Univerzitet u TuzliFilozofski fakultet

Odsjek-Tehnički odgoj i informatika

TOPLOTNE I HIDRAULIČKE MAŠINE

Dr.sc. Indira Buljubašić, vanr.prof.indira.buljubasic@untz.ba

• Princip rada i klasifikacija toplotnih turbomašina.

• Osnovni pojmovi i relacije konverzije hidroenergije. Podjela i vrste turbina.

• Fransis, Kaplan, Pelton turbine- osnove i karakteristike

• Regulacija. Tipovi postrojenja• Test 2

• Toplotne turbomašine (TTM) je naziv za podgrupu energetskih mašina koje mehaničku energiju njenih pokretnih dijelova- rotora, klipa, razmjenjuju sa energijom radnog fluida koji protiče kroz mašinu.

• Razmjena energije može da se obavlja u oba smjera pa se energetske mašine mogu podijeliti u pogonske ili motore i radne ili pogonjene mašine.

• Pogonske mašine pretvaraju potencijalnu energiju fluida u mehaničku energiju rotacije, pravolinijskog ili oscilatornog kretanja.

• Radne mašine koriste mehaničku energiju dovedenu izvana za podizanje potencijalne energije fluida.

• Dva atributa u nazivu toplotnih turbomašina im daju specifično obilježje po kojima se one razlikuju od ostalih energetskih mašina.

• Riječ “turbo” -(lat.vrtlog) označava da se pretvorba energije obavlja na turbo principu, dinamički, posredstvom promjene kinetičke energije fluida koji struji kroz međulopatične kanale na obimu rotora mašine. Turbo princip podrazumijeva kontinuiranost procesa pretvorbe energije koji za razliku od klipnih mašina zahtijeva kontinuirano strujanje fluida i kontinuirano- rotaciono-kretanje pokretnih dijelova mašine.

• Pridjev “toplotne” ukazuje da u pretvorbi energije toplota kao oblik prenosa energije ima bitnu ulogu i da je taj proces popraćen značajnim promjenama termodinamičkih veličina stanja- temperature, gustine i pritiska radnog fluida.

• U tom smislu TTM se mogu smatrati također podgrupom šire familije toplotnih (energetskih) mašina (TM) u koje spadaju i one sa diskontinuiranim protokom fluida, kao što su. motori sa unutrašnjim sagorijevanjem (SUS), klipni i vijčani kompresori

• Mlazni propulzori (mlazni motori, rakete) su također toplotne mašine sa kontinuiranim protokom fluida ali sa pravolinijskim kretanjem.

• Toplotne turbomašine i mlazni propulzori se zovu još i strujne mašine koje su dobile ime po neprekidnom strujanju fluida kroz mašinu tokom pogona.

• Klasifikacija mašina uopće u pojedine grupe ima ne sam praktičnu svrhu nego se zasniva na specifičnim fizikalnim principima i zakonima pretvorbe energije kao što su zakoni mehanike o održanju mase, količine kretanja i momenta količine kretanja, zakon o održanju energije (Prvi zakon termodinamike).

Slika 1 Opća klasifikacija mašina za razmjenu energije sa fluidom (energetske mašine)

• U privrednoj djelatnosti širom svijeta toplotne turbomašine su danas nezamjenjive. Proizvode se u širokom rasponu snaga , od nekoliko kW do 1500 MW;

• Gornju granicu mogu doseći samo parne turbine, koje se inače smatraju najvećim mašinama uopšte.

• Gasno-turbinski motori imaju manji raspon snage, od manje od 1kW (mikro turbine i mikro mlazni motori za pogon modela aviona) do preko 350 MW.

• Ovako velike snage turbomašina je moguće postići prvenstveno zahvaljujući dinamičkom principu pretvorbe energije i uravnoteženom rotacionom kretanju glavnih pokretnih dijelova.

Primjenjuju se u razne svrhe:• Toplotne turbine (posebno parne) postale su dominantne

u elektroenergetici- preko 85 % električne energije se proizvodi u termo i nuklearnim elektranama iz generatora koji pokreću parne turbine i manjim dijelom gasne turbine;

• Ostatak otpada na vodne turbine i u vrlo malom procentu na motore SUS, vjetrogeneratore i druge obnovljive izvore energije;

• Toplotne turbine se primjenjuju za pogon i drugih mašina kao što su pumpe, kompresori, građevinske mašine, šinska i drumska vozila i brodovi.

• Turbomlazni i turboelisni motori, čiji je osnovni element gasna turbina, danas suvereno dominiraju aerotransportom: preko 99% svih aviona se pogoni ovim motorima;

• Stacionarna gasno-turbinaska postrojenja se primjenjuju za pogon električnih generatora i drugih radnih mašina, posebno u zemljama bogatim gasnim i tečnim gorivima

• U hemijskoj, procesnoj, naftnoj i gasnoj industriji, metalurgiji i rudarstvu, turbokompresori su neizbježan i važan dio postrojenja.

Istorijski razvoj• 1629. javlja se prva ideja o korištenju vodene pare za

pokretanje kola s lopaticama. Ideju je iznio Giovanni Branca u svojoj knjizi Le machine.

• Ideja takvog stroja bila je primitivna, s parom koja je slobodno strujala prema kotaču s lopaticama. Sam stroj izgledao je kao vodeni mlin, ali bio je pokretan parom.

• Revolucija je uslijedila kada je James Watt 1765. izumio parni stroj koji je radio s pretlakom, u proces je bila uključena i kondenzacija, to su temelji i suvremenih termoenergetskih postrojenja.

• Para kao medij je izuzetno zahvalna kod prijenosa energije.

Istorijski razvoj• Parametri postrojenja su se mijenjali kroz povijest. Tlak, posebno

temperatura rasli su kroz godine. Količina pare se povećava, a samim time i snaga postrojenja. Tako se smanjuje i potrošnja goriva i podiže iskoristivost.

• Javljaju se još i pregrijači i međupregrijači koji još više pridonose povećanju iskoristivosti. Nova revolucija nastaje razvojem takozvanih blok postrojenja (kotao i turbina su jedan zatvoreni upravljački krug).

• Ideje su postojale i postupno se razvijale kroz povijest, ali za termoelektrane kakve danas poznajemo najvažnija je stvar patentiranje i razvoj parne turbine (1791.). Plinska turbina dolazi mnogo kasnije, početkom 20. stoljeća.

Istorijski razvoj• Danas se oko 80 % električne energije u industrijski

razvijenim zemljama dobiva iz termoenergetskih izvora (tu se naravno ubrajaju i plinska, ali i nuklearna postrojenja).

• U modernom društvu potreba za električnom energijom raste, a samim time raste i potrošnja električne energije po stanovniku, što je ujedno i pokazatelj gospodarskog razvitka pojedine zemlje.

• Osim što proizvode električnu energiju termoenergetska postrojenja služe i za proizvodnju topline koja je također itekako bitna u krajevima gdje je potrebno grijanje.

Istorijski razvoj

• Važnost ovakvih postrojenja raste iz dana u dan bez obzira na nove izvore i načine proizvodnje električne energije. Naravno u svemu tome raste i opterećenje na okoliš što je pitanje kojim se također moramo aktivno pozabaviti kad govorimo o termoelektranama.

• Na projektiranju, izgradnji, radu i održavanju jedne termoelektrane sudjeluje velika grupa ljudi, inženjera različitih struka. Svi ti ljudi objedinjuju široki spektara znanja potrebnih da se obave svi zadaci i osigura nesmetan rad jedne elektrane.

Tip i vrste termoelektrana

• Vrsta proizvodnje energije: Razlikuju se termoelektrane koje odaju samo električnu energiju i termoelektrane-toplane, koje pored električne odaju i toplotnu energiju putem nosilaca toplote (pare ili vrele vode).

• Vrsta korištenog goriva: Razlikuju se termoelektrane na čvrsto, tečno i plinovito gorivo i na kombinaciju dva ili tri goriva.

Tip i vrste termoelektrana

• Tip osnovne turbine: Razlikuju se termoelektrane sa parnim ili plinskim turbinama, odnosno kombinovani proces kada su primenjene i parna i plinska turbina.

• Nivo parametara pare: U zavisnosti od nivoa početnog pritiska svježe pare razlikuju se termoelektrane sa pokritičnim (obično niže od 160 ÷ 170 bar) i natkritičnim pritiskom (više od 220 bar).

Tip i vrste termoelektrana

• Instalisana snaga: Uslovno se termoelektrane dijele na termoelektrane velike snage (preko 1000 MW), srednje (100 do 1000 MW) i male (manje od 100 MW) snage.

• Šema veza termičkog dijela elektrane: Po tipu primijenjene osnovne tehnološke šeme termoelektrane se dele na blok i neblok šemu (šema sa sabirnicama pare).

Tip i vrste termoelektrana

• Stepen opterećenja i korištenja snage: U zavisnosti od vremena rada termoelektrane se dijele na

- bazne (više od 6000 sati rada godišnje u elektroenergetskom sistemu),

- polubazične (od 4000 do 6000 sati rada), - poluvršne (2000 do 4000 sati rada) i - vršne (manje od 2000 sati rada).

Tip i vrste termoelektrana

• Vrsta hlađenja: Protočno i povratno hlađenje. Kod protočnog hlađenja voda za hlađenje kondenzatora uzima se iz prirodnog izvora (rijeke, jezera) propušta kroz kondenzator i vraća natrag. Kad ne postoji prirodni izvor vode za hlađenje ista voda se stalno propušta kroz kondenzator i stalno se hladi u posebnim hladnjacima što predstavlja protočno ili vještačko hlađenje. Izbor sistema hlađenja vezan je za osnovnu dilemu oko izbora lokacije termoelektrane - blizu rijeke ili blizu rudnika uglja

•

Tip i vrste termoelektrana

• Maksimalna snaga je najveća snaga koju elektrana kao cjelina može proizvesti, uz pretpostavku da su svi dijelovi elektrane sposobni za pogon.

• Raspoloživa snaga elektrane je najveća snaga koju elektrana može da proizvede u nekom trenutku, uvažavajući stvarno stanje u elektrani (kvarovi, remonti i sl.) i uz pretpostavku da nema ograničenja zbog proizvodnje reaktivne energije.

• U osnovne elemente termoelektrana spadaju turbine: parna i gasna (plinska) kao i kotlovi.

Tip i vrste termoelektrana

• Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira isključivo parna turbina. Njene su prednosti: velika jedinična snaga, uz visoke parametre svježe pare (170 bar i 565°C), te visoka sigurnost pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom u trajanju od nekoliko hiljada sati.

• Za pogon termoelektrane sa parnim turbinama mogu se koristiti čvrsta goriva i nižih toplotnih moći ili neko drugo raspoloživo energetsko gorivo za sagorijevanje u parnim kotlovima.

Tip i vrste termoelektrana

• U nedostatke termoelektrane sa parnom turbinom spada relativno dugo trajanje stavljanja turbine u pogon (nakon stajanja zbog remonta ili sl.), te velike količine vode potrebne za hlađenje kondenzatora.

• U termoelektranama se kao pogonski stroj susreće i plinska turbina. Takve su naročito pogodne za pogon vršnih i rezervnih elektrana, jer mogu biti stavljene u pogon za 15 ÷ 20 min. Maksimalna jedinična snaga gasne turbine kod ulazne temperature gasova od 650°C iznosi 27 [MW], a kod ulazne temperature gasova od 750°C oko 15 [MW].

Plinsko-turbinsko postrojenje

• Plinsko-turbinsko postrojenje koristi dinamički tlak od protoka plinova za direktno upravljanje turbinom.

• Sam proces koji se događa u plinskoj turbini nije toliko različit od parne turbine. Naravno različit je medij koji ekspandira, postupak dobivanja radnog medija je također drugačiji, no sam proces koji se događa u turbini je vrlo sličan.

• Razlika je ta što je pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena veći. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.

Plinsko-turbinsko postrojenje

• Tu se javlja problem hlađenja, pogotovo samih lopatica. Kako bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz kondenzatora. Naravno dovođenje zraka za hlađenje će smanjiti i snagu postrojenja. Današnji razvoj materijala nam je omogućio da i izborom materijal povećamo otpornost na temperaturu.

• Za izradu lopatica se danas koriste visoko legirani materijali na bazi nikla koji uspješno podnose više temperature. Naravno bez obzira na ova dostignuća na području materijala moramo osigurati hlađenje lopatica.

• U plinskim elektranama se mehanička energija pretvara u električnu pomoću plinskih motora, koji se najčešće grade kao četverotaktni motori.

Plinsko-turbinsko postrojenje

• Ove elektrane su obično u sustavu metalurgijskih postrojenja radi iskorištenja plinova iz visokih peći ili u sustavu koksara i postrojenja za dobivanje plinova radi iskorištenja plinova koji nastaju pri dobivanju koksa, zatim za iskorištavanje zemnog plina itd.

• Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.

• Svako plinsko-turbinsko postrojenje sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine.

Plinsko-turbinsko postrojenje

• Princip rada : kompresor služi za stlačivanje zraka kojeg usisava iz okoliša 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 iskorištava u proizvodnji električne energije i pri radu kompresora.

Kombinirano postrojenje

• Kombinirano postrojenje ima oboje: plinske turbine ložene 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.

Kombinirano postrojenje

• Pošto ispušni plinovi koji izlaze iz plinske turbine imaju izuzetno visoke temperature, oko 600 °C mogu se iskoristiti kao sredstvo koje će grijati vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu turbinu.

• Time povećavamo iskoristivost samog procesa pošto je toplina koju bi inače izgubili iskorištena za daljnju proizvodnju pare. Iskoristivost takvog postrojenja doseže i do 60%.

Kombinirano postrojenje

• U kombiniranom postrojenju kompresor komprimira zrak i šalje 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 dajući koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske turbine.

• Vratilo pokreće generator električne struje i proizvodi električnu energiju koja se šalje u mrežu. Nakon ekspanzije, ispušni se plinovi iz plinske turbine vode u utilizator (generator pare na otpadnu toplinu). Jedna od vrlo dobrih karakteristika plinske turbine je ta što je kod nje prisutan vrlo visok omjer zrak/gorivo budući se dodaje nekoliko puta više zraka zbog hlađenja lopatica plinske turbine.

Kombinirano postrojenje

• Zbog toga na izlazu iz plinske turbine ostaje još dosta neiskorištenog zraka te se taj višak 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 mehanički rad generatoru električne struje. Nakon toga para, sada već niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira. Nakon kondenzacije, voda se napojnom pumpom vraća u utilizator na ponovno zagrijavanje.

Kombinirano postrojenje

• Već je napomenuto da ovim principom povećavamo iskoristivost čitavog procesa. Razlog pronalazimo u osnovama termodinamike. Temelje možemo vidjeti u temeljnom Carnotovom procesu (izentropsko-izotermnom).

• Princip je sljedeći: ukoliko su temperaturne razlike manje, manji je i prijenos topline. Dakle nama je od izuzetne važnosti da je ta razlika temperatura „ spremnika“ što veća.

Kombinirano postrojenje

• Naravno idealni slučaj bi bio ukoliko bi temperatura radne tvari kod dovođenja topline bila jednaka temperaturi ogrjevnog spremnika, a temperatura radne tvari kod odvođenja postane jednaka temperaturi rashladnog spremnika.

• Tada govorimo o idealnom Carnotovom procesu. Znamo da kod Carnotovog procesa iskoristivost ovisi samo o temperaturi, odnosno temperaturi toplinskih spremnika te se nikakvim drugim varijablama ta iskoristivost ne može promijeniti.

Kompresori

Kompresori služe kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznim motorima i sl. Kompresori mogu biti radijalni ili aksijalni. Kod aksijalnih strujanje zraka vrši se u smjeru vratila, dok kod radijalnih kompresora imamo radijalno strujanje na rotorsko kolo.

Radijalni kompresori lakši su i mnogo efikasniji nego aksijalni kompresori za manje kompresijske omjere.

Kompresori

• Kod većih postrojenja koriste se aksijalni kompresori obzirom da su efikasniji (za veće kompresijske omjere). Isto tako u zrakoplovstvu se koriste aksijalni kompresori zbog viših kompresijskih omjera.

• Kompresor za rad koristi energiju nastalu zbog rada turbine obzirom da su turbina i kompresor najčešće na istom vratilu. Komprimirani zrak s plinovima izgaranja tvori radni medij koji ekspandira kasnije u turbini.

Komora izgaranja• Komora izgaranja sastoji se od dva cilindra. U prvom se odvija

izgaranje prilikom čega se razvijaju visoke temperature te se tako štiti vanjski cilindar od djelovanja zračenja topline.

• Cilindri su međusobno povezani te se između njih odvija prostrujavanje zraka.

• Za izgaranje se dovodi 3-6 puta više zraka od teoretski potrebnog zbog sniženja maksimalnih temperatura.

Komora izgaranja

• Komore izgaranja trebaju osigurati: stabilno izgaranje u širokim granicama opterećenja, jednoličnu raspodjelu temperatura dimnih plinova na izlazu iz komore izgaranja, da gubitak tlaka u komori izgaranja bude što manji.

• U klasičnom plinsko-turbinskom postrojenju možemo imati više komora izgaranja koje se slažu uzdužno, po obodu. Takvo slaganje koristimo kao bismo smanjili dimenzije.

Kondenzator

Kondenzator je klasični izmjenjivač topline koji „vraća“ paru natrag u tekuće stanje, nakon što ekspandira u turbini. Kondenzat se pumpama vraća natrag u proces. Tlak u klasičnom kondenzatoru je izuzetno mali (podtlak – oko 0,045 bara).

Pošto je kondenzator izmjenjivač topline potrebno je osigurati i medij kojem će se ta topline predati kako bi se para ohladila do temperature kondenzata. Upravo zbog toga su termoelektrane smještene na rijekama, moru..., kako bi se osigurao medij koji će preuzimati svu tu toplini. Naravno postoji mogućnost da termoelektrana radi dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para može odvoditi vrelovodima i služiti kao grijanje.

Pregrijač pare

• Kako bismo povećali stupanj iskoristivosti čitavog procesa koristimo pregrijač pare. To ima utjecaj i na samu tehnologiju izrade s obzirom da para nema kapljica vode u sebi pa je manje korozivna i erozivna. Kod današnjih termoelektrana pregrijana para je imperativ zbog strogo određenih zahtjeva za parametre pare na ulazu u turbinu. Prijelaz topline može biti konventivan ili putem zračenja. U praksi se uvijek koristi mješavina ova dva navedena.

Međupregrijač

• Kod ugradnje međupregrijača moramo imati na raspolaganju i turbinu podijeljenu na visokotlačni i niskotlačni dio. Para ekspandira u visokotlačnom dijelu turbine do tlaka međupregrijanja te se nakon toga vraća u generator pare. U generatoru pare se još jednom zagrijava, najčešće ponovno na temperaturu svježe pare, te se odvodi u niskotlačni dio turbine.

• Tu para ponovno ekspandira stvarajući koristan rad. Kao i kod pregrijača, kod ugradnje međupregrijača povećava se ukupan stupanj iskoristivosti postrojenja. Smanjujemo vlažnost pare što je izuzetno bitno za dugovječnost turbine. Smanjujemo veličinu kondenzatora, gorionika i samog generatora pare. Negativna strana je povećanje cijene turbine, ali i povećanje ukupnih investicijskih troškova.

Ekonomajzerske površine

Ekonomajzerske površine smještaju se u stražnji dio generatora pare tako da se iskorištava dio topline koja bi se inače ispustila u okoliš. Time ujedno i smanjujemo temperaturu dimnih plinova. Na ekonomajzerskim površinama zagrijavamo napojnu vodu i zrak. U zagrijačima napojne vode se voda u pravilu zagrijava ispod temperature zasićenja jer u suprotnom nastaje vodena para što može izazvati oštećenja u obliku kavitacije. Za svoj rad zagrijači vode troše relativno malo energije te zauzimaju malo prostora. Ukoliko imamo zagrijače vode brže ćemo pustiti generator pare u pogon te ćemo smanjiti opterećenje ogrjevnih površina.

Zagrijači zraka

Posljednji u generatoru pare su zagrijači zraka koji su ujedno smješteni iza zagrijača napojne vode. Pošto rade na manjim tlakovima, za razliku od zagrijača vode, manji su svojom konstrukcijom. Zrak zagrijavamo zbog podizanja stupnja iskoristivosti, sušenja goriva i poboljšanja izgaranja. Preko 70% svih zagrijača zraka su rotacioni zagrijači sastavljani od limenih saća koje se griju dimnim plinovima a hlade zrakom.

Rashladni tornjevi

• U nekim velikim termoelektranama postoje veliki hiperbolički dimnjaci poput struktura, koji oslobađaju otpadnu toplinu u ambijent atmosfere isparavanjem vode, a nazivaju se rashladni tornjevi . Rafinerije petroleja, petrokemijska postrojenja, geotermalna postrojenja koriste ventilatore kako bi omogućila kretanje zraka prema gore kroz vodu koja se dolazi u smjeru prema dolje i nemaju hiperboličnu konstrukciju nalik dimnjacima.

• Inducirani ili tlačni rashladni tornjevi su pravokutne konstrukcije nalik kutiji, ispunjene s materijalima koji pojačavaju dodirivanje zraka koji struji u vis i vodu koja teče prema dolje. U pustinjskim područjima rashladni toranj mogao bi biti neizbježan od kada će trošak uređivanja vode za hladno isparavanje biti zabranjen. Ovi imaju nižu efikasnost i višu energetsku potrošnju u ventilatorima od mokrih i isparavajućih rashladnih tornjeva.

Rashladni tornjevi

• Tvrtke za elektriku preferiraju upotrebljavanje rashladne vode iz oceana, rijeka, jezera, rashladnih umjetnih jezera u zamjenu za rashladni toranj, na području gdje je ekonomičnije i ambijentalno moguće. Ovaj tip rashlađivanja može sačuvati trošak rashladnog tornja i može imati nižu energetsku cijenu za pumpanje rashladne vode kroz izmjenjivač topline postrojenja.

• Uglavnom, otpadna toplina može uzrokovati da temperatura vode primjetno poraste. Pogonska postrojenja koja upotrebljavaju prirodne sastojke vode za rashlađivanje, moraju biti konstruirana da preduhitre ulazak organizama u rashladni krug, inače će se stvoriti organizmi koji se prilagođavaju toplijim vodenim postrojenjima i utječu tako da nanesu štetu ako se postrojenje ugasi za hladna vremena.

Rashladni tornjevi

Utjecaj termoelektrana na okoliš

Pitanja?