowni

z międzystopniowym przegrzewaniem pary: 1 - kocioł; 2 - część wysokopr ężna turbiny; 3 - cz ęść niskopr ężna

turbiny; 4 - mi ędzystopniowy przegrzewacz pary

Rys. 21. Obieg Rankine'a z mi ędzystopniowym przegrzewaniem pary: a) w układzie T-s; b) w układzie i-s (na wykresie i-s naniesiono

rzeczywiste przebiegi rozpr ężania pary w obu cz ęściach turbiny)

Rys. 21. Schemat układu cieplnego elektrowni

z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilaj ącej: 1 – kocioł, 2 – turbina, 3 – pr ądnica, 4 - pompa skroplin, 5 - podgrzewacz mieszankowy,

6 - pompa wody zasilaj ącej

Rys. 22. Jednostopniowe podgrzewanie wody zasilaj ącej; a) obieg Rankine’a; b) przebieg rozpr ężania pary w turbinie w układzie i-s

(ηog)netto = ηog = ηkηrηtRηwηmηg(1 - ε) = ηkηrηTzηp.wł. Poszczególne sprawności zawierają się w granicach: � kotła, ηk = 0,86÷0,96, � rurociągów i regulacyjna, ηr = 0,98÷0,99, � obiegu Rankine'a, ηtR = 0,43÷0,58, � wewnętrzna turbiny, ηw= 0,60÷0,87, � mechaniczna turbiny, ηm = 0,98÷0,99, � generatora, ηg = 0,97÷0,985, � potrzeb własnych (1 - ε), ηp.wł.= 0,92÷0,96.

Dla obiegu bez przegrzewania międzystopniowego ( ) ( ) ( ) ( )

wz1

skwz2a1

wz1

sk2awz1

d

odRt ii

iiii

ii

iiii

q

qq

−−−−=

−−−−=−=η

gdzie: i1 - entalpia pary za kotłem, równa w układzie idealnym (teoretycznym) entalpii pary przed turbiną, kJ/kg; i2a - entalpia pary po jej izentropowym rozprężeniu w turbinie, kJ/kg; isk - entalpia skroplin, kJ/kg; iwz - entalpia wody zasilającej kocioł, kJ/kg.

Dla obiegu z przegrzewaniem międzystopniowym ( ) ( )( ) ( )

( )( ) mawz1

ma2a1

m1am2wz1

2m2a1m1tm iii

iii

iiii

iiii a

∆+−∆+−=

−+−−+−=η

gdzie: ∆ima = im2 - im1a - przyrost entalpii pary w międzystopniowym przegrzewaczu pary (w obiegu teoretycznym), kJ/kg.

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

9

Rys. 23. Przykładowe sprawno ści przemian energii i bilans

energetyczny strumieniowy (Sankeya) współczesnej el ektrowni parowej kondensacyjnej

Rys. 24. Uproszczony schemat układu cieplnego krajowego bloku o mocy 360 MW

Bełchatów

12×360 + 858 MW → 5298 MW,

węgiel brunatny; Kozienice 2×500 + 8×200 → 2845 MW, węgiel

kamienny; Turów 10×200 → 1898 MW,

węgiel brunatny;

Rybnik 8×200 → 1775 MW,

węgiel kamienny;

Dolna Odra

8×200 → 1772 MW,

węgiel kamienny; Połaniec

8×200 → 1600 MW,

węgiel kamienny, Opole

4×360 → 1492 MW,

węgiel kamienny;

Pątnów 6×200 → 1200 MW,

węgiel brunatny.

Elektrownie parowe konwencjonalne (J. Paska)

10

MKR ZAM

GLN

POM

GDP

KOP

BYD

JAS

PLE

CZE

PPD

MON

PLC

GOR

DUN

SLK

ZRC

GBL

GDA

GRU

TEL

WLAPAT

KON

ADA

OLM

OLS

ELK

PLOPDE

MSK

SOC

LSN

LES

OSRZUK

POL

CRN

MIK

HAG

VIE

PIA

SDU

KOZ

ROZ

PUL

ABRCHS

NAR

OSC

DOB

STWCHM

PEL

RZE

BGC

KPK

RAD

KIE

JAN

PIO

PAB

ZGI

BEKTRE

ROG

JOA

ANI

HCZ

WRZ

LOS

TAW

ATA

KLA

KRI

WAN

LUA

SIE

ROK

GRO

DBN

ZBK

SWI

WRCPAS

BOG

CPC

ALBNOS

TCN

KRA

LEM

KRM

OLT

SKA

MOR

WTO

LSY

PKW

WSI

OST

ALY

BLA

REC

KED

CHAWIE

LAG

CZT

ZAP

BUJKOM

BIR

HALKAT JAM

KHK

MOS

LIS

LMS

MIL

400 kV750 kV

220 kV

400 kV tymczasowo pracująca na napięciu 220 kV

kabel stałoprądowy 450 kV

Legenda: PBO

STN

BYC

BCN

ZDK

ELB

PLP

DRG

WYS

PRB

KAL

ZLG

PLB

EISGUB

STO

160MW

910MW moc przyłączeniowa planowanych elektrowni konwencjonalnych

moc przyłączeniowa planowanych FW

425MW

910MW

2x1000MW

1000MW

1000MW

422MW

500MW+456MW

874MW

2x900MW

420MW

480MW

830MW

2x456MW+600MW

500MW

910MW

480MW

900MW+456MW

2x432MW

244MW

135MW

240MW 246MW

225MW

322MW

660MW

660MW

760MW

150MW

146,6MW

330MW830MW

160MW

250MW

250MW

80MW

250MW

250MW

108MW 150MW

166MW

Lokalizacje nowych źródeł wytwórczych wnioskowanych do przył ączenia do sieci przesyłowej oraz rozwój poł ączeń

transgranicznych w latach 2012-2025