Energetski sustavi za zavrsni.pdf

SVEUILITE U RIJECI

TEHNIKI FAKULTET

ENERGETSKI SUSTAVI

SKRIPTA ZA ZAVRNI ISPIT

RIJEKA, 04. svibanj 2009

ES skripta za zavrni ispit verzija 1.01 2

ENERGETSKI SUSTAV S PARNIM PROCESOM (CLAUSIUS RANKINE)

Princip rada parnog - turbinskog postrojenja: proizvedena para uz pomod topline, dobivena izgaranjem goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne naine ekspandira stvarajudi moment koji pak slui za proizvodnu elektrine energije u generatoru. Koristi dinamiki pritisak generatora troenjem vodene pare za okretanje lopatica turbine. Najvedi broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se uglavnom koriste parne turbine (oko 80 % elektrine energije je proizvedeno koritenjem parnih turbina) neposredno spojene sa generatorom (turbo-generator). U ovim elektranama toplina dobivena sagorijevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaniku energiju, a koja se u generatoru pretvara u elektrinu energiju.


OBJASNITI UTJECAJ TLAKA NA ISKORISTIVOST PARNOG KRUNOG

PROCESA. Povienjem tlaka ulazne pare u turbinu povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, pa sukladno tome raste toplinska iskoristivost procesa.

Povedanje tlaka ulazne pare u turbinu dovodi do povedanja vlanosti izlazne pare iz turbine, odnosno do povedanja utjecaja erozije u zadnjim stupnjevima turbine. Da bi se to izbjeglo, potrebno je uz tlak povedavati i ulaznu temperaturu pare ili uvesti njeno menu-pregrijavanje (naknadno pregrijavanje).

OBJASNITI UTJECAJ TEMPERATURE PREGRIJANE PARE NA

ISKORISTIVOST PARNOG KRUNOG PROCESA. Povienjem temperature pare na ulazu u turbinu povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, pa sukladno s time raste toplinska iskoristivost cjelokupna procesa.

Povedanjem temperature ulazne pare takoer se smanjuje vlanost pare u izlaznim stupnjevima turbine, a time i erozija.


OBJASNITI UTJECAJ TLAKA U KONDENZATORU NA ISKORISTIVOST

PARNOG KRUNOG PROCESA. to je tlak izlazne pare iz turbine manji, odnosno to je manji tlak u kondenzatoru, nia je temperatura dijela procesa na kojemu se odvodi toplina (u okolinu), pa je stoga veda toplinska iskoristivost procesa.

NACRTATI SHEMU SUSTAVA S REGENERATIVNIM PREDGRIJAVANJEM

VODE U PARNOM PROCESU.

1 - generator pare

2 - turbina

3 - kondenzator

4 - niskotlani grija vode

5 - grija vode s direktnim mjeanjem

6 - visokotlani grija vode

7 - pumpa

8 - odvaja kondenzata

Povisuje se srednja temperature dijela procesa na kojemu se izvana dovodi toplina, ime se povisuje toplinska iskoristivost procesa. Smanjuje se koliina pare koja ulazi u kondenzator, a time se smanjuje i toplina koja se nepovratno odvodi u okolinu putem rashladnoga fluida (rashladne vode


SUSTAV S MEU-PREGRIJAVANJEM PARE.

Povisuje se srednja temperatura dijela procesa na kojemu se dovodi toplina, ime se povisuje toplinska iskoristivost procesa. Smanjuje se vlanost pare na izlaznome dijelu turbine, ime se umanjuje djelovanje erozije.


SHEMA NUKLEARNE ELEKTRANE.

1-Reaktor, 2-Reaktorske rashladne pumpe, 3-Generatori pare, 4-Tlana ekspanzijska posuda, 5-Visokotlani dio turbine, 6-Niskotlani dio turbine, 7-Generator el. energije, 8-Separator pare, 9-Pregrija pare, 10-Kondenzator, 11-Pumpa kondenzata, 12-Niskotlani predgrija, 13-Napojne pumpe, 14-Visokotlani predgrija, 15-Pumpe rashladne vode Princip rada parnog - turbinskog postrojenja: proizvedena para uz pomod topline, dobivena izgaranjem goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne naine ekspandira stvarajudi moment koji pak slui za proizvodnu elektrine energije u generatoru. Koristi dinamiki pritisak generatora troenjem vodene pare za okretanje lopatica turbine. Najvedi broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih se uglavnom koriste parne turbine (oko 80 % elektrine energije je proizvedeno koritenjem parnih turbina) neposredno spojene sa generatorom (turbo-generator). U ovim elektranama toplina dobivena sagorijevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u parnim turbinama proizvodi mehaniku energiju, a koja se u generatoru pretvara u elektrinu energiju.


Tijek idealnog krunog procesa:

1-2 Tlaenje napojne vode (kondenzata) u nisko-tlanoj pumpi

2-3 Regenerativno grijanje u nisko-tlanim grijaima

3-4 Tlaenje napojne vode u visoko-tlanoj pumpi

4-5 Regenerativno grijanje u visoko-tlanim grijaima

5-6 Dogrijavanje i isparivanje u isparivau nuklearnog reaktora

6-7 Ekspanzija pare u visoko-tlanoj turbini

7-7'' Odvlaivanje pare

7''-8 Pregrijavanje pare

8-9 Ekspanzija pare u nisko-tlanoj turbini

9-1 Kondenzacija pare


DIJAGRAM USPOREDNI PROCES NUKLEARNE I KLASINE ELEKTRANE

H-S DIJAGRAM REALNOGA PLINSKO-TURBINSKOG (JOULE - BRAYTON)

PROCESA.


SHEMA PLINSKO-TURBINSKOGA SUSTAVA S REGENERATIVNIM

PREGRIJAVANJEM ZRAKA.

Sam proces koji se dogaa u plinskoj turbini nije toliko razliit od parne turbine. Razlika je ta to je

pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena vedi.

Princip rada : kompresor slui za stlaivanje zraka kojeg usisava iz okolia te ga komprimira do nekog

zadanog tlaka, komprimirani zrak dovodi se do komore izgaranja gdje se grije uslijed izgaranja goriva.

Smjesa koja nastaje (zagrijani zrak i plinovi izgaranja) ekspandiraju u plinskoj turbini gdje stvaraju

moment koji se iskoritava u proizvodnji elektrine energije i pri radu kompresora.

T-s dijagram procesa u plinsko-turbinskome sustavu s regenerativnim predgrijavanjem zraka.


SHEMU KOMBINIRANOGA PLINSKO-PARNOG PROCESA.

Kombinirano postrojenje ima oboje: plinske turbine loene prirodnim plinom, parni kotao te parnu

turbinu koja koristi iscrpljeni plin iz plinske turbine kako bi se proizveo elektricitet, tj. to je ciklus koji

se sastoji od plinsko-turbinskog i parno-turbinskog dijela. Glavne sastavnice su naravno plinska i

parna turbina. Osnovna namjena ovakvih postrojenja je da se iskoristi toplina nastala na izlazu iz

plinske turbine. Poto ispuni plinovi koji izlaze iz plinske turbine imaju izuzetno visoke temperature,

oko 600 C mogu se iskoristiti kao sredstvo koje de grijati vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu

turbinu. Time povedavamo iskoristivost samog procesa poto je toplina koju bi inae izgubili

iskoritena za daljnju proizvodnju pare. Iskoristivost takvog postrojenja dosee i do 60%. U

kombiniranom postrojenju kompresor komprimira zrak i alje ga u komoru izgaranja gdje se

istovremeno dovodi gorivo za izgaranje. Plinovi izgaranja vrlo visoke temperature vode se iz komore

izgaranja u plinsku turbinu, gdje ekspandiraju dajudi koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske

turbine. Vratilo pokrede generator elektrine struje i proizvodi elektrinu energiju koja se alje u

mreu. Nakon ekspanzije, ispuni se plinovi iz plinske turbine vode u utilizator (generator pare na

otpadnu toplinu). Jedna od vrlo dobrih karakteristika plinske turbine je ta to je kod nje prisutan vrlo

visok omjer zrak/gorivo bududi se dodaje nekoliko puta vie zraka zbog hlaenja lopatica plinske

turbine. Zbog toga na izlazu iz plinske turbine ostaje jo dosta neiskoritenog zraka te se taj viak

zraka koristi za izgaranje dodatnog goriva u utilizatoru. U utilizatoru se napojna voda zagrijava do

isparavanja i pregrijava na zadane parametre. Pregrijana para odlazi iz generatora pare u parnu

turbinu gdje ekspandira i predaje mehaniki rad generatoru elektrine struje. Nakon toga para, sada

ved niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira. Nakon kondenzacije, voda se napojnom

pumpom vrada u utilizator na ponovno zagrijavanje.


Glavni nedostatak parnoga (Clausius/Rankine) procesa: veliki gubici eksergije zbog velikog T pri izmjenjivanju topline unutar generatora pare izmenu dimnih plinova i vode/pare. Glavni nedostatak plinskoga (Joule/Brayton) procesa: veliki gubici toplinske energije zbog relativno visoke izlazne temperature plinova iz plinske turbine (500-6000C) Kombiniranim plinsko-parnim procesom povedava se iskoristivost smanjenjem nepovratnih gubitaka parnoga i plinskoga procesa u odnosu na njihov odvojeni rad. Iskoristivost modernih plinsko-parnih procesa: 50-55%


PLINSKO-TURBINSKI PROCES ZA POGON ZRAKOPLOVA

1-difuzor, 2-kompresor, 3-komora izgaranja, 4-turbina, 5-izlazna sapnica

Promjene stanja: 1-2 kompresija u difuzoru, 2-3 kompresija u kompresoru, 3-4 izgaranje u komori, 4-5 ekspanzija u turbini, 5-6 ekspanzija u sapnici


SHEMA PLINSKOG KRUNOG PROCESA (JOULE-BRAYTONOVA) S DVO-

STUPANJSKOM KOMPRESIJOM I DVO-STUPANJSKIM EKSPANZIJOM

.


KOGENERACIJSKSI SUSTAV S PARNOM PROTUTLANOM TURBINOM

Najjednostavniji i najedi oblik, postrojenje protutlane turbine je bazini proces gdje imamo paru proizvedenu u generatoru pare, ekspandiranu u turbini i potom dovedenu do razvodnika koji odvodi toplinu dalje u vrelovodni sustav. Turbina je protutlana i vri se ekspanzija do protutlaka s temperaturom zasidenja. Ovaj tip postrojenja prisutan je najede u industriji kod proizvodnje topline i elektrine energije. Ova postrojenja su jeftinija, a samim time i jednostavnije za odravanje i upravljanje. Potreba i potronja toplinske i elektrine energije varira tako da u sluaju da imamo preveliku koliinu pare, viak uvijek moemo izbacivati u atmosferu. Potreba koju imamo za toplinskom energijom u pogonu odreivati de reim rada postrojenja. Koliina proizvedene elektrine i toplinske energije ne moe se bilancirati to je najvedi problem. Naprosto ne moemo zbrajati toplinsku i elektrinu energiju.


KOGENERACIJSKSI SUSTAV S KONDENZACIJSKOM PARNOM TURBINOM

UZ ODUZIMANJE PARE

Za ovakav sustav potrebno je imati na raspolaganju turbinu s dva stupnja: visokotlani i niskotlani. Nakon ekspanzije u visokotlanom dijelu turbine vri se ekspanzija nakon koje dolazi do oduzimanja pare. Sve se to odvija na konstantnom tlaku. Ovaj pogon je povoljniji poto imamo dva stupnja rada:

isti kondenzatorski isti protutlani

isti kondenzatorski pogon znai da ne postoji potreba za toplinom pa se proizvodi samo elektrina energija. U suprotnom primjeru kog istog protutlanog sluaja potreba za toplinskom energijom je toliko velika da uopde nema proizvodnje u niskotlanom dijelu turbine. Realno protutlani (isti) reim se ne moe voditi. Niskotlani dio turbine ne moe ostati bez pare (hlaenje).


KOGENERACIJSKI SUSTAV S PLINSKOM TURBINOM BEZ DODATNOG

LOENJA

KOGENERACIJSKI SUSTAV S PLINSKOM TURBINOM UZ DODATNO

LOENJE


NACRTATI SHEMU KOGENERACIJSKOG SUSTAVA S DIZELSKIM

MOTOROM UZ DODATNO LOENJE.

KOMBINIRANI KOGENERACIJSKI SUSTAV S PLINSKOM I PARNOM

TURBINOM TE DODATNIM LOENJEM U STRUJI DIMNIH PLINOVA

Princip rada postrojenja s plinskom turbinom s koritenjem otpadne topline je sljededi. Na ispuh

plinske turbine dodaje se kotao koje slui za proizvodnju pare koja pak slui ili u industrijske svrhe ili

za grijanje. Temperature na izlazu iz plinske turbine su izuzetno visoke (do 600 C) tako da mogu

posluiti u daljnjoj proizvodnji pare. Tu vidimo povezanost kombiniranog i kogeneracijskog procesa

proizvodnja pare za grijanje, ali i ponovnu proizvodnju elektrine energije. Dodatna proizvodnja i

elektrine energije jo dodatno povedava iskoristivost procesa.


NACRTATI OSNOVNU SHEMU UTILIZACIJSKOG SUSTAVA.


NACRTATI SHEMU ENERGETSKOG SUSTAVA S MHD GENERATOROM

Osnovni principi rada sustava s MHD generatorom Direktna pretvorba toplinske energije plina u

elektrinu djelovanjem magnetskoga polja na strujni tok ionizirana plina (plazme) pod visokim

temperaturama;

Teoretski je proces slian Joule/Brayton-ovom procesu u plinskoj turbini. Stlaeni ionizirani plin

(plazma) adijabatski ekspandira kroz MHD kanal (difuzor) gdje se usporava djelovanjem

elektromagnetske sile (kod plinske turbine se unutar lopatica kinetika energija plina pretvara u

mehaniku);

Iskoristivost procesa proizvodnje el. energije je oko 50 %;

Zbog visoke izlazne temperature plinova potrebna je rekuperacija toplinske energije (kogeneracija ili

kombinirani proces s parnim ciklusom), ime se dodatno povedava ukupna energetska iskoristivost


OSNOVNA SHEMU KOGENERACIJSKOG SUSTAVA S GORIVIM ELIJAMA

Goriva delija je elektrokemijski ureaj koji slui za neposrednu konverziju kemijske energije, sadrane

u nekom kemijskom elementu ili spoju, u istosmjernu elektrinu struju. Goriva se delija, isto tako kao

i baterija, sastoji iz dviju elektroda uronjenih u isti elektrolit. Na anodi gorive delije oksidira se gorivo,

tj. neki kemijski element ili spoj visokog sadraja unutranje energije. Elektroni, proizvedeni

oksidacijom goriva, odvode se od anode vanjskim krugom vodia i preko troila (otpornik, elektrini

motor istosmjerne struje, arulja i sl.) do katode. Na katodi neki se drugi element ili spoj (oksidans)

reducira zahvatom elektrona proizvedenih na anodi. Produkti reakcije, negativni i pozitivni ioni,

spajaju se u elektrolitu, a nastali produkt odvodi se iz gorive delije. esto je konani produkt reakcije

isti kao da je gorivo izgorjelo u oksidansu uz direktnu pretvorbu kemijske u unutranju termiku

energiju. Odatle i potjee naziv goriva delija

Prednosti gorivih elija:

vrlo visoka iskoristivost energije goriva; 40% na elektrinome dijelu, 25,445% na toplinskome

dijelu, ukupno 65,485%;

nema pokretnih (rotirajudih) dijelova;

zanemarivo oneidenje okolia;

zanemariva buka.

Nedostaci gorivih elija:

visoka cijena po jedinici instalirane snage;

tehnika izvedivost za relativno male snage (do 500 kW);

tehniko tehnoloka neusavrenost (jo u fazi razvoja).


OBRAZLOITI RAZGRANIENJE TROKOVA ZA ELEKTRINU I

TOPLINSKU ENERGIJU U KOGENERACIJSKOM SUSTAVU PO METODI

UTROENE ENERGIJE. OBRAZLOENJE PRIKAZATI UZ ODGOVARAJUU

SHEMU Princip: Udjelu troka za elektrinu energiju pridodaje se iskoriteni toplinski pad kroz turbinu i toplina odvedena u okolinu putem kondenzatora u odnosu na ukupno utroenu energiju (toplinu). Preostali udjel pridodaje se troku za toplinsku energiju.

Ovakav pristup podcjenjuje vrijednost elektrine energije, a precjenjuje vrijednost toplinske energije, bududi da se podjela trokova temelji na udjelima utroene toplinske energije, a toplinski pad kroz turbinu se sporije mijenja nego pad radne sposobnosti pare.


NA DIJAGRAMIMA PRIKAZATI KVALITATIVNU ZAVISNOST TROKOVA

ENERGETSKOG POSTROJENJA O GODINJEM FONDU POGONSKIH SATI


POMOU H-P DIJAGRAMA OBRAZLOITI NAIN KORITENJA OTPATKA

KONDENZATA

Toplina otpatka kondenzata moe se koristiti priguivanjem kondenzata na nii tlak na kojemu dolazi

do isparivanja dijela kondenzata.

SHEMA KORITENJA OTPATKA KONDENZATA PRIGUIVANJEM

(REDUKCIJOM TLAKA)


SHEMA KORITENJA OTPARKA KONDENZATA VIESTUPANJSKIM

PRIGUIVANJEM

Legenda:1-troilo topline, 2-otpariva, 3-generator pare, 4-napojni spremnik, 5-kondenzatna pumpa, 6-napojna pumpa, 7-pokaziva protoka, 8-odvaja kondenzata, 9-nepovratni ventil.

NACRTATI SHEMU KORITENJA OTPARKA KONDENZATA POMOU

EFEKTA TERMOKOMPRESIJE


SHEMA INDIREKTNO PROTONOGA RASHLADNOG SUSTAVA

SHEMA RASHLADNOG SUSTAVA S VLANIM RASHLADNIM TORNJEM

Para iz turbine sa visom temperaturom i tlakom ulazi u kondenzator. Prvo ide na rashladni toranj,

zatim preko pumpe se u razne hladnjake koje pritom hladi te natrag u rashladni toranj. Toranj se

hladi vodom. BITNO: VODA HLADI HLADNJAKE (ne obrnuto)


SHEMU KOMBINIRANOG RASHLADNOG SUSTAVA SA VLANIM

RASHLADNIM TORNJEM



hladi vodom. BITNO: VODA HLADI HLADNJAKE (ne obrnuto)

NACRTATI SHEMU RASHLADNOG SUSTAVA SA SUHIM RASHLADNIM

TORNJEM



hladi zrakom. BITNO: VODA HLADI HLADNJAKE (ne obrnuto)


PLAMENIK SA STUPNJEVANIM DOVOENJEM ZRAKA

Princim rada se odnosi na promjenu dovodjena zraka za izgaranje. Taj se pristup temelji na

stupnjevanju izgaranju u cilju smanjenja vrsnih temp plamena. Uz ovaj nacin koristi se stupnjevanjem

dovodnjenja goriva i recikulacijom dimnih plinova. Jedan od smanjenje emisija NOx

PLAMENIK SA STUPNJEVANIM DOVOENJEM GORIVA I

RECIRKULACIJOM DIMNIH PLINOVA

1- ulaz dimnoga plina, 2-recirkulacija, 3-ulaz zraka, 4-ulaz sekundarnog goriva, 5-ulaz primarnog goriva, 6-ulaz pare


TEHNOLOKA SHEMA MOKRA PROCESA ODSUMPORIVANJA DIMNIH

PLINOVA

1-otpraivanje, 2-pranje plinova u apsorberu, 3-oksidacija Ca-sulfita, 4-zgunjavanje, 5-filtriranje, 6-

suenje, 7-oplemenjivanje gipsa, 8-proidavanje vode, 9-spremanje vapnenake suspenzije ili

vapnena mlijeka


MEHANIKI ODVAJAI CIKLONI

1-ulaz, 2-kudite ciklona, 3-izlaz, 4-komusni sabirnik

1-konusni sabirni, 2-ciklonski element, 3-pregradna ploa

SKRUBERI

1- ulaz plina, 2- mlaznice za vodu, 3,4,5-dijelovi difuzora,6-kudite


VLAKNASTI (VREASTI) FILTER

VREASTI FILTER S UREAJEM ZA OTRESANJE


ELEKTROSTATSKI FILTER

1- kudite, 2-sabirne elektrode, 3-elektrode za pranjenje, 4,5-ureaj za otresanje, 6-ulazna mrea, 7-

sabirnik pepela, 8-izolator.

Princip djelovanja:

visokonaponsko istosmjerno elektrino polje,

(+) sabirne elektrode, (-) elektrode za pranjenje,

ionizacija estica pod djelovanjem viskonaponskoga istosmjernog elektrina polja (negativni

naboj),

uinkovitost do 99% (99,5%).

Uinkovitost odvajanja

proporcionalna je s povrinom sakupljanja i brzinom odvajanja


OVISNOST GUBITAKA OSJETNE TOPLINE IZLAZNIH DIMNIH PLINOVA O

NJIHOVOJ TEMPERATURI I PRETIKU ZRAKA ZA IZGARANJE

Izvedba loita direktno utjee na gubitke u izlaznim plinovima. Da bi se tono dimenzioniralo loite

treba dobro izabrati nain izgaranja goriva i vrstu goriva jer o tome ovisi kvaliteta izgaranja i gubici. O

izlaznoj temperaturi dimnih plinova iz generatora pare proporcionalno ovise o njihovoj toplini koja se

sastoji od osjetne topline dimnih plinova i latentne topline vodene pare koja nastaje iz sadrane vlage

u gorive te o sadraju vodika.


UTJECAJ PRETIKA ZRAKA NA KVALITETU IZGARANJA

Gubici pare u proizvodnom postrojenja ovise o visku zraka za izgaranje pri emu ukupni gubici imaju

najmanju veliinu pri odreenoj vrijednosti koeficijenta pretika zraka.

UTJECAJ PRETIKA ZRAKA NA ISKORISTIVOST GENERATORA PARE

Zbog toga u dimnim plinovima ima uvijek neto slobodnog O2 i CO, te regulacija izgaranja uz

poznavanja omjera gorivo/zrak kod razliitih opteredenja jedan od glavnih elemenata optimiziranja

rada generatora pare. Cilj optimiziranja je da se odravanju najmanji gubitci koji su ovisni o izlaznim

gubicima osjetne topline dimnih plinova te o gubicima zbog nepotpuna izgaranja pritom automatska

regulacija treba odravati proces izgaranja u optimalnom kontrolnom podruju.


UTJECAJ PRETIKA ZRAKA NA GUBITKE U GENERATORU PARE

Gubici zraenja u okolinu su priblino konstantni s obzirom na visak zraka izgaranja. Gubici osjetnih

dimnih plinova su proporcionalni pretiku zraka. Najmanji gubici nastaju pri optimalnom pretiku

zraka.


OVISNOST GUBITAKA TOPLINE ZBOG ZRAENJA U OKOLINU O

KAPACITETU I OPTEREENJU GENERATORA PARE

Generatori pare su uglavnom izvedeni tako da se najveda iskoristivost postie pri opteredenju izmeu

60 do 80 % do maksimalnog trajnog, pri niim opteredenjima iskoristivost se smanjuje zbog

povedanih gubitaka zraenja topline u okolinu. Oni su to vedi to su kapaciteti i opteredenje

generatora pare manji. Pri pogonskim opteredenjima vedim od normalnim krivulja iskoristivosti pada

zbog povedanih izlaznih gubitaka osjetne topline dimnih plinova jer njihova izlazna temperatura raste

s porastom opteredenja generatora pare.

OVISNOST ISKORISTIVOSTI O OPTEREENJU

Iskoristivost generatora pare se mijenja s

opteredenjem a krivulja promjene ima oblik koji je

na dijagramu.

Documents

Energetski sustavi za zavrsni.pdf