Termoelektrane toplane

Termoelektrane

TermoelektraneTermoelektrane su energetska postrojenja koje energiju dobivaju sagorijevanjem goriva, a glavna primjena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja e pokretati turbinu, a potom i generator elektrine energije.Osnovna namjena im je proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehanike energije dalje iskoritava za proizvodnju elektrine energije. Mehanika energija je proizvedena uz pomo toplinskog stroja koji transformira toplinsku energiju. Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak razliitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak slui kao prijenosnik te energije, esto izgaranjem goriva, u energiju vrtnje.Za razliku od termoelektrana, koje reguliraju svoju koliinu topline hlaenjem pomou podzemnih voda i akumulacijskih jezera, termoelektrane-toplane svoj viak topline prenose u susjedna kuanstva i razne objekte putem toplinske mree u obliku centralnog grijanja.

Povijest1629. javlja se prva ideja o koritenju 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 kotau 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 ukljuena i kondenzacija, to su temelji i suvremenih termoenergetskih postrojenja. Para kao medij je izuzetno zahvalna kod prijenosa energije.Parametri postrojenja su se mijenjali kroz povijest. Tlak, posebno temperatura rasli su kroz godine. Koliina pare se poveava, a samim time i snaga postrojenja. Tako se smanjuje i potronja goriva i podie iskoristivost. Javljaju se jo i pregrijai i meupregrijai koji jo vie pridonose poveanju iskoristivosti. Nova revolucija nastaje razvojem takozvanih blok postrojenja (kotao i turbina su jedan zatvoreni upravljaki krug). Ideje su postojale i postupno se razvijale kroz povijest, ali za termoelektrane kakve danas poznajemo najvanija je stvar patentiranje i razvoj parne turbine (1791.). Plinska turbina dolazi mnogo kasnije, poetkom 20. stoljea.

PovijestDanas se oko 80 % elektrine energije u industrijski razvijenim zemljama dobiva iz termoenergetskih izvora (tu se naravno ubrajaju i plinska, ali i nuklearna postrojenja). U modernom drutvu potreba za elektrinom energijom raste, a samim time raste i potronja elektrine energije po stanovniku, to je ujedno i pokazatelj gospodarskog razvitka pojedine zemlje. Osim to proizvode elektrinu energiju termoenergetska postrojenja slue i za proizvodnju topline koja je takoer itekako bitna u krajevima gdje je potrebno grijanje.Vanost ovakvih postrojenja raste iz dana u dan bez obzira na nove izvore i naine proizvodnje elektrine energije. Naravno u svemu tome raste i optereenje na okoli to je pitanje kojim se takoer moramo aktivno pozabaviti kad govorimo o termoelektranama. Na projektiranju, izgradnji, radu i odravanju jedne termoelektrane sudjeluje velika grupa ljudi, inenjera razliitih struka. Svi ti ljudi objedinjuju iroki spektara znanja potrebnih da se obave svi zadaci i osigura nesmetan rad jedne elektrane.

Podjela termoelektrana prema vrsti pokretaaPrema vrsti pokretaa (stroj koji u slijedu energetske transformacije prvi pretvara bilo koji oblik energije u mehaniku energiju) dijelimo ih na: plinsko-turbinsko postrojenje (kruna postrojenja), parna turbinska postrojenja te kombinirana postrojenja.

Parno-turbinsko postrojenje

Princip rada parnog - turbinskog postrojenja: proizvedena para uz pomo topline, dobivena izgaranjem goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne naine ekspandira stvarajui moment koji pak slui za proizvodnu elektrine energije u generatoru. Koristi dinamiki pritisak generatora troenjem vodene pare za okretanje lopatica turbine. Najvei 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. Prema drugom zakonu termodinamike sva toplinska energija ne moe biti pretvorena u mehaniku energiju, zato je toplina uvijek izgubljena u okolini. Ako je ovaj gubitak primijenjen kao korisna toplina, za industrijske procese ili grijanje okoline, parno postrojenje se odnosi na kogeneraciju parnog postrojenja. Klasino parno-turbinsko postrojenje zasniva se na Rankinovom procesu poznatom iz termodinamike.

Dijelovi termoenergetskog postrojenjaDijelovi termoenergetskog postrojenja: generator pare, turbina, generator elektrine energije, kondenzator, kondenzatorska pumpa, napojna pumpa, rashladni toranj te spremnik napojne vode te pregrijai pare, meupregrijai, ekonomajzeri i sl. (kao sastavni dio generatora pare).

Parno-turbinsko postrojenje

Generator pare

Za generator pare mogli bismo rei da ini sredinji dio svake termoelektrane. Ukratko generator pare, to mu i samo ime kae, slui za proizvodnju pare s odreenim parametrima (temperature i tlaka) koja e se kasnije u turbini iskoristiti za proizvodnju elektrine energije.

Kondenzator

Kondenzator je klasini izmjenjiva topline koji vraa paru natrag u tekue stanje, nakon to ekspandira u turbini. Kondenzat se pumpama vraa natrag u proces. Tlak u klasinom kondenzatoru je izuzetno mali (podtlak oko 0,045 bara). Poto je kondenzator izmjenjiva topline potrebno je osigurati i medij kojem e se ta topline predati kako bi se para ohladila do temperature kondenzata. Upravo zbog toga su termoelektrane smjetene na rijekama, moru..., kako bi se osigurao medij koji e preuzimati svu tu toplini. Naravno postoji mogunost da termoelektrana radi dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para moe odvoditi vrelovodima i sluiti kao grijanje.

Plinsko-turbinsko postrojenje

Plinsko-turbinsko postrojenje koristi dinamiki tlak od protoka plinova za direktno upravljanje turbinom. Sam proces koji se dogaa u plinskoj turbini nije toliko razliit od parne turbine. Naravno razliit je medij koji ekspandira, postupak dobivanja radnog medija je takoer drugaiji, no sam proces koji se dogaa u turbini je vrlo slian. Razlika je ta to je pad entalpije u plinskoj turbini mnogo manji te porast volumena vei. Ukoliko elimo poveati stupanj iskoristivosti moramo poveati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.Tu se javlja problem hlaenja, pogotovo samih lopatica. Kako bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz kondenzatora. Naravno dovoenje zraka za hlaenje e smanjiti i snagu postrojenja. Dananji razvoj materijala nam je omoguio da i izborom materijal poveamo otpornost na temperaturu. Za izradu lopatica se danas koriste visoko legirani materijali na bazi nikla koji uspjeno podnose vie temperature. Naravno bez obzira na ova dostignua na podruju materijala moramo osigurati hlaenje lopatica.U plinskim elektranama se mehanika energija pretvara u elektrinu pomou plinskih motora, koji se najee grade kao etverotaktni motori. Ove elektrane su obino u sustavu metalurgijskih postrojenja radi iskoritenja plinova iz visokih pei ili u sustavu koksara i postrojenja za dobivanje plinova radi iskoritenja plinova koji nastaju pri dobivanju koksa, zatim za iskoritavanje zemnog plina itd. Ukoliko elimo poveati stupanj iskoristivosti moramo poveati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.Svako plinsko-turbinsko postrojenje sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i plinske turbine. 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.

Plinsko-turbinsko postrojenje

Kombinirano postrojenje

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 e grijati vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu turbinu. Time poveavamo iskoristivost samog procesa poto je toplina koju bi inae izgubili iskoritena za daljnju proizvodnju pareIskoristivost 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 dajui koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske turbine. Vratilo pokree 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 budui 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 ve niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira. Nakon kondenzacije, voda se napojnom pumpom vraa u utilizator na ponovno zagrijavanje. Ve je napomenuto da ovim principom poveavamo iskoristivost itavog procesa. Razlog pronalazimo u osnovama termodinamike. Temelje moemo vidjeti u temeljnom Carnotovom procesu (izentropsko-izotermnom). Princip je sljedei: ukoliko su temperaturne razlike manje, manji je i prijenos topline. Dakle nama je od izuzetne vanosti da je ta razlika temperatura spremnika to vea. Naravno idealni sluaj bi bio ukoliko bi temperatura radne tvari kod dovoenja topline bila jednaka temperaturi ogrjevnog spremnika, a temperatura radne tvari kod odvoenja 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 moe promijeniti.Rashladni tornjeviU nekim velikim termoelektranama postoje veliki hiperboliki dimnjaci poput struktura, koji oslobaaju otpadnu toplinu u ambijent atmosfere isparavanjem vode, a nazivaju se rashladni tornjevi . Rafinerije petroleja, petrokemijska postrojenja, geotermalna postrojenja koriste ventilatore kako bi omoguila kretanje zraka prema gore kroz vodu koja se dolazi u smjeru prema dolje i nemaju hiperbolinu konstrukciju nalik dimnjacima. Inducirani ili tlani rashladni tornjevi su pravokutne konstrukcije nalik kutiji, ispunjene s materijalima koji pojaavaju dodirivanje zraka koji struji u vis i vodu koja tee prema dolje. U pustinjskim podrujima rashladni toranj mogao bi biti neizbjean od kada e troak ureivanja vode za hladno isparavanje biti zabranjen. Ovi imaju niu efikasnost i viu energetsku potronju u ventilatorima od mokrih i isparavajuih rashladnih tornjeva. Tvrtke za elektriku preferiraju upotrebljavanje rashladne vode iz oceana, rijeka, jezera, rashladnih umjetnih jezera u zamjenu za rashladni toranj, na podruju gdje je ekonominije i ambijentalno mogue. Ovaj tip rashlaivanja moe sauvati troak rashladnog tornja i moe imati niu energetsku cijenu za pumpanje rashladne vode kroz izmjenjiva topline postrojenja. Uglavnom, otpadna toplina moe uzrokovati da temperatura vode primjetno poraste. Pogonska postrojenja koja upotrebljavaju prirodne sastojke vode za rashlaivanje, moraju biti konstruirana da preduhitre ulazak organizama u rashladni krug, inae e se stvoriti organizmi koji se prilagoavaju toplijim vodenim postrojenjima i utjeu tako da nanesu tetu ako se postrojenje ugasi za hladna vremena.

Rashladni tornjevi

TE Kakanj

TE Tuzla

Utjecaj termoelektrana na okoli

Utjecaj termoelektrana na okoliDanas je sve manje termoelektrana budui da su veliki oneiivai prirode. Kod termoelektrana dva su osnovna uinka koji utjeu na oneienje okolia. Prvi i osnovni je uinak koji nastaje zbog izgaranja fosilnih goriva. Drugi i manje bitan jest toplinsko oneienje rijeka ili jezera. Mi emo se o ovom poglavlju baviti samo ovim prvim, odnosno oneienjem uslijed izgaranja fosilnog goriva. Izgaranje je proces u kojem se kemijska energija sadrana u gorivu transformira u unutranju energiju koja se opet dalje iskoritava u raznim procesima. Kod izgaranja u atmosferu se isputaju plinovi kao to su CO, voda, NOx, razliiti ugljikovodici,... Od svih navedenih ugljik dioksid i voda nisu direktno otrovni za ljude. No oni izravno utjeu svojom koncentracijom na zagrijavanje atmosfere (apsorpcija toplinskog zraenja u atmosferi). Vrsta i sastav plinova nastalih uslijed izgaranja ovisi o sastavu goriva koje izgara u procesu. Elementi koji ine veinu fosilnih goriva su ugljik, vodik i sumpor. Ugljik moe izgarati potpuno i djelomino. U potpunom izgaranju imamo CO2 kao produkt dok kod djelominog izgaranja kao produkt imamo CO. Upravo zbog toga vei udio CO imamo u termoelektranama na ugljen jer je tee osigurati kvalitetno mijeanje goriva i zraka. Utjecaj termoelektrana na okoliIzgaranjem vodika dobivamo vodu, a izgaranjem sumpora SO2. Kod izgaranja teimo to potpunijem izgaranju. Da bismo to ostvarili cilj je imati to bolje mijeanje zraka i goriva. Naravno da je to najjednostavnije ostvariti kod plinskih goriva, a najtee kod krutog. Za izgaranje potrebno je osigurati minimalnu koliinu zraka. O koliini sumpora u produktima izgaranja najvie ovisi udio sumpora u samom gorivu. Dakle teimo ugljenu i nafti sa to manje sumpora. Kod duika i njegovih oksida gorivo ne utjee toliko na produkciju NOx-a. Isto tako treba spomenuti i izuzetno veliku koliinu pepela kojeg jedna prosjena termoelektrana izbaci u okoli. U svrhu zatite okolia u posljednjih desetak godina donijelo se mnotvo zakona i odredaba koje bi trebale pridonijeti smanjenju zagaenja okolia iz termoelektrana. Jedan od glavnih parametara je kontrola i smanjenje sumpornih oksida. Postupak odsumporavanja moe se vriti tako da se odvaja ve iz goriva ili iz produkata izgaranja. Vei efekt se postie ukoliko sumporove okside uklanjamo iz produkata izgaranja. Ovakvi postupci zahtijevaju dodatna ulaganja koja poskupljuju i krajnju cijenu elektrine energije. Duikove spojeve je najjednostavnije reducirati stupnjevanim izgaranjem. Na taj nain moemo smanjiti emisiju duinih oksida za oko 50%.

Utjecaj termoelektrana na okoliProtokolom iz Kyota termoelektrane bi se do kraja 2020. trebale izbaciti iz upotrebe.

Pogonska goriva za termoelektrane

Ugljen:Nafta: Gas:

K R A J ! ! !