ee_01.
advertisement
Numeryczne modelowanie procesów przepływowych dr hab. inż. Roman Klajny, mgr inż. Marcin Panowski, mgr inż. Robert Zarzycki Ćwiczenie 1 Temat: Modelowanie obiegu cieplnego siłowni z wykorzystaniem pakietu IPSE-pro 1. Cel ćwiczenia: • zapoznanie się z obiegami cieplnymi i pracą elektrowni kondensacyjnej; • prezentacja oprogramowania IPSE–pro służącego do modelowania obiektów energetycznych; • symulacja pracy prostego obiegu cieplnego bloku energetycznego elektrowni kondensacyjnej; • ocena wpływu parametrów bloku energetycznego na jego sprawność. 2. Wprowadzenie: „Co to jest elektrownia kondensacyjna ?” Elektrownia jest to zespół urządzeń mających na celu wytwarzanie energii elektrycznej. Rys.1. Makieta elektrowni Opole [7]: 1 – budynek główny; 2 – elektrofiltry; 3 – komin; 4 – chłodnia kominowa; 5 – składowisko węgla; 6 – rampa kolejowa 5 Rys.2. Schemat elektrowni Opole [7] 6 Na rysunku 1 przedstawiona została makieta elektrowni Opole, na której widoczne jest usytuowanie głównych obiektów elektrowni. Na rysunku 3 pokazano schemat procesu technologicznego elektrowni kondensacyjnej z podziałem na najważniejsze układy występujące w elektrowni. Rys.3. Schemat procesu technologicznego elektrowni parowej i jego podział na najważniejsze układy [2]: I – układ paliwo – powietrze – spaliny; II – układ cieplny (parowo – wodny); III – układ chłodzenia; IV – układ wyprowadzania mocy; 1 – palenisko; 2 – doprowadzanie paliwa; 3 – doprowadzanie powietrza do spalania; 4 – odprowadzenie żużla i popiołu; 5 – podgrzewacz wody; 6 – parownik; 7 – przegrzewacz pary; 8 – odprowadzenie spalin; 9 – turbina; 10 – skraplacz; 11 – pompa skroplin; 12 – zbiornik wody zasilającej; 13 – pompa wody zasilającej; 14 – woda uzupełniającą; 15 – podgrzewacz wody zasilającej; 16 – chłodnia kominowa; 17 – pompa wody chłodzącej; 18 – obfite źródło wody ( dla otwartego obiegu chłodzenia ); 19 – prądnica; 20 – transformator blokowy; 21 – transformator potrzeb własnych Proces przetwarzania energii w elektrownii parowej konwencjonalnej jest trójstopniowy. W pierwszym stopniu energia chemiczna paliwa zamienia się podczas jego spalania na energię cieplną, przekazywaną czynnikowi roboczemu. W drugim stopniu energia cieplna jest zamieniana na energię mechaniczną, dzięki pracy wykonywanej przez czynnik w silniku cieplnym (turbinie parowej). Dwa pierwsze 7 stopnie przetwarzania energii są realizowane za pomocą obiegów termodynamicznych czynnika wykonującego pracę. W trzecim stopniu przetwarzania energia mechaniczna zamienia się na energię elektryczną w napędzanej przez turbinę prądnicy. W procesie technologicznym elektrowni można wyodrębnić cztery najistotniejsze układy: układ paliwo–powietrze–spaliny, układ cieplny (parowo–wodny) odpowiadający obiegowi głównemu czynnika roboczego, układ chłodzenia skraplacza i układ wyprowadzania mocy (układ elektryczny). Na rysunku 3 przedstawiono schemat wymienionych układów biorących udział w procesie technologicznym elektrowni, reprezentowanej tu przez jeden blok energetyczny. W układzie paliwo–powietrze–spaliny do paleniska 1 kotła parowego jest doprowadzane paliwo 2 i powietrze 3 potrzebne do procesu spalania. Wydzielające się odpadowe produkty spalania 4 w postaci żużla i lotnego popiołu są usuwane na zewnątrz kotła, a gorące spaliny omywają powierzchnie ogrzewalne kotła 5, 6 i 7. W układzie cieplnym parowo–wodnym wewnątrz rur, tworzących powierzchnie ogrzewalne 5, 6 i 7 umieszczone w kotle, przepływa czynnik roboczy, który w poszczególnych ich częściach występuje kolejno w postaci wody, mieszaniny parowo–wodnej, pary nasyconej suchej i wreszcie pary przegrzanej. Wytworzona w kotle para przegrzana przepływa rurociągiem do turbiny 9, w której rozpręża się. Następuje tu przemiana energii cieplnej w energię mechaniczną ruchu obrotowego wału turbiny. Po wykonaniu pracy para rozprężona do możliwie niskiego ciśnienia (co jest konieczne do najpełniejszego wykorzystania energii cieplnej zawartej w parze) jest skraplana w skraplaczu (kondensatorze) 10 przy użyciu dużych ilości wody chłodzącej. Otrzymana ze skroplenia para wodna, nazywana skroplinami lub kondensatem, jest przetłaczana pompą skroplin 11 do zbiornika wody zasilającej 12, skąd pompa wody zasilającej 13 tłoczy ją do kotła, zamykając główny obieg czynnika roboczego. We współczesnych elektrowniach woda zasilająca jest podgrzewana w podgrzewaczach 15 za pomocą pary pobranej z upustów turbiny. Straty wody w tym obiegu są uzupełniane odpowiednio przygotowaną wodą dodatkową 14. Układ chłodzenia jest sprzężony bezpośrednio z układem cieplnym parowo– wodnym. Zadaniem jego jest odprowadzanie z obiegu ciepła zawartego w parze, która wykonała już pracę w turbinie. Obejmuje on skraplacz 10 i, w omawianym układzie, chłodnię kominową 16. W takim układzie chłodzenia, nazywanym układem zamkniętym, przepływ wody jest wymuszony za pomocą pompy wody chłodzącej 17, przy czym woda ochłodzona w chłodni wraca do skraplacza. W innej możliwej realizacji, tj. w otwartym układzie chłodzenia chłodnie kominową zastępuje obfite 8 źródło wody 18 (jezioro, rzeka lub morze), skąd czerpana jednorazowo woda jest za pomocą pompy wody chłodzącej przetłaczana przez rurki skraplacza i wraca do źródła. Układ wyprowadzania mocy elektrycznej obejmuje sprzężoną z turbiną prądnicę 19, transformator blokowy 20 podwyższający napięcie prądnicy (generatorowe) do poziomu napięcia rozdzielnicy głównej i sieci przesyłowej, transformator potrzeb własnych 21 (zasilający odbiorniki energii w elektrowni) oraz rozdzielnię główną i rozdzielnię potrzeb własnych elektrowni. • Podstawowe pojęcia związane z przemianami występującymi w elektrowni: Entalpia H jest funkcją stanu układu termodynamicznego: H = U + pV gdzie: U – energia wewnętrzna czynnika, p – jego ciśnienie, V – objętość, i jest miarą energii czynnika mogącego wykonać pracę użyteczną. Elementarny przyrost entropii dS ciała jest równy ilorazowi elementarnej ilości ciepła dQ, którą pochłonęło to ciało, przez temperaturę bezwzględną T, jaką miało to ciało w momencie pochłaniania tego ciepła. dS = dQ T Przemiana izobaryczna – jest to przemiana, podczas której ciśnienie czynnika nie zmienia się (p = const). Przeniana izochoryczna – jest to przemiana, podczas której nie zmienia się objętość czynnika (V = const). Przemiana izotermiczna – jest to przemiana, podczas której temperatura czynnika nie ulega zmianie (T = const). Przemiana izoentropowa – jest to przemiana, podczas której wartość entropii nie ulega zmianie (S = const). Przemiana politropowa – jest to przemiana, podczas której zależność pomiędzy ciśnieniem bezwzględnym p i objętością czynnika V da się wyrazić wzorem: ϑ p ⋅V ϑ = const – wykładnik politropy. 9 Przemiana adiabatyczna – jest to przemiana, podczas której nie doprowadzamy ani też nie odprowadzamy ciepła od czynnika (Q1-2 = 0), przemianę tą da się wyrazić wzorem: κ = c p cv pV κ = const – wykładnik adiabaty • Podstawowe wielkości charakteryzujące blok energetyczny: − sprawność całkowita bloku energetycznego η: jest to stosunek ilości energii elektrycznej wyprodukowanej w bloku Eelek do ilości energii (chemicznej) dostarczonej w paliwie Echem η= Eelek Echem − moc N: jest to praca P wykonana w jednostce czasu t N= Jù é W = êë s úû P t − ciśnienie p: jest to siła F działająca na jednostkę powierzchni A p= F A • Nù é = Pa êë m 2 úû − strumień objętości V : jest to objętość płynu V jaka przepływa w jednostce czasu t 3 V ém ù V= ê ú t ë s û • • − strumień masy m : jest to masa płynu m jaka przepływa w jednostce czasu t • m= m t 10 é kg ù êë s úû Rysunek 4 obrazuje proces konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie na energię elektryczną. Na rysunku widoczne są sprawności przemian oraz straty energii, które występują w kolejnych elementach bloku energetycznego. Rys.4. Przykładowy przebieg sprawności przemiany energii i bilans strumieniowy (Sankeya) współczesnej elektrowni parowej kondensacyjnej [2]: K – kocioł; R – rurociągi; T – turbina; G – generator; PW – potrzeby własne; 1 – podgrzewacz powietrza; 2 – regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej; 3 – energia chemiczna paliwa; 4 – energia użyteczna netto; 5 – straty w skraplaczu 11 Rysunek 5 przedstawia schemat elektrowni kondensacyjnej z zaznaczeniem głównych urządzeń oraz obiegu czynnika roboczego. Rys.5. Schemat elektrowni kondensacyjnej [5]: 1 – transformator blokowy; 2 – generator; 3 – turbina; 4 – rurociąg pary przegrzanej; 5 – odgazowywacz; 6 – przegrzewacz; 7 – podgrzewacz wody; 8 – podgrzewacz powietrza; 9 – wentylator powietrza pierwotnego; 10 – elektrofiltr; 11 – wentylator spalin; 12 – komin; 13 – młyn węglowy; 14 – pompa wody zasilającej; 15 – podgrzewacz regeneracyjny; 16 – pompa kondensatu; 17 – skraplacz; 18 – pompa wody chłodzącej; 19 – zasobnik węgla; 20 – parownik Rys.6. Przekrój budynku głównego elektrowni na węgiel kamienny o mocy 1600 MW z blokami 200 MW, uruchomionej w 1972 r., wg Energoprojektu – Warszawa [2]: 1 – kocioł; 2 – turbozespół; 3 – transformator blokowy i zaczepowy; 4 – obrotowe podgrzewacze powietrza; 5 – suwnica; 6 – nastawnia blokowa; 7 – tor kolejowy; 8 – przenośniki taśmowe; 9 – zasobnik węgla; 10 – młyn węglowy; 11 – odgazowywacz i zasobnik wody zasilającej; 12 – rozdzielnia potrzeb własnych; 13 – palniki kotłowe; 14 – wentylator młynowy; 15 – wentylator powietrza; 16 – rozdzielnia elektrofiltrów; 17 – linia napowietrzna 220 kV 12 Rysunki 6 i 7 przedstawiają przekroje budynków głównych elektrowni. Na rysunku 6 widoczne jest rozmieszczenie głównych urządzeń w budynku elektrowni. Rysunek 7 przedstawia główne wymiary (w metrach) budynku elektrowni o mocy bloku 120 MW, wraz ze wzrostem mocy bloku (200 MW, 360 MW i 500 MW) wielkość budynku głównego zwiększa się. Rys.7. Przekrój budynku głównego elektrowni na węgiel kamienny o mocy 840 MW z blokami 120 MW, uruchomionej w 1963 r. (wymiary w metrach), wg Energoprojektu – Katowice [2] • Zasada działania elektrowni kondensacyjnej; Zadaniem elektrowni jest produkcja energii elektrycznej o określonych parametrach (częstotliwość i napięcie). Produkcja ta odbywa się w obiegu cieplnym noszącym nazwę obiegu Rankine’a, którego podstawowymi elementami są: kocioł, turbina, kondensator (skraplacz), pompa i rurociągi łączące te elementy. Produkcja energii elektrycznej polega na zamianie energii chemicznej paliwa na energię cieplną, która przetwarzana jest na energię mechaniczną a następnie na energię elektryczną. W wyniku procesu spalania (węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa i gaz) otrzymywana jest energia cieplna. Energia cieplna (ciepło) przekazywana jest do wody, która zamienia się na parę wodną w wyniku silnego podgrzania. Para wodna przepływając przez turbinę parową oddaje część swojej energii cieplej, która ulega w turbinie zamianie na energię mechaniczną obracającego się wału, reszta energii przekazywana jest wodzie chłodzącej w kondensatorze. Do obracającego się wału podłączony jest generator (prądnica), w którym następuje zamiana energii mechanicznej na energię elektryczną. Energia elektryczna z generatora przesyłana jest 13 do transformatora blokowego, który podłączony jest do linii przesyłowych krajowego systemu energetycznego. Schemat elektrowni kondensacyjnej przedstawia rysunek 8. W kotle K (wytwornica pary) wytwarzane jest ciepło ze spalanego paliwa Q1 i wytwarzana jest para wodna o wysokim ciśnieniu p0 i wysokiej temperaturze t0. Para rozpręża się w turbinie T, zamieniając część swojej energii cieplnej na moc użyteczną NT. W skraplaczu S (kondensatorze) następuje skraplanie pary przy ciśnieniu pk znacznie niższym od atmosferycznego („próżnia w kondensatorze”). Woda chłodząca kondensator odbiera i wyprowadza na zewnątrz ciepło skraplania pary Q2. Kondensat dopływa do pompy zasilającej P, sprężającej skropliny do ciśnienia panującego w kotle K. chem elek Rys.8. Schemat elektrowni kondensacyjnej [1] W celu osiągnięcia jak najwyższej sprawności w obiegu elektrowni parowej, powinno się stosować możliwie jak najwyższą temperaturę pary dopływającej do turbiny. Przy używanych obecnie materiałach konstrukcyjnych temperatura czynnika obiegowego wypływającego z górnego źródła (kotła) osiąga poziom 535ºC ÷ 545ºC w Polskich elektrowniach, a może osiągać poziom bliski 650 ºC w niektórych konstrukcjach na świecie. Celowe jest także uzyskanie jak najniższej temperatury czynnika wypływającego z turbiny, uzyskuje się to poprzez obniżenie ciśnienia w skraplaczu poniżej ciśnienia otoczenia (próżnia w skraplaczu). Temperatura wypływającej pary oraz jej ciśnienie zależne są w dużym stopniu od temperatury otoczenia a w szczególności od temperatury wody chłodzącej (pobieranej z chłodni 14 kominowej, rzeki, jeziora lub morza), temperatura wypływającej pary mieści się w zakresie 30ºC ÷ 60ºC. Wzrost sprawności poprzez podnoszenie temperatury górnego źródła ciepła oraz poprzez obniżanie temperatury dolnego źródła ciepła można wykazać na podstawie obiegu Carnota, w którym wszystkie przemiany przebiegają w sposób odwracalny. Obieg ten osiąga teoretycznie największą sprawność ze wszystkich znanych obiegów termodynamicznych. Elektrownie pracują jednak według obiegu Rankine’a, który osiąga mniejszą sprawność od obiegu Carnota, przy czym wykazanie wzrostu sprawności dla obiegu Rankine’a jest znacznie bardziej złożone ale prowadzi do podobnych wniosków. Upraszczając to zadanie można założyć, że sprawność cieplna elektrowni będzie określona jak dla obiegu Carnota. Sprawność obiegu Carnota określona jest wzorem: ηC = 1 − TD TG TD – temperatura dolnego źródła ciepła (temp. pary wylotowej z turbiny) w K; TG – temperatura górnego źródła ciepła (temp. pary zasilającej turbinę) w K; Lp. tD [ºC] TD [K] tG [ºC] TG [K] η [%] 1 45 318 535 808 60.644 2 45 318 505 778 59.126 3 45 318 565 838 62.053 4 15 288 535 808 64.356 5 75 348 535 808 56.931 Tabela 1. Zależność sprawności obiegu Carnota od temperatury dolnego TD i górnego TG źródła ciepła W tabeli 1 przedstawiono wpływ temperatury dolnego i górnego źródła ciepła na sprawność obiegu Carnota. Pokazano że większy wzrost sprawności uzyska się poprzez obniżenie temperatury dolnego źródła o 30ºC (wiersz 4) niż wzrost temperatury źródła górnego o 30ºC (wiersz 3). Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej, pracującej wg obiegu Rankine’a (rys.10) przedstawiono na rysunku 9. Obieg ten z przegrzewem pary nazywany jest 15 Rys.9. Schemat obiegu cieplnego elektrowni parowej kondensacyjnej [2]: 1 – kocioł; 2 – przegrzewacz pary; 3 – turbina; 4 – prądnica (generator); 5 – skraplacz (kondensator); 6 – pompa wody chłodzącej; 7 – pompa skroplin; 8 – zbiornik wody zasilającej; 9 – pompa wody zasilającej; duże cyfry kursywą oznaczają punkty z rys.10 Rys.10. Obieg Rankine’a elektrownii parowej kondensacyjnej w układzie T – s [2] niekiedy obiegiem Hirna. Kocioł 1 z przegrzewaczem 2 wytwarza parę o parametrach p1, t1. Para rozpręża się izentropowo (przy stałej wartości entropii) w turbinie 3, przy czym część zawartego w niej ciepła zamienia się na pracę 16 mechaniczną przekazywaną prądnicy 4 napędzanej przez turbinę. Rozprężona para o ciśnieniu p2 wypływa z turbiny do kondensatora 5, w którym jest skraplana za pomocą wody chłodzącej przetłaczanej pompą 6. Pompa skroplin 7 zasysa skropliny ze skraplacza i tłoczy je do zbiornika wody zasilającej 8, skąd pompa wody zasilającej tłoczy wodę do kotła, zamykając obieg. Przebieg procesów zachodzących w obiegu Rankine’a w układzie współrzędnych T – s przedstawia rys. 10. Stanowi początkowemu wody skroplonej odpowiada punkt 3. Izentropowe sprężanie wody przez pompę wody zasilającej do ciśnienia p1 panującego w kotle przedstawia odcinek 3 – 4. W kotle woda jest podgrzewana do temperatury wrzenia Tn odpowiadającej ciśnieniu p1 (odcinek 4 – 5), następnie odparowywana jest w przemianie izobaryczno – izotermicznej 5 – 6, po czym jest przegrzewana w przegrzewaczu według izobary 6 – 1. Od punktu 1 następuje izentropowe rozprężanie pary do punktu 2a, a następnie w skraplaczu, przy stałym ciśnieniu p2 i w stałej temperaturze Tsk , jest odprowadzane ciepło parowania (przemiana 2a – 3). Na wykresie T – s ciepło qd doprowadzone do obiegu teoretycznego Rankine’a przedstawia pole 3’ – 3 – 4 – 5 – 6 – 1 – 2a – 2a’ – 3’, ciepło qo odprowadzone z obiegu – pole 3’ – 3 – 2a – 2a’ – 3’. Pole 3 – 4 – 5 – 6 – 1 – 2a – 3 przedstawia zatem ciepło zamienione na pracę użyteczną odbieraną z wału turbiny przez generator. Sprawność obiegu wynosi zatem: ηR = q − qo 3 − 4 − 5 − 6 − 1 − 2a − 3 praca l = = d = cieplo qd qd 3′ − 3 − 4 − 5 − 6 − 1 − 2a − 2a ′ − 3′ Aby zwiększyć sprawność obiegu (przy zwiększaniu ciśnienia początkowego, nie przekraczając jednocześnie dopuszczalnej wilgotności pary wylotowej z turbiny) stosuje się międzystopniowe (wtórne) przegrzewanie pary. 17 1 Rys.11. Schemat obiegu cieplnego elektrowni z międzystopniowym przegrzewem pary [2]: 1 – kocioł; 2 – część wysokoprężna turbiny; 3 – część niskoprężna turbiny; 4 – międzystopniowy przegrzewacz pary; duże cyfry kursywą oznaczają punkty z rys.12 Rys.12. Obieg Rankine’a z międzystopniowym przegrzewaniem pary w układzie T – s [2] 18 We współczesnych elektrowniach parowych międzystopniowe przegrzewanie pary realizuje się w dodatkowym przegrzewaczu, umieszczonym w kanałach spalinowych kotła. Uproszczony schemat technologiczny bloku z międzystopniowym przegrzewaniem pary przestawiono na rys. 11. Para o parametrach p1, T1 oraz entalpii h1 rozpręża się w części wysokoprężnej turbiny 2 do ciśnienia pm, po czym jest kierowana do przegrzewacza międzystopniowego 4 w kotle. W wyniku dostarczania dodatkowego ciepła, następuje podgrzanie pary do temperatury Tm (najczęściej równej temperaturze T1) przy stałym ciśnieniu pm. Z przegrzewacza para wpływa do części średnio– i niskoprężnej turbiny 3, w której rozpręża się do ciśnienia końcowego p2. Na wykresie T – s (rys. 12) uzyskuje się dodatkowy obieg m1a – m2 – 2a – 2a’ – m1a. ηR = PM = q − qo praca l = = d = cieplo qd qd (3 − 4 − 5 − 6 − 1 − m1a − 2a ′ − 3) + ( m1a − m 2 − 2a − 2a ′ − m1a ) 3′ − 3 − 4 − 5 − 6 − 1 − m 2 − 2a − 2′a − 2′a ′ − 3′ Zastosowanie przegrzewu międzystopniowego pozwala na uzyskanie wyższej sprawności obiegu cieplnego. W porównaniu z podstawowym obiegiem przedstawionym na rysunku 9 i 10 uzyskuje się dodatkowe pole na rysunku 12, które przedstawia dodatkowo uzyskaną pracę (m1a – m2 – 2a – 2a’ – m1a) w obiegu cieplnym. Zastosowanie przegrzewu międzystopniowego pozwala także na ekspansję pary (rozprężenie pary) do ciśnienia p2 panującego w skraplaczu (rys.12 pkt 2a) przy mniejszej zawartości wilgoci w parze wypływającej z turbiny niż w przypadku braku przegrzewu międzystopniowego (rys.12 pkt 2a’). Znaczący przyrost sprawności obiegów stosowanych w elektrowniach parowych można uzyskać również przez podgrzewanie skroplin tłoczonych ze skraplacza do kotła, czyli tzw. regeneracyjne podgrzewanie wody zasilającej tzn. 19 Rys.13. Schemat obiegu cieplnego elektrowni z jednostopniowym regeneracyjnym podgrzewaniem wody zasilającej [2]: 1 – kocioł; 2 – turbina; 3 – prądnica; 4 – pompa skroplin; 5 – podgrzewacz mieszankowy; 6 – pompa wody zasilającej; duże cyfry kursywą oznaczają punkty z rys.14 Rys.14. Obieg Rankine’a z jednostopniowym podgrzewaniem wody zasilającej w układzie T – s [2] 20 z wykorzystaniem ciepła strumienia pary upustowej, które może być jedno– lub wielostopniowe. Strumienie pary przed pobraniem z upustów wykonują pracę przy rozprężaniu się w turbinie od ciśnienia początkowego do ciśnienia panującego w upuście, a następnie przekazują pozostałą ilość ciepła za pośrednictwem wymienników (podgrzewaczy regeneracyjnych) wodzie zasilającej. Zasadę regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej przedstawiono na przykładzie najprostszego układu z jednym stopniem podgrzewania wody w podgrzewaczu mieszankowym (rys. 13). Para przegrzana o parametrach p1, t1 jest doprowadzana z kotła 1 do turbiny kondensacyjnej 2. Z całkowitego strumienia pary strumienia pary • m Du • m Dt , część o parametrach pu, tu jest odprowadzana z upustu do podgrzewacza mieszankowego 5. Pompa skroplin 4 podaje do tego przegrzewacza strumień skroplin • m • Dk • = m Dt − m Du . Skropliny z pary upustowej i podgrzana woda zasilająca są następnie tłoczone do kotła przez pompę wody zasilającej 6. Zasada działania podgrzewu regeneracyjnego oparta jest na odzyskiwaniu ciepła skraplania (ciepła parowania wody). Para z upustu po oddaniu części swojej energii w turbinie kierowana jest do podgrzewaczy regeneracyjnych gdzie oddaje ciepło wodzie wypływającej z kondensatora. W skraplaczu odbierane są ogromne ilości ciepła w procesie kondensacji pary. Parze pobranej z upustów nie jest odbierane ciepło parowania w skraplaczu, a ciepło to przekazywane jest wodzie zasilającej kocioł, co w rezultacie prowadzi do wzrostu sprawności układu cieplnego. • Moce bloków energetycznych; W polskim systemie elektroenergetycznym pracują bloki elektrowni kondensacyjnych o następujących mocach [4]: - 500 MW – 2 jednostki; - 360 MW – 16 jednostek; - 200 MW – 63 jednostki; - 120 MW – 24 jednostki; Całkowita moc zainstalowana wynosi ok. 33 GW. • Paliwa stosowane w elektrowniach; Polskie elektrownie kondensacyjne opalane są głównie węglem kamiennym lub węglem brunatnym (zależnie od lokalizacji elektrowni), stosowane są także inne 21 paliwa, które są niezbędne przy uruchamianiu bloku lub w stanie dużego obciążenia. Stosowane są paliwa oparte na ciężkich frakcjach ropy np. mazut, stosowany jest także gaz ziemny. • Największe polskie elektrownie kondensacyjne: − Bełchatów – 4320 MW; − Kozienice – 2600 MW; − Turów – 2000 MW; − Połaniec – 1600 MW; − Rybnik – 1600 MW; − Opole – 1440 MW; − Jaworzno – 1200 MW. • Przykłady parametrów występujących kondensacyjnych: 22 w obiegach cieplnych elektrowni Rys.15. Schemat układu cieplnego bloku o mocy 200 MW wg Energoprojektu (cyfry arabskie oznaczają punkty charakterystyczne obiegu cieplnego – patrz rys. 16, cyfry rzymskie – numery upustów) [2] 23 Rys.16. Podstawowe parametry czynnika roboczego w charakterystycznych punktach obiegu cieplnego z rys. 15 wg Energoprojektu [2] Rys.17. Schemat układu cieplnego bloku o mocy 360 MW wg Energoprojektu [2] 24 3. Charakterystyka głównych elementów obiegu cieplnego elektrowni kondensacyjnej: − kocioł: Kocioł (rys.18) jest to „piec”, w którym spalane jest paliwo, a uzyskane ciepło wykorzystywane jest do podgrzewania wody i otrzymywania z niej pary o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu. Rys.18. Kocioł opromieniowany na pył węglowy typu OP–380–010 [3]: 1 – ekrany; 2 – walczak; 3 – podgrzewacz pary wtórny; 4, 5, 6 – trzy stopnie podgrzewania pierwotnego pary; 7, 8 – podgrzewacze wody; 9 – podgrzewacz powietrza typu Ljungstrőma; 10 – komora paleniskowa; 11 – młyny; 12 – palniki; 13 – obmurze i izolacja 25 − turbina: Turbina jest to maszyna przepływowa (rys.19), w której następuje zamiana energii wewnętrznej (energii cieplnej) pary wodnej na energię mechaniczną obracającego się wału. Rys.19. Przekrój turbiny kondensacyjnej 13K215 produkcji ABB–Zamech w Elblągu [2] - kondensator: Kondensator (rys.20) jest powierzchniowym wymiennikiem ciepła, w którym następuje skraplanie się pary wodnej wypływającej z turbiny. W wyniku skroplenia otrzymywana jest woda obiegowa krążąca w układzie cieplnym. Rys.20. Skraplacz: a) schemat konstrukcji; b) rozkład temperatur pary i wody chłodzącej wzdłuż powierzchni chłodzącej F skraplacza [2]: 1 – króciec dolotowy pary; 2 – zbiornik skroplin; 3, 4 – doprowadzenie i odprowadzenie wody chłodzącej; 5, 6 – ściany sitowe; 7 – rurki mosiężne; 8 – komora parowa; 9 – ścianka działowa; 10 – przegrody w przestrzeni parowej; 11 – chłodnica powietrza; 12 – wyloty powietrza 26 − pompa główna: Pompa główna (rys.21) ma na celu pompowanie wody obiegowej do kotła; skropliny muszą być pompowane do kotła pod odpowiednio wysokim ciśnieniem. Rys.21. Pompa siedmioczłonowa wody zasilającej firmy Halberg [3]: 1 – wirnik; 2 – koło kierownicze; 3 – dławnica; 4 – tarcza odciążająca; 5 – śruba ściągająca; 6 – króciec upustu − podgrzewacze regeneracyjne; Podgrzewacze regeneracyjne wody są wymiennikami ciepła (rys.22), które mogą być wymiennikami powierzchniowymi lub mieszalnikami. Zadaniem ich jest wstępne podgrzanie wody wpływającej do kotła. Rys.22. Budowa podgrzewaczy regeneracyjnych: a) podgrzewacz niskiego ciśnienia; b) podgrzewacz wysokiego ciśnienia z rurami w kształcie litery W; c) fragment podgrzewacza wysokiego ciśnienia z rurami spiralnymi [2]: 1 – dopływ pary; 2 – dopływ wody; 3 – odpływ wody; 4 – odprowadzenie skroplin; 5 – płaszcz; 6 – rurki; 7 – komory wodne 27 4. Symulacja działania elektrowni kondensacyjnej na trzech przykładowych obiektach cieplnych. W skład obiektów cieplnych wchodzą: - K – kocioł; - T – turbina; - S – skraplacz; - P – pompa; - G – generator; - PR – podgrzewacz regeneracyjny; - WP – turbina wysoko prężna; - SP – turbina średnio prężna; - PM – przegrzewacz międzystopniowy pary. • obiekt składający się z kotła, turbiny, kondensatora, pompy (rys. 23); G T K S P Rys.23. Schemat najprostszego obiegu cieplnego Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień masy) obserwując zmiany sprawności obiegu cieplnego. • rozszerzenie powyższego obiektu o podgrzewacz podgrzewający wodę wpływającą do kotła w (rys. 24); 28 regeneracyjny PR G T K S PR P Rys.24. Schemat obiegu cieplnego z podgrzewam regeneracyjnym Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień masy) oraz parametry upustu (strumień masy, ciśnienie) obserwując zmiany sprawności i mocy obiegu cieplnego. • rozszerzenie powyższego obiektu o przegrzew międzystopniowy pary PM pomiędzy WP a SP (rys.25). SP WP K G S PM PR P Rys.25. Schemat obiegu cieplnego z przegrzewem międzystopniowym pary Studenci zmieniają parametry wylotowe z kotła (ciśnienie, temperatura, strumień masy), parametry upustu (strumień masy, ciśnienie) oraz temperaturę za 29 międzystopniowym przegrzewaczem pary obserwując zmiany sprawności i mocy obiegu cieplnego. 4.1. Symulacja pracy obiegów cieplnych odbywa się z wykorzystaniem oprogramowania narzędziowego IPSEpro v. 3.1 firmy SimTech. Oprogramowanie narzędziowe IPSEpro firmy SimTech [6] stanowi narzędzie dające możliwości modelowania pracy różnorodnych obiektów cieplnych. Oprogramowanie to pozwala formułować schematy obiegów cieplnych z gotowych komponentów, a także budować własne biblioteki obiektów i dołączać je do oprogramowania. Informacje o pracy sformułowanego i analizowanego obiegu generowane są w postaci skróconego opisu parametrów procesowych w charakterystycznych punktach obiegu, jak również w postaci tekstowego pliku raportu ze szczegółową informacją o wszystkich parametrach procesowych charakteryzujących poszczególne obiekty cieplne. 4.1.1. Sposób uruchamiania programu. - uruchomić komputer - zalogować się do systemu Windows NT - z menu systemowego „Start” wybrać kolejno: „Programs→IPSEpro 3.1→IPSEpro-PSE” Po uruchomieniu oprogramowania: - z menu „File” wybrać polecenie „Open” a następnie wybrać wskazany przez prowadzącego ćwiczenie katalog i plik z przykładowym obiegiem cieplnym („Obieg1.pro”, „Obieg2.pro”, „Obieg3.pro”) Oprogramowanie jest gotowe do pracy. 4.1.2. Zmiana parametrów obiegu cieplnego. W celu zmiany parametrów obiegu cieplnego należy: - dwukrotnym kliknięciem (lewym klawiszem myszy) na wybranym elemencie obiegu otworzyć okno dialogowe ustawień. 30 - w oknie dialogowym (rys. 26) zmienić wartości parametrów wskazanych przez prowadzącego. Rys.26 Okno dialogowe ustawień parametrów dla elementu obiegu o nazwie „stream006” - zatwierdzić zmianę parametrów poprzez naciśnięcie klawisza „OK”. (Naciśnięcie klawisza „Cancel” powoduje rezygnacje ze zmiany parametrów) 4.1.3. Uruchomienie procesu symulacji. Uruchomienie procesu obliczeniowego następuje poprzez wybranie z menu tekstowego: - „Calculation→Run Simulation” lub - naciśnięcie klawisza „F5” lub - kliknięcie ikony na pasku narzędziowym. 4.1.4. Przeglądanie wyników obliczeń. Jeśli rezultaty obliczeń nie są widoczne na ekranie: - z menu „View” wybrać polecenie „Results” lub - kliknąć prawym klawiszem myszy na dowolnym elemencie obiegu. (Wyświetlone zostaną wszystkie parametry obiegu w danym punkcie) lub - z menu „Calculation” wybrać polecenie „Open protocol”. (Otwarty zostanie plik tekstowy ze wszystkimi parametrami obiegu cieplnego). 31 Rys.27. Okno programu z naniesionymi wartościami wyników obliczeń Zagadnienia do dyskusji: 1. Co to jest elektrownia kondensacyjna? 2. Opisz proces przetwarzania energii w elektrowni. 3. Zasada działania elektrowni kondensacyjnej. 4. Scharakteryzuj główne elementy obiegu cieplnego elektrowni. 5. Podaj podstawowe wielkości charakteryzujące blok energetyczny. 6. Przedstaw podstawowe przemiany termodynamiczne występujące w elektrowni. 7. Wymień sposoby podnoszenia sprawności w elektrowni kondensacyjnej. Literatura [1] Perycz S.: Turbiny parowe i gazowe, Ossolineum, Warszawa 1992 [2] Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa 1997 [3] Nehrebecki L.: Elektrownie cieplne, WNT, Warszawa 1974 [4] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998 [5] Truchnij AD,. Locev SM.: Stacionarnye parovye turbiny, Energizdat, Moskva 1981 [6] IPSEpro User Dokumentation [7] Materiały informacyjne Elektrowni Opole 32
