Prečo stavať tepelné elektrárne s kombinovaným cyklom? Aké sú výhody plynových zariadení s kombinovaným cyklom. Elektrárne s kombinovaným cyklom
Elektrárne s kombinovaným cyklom sú kombináciou parných a plynových turbín. Táto kombinácia umožňuje znížiť straty odpadového tepla z plynových turbín alebo tepla výfukových plynov z parných kotlov, čo zaisťuje zvýšenie účinnosti jednotiek s kombinovaným cyklom plynových turbín (CCGT) v porovnaní s jednotlivými jednotkami parnej turbíny a plynových turbín. .
V súčasnosti existujú dva typy plynových zariadení s kombinovaným cyklom:
a) s vysokotlakovými kotlami a s odvodom spalín z turbíny do spaľovacej komory klasického kotla;
b) využitie tepla výfukových plynov turbíny v kotle.
Schematické diagramy týchto dvoch typov jednotiek CCGT sú uvedené na obr. 2.7 a 2.8.
Na obr. 2.7 schematický diagram CCGT s vysokotlakovým parným kotlom (HPB) 1 , do ktorej sa dodáva voda a palivo, ako v klasickej tepelnej stanici na výrobu pary. Do kondenzačnej turbíny vstupuje vysokotlaková para 5 , na rovnakom hriadeli, s ktorým je umiestnený generátor 8 . Para odsávaná v turbíne vstupuje najskôr do kondenzátora 6 a potom pomocou pumpy 7 ide späť do kotla 1 .
Obrázok 2.7. Schematický diagram pgu s vpg
Zároveň sa do plynovej turbíny posielajú plyny vznikajúce pri spaľovaní paliva v kotle, ktoré majú vysokú teplotu a tlak. 2 . Kompresor je umiestnený na rovnakom hriadeli 3 ako v bežnej jednotke s plynovou turbínou a ďalší elektrický generátor 4 . Kompresor je určený na čerpanie vzduchu do spaľovacej komory kotla. Výfukové plyny turbíny 2 Ohrieva sa aj napájacia voda kotla.
Táto schéma CCGT má tú výhodu, že nevyžaduje odsávač dymu na odvádzanie spalín z kotla. Treba poznamenať, že funkciu ventilátora dúchadla vykonáva kompresor 3 . Účinnosť takéhoto CCGT môže dosiahnuť 43%.
Na obr. Obrázok 2.8 ukazuje schematický diagram iného typu CCGT. Na rozdiel od PGU znázorneného na obr. 2.7, plyn do turbíny 2 pochádza zo spaľovacej komory 9 , nie z kotla 1 . Ďalej strávený v turbíne 2 do kotla vstupujú plyny nasýtené až 16–18 % kyslíkom v dôsledku prítomnosti kompresora 1 .
Táto schéma (obr. 2.8) má výhodu oproti CCGT jednotke diskutovanej vyššie (obr. 2.7), keďže využíva kotol bežnej konštrukcie s možnosťou použitia akéhokoľvek druhu paliva vrátane tuhého. V spaľovacej komore 3 v tomto prípade sa spaľuje v súčasnosti výrazne lacnejšie plynné alebo kvapalné palivo ako v schéme CCGT s vysokotlakovým parným kotlom.
Obrázok 2.8. Schematický diagram pgu (obvod resetovania)
Táto kombinácia dvoch zariadení (pary a plynu) do spoločnej jednotky s kombinovaným cyklom tiež vytvára príležitosť na získanie vyššej manévrovateľnosti v porovnaní s konvenčným tepelným zariadením.
Schéma jadrových elektrární
Z hľadiska účelu a technologického princípu prevádzky sa jadrové elektrárne prakticky nelíšia od tradičných tepelných elektrární. Ich podstatný rozdiel spočíva po prvé v tom, že v jadrovej elektrárni sa na rozdiel od tepelných elektrární para nevytvára v kotle, ale v jadre reaktora, a po druhé v tom, že jadrové elektrárne využívajú jadrové palivo, ktorý obsahuje izotopy uránu-235 (U-235) a uránu-238 (U-238).
Charakteristickým znakom technologického procesu v jadrových elektrárňach je aj tvorba značného množstva produktov rádioaktívneho štiepenia, a preto sú jadrové elektrárne v porovnaní s tepelnými elektrárňami technicky zložitejšie.
Okruh JE môže byť jednookruhový, dvojokruhový a trojokruhový (obr. 2.9).
Ryža.2.9. Schematické schémy jadrových elektrární
Jednookruhový obvod (obr. 2.9a) je najjednoduchší. Uvoľnené v jadrovom reaktore 1 V dôsledku reťazovej reakcie štiepenia jadier ťažkých prvkov sa teplo prenáša chladivom. Ako chladivo sa často používa para, ktorá sa potom používa ako v konvenčných elektrárňach s parnou turbínou. Para produkovaná v reaktore je však rádioaktívna. Preto na ochranu personálu jadrovej elektrárne a životného prostredia musí byť väčšina zariadení chránená pred žiarením.
Podľa dvoj- a trojokruhových schém (obr. 2.9, b a 2.9, c) sa teplo odoberá z reaktora chladivom, ktoré potom toto teplo odovzdáva priamo pracovnému prostrediu (napríklad ako v dvoj- schéma obvodu cez generátor pary 3 ) alebo cez chladiacu kvapalinu medziokruhu (napríklad ako v trojokruhovej konštrukcii medzi medziľahlým výmenníkom tepla 2 a parný generátor 3 ). Na obr. 2,9 v číslach 5 , 6 A 7 je indikovaný kondenzátor a čerpadlá, ktoré vykonávajú rovnaké funkcie ako v bežnej tepelnej elektrárni.
Jadrový reaktor sa často nazýva „srdcom“ jadrovej elektrárne. V súčasnosti existuje pomerne veľa typov reaktorov.
V závislosti od energetickej úrovne neutrónov, pod vplyvom ktorých dochádza k štiepeniu jadrového paliva, možno jadrové elektrárne rozdeliť do dvoch skupín:
jadrová elektráreň s tepelné neutrónové reaktory;
jadrová elektráreň s rýchle neutrónové reaktory.
Pod vplyvom tepelných neutrónov sú schopné štiepenia iba izotopy uránu-235, ktorých obsah v prírodnom uráne je len 0,7 %, zvyšných 99,3 % sú izotopy uránu-238. Vplyvom toku neutrónov vyššej energetickej úrovne (rýchle neutróny) urán-238 produkuje umelé jadrové palivo plutónium-239, ktoré sa používa v rýchlych neutrónových reaktoroch. Prevažná väčšina energetických reaktorov, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke, je prvého typu.
Schematický diagram jadrového energetického reaktora používaného v dvojokruhovej jadrovej elektrárni je znázornený na obr. 2.10.
Jadrový reaktor pozostáva z aktívnej zóny, reflektora, chladiaceho systému, riadiaceho, regulačného a monitorovacieho systému, krytu a biologickej ochrany.
Jadro reaktora je oblasť, kde prebieha štiepna reťazová reakcia. Pozostáva zo štiepneho materiálu, moderátora chladiacej kvapaliny a reflektora neutrónov, riadiacich tyčí a konštrukčných materiálov. Hlavnými prvkami aktívnej zóny reaktora, ktoré zabezpečujú uvoľňovanie energie a samoudržiavacie reakcie, sú štiepny materiál a moderátor. Jadro je oddelené od vonkajších zariadení a personálnej práce ochranným pásmom.
O článku, ktorý podrobne a jednoduchými slovami popisuje cyklus PGU-450. Článok je naozaj veľmi ľahko stráviteľný. Chcem hovoriť o teórii. Stručne, ale k veci.
Materiál som si požičal z učebnice "Úvod do tepelnej energetiky". Autormi tohto návodu sú I. Z. Poleshchuk, N. M. Tsirelman. Príručka je ponúkaná študentom Štátnej leteckej technickej univerzity v Ufe (Ufa State Aviation Technical University) na štúdium rovnomennej disciplíny.
Jednotka plynovej turbíny (GTU) je tepelný motor, v ktorom sa chemická energia paliva premieňa najprv na teplo a potom na mechanickú energiu na rotujúcom hriadeli.
Najjednoduchšia jednotka plynovej turbíny pozostáva z kompresora, v ktorom sa stláča atmosférický vzduch, spaľovacej komory, kde sa v tomto vzduchu spaľuje palivo, a turbíny, v ktorej sa rozpínajú produkty spaľovania. Pretože priemerná teplota plynov počas expanzie je výrazne vyššia ako teplota vzduchu počas kompresie, výkon vyvíjaný turbínou sa ukazuje byť väčší ako výkon potrebný na otáčanie kompresora. Ich rozdiel predstavuje užitočný výkon jednotky plynovej turbíny.
Na obr. Obrázok 1 znázorňuje schému, termodynamický cyklus a tepelnú bilanciu takejto inštalácie. Proces (cyklus) plynovej turbíny pracujúcej týmto spôsobom sa nazýva otvorený alebo otvorený. Pracovná tekutina (vzduch, splodiny horenia) sa neustále obnovuje – odoberá sa z atmosféry a vypúšťa sa do nej. Účinnosť plynovej turbíny, ako každého tepelného motora, je pomer užitočného výkonu N plynovej turbíny k spotrebe tepla získanej spaľovaním paliva:
η GTU = N GTU / Q T.
Z energetickej bilancie vyplýva, že N GTU = Q T - ΣQ P, kde ΣQ P je celkové množstvo tepla odobraté z cyklu GTU, ktoré sa rovná súčtu vonkajších strát.
Hlavnú časť tepelných strát plynovej turbíny s jednoduchým cyklom tvoria straty výfukovými plynmi:
ΔQух ≈ Qух - Qв; ΔQух - Qв ≈ 65...80 %.
Podiel ostatných strát je oveľa menší:
a) straty z nedostatočného spaľovania v spaľovacej komore ΔQкс / Qт ≤ 3 %;
b) straty v dôsledku úniku pracovnej tekutiny; ΔQut/Qt ≤ 2 %;
c) mechanické straty (ekvivalentné teplo sa odoberá z cyklu s olejovým chladením ložísk) ΔNmech / Qt ≤ 1 %;
d) straty v elektrickom generátore ΔNeg / Qt ≤ 1…2 %;
e) tepelné straty konvekciou alebo sálaním do okolia ΔQam / Qt ≤ 3 %
Teplo, ktoré sa odoberá z obehu plynovej turbíny s výfukovými plynmi, sa môže čiastočne využiť mimo obehu plynovej turbíny, najmä v cykle parnej energie.
Schematické diagramy rôznych typov zariadení s kombinovaným cyklom sú znázornené na obr. 2.
Vo všeobecnosti je účinnosť jednotky CCGT:
Tu Qgtu je množstvo tepla dodaného do pracovnej tekutiny jednotky plynovej turbíny;
Qpsu je množstvo tepla dodaného do parného média v kotle.
Ryža. 1. Princíp činnosti najjednoduchšieho agregátu plynovej turbíny
a - schematický diagram: 1 - kompresor; 2 - spaľovacia komora; 3 - turbína; 4 - elektrický generátor;
b – termodynamický cyklus jednotky plynovej turbíny v diagrame TS;
c – energetická bilancia.
V najjednoduchšom binárnom zariadení s kombinovaným cyklom podľa schémy znázornenej na obr. 2a, všetka para vzniká v kotli na odpadové teplo: η UPG = 0,6...0,8 (v závislosti hlavne od teploty spalín).
Pri TG = 1400...1500 K η GTU ≈ 0,35 a potom môže účinnosť binárneho CCGT dosiahnuť 50-55%.
Teplota výfukových plynov v plynovej turbíne je vysoká (400-450°C), preto sú tepelné straty spalinami vysoké a účinnosť elektrární s plynovou turbínou je 38%, t.j. je takmer rovnaká. ako účinnosť moderných elektrární s parnou turbínou.
Jednotky s plynovou turbínou fungujú na plynové palivo, ktoré je výrazne lacnejšie ako vykurovací olej. Jednotkový výkon moderných zariadení s plynovou turbínou dosahuje 250 MW, čo je blízko výkonu zariadení s parnými turbínami. Výhody plynových turbín v porovnaní s parnými turbínami zahŕňajú:
- nízka potreba chladiacej vody;
- nižšia hmotnosť a nižšie kapitálové náklady na jednotku energie;
- Možnosť rýchleho spustenia a zvýšenia záťaže.
Ryža. 2. Schematické diagramy rôznych plynových zariadení s kombinovaným cyklom:
a - CCGT s regeneračným parným generátorom;
b - CCGT s odvodom plynu do kotla (BPG);
c — paroplynová jednotka CCGT;
1 - vzduch z atmosféry; 2 - palivo; 3 - plyny vyčerpané v turbíne; 4 - výfukové plyny; 5 — voda zo siete na chladenie; 6 - odtok chladiacej vody; 7 - čerstvá para; 8 - napájacia voda; 9 – medziprehrievanie pary; 10 - odpad z regeneračnej pary; 11 - para vstupujúca do spaľovacej komory za turbínou.
K - kompresor; T - turbína; PT - parná turbína;
GW, GN - plynové ohrievače vody s vysokým a nízkym tlakom;
LDPE, HDPE - regeneračné ohrievače napájacej vody vysokého a nízkeho tlaku; NPG, UPG - nízkotlakové, regeneračné parogenerátory; KS - spaľovacia komora.
Spojením parných turbín a zariadení s plynovou turbínou so spoločným technologickým cyklom sa získa plynová stanica s kombinovaným cyklom (CCG), ktorej účinnosť je výrazne vyššia ako účinnosť jednotlivých zariadení s parnou turbínou a plynovou turbínou.
Účinnosť elektrárne s kombinovaným cyklom je o 17 – 20 % vyššia ako účinnosť konvenčnej elektrárne s parnou turbínou. Vo verzii najjednoduchšieho agregátu plynovej turbíny s rekuperáciou tepla spalín dosahuje koeficient využitia tepla paliva 82 – 85 %.
Podľa toho, čo si vyberú paroplynové cykly, aká voľba bude optimálna a ako bude vyzerať technologická schéma CCGT?
Keď je známa kapitálová parita a konfigurácia týkajúca sa umiestnenia hriadeľa, môže sa začať predbežný výber cyklu.
Rozsah siaha od veľmi jednoduchých „cyklov s jedným tlakom“ až po extrémne zložité „cykly opätovného ohrevu s trojitým tlakom“. Efektívnosť cyklu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa zložitosťou, ale rastú aj kapitálové náklady. Kľúčom k výberu správneho cyklu je určiť tlakový cyklus, ktorý najlepšie vyhovuje danej účinnosti a cieľovej cene.
Zariadenie s kombinovaným cyklom s jedným tlakovým cyklom
Tento cyklus sa často používa pre nákladovo efektívnejšie, degradované palivá, ako je ropa a ťažké vykurovacie oleje s vysokým obsahom síry.
V porovnaní s komplexnými cyklami sú investície do CCGT jednotiek jednoduchých cyklov zanedbateľné.
Diagram znázorňuje CCGT jednotku s prídavným výparníkom na studenom konci kotla na odpadové teplo. Tento výparník odoberá dodatočné teplo z výfukových plynov a uvoľňuje paru do odvzdušňovača, ktorý sa použije na ohrev napájacej vody.
Vďaka tomu nie je potrebné odsávať paru pre odvzdušňovač z parnej turbíny. Výsledkom je v porovnaní s najjednoduchšou jednotlakovou konštrukciou zlepšenie efektívnosti, ale patrične sa zvyšuje aj kapitálová investícia.
CCGT s dvoma tlakovými cyklami
Väčšina prevádzkovaných kombinovaných jednotiek má dva tlakové cykly. Voda je dodávaná dvoma samostatnými napájacími čerpadlami do dvojtlakového ekonomizéra.
Prečítajte si tiež: Plány na zavedenie elektrární s kombinovaným cyklom v Rusku
Nízkotlaková voda potom vstupuje do prvej výparníkovej špirály a vysokotlaková voda sa ohrieva v ekonomizéri predtým, ako sa odparí a prehreje v horúcom konci regeneračného kotla. Odvod z nízkotlakového bubna dodáva paru do odvzdušňovača a parnej turbíny.
Účinnosť dvojtlakového cyklu, ako je znázornená na T-S diagrame na obrázku, je vyššia ako účinnosť jednotlakového cyklu v dôsledku úplnejšieho využitia výfukovej energie plynovej turbíny (dodatočná oblasť CC"D"D) .
To však zvyšuje kapitálové investície do doplnkových zariadení, akými sú napájacie čerpadlá, dvojtlakové ekonomizéry, výparníky, nízkotlakové potrubie a dve nízkotlakové parné potrubia k parnej turbíne. Uvažovaný cyklus sa preto používa len pri vysokej parite kapitálu.
CCGT s trojitým tlakovým cyklom
Toto je jedna z najkomplexnejších schém, ktoré sa dnes používajú. Používa sa v prípadoch veľmi vysokej kapitálovej parity, pričom vysokú efektivitu možno dosiahnuť len pri vysokých nákladoch.
Do kotla na odpadové teplo sa pridáva tretí stupeň, ktorý navyše využíva teplo výfukových plynov. Vysokotlakové čerpadlo dodáva napájaciu vodu do trojstupňového vysokotlakového ekonomizéra a potom do bubna vysokotlakového separátora. Stredotlakové napájacie čerpadlo dodáva vodu do bubna stredotlakového separátora.
Časť napájacej vody zo stredotlakového čerpadla vstupuje do bubna nízkotlakového separátora cez škrtiace zariadenie. Para z vysokotlakového bubna vstupuje do prehrievača a následne do vysokotlakovej časti parnej turbíny. Para odsávaná vo vysokotlakovej časti (HPP) sa zmiešava s parou prichádzajúcou zo stredotlakového bubna, prehrieva sa a privádza sa na vstup nízkotlakovej časti (LPP) parnej turbíny.
Prečítajte si tiež: Ako vybrať jednotku s plynovou turbínou pre stanicu s jednotkou CCGT
Účinnosť možno ďalej zvýšiť predhriatím paliva vysokotlakovou vodou pred vstupom do plynovej turbíny.
Schéma výberu cyklu
Typy cyklov od jednotlakového cyklu po trojtlakový cyklus opätovného ohrevu sú prezentované ako funkcie parity prívodu.
Cyklus sa vyberá určením, ktoré cykly zodpovedajú danému pomeru kapitálovej parity pre konkrétnu aplikáciu. Ak je napríklad kapitálová parita 1 800 USD. US/kW, potom sa zvolí cyklus s dvojitým alebo trojitým tlakom.
Ako prvá aproximácia sa rozhodne v prospech trojitého tlakového cyklu, pretože pri konštantnej kapitálovej parite je účinnosť a výkon vyššia. Pri bližšom zvážení parametrov sa však môže stať, že na splnenie iných požiadaviek je vhodnejší duálny tlakový cyklus.
Existujú prípady, pre ktoré nie je diagram výberu cyklu použiteľný. Najčastejším príkladom takéhoto prípadu je situácia, keď zákazník chce mať elektrickú energiu k dispozícii čo najskôr a optimalizácia je pre neho menej dôležitá ako krátke dodacie lehoty.
V závislosti od okolností môže byť vhodné uprednostniť jeden tlakový cyklus pred viactlakovým cyklom, pretože časová spotreba je menšia. Na tento účel je možné vyvinúť sériu štandardizovaných cyklov so špecifikovanými parametrami, ktoré sa v takýchto prípadoch úspešne používajú.
(Navštívené 2 507-krát, dnes 1 návštev)
Elektrárne s kombinovaným cyklom sa nazývajú elektrárne, v ktorých sa teplo výfukových plynov plynovej turbíny priamo alebo nepriamo využíva na výrobu elektriny v cykle parnej turbíny. Od parných elektrární a zariadení s plynovou turbínou sa líši zvýšenou účinnosťou.
Schematický diagram plynovej stanice s kombinovaným cyklom (z Fominovej prednášky).
GT EG para
kompresorový kotol na odpadové teplo K
vzduch EG
napájacia voda
KS – spaľovacia komora
GT – plynová turbína
K – kondenzačná parná turbína
EG – elektrický generátor
Zariadenie s kombinovaným cyklom pozostáva z dvoch samostatných blokov: parnej elektrárne a plynovej turbíny.
V jednotke plynovej turbíny sa turbína otáča plynnými produktmi spaľovania paliva. Palivom môže byť zemný plyn alebo ropné produkty (nafta, motorová nafta). Prvý generátor je umiestnený na rovnakom hriadeli s turbínou, ktorá generuje elektrický prúd v dôsledku otáčania rotora. Splodiny spaľovania, ktoré prechádzajú plynovou turbínou, jej dávajú len časť svojej energie a stále majú vysokú teplotu na výstupe z plynovej turbíny. Z výstupu plynovej turbíny sa produkty spaľovania dostávajú do parnej elektrárne, kotla na odpadové teplo, kde sa ohrieva voda a vznikajúca vodná para. Teplota produktov spaľovania je dostatočná na uvedenie pary do stavu potrebného na použitie v parnej turbíne (teplota spalín asi 500 stupňov Celzia umožňuje získať prehriatu paru pri tlaku asi 100 atmosfér). Parná turbína poháňa druhý elektrický generátor.
Vyhliadky na rozvoj PSU (z Amethystovovej učebnice).
1. Zariadenie s kombinovaným cyklom je najúspornejší motor používaný na výrobu elektriny. Jednookruhový CCGT s jednotkou plynovej turbíny s počiatočnou teplotou približne 1000 °C môže mať absolútnu účinnosť približne 42 %, čo bude 63 % teoretickej účinnosti CCGT. Účinnosť trojokruhovej CCGT jednotky s medziprehrevom pary, v ktorej je teplota plynu pred plynovou turbínou na úrovni 1450 °C, už dnes dosahuje 60 %, čo je 82 % teoreticky možnej úrovne. Niet pochýb o tom, že účinnosť sa dá ešte zvýšiť.
2. Zariadenie s kombinovaným cyklom je motor, ktorý je najekologickejší. Je to predovšetkým kvôli vysokej účinnosti – veď všetko teplo obsiahnuté v palive, ktoré sa nedokázalo premeniť na elektrickú energiu, sa uvoľňuje do okolia a dochádza k jeho tepelnému znečisteniu. Preto zníženie tepelných emisií z CCGT v porovnaní s parnou elektrárňou bude presne do takej miery, že spotreba paliva na výrobu elektriny bude nižšia.
3. Zariadenie s kombinovaným cyklom je veľmi dobre ovládateľný motor, s ktorým sa v ovládateľnosti môže porovnávať iba autonómna plynová turbína.
4. Pri rovnakom výkone paroplynových elektrární a tepelných elektrární s kombinovaným cyklom je spotreba chladiacej vody v CCGT elektrárni približne trikrát nižšia.
5. CCGT má mierne náklady na inštalovanú jednotku výkonu, čo súvisí s menším objemom stavebnej časti, absenciou zložitého energetického kotla, drahým komínom, regeneračným vykurovacím systémom na napájaciu vodu, použitím tzv. jednoduchšia parná turbína a systém zásobovania technickou vodou.
6. CCGT bloky majú výrazne kratší cyklus výstavby. CCGT jednotky, najmä jednohriadeľové, je možné zavádzať postupne. To zjednodušuje investičný problém.
Zariadenia s kombinovaným cyklom nemajú prakticky žiadne nevýhody, skôr by sme mali hovoriť o určitých obmedzeniach a požiadavkách na vybavenie a palivo. Predmetné zariadenia vyžadujú použitie zemného plynu. Pre Rusko, kde podiel relatívne lacného plynu využívaného na energetiku presahuje 60 % a polovica z neho sa z ekologických dôvodov využíva v tepelných elektrárňach, existujú všetky možnosti výstavby plynovej stanice s kombinovaným cyklom.
To všetko naznačuje, že výstavba CCGT elektrární je prevládajúcim trendom v modernej tepelnej energetike.
Účinnosť regeneračnej jednotky CCGT:
ηPGU = ηGTU + (1- ηGTU)*ηKU*ηPTU
STU - agregát parnej turbíny
HRSG – kotol na odpadové teplo
Vo všeobecnosti je účinnosť jednotky CCGT:
Tu - Qgtu je množstvo tepla dodaného do pracovnej tekutiny jednotky plynovej turbíny;
Qpsu je množstvo tepla dodaného do parného média v kotle.
1. Základné tepelné diagramy dodávky pary a tepla z tepelných elektrární. Koeficient vykurovania α kogeneračnej jednotky. Spôsoby pokrytia špičkovej tepelnej záťaže v tepelných elektrárňach,
CHP (kombinované elektrárne a teplárne)- určený na centralizovanú dodávku tepla a elektriny spotrebiteľom. Ich rozdiel oproti IES je v tom, že využívajú teplo pary odsávanej v turbínach pre potreby výroby, vykurovania, vetrania a zásobovania teplou vodou. Vďaka tejto kombinácii výroby elektriny a tepla sa dosahujú výrazné úspory paliva v porovnaní so samostatným zásobovaním energiou (výroba elektriny v CPP a tepelná energia v miestnych kotolniach). Vďaka tomuto spôsobu kombinovanej výroby dosahujú kogeneračné jednotky pomerne vysokú účinnosť, dosahujúcu až 70 %. Preto sa KVET rozšírili v oblastiach a mestách s vysokou spotrebou tepla. Maximálny výkon zariadenia na kombinovanú výrobu tepla a elektriny je nižší ako výkon zariadenia na výrobu elektriny a tepla.
Kogeneračné zariadenia sú viazané na spotrebiteľov, pretože Polomer prestupu tepla (para, horúca voda) je približne 15 km. Prímestské kogeneračné jednotky prenášajú horúcu vodu s vyššou počiatočnou teplotou na vzdialenosť až 30 km. Para pre výrobné potreby s tlakom 0,8-1,6 MPa sa môže prenášať na vzdialenosť nie väčšiu ako 2-3 km. Pri priemernej hustote tepelného zaťaženia výkon tepelných elektrární zvyčajne nepresahuje 300-500 MW. Len vo veľkých mestách ako Moskva alebo Petrohrad s vysokou hustotou tepelného zaťaženia má zmysel stavať stanice s výkonom do 1000-1500 MW.
Výkon tepelnej elektrárne a typ turbogenerátora sa volí v súlade s tepelnými požiadavkami a parametrami pary používanej vo výrobných procesoch a na vykurovanie. Najpoužívanejšie sú turbíny s jedným a dvoma nastaviteľnými odvodmi pary a kondenzátormi (pozri obrázok). Nastaviteľné výbery umožňujú regulovať produkciu tepla a elektriny.
Režim KVET – denný a sezónny – je určený najmä spotrebou tepla. Stanica funguje najekonomickejšie, ak jej elektrický výkon zodpovedá tepelnému výkonu. V tomto prípade sa do kondenzátorov dostane minimálne množstvo pary. V zimnom období, kedy je dopyt po teple maximálny, pri projektovej teplote vzduchu v prevádzkových hodinách priemyselných podnikov, je zaťaženie generátorov KVET blízke nominálnemu. V obdobiach nízkej spotreby tepla, napríklad v lete, ako aj v zime, keď je teplota vzduchu vyššia ako návrhová teplota a v noci, klesá elektrický výkon tepelnej elektrárne zodpovedajúci spotrebe tepla. Ak energetický systém potrebuje elektrickú energiu, tepelná elektráreň musí prejsť do zmiešaného režimu, čím sa zvýši prietok pary do nízkotlakovej časti turbín a do kondenzátorov. Zároveň sa znižuje účinnosť elektrárne.
Maximálna výroba elektriny v teplárňach „na spotrebu tepla“ je možná len pri spolupráci s výkonnými JE a vodnými elektrárňami, ktoré preberajú značnú časť zaťaženia v hodinách zníženej spotreby tepla.
komparatívna analýza metód regulácie tepelnej záťaže.
Regulácia kvality.
Výhoda: stabilný hydraulický režim vykurovacích sietí.
nedostatky:
■ nízka spoľahlivosť zdrojov špičkového tepelného výkonu;
■ potreba používať drahé metódy úpravy doplnkovej vody vykurovacej siete pri vysokých teplotách chladiacej kvapaliny;
■ zvýšený teplotný harmonogram na kompenzáciu odberu vody na zásobovanie teplou vodou as tým spojeného zníženia výroby elektriny zo spotreby tepla;
■ veľké prepravné oneskorenie (tepelná zotrvačnosť) pri regulácii tepelného zaťaženia vykurovacieho systému;
■ vysoká intenzita korózie potrubí v dôsledku prevádzky systému zásobovania teplom väčšinu vykurovacieho obdobia s teplotami chladiacej kvapaliny 60-85 °C;
■ kolísanie vnútornej teploty vzduchu v dôsledku vplyvu zaťaženia TÚV na prevádzku vykurovacích systémov a rozdielneho pomeru TÚV a vykurovacieho zaťaženia medzi účastníkmi;
■ zníženie kvality dodávky tepla pri regulácii teploty chladiacej kvapaliny na základe priemernej teploty vonkajšieho vzduchu počas niekoľkých hodín, čo vedie k výkyvom teploty vnútorného vzduchu;
■ pri premenlivých teplotách vody v sieti sa výrazne sťažuje prevádzka kompenzátorov.
Parno-plyn sa nazývajú elektrárne (PGU), v ktorej sa teplo výfukových plynov zariadenia s plynovou turbínou priamo alebo nepriamo využíva na výrobu elektriny v cykle parnej turbíny.
Na obr. Obrázok 4.10 znázorňuje schematický diagram najjednoduchšieho zariadenia s kombinovaným cyklom, takzvaný typ využitia. Výfukové plyny plynovej turbíny vstupujú do rekuperačný kotol- protiprúdový výmenník tepla, v ktorom pôsobením tepla horúcich plynov vzniká para vysokých parametrov smerovaná do parnej turbíny.
Obrázok 4.10. Schematický diagram najjednoduchšieho zariadenia s kombinovaným cyklom
Kotol na odpadové teplo je obdĺžniková šachta, v ktorej sú umiestnené výhrevné plochy tvorené postriebrenými rúrami, do ktorých sa privádza pracovná kvapalina agregátu parnej turbíny (voda alebo para). V najjednoduchšom prípade sa vykurovacie plochy kotla na odpadové teplo skladajú z troch prvkov: ekonomizéra 3, výparníka 2 a prehrievača 1. Ústredným prvkom je výparník, pozostávajúci z bubna 4 (dlhý valec naplnený do polovice vodou), niekoľkých zvislých rúr 7 a pomerne tesne inštalovaných zvislých rúrok samotného výparníka 8. Výparník funguje na princípe prirodzenej konvekcie. Odparovacie potrubia sú umiestnené v zóne s vyššími teplotami ako zvodiče. Preto sa v nich voda ohrieva, čiastočne vyparuje a preto sa stáva ľahšou a stúpa hore do bubna. Uvoľnený priestor sa naplní chladnejšou vodou cez zvody z bubna. Nasýtená para sa zhromažďuje v hornej časti bubna a posiela sa do potrubí prehrievača 1. Prúd pary z bubna 4 je kompenzovaný prívodom vody z ekonomizéra 3. V tomto prípade bude privádzaná voda prechádzať cez odparovacie potrubie mnohokrát pred úplným odparením. Preto sa opísaný kotol na odpadové teplo nazýva kotol s prirodzenou cirkuláciou.
Ekonomizér ohrieva vstupnú napájaciu vodu takmer na bod varu. Z bubna sa suchá nasýtená para dostáva do prehrievača, kde sa prehreje nad teplotu nasýtenia. Teplota výslednej prehriatej pary t 0 je samozrejme vždy nižšia ako teplota plynov q G prichádzajúce z plynovej turbíny (zvyčajne 25 - 30 °C).
Pod schémou kotla na odpadové teplo na obr. Obrázok 4.10 ukazuje zmenu teplôt plynov a pracovnej tekutiny pri ich pohybe smerom k sebe. Teplota plynu postupne klesá z hodnoty q Г na vstupe na hodnotu qух teplota výfukových plynov. Pohyb smerom k Napájacia voda zvýši svoju teplotu v ekonomizéri na bod varu(bodka A). Pri tejto teplote (na hranici varu) voda vstupuje do výparníka. Voda sa v nej vyparuje. Zároveň sa nemení jeho teplota (proces a - b). Na mieste b pracovná kvapalina je vo forme suchej nasýtenej pary. Ďalej sa prehrievač prehreje na hodnotu t 0 .
Para vznikajúca na výstupe z prehrievača smeruje do parnej turbíny, kde expanduje a pracuje. Z turbíny výfuková para vstupuje do kondenzátora a kondenzuje pomocou napájacieho čerpadla. 6 , zvyšujúci tlak napájacej vody, sa posiela späť do kotla na odpadové teplo.
Zásadný rozdiel medzi parnou elektrárňou (SPU) paroplynovej elektrárne a klasickým zdrojom tepelnej elektrárne je teda len v tom, že v kotle na odpadové teplo sa nespaľuje palivo a teplo potrebné na prevádzku zdroja tepla CCGT zariadenie sa odoberá z výfukových plynov zariadenia s plynovou turbínou. Celkový pohľad na kotol na odpadové teplo je na obr. 4.11.
Obrázok 4.11. Celkový pohľad na kotol na odpadové teplo
Elektráreň s CCGT jednotkou je znázornená na obr. 4.12, na ktorom je znázornená tepelná elektráreň s tromi pohonnými jednotkami. Každá pohonná jednotka pozostáva z dvoch susediacich jednotiek s plynovou turbínou 4 typu V94.2 spol Siemens, z ktorých každý posiela svoje vysokoteplotné výfukové plyny do vlastného kotla na odpadové teplo 8 . Para generovaná týmito kotlami je smerovaná do jednej parnej turbíny 10 s elektrickým generátorom 9 a kondenzátor umiestnený v kondenzačnej miestnosti pod turbínou. Každý takýto energetický blok má celkový výkon 450 MW (každá plynová turbína a parná turbína má výkon približne 150 MW). Medzi výstupným difúzorom 5 a kotol na odpadové teplo 8 nainštalovaný obtokový (obtokový) komín 12 a plynotesnou bránou 6 .
Obrázok 4.12. Elektráreň s CCGT
Hlavné výhody PSU.
1. Zariadenie s kombinovaným cyklom je v súčasnosti najhospodárnejším motorom používaným na výrobu elektriny.
2. Zariadenie s kombinovaným cyklom je motor, ktorý je najekologickejší. Vysvetľuje to predovšetkým vysoká účinnosť – veď všetko teplo obsiahnuté v palive, ktoré sa nedokázalo premeniť na elektrickú energiu, sa uvoľňuje do okolia a dochádza k jeho tepelnému znečisteniu. Preto zníženie tepelných emisií z CCGT v porovnaní s parnou elektrárňou približne zodpovedá zníženiu spotreby paliva na výrobu elektriny.
3. Zariadenie s kombinovaným cyklom je veľmi dobre ovládateľný motor, s ktorým sa v ovládateľnosti môže porovnávať iba autonómna plynová turbína. Potenciálne vysoká manévrovateľnosť parnej turbíny je zabezpečená prítomnosťou plynovej turbíny v jej konštrukcii, ktorej zaťaženie sa mení v priebehu niekoľkých minút.
4. Pri rovnakom výkone paroplynových elektrární a tepelných elektrární s kombinovaným cyklom je spotreba chladiacej vody v CCGT elektrárni približne trikrát nižšia. Je to dané tým, že výkon parnej časti CCGT je 1/3 celkového výkonu a GTU prakticky nepotrebuje chladiacu vodu.
5. CCGT má nižšie náklady na inštalovanú jednotku výkonu, čo súvisí s menším objemom stavebnej časti, absenciou zložitého energetického kotla, drahým komínom, regeneračným vykurovacím systémom na napájaciu vodu, použitím tzv. jednoduchšia parná turbína a systém zásobovania technickou vodou.
ZÁVER
Hlavnou nevýhodou všetkých tepelných elektrární je, že všetky používané druhy palív sú nenahraditeľné prírodné zdroje, ktoré sa postupne míňajú. Okrem toho tepelné elektrárne spotrebúvajú značné množstvo paliva (každý deň jedna štátna okresná elektráreň s výkonom 2000 MW spáli dva vlaky uhlia denne) a sú ekologicky najšpinavšími zdrojmi elektriny, najmä ak sú v prevádzke na palivá s vysokým obsahom popola síry. Preto v súčasnosti popri využívaní jadrových a vodných elektrární prebieha aj vývoj elektrární využívajúcich obnoviteľné alebo iné alternatívne zdroje energie. Tepelné elektrárne sú však napriek všetkému hlavnými výrobcami elektriny vo väčšine krajín sveta a ostanú nimi minimálne najbližších 50 rokov.
TESTOVACIE OTÁZKY NA PREDNÁŠKU 4
1. Tepelný diagram tepelnej elektrárne – 3 body.
2. Technologický postup výroby elektriny v tepelných elektrárňach – 3 body.
3. Usporiadanie moderných tepelných elektrární – 3 body.
4. Vlastnosti jednotiek plynových turbín. Bloková schéma jednotky plynovej turbíny. Účinnosť GTU – 3 body.
5. Tepelný diagram agregátu plynovej turbíny – 3 body.
6. Vlastnosti CCGT. Štrukturálny diagram PSUU. Účinnosť CCGT – 3 body.
7. Tepelná schéma CCGT bloku – 3 body.
PREDNÁŠKA 5
JADROVÉ ELEKTRÁRNE. PALIVO PRE JE. PRINCÍP PREVÁDZKY JADROVÉHO REAKTORA. VÝROBA ELEKTRINY V JE S TEPELNÝMI REAKTORMI. RÝCHLE NEUTRONOVÉ REAKTORY. VÝHODY A NEVÝHODY MODERNÝCH JE
Základné pojmy
Jadrová elektráreň(atómová elektráreň) je elektráreň, generovanie elektrickej energie premenou tepelnej energie uvoľnenej v jadrovom reaktore (reaktoroch) v dôsledku riadenej reťazovej reakcie štiepenia (štiepenia) jadier atómov uránu. Zásadný rozdiel medzi jadrovou elektrárňou a tepelnou elektrárňou je len v tom, že namiesto parogenerátora sa používa jadrový reaktor - zariadenie, v ktorom prebieha riadená jadrová reťazová reakcia sprevádzaná uvoľňovaním energie.
Rádioaktívne vlastnosti uránu prvýkrát objavil francúzsky fyzik Antoine Becquerel v roku 1896. anglický fyzik Ernest Rutherford prvýkrát vykonal umelú jadrovú reakciu pod vplyvom častíc v roku 1919. nemeckí fyzici Otto Hahn A Fritz Strassmann otvorený v roku 1938 , že štiepenie ťažkých jadier uránu pri bombardovaní neutrónmi sprevádzané uvoľňovaním energie. Skutočné využitie tejto energie sa stalo otázkou času.
Prvý jadrový reaktor postavili v decembri 1942 v USA skupina fyzikov na Chicagskej univerzite vedená talianskym fyzikom Enrico Fermi. Prvýkrát bola realizovaná netlmená štiepna reakcia jadier uránu. Jadrový reaktor s názvom SR-1 pozostával z grafitových blokov, medzi ktorými boli umiestnené guľôčky prírodného uránu a jeho oxidu. Rýchle neutróny vznikajúce po štiepení jadra 235U, boli spomalené grafitom na tepelné energie a následne spôsobili nové jadrové štiepenie. Reaktory, v ktorých väčšina štiepení prebieha pod vplyvom tepelných neutrónov, sa nazývajú tepelné (pomalé) neutrónové reaktory; v takýchto reaktoroch je oveľa viac moderátora ako uránu.
V Európe bol prvý jadrový reaktor F-1 vyrobený a spustený v decembri 1946 v Moskve skupina fyzikov a inžinierov vedená akademikmi Igor Vasilievič Kurčatov. Reaktor F-1 bol vyrobený z grafitových blokov a mal tvar gule s priemerom približne 7,5 m V centrálnej časti gule s priemerom 6 m boli v otvoroch grafitových blokov umiestnené uránové tyče. . Reaktor F-1, podobne ako SR-1, nemal chladiaci systém, takže pracoval na nízkej úrovni výkonu: od zlomkov po jednotky wattu.
Výsledky výskumu na reaktore F-1 slúžili ako základ pre návrhy priemyselných reaktorov. V roku 1948 sa pod vedením I. V. Kurchatova začali práce na praktickom využití atómovej energie na výrobu elektriny.
Prvá priemyselná jadrová elektráreň na svete s výkonom 5 MW bola spustená 27. júna 1954 v Obninsku v regióne Kaluga.. V roku 1958 bola uvedená do prevádzky 1. etapa Sibírskej JE s výkonom 100 MW (celkový projektový výkon 600 MW). V tom istom roku sa začala výstavba priemyselnej jadrovej elektrárne Belojarsk a v apríli 1964 dodával elektrinu spotrebiteľom generátor 1. stupňa. V septembri 1964 bol spustený 1. blok Novovoronežskej JE s výkonom 210 MW. Druhý blok s výkonom 350 MW bol spustený v decembri 1969. V roku 1973 bola spustená Leningradská jadrová elektráreň.
V Spojenom kráľovstve bola v roku 1956 v Calder Hall uvedená do prevádzky prvá priemyselná jadrová elektráreň s výkonom 46 MW. O rok neskôr bola uvedená do prevádzky 60 MW jadrová elektráreň v Shippingport (USA).
Svetovými lídrami vo výrobe jadrovej elektriny sú: USA (788,6 miliardy kWh/rok), Francúzsko (426,8 miliardy kWh/rok), Japonsko (273,8 miliardy kWh/rok), Nemecko (158,4 miliardy kWh/rok) a Rusko (154,7 miliardy kWh/rok). Začiatkom roku 2004 bolo vo svete v prevádzke 441 jadrových reaktorov a ruská JSC TVEL dodáva palivo pre 75 z nich.
Najväčšou jadrovou elektrárňou v Európe je Záporožská jadrová elektráreň v Energodare (Ukrajina) - 6 jadrových reaktorov s celkovým výkonom 6 GW. Najväčšia jadrová elektráreň na svete – Kashiwazaki-Kariwa (Japonsko) – päť varných jadrových reaktorov ( BWR) a dva pokročilé varné jadrové reaktory ( ABWR), ktorej celková kapacita je 8,2 GW.
V súčasnosti v Rusku fungujú tieto jadrové elektrárne: Balakovo, Belojarsk, Bilibinsk, Rostov, Kalinin, Kola, Kursk, Leningrad, Novovoronež, Smolensk.
Vývoj návrhu energetickej stratégie Ruska na obdobie do roku 2030 predpokladá štvornásobné zvýšenie výroby elektriny v jadrových elektrárňach.
Jadrové elektrárne sú klasifikované podľa reaktorov, ktoré sú v nich nainštalované:
l tepelné neutrónové reaktory pomocou špeciálnych moderátorov na zvýšenie pravdepodobnosti absorpcie neutrónov jadrami atómov paliva;
l rýchle neutrónové reaktory .
Podľa druhu dodávanej energie sa jadrové elektrárne delia na:
l jadrové elektrárne (JE) určené len na výrobu elektriny;
l jadrové elektrárne na kombinovanú výrobu tepla a elektriny (KVET), ktoré vyrábajú elektrickú aj tepelnú energiu.
Momentálne len Rusko zvažuje možnosti výstavby jadrových zásobovacích staníc tepla.
Jadrová elektráreň nepoužíva vzduch na oxidáciu paliva, nevypúšťa popol, oxidy síry, uhlík atď. do atmosféry, má rádioaktívne pozadie nižšie ako v tepelných elektrárňach, ale podobne ako tepelné elektrárne spotrebuje obrovské množstvo vody na chladenie kondenzátorov.
Palivo pre jadrové elektrárne
Hlavný rozdiel medzi jadrovými elektrárňami a tepelnými elektrárňami je používanie jadrového paliva namiesto fosílneho paliva. Jadrové palivo sa získava z prírodného uránu, ktorý sa ťaží buď v baniach (Niger, Francúzsko, Južná Afrika), alebo v povrchových jamách (Austrália, Namíbia), alebo podzemným lúhovaním (Kanada, Rusko, USA). Urán je v prírode rozšírený, ale nie sú tam žiadne bohaté ložiská uránovej rudy. Urán sa nachádza v rôznych horninách a vode v rozptýlenom stave. Prírodný urán je zmes prevažne neštiepneho izotopu uránu 238U(viac ako 99 %) a štiepny izotop 235 U (približne 0,71 %), čo je jadrové palivo (1 kg 235U uvoľňuje energiu rovnajúcu sa spaľovaciemu teplu približne 3000 ton uhlia).
Reaktory jadrových elektrární vyžadujú obohacovanie uránu. Na tento účel sa prírodný urán po spracovaní posiela do obohacovacieho závodu, kde sa 90 % prírodného ochudobneného uránu odošle na uskladnenie a 10 % sa obohatí na 3,3 – 4,4 %.
Z obohateného uránu (presnejšie oxidu uraničitého UO 2 alebo oxid dusný uránu U202) sú vyrobené palivové články - palivové tyče- cylindrické tablety s priemerom 9 mm a výškou 15-30 mm. Tieto tablety sú umiestnené v uzavretých nádobách zirkónium(absorpcia neutrónov zirkónom je 32,5-krát menšia ako v prípade ocele) tenkostenné rúrky asi 4 m dlhé palivové tyče sú zostavené do palivových kaziet (FA) po niekoľkých stovkách kusov.
Všetky ďalšie procesy jadrového štiepenia 235U s tvorbou štiepnych úlomkov, rádioaktívnych plynov a pod. sa dejú vnútri utesnených rúrok palivovej tyče.
Po postupnom štiepaní 235U a zníženie jeho koncentrácie na 1,26 %, keď sa výkon reaktora výrazne zníži, palivové kazety sa z reaktora vyberú, sú určitý čas uskladnené v chladiacom bazéne a následne odoslané do rádiochemického závodu na spracovanie.
Na rozdiel od tepelných elektrární, kde majú tendenciu úplne spaľovať palivo, V jadrových elektrárňach nie je možné rozdeliť jadrové palivo na 100%. Preto v jadrových elektrárňach nie je možné vypočítať účinnosť na základe mernej spotreby ekvivalentného paliva. Čistá efektívnosť sa používa na hodnotenie prevádzkovej efektívnosti bloku jadrovej elektrárne
,
kde je generovaná energia, je teplo uvoľnené v reaktore súčasne a v rovnakom čase.
Takto vypočítaná účinnosť jadrovej elektrárne je 30 - 32 %, ale nie je úplne rozumné porovnávať ju s účinnosťou tepelnej elektrárne, ktorá je 37 - 40 %.
Okrem izotopu uránu 235 sa ako jadrové palivo používajú aj:
- izotop uránu 233 ( 233 U) ;
- izotop plutónia 239 ( 239 Pu);
- izotop tória 232 ( 232 Th) (konvertovaním na 233 U).
