6. témakör Villamosenergia-termelés hıerımővekben
Tartalom 1. Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek. 2. Gázturbinás erımővek. 3. Kombinált gáz-gız erımővek. 4. Tüzelıanyag-cellák.
A villamosenergia-termelés folyamata hıerımővekben
kémiailag vagy
Hıfejlesztı
hı
nukleárisan
Hıerıgép
mechanikai (forgási) energia
kötött energia körfolyamat
Generátor Transzformátor
villamos energia
Csoportosítás • A felhasznált végenergia 30-40 %-a villamos energia. • Tüzelıanyag: C, CH, nukleáris, • Munkaközeg: vízgız, füstgáz, • Hıerımővek: gız, gázturbinás, kombinált gáz-gız, (gázmotoros).
6.1.
Fosszilis tüzelıanyagú gızerımővek
Kapcsolás
Szubkritikus gızkörfolyamat
Szuperkritikus gızkörfolyamat
1. Fıberendezések és folyamatok • Gızkazán (GK, tv-1): a kémiailag kötött energia felszabadítása a tüzelıanyag elégetésével, a keletkezı nagy hımérséklető (800-1500 oC) láng és füstgáz lehőtése (füstgázoldal), a vízgız munkaközeg felmelegítése, elgızölögtetése, túl- és újrahevítése (vízgızoldal). • Tüzelıanyagok: – különbözı szenek, különbözı tüzelési módokkal, – kıolaj-finomítás maradékai, – földgáz (inertes gáz).
1.1. Gızkazán • Tüzelés (108 ill. 58 g CO2/MJ): C + O2 = CO 2 + hı 12 g / mol + 32 g / mol = 44 g / mol 1kg + 2,66 kg = 3,66 kg (100 %) + H ü (C = 33,8; szén : 6 − 28 MJ / kg ) Cn H m + (n +
1 1 O2 ) = nCO 2 + mH 2 O + H ü ( 40 − 42 MJ / kg ) 2 2
CH 4 + 2O2 = CO 2 + 2 H 2 O + hı 16 g / mol + 64 g / mol = 44 g / mol + 36 g / mol 1kg + 4 kg = 2,75 kg (55 %) + 2,25 kg = 5kg + H ü ( 47 MJ / kg )
Gızkazán
A hıáram-sőrőség változása a tőztér magassága mentén (p1
Szubkritikus gızkazán: a felületek elrendezése
T
.
T m1,p1,t1
.
mu,pu,tu
UH TH
UH
D
TE TE E
E
LE
Gızkazán: T-Q diagram T
fg sugárzás
konvektív 1
TH
u UH 1’
1’
tv
1” E TH
UH
TE
LE Q
670 MW névleges hıteljesítményő szénhidrogén-tüzeléső kazán T-F diagramja (dunamenti és tiszai 215 MW-os blokkok kazánja)
T[
o
C]
1500
füstgáz víz
1000
T1 =540
Tu2 =540
500
450
Ts =350 E F=2250
TH
UH
F=3918 5000
F=8665 10000
T
u1
=340
Tt =250
TE F=1800 15000
20000
F [m
2
]
670 MW névleges hıteljesítményő, lignit-tüzeléső kazán T-F diagramja (mátrai 215 MW-os blokk kazánja)
T[
o
C]
1500
füstgáz víz 1150
1000
T1 =540 Tu2 =540
500 Ts =350
300 T
u1
10000
20000
=340
30000
Tt =220
40000
F [m
2
]
Gızkazán • Gıznyomás szerint: – szubkritikus (p1
• Munkaközeg cirkulációja szerint: – természetes cirkuláció (∆p= ∆Hg, c=4-10), – szivattyús cirkuláció (∆p= ∆pSZ, c=2-6), – kényszerátáramlású (c=1).
• Gıznyomás szerint: – szuperkritikus (p1>pkr) • 240,280,320 bar (280 bar-tól kétszeres újrahevítés), • t1max: 600-650 oC (új szerkezeti anyagok).
• Munkaközeg cirkulációja szerint: – kényszerátáramlású.
Cirkulációs elgızölögtetı [Cohen] Vg 1 c= = x V g + Vvíz
Kényszerátáramlású gızkazán [Cohen]
Fluid-tüzeléső gızkazán füstgáz
szilárdanyag arány gáz
felületek szekunder levegı
C
tágy≈ max 800-900 °C Ca/S - mólarány
CaCO3 hamu + CaSO4
primer levegı
Forráskép függıleges és vízszintes csıben
A víz elgızölgése függıleges csıben: hımérsékletek és hıátadási viszonyok [Cohen]
Gızkazán • Teljesítménymérleg: Q& = m& H ü
ü
ü
Q& 1 = η GK Q& ü = m& g T1 ( s1 − stv ) = m& g (h1 − htv )
• Hatásfok: ηGK
Q&1 = Q& ü
– C (6-28 MJ/kg): 0,82-0,92 – kıolaj: 0,85-0,92 – földgáz: 0,87-0,94.
Fajlagos gızhı
Gızkazán (Tisza II. 670 t/h)
1.2. Gızturbina • Gızturbina (GT, 1-2o, 1-2): A nagy nyomású, hımérséklető vízgız (belsı) termikus energiájának forgási (mechanikai) energiává alakítása a turbinalapát-fokozatokban. Fordulatszám: n=3000 1/perc (50 Hz), n=3600 1/perc (60Hz). • Tengelyteljesítmény:
W&T = η C Q& 1η irrT = m& g (h1 − h2o )η irrT
Fajlagos (technikai) munka
p1 h
1
wT=h1-h2
wT0
p2 2 20 ∆sirr s
Gızturbina • A körfolyamat termodinamikailag meghatározott (Carnot) hatásfoka: ηC
T2 =1− T1
• ηC=0,35-0,60 → f[T1 (p1,t1,ttv,tUH1,tUH2), • T2(p2)] • ηirrT> ηirr→ (hıvisszanyerés)
Gızturbina • A körfolyamat hatásfokának (ηC) növelése: – – – –
a gız kezdı nyomásának (p1) és hımérsékletének (t1) növelése, megcsapolásos (regeneratív) tápvízelımelegítés (ttv növelése), egyszeres (tUH1) és kétszeres (tUH1,tUH2) újrahevítés, a gız végnyomásának (p2) csökkentése (p2≈0,03 bar) elérte a határt.
• Megcsapolásos tápvízelımelegítés: a kondenzálódott folyadékfázisú 25-50 oC-os víz felmelegítése a kazánba lépı tápvíz minél nagyobb hımérséklete (ttv) érdekében. • (Gız) újrahevítés: a turbinában expandált gız kivétele és felmelegítése a gızkazánban pUH nyomáson.
Gızturbina-lapátok • A GT eredı hatásfokát – a lapátok fokozati hatásfoka és – az expanzió mértéke határozza meg.
• A GT-fokozat hatásfokát befolyásolja a lapátfelület érdessége (<0,3-0,2 µm). • Lapátfokozat – akciós (résveszteség csökkenthetı) termikus-kinetikus energia átalakítás (állólapát-sor), – reakciós (sebességtıl függı súrlódási veszteségek csökkenthetık) kinetikus-mechanikai energia átalakítás (forgólapát-sor), – Fokozat: álló+forgólapát-sor. Eltérı követelmények a nagy- és kisnyomású fokozatokban.
Gızturbina-lapátfokozatok h
h
akciós
∆há
reakciós
∆há
∆hf
∆hf
S
S
Gızturbina-lapátok fejlesztése [Büki] a-zárólemez nélkül, b-zárólemezzel, c-nagyteljesítményő lapátok
Hıséma: fı elemek Hûtõvíz
Gõzkörfolyamat gõz
GF kazánvíz
GT
NE K póttápvíz GTT KE tápvíz
fõcsapadékvíz
KT
csapadékvíz
Gızturbina (Tisza II. 215 MWe)
Gızturbina nagynyomású forgórész (Tisza II.)
Tápvízelımelegítı
1.3. Generátor és transzformátor • Generátor, transzformátor: A gızturbina forgási energiájának 10-40 kV feszültségő villamos energiává alakítása (G), és transzformálása (TR) a szállítás nagyfeszültségére (120-400 kV).
PKE = η Tmη Gη TRη ε W& T = η mE W& T • Hatásfokok: – – – – –
ηTm=0,99-0,995, ηG=0,99-0,995, ηTR=0,99-0,998, ηε=0,92-0,96, ηmE=0,89-0,95.
Generátor (Mátrai 215 MWe)
Transzformátor
1.4. Kondenzátor • Kondenzátor (K, 2-2’): A gızturbinában munkát végzett, további munkavégzésre alkalmatlan vízgız cseppfolyósítása (kondenzálása), s kondenzációs hı elvonása a környezetbe a hőtıvíz-rendszerrel. • Környezetbe távozó hıteljesítmény: T2 & & Q2 = + (1 − η irrT )Q1 = m& 2 (h2 − h2' ) & T1
• Hőtıvíz-rendszerek: – frissvízhőtés (folyó, tó, tenger), – nedves hőtıtorony, – száraz hőtıtorony.
Fajlagos elvont hı
Kondenzátor
Csıkiosztás
Gız és gız-levegı keverék áramlás a köpenytérben [Cohen]
Frissvízhőtés
HSZ
K
tenger folyó tó
Q& 2 = m& gK (h2 − h2' ) = m& hv c(t ki − t be )
Nedves hőtıtorony
K
levegı
póthőtıvíz
HSZ
Q& 2 = m& gK (h2 − h2' ) = m& hv c(t ki − t be ) = V&l ρ l cl (t lki − t lbe )
Száraz hőtıtorony
levegı
FKSZ
HSZ
Q& 2 = m& gK (h2 − h2' ) = m& hv c(t be − t ki ) = V&l ρ l cl (t lki − t lbe )
Nedves hőtıtorony (Mátrai Erımő)
Száraz hőtıtorony (Mátrai Erımő) kéntelenítıvel
2. Energetikai jellemzık • Hatásfoka: η KE
η GK η C η T η mE Q& ü PKE = = = η GK η C η T η mE = ( 0 , 20 − 0 , 46 ) J E / J ü & & Qü Qü
• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása: q KE =
1
η KE
3600 = (18000 − 7830 ) kJ ü / kWh
E
Energiafolyam ábra (1
KONDENZÁCIÓS ERİMŐ H
T
T 1 − 2 T1 & Q
−η
mE
)P
T
E
Q& 1
P
Q& 1
& Q
P
T
ü
T
2
T1
2
Q2
(1
−η
mH
)Q&
ü
& Q
2, veszt
KE
3. Környezeti hatások • CO2 kibocsátás → ηKE növelése, mert gCO2/kWh csökken. • Hıszennyezés: (0,75-0,45)Qü környezetbe távozik, télıvíz max. 26-30 oC (O2 tartalom) → kapcsolt energiatermelés • szén: – SOx: füstgáz kéntelenítés, – pernye: pernyeleválasztás, – salak: meddıhányók (minél kisebb Hü, annál több meddı) → tájrekultiváció. – NOx: DeNOx (NH3), fluid-tüzelés (SOx) és kisebb tláng.
• gudron, pakura: – SOx: füstgáz kéntelenítés, – NOx: DeNOx (NH3).
4. Telephely kiválasztás
• Tüzelıanyag közelében (bánya, olajfinomító), jó megközelítés. • Hőtıvíz. • Szakember, szakmakultúra. • Villamos csatlakozás, ellátottság. • Lakott területen kívül. • Meglévı erımővek telephelyének felértékelıdése, mindezek megvannak.
6.2. Gázturbinás erımővek
Nyitott egytengelyes gázturbina • Nyitott egytengelyes gázturbina fı berendezései: – Kompresszor (K): a levegı komprimálása a légköri nyomásról 10-12 (15) bar-ra. – Égıtér (É): a tüzelıanyag elégetése, a levegı-üzemanyag keverék (füstgáz) hımérsékletének növelése 1000-1300 (1500) oC-ra. – Turbina (T): A füstgáz termikus energiájának forgási energiává alakítása a lapátfokozatokban. – Generátor (G), Transzformátor (Tr).
• Tüzelıanyag: csak CH, – földgáz (inertes gáz), – kerozin, – főtıolaj (állandó terhelésen).
Kapcsolás
Hıkörfolyamat p1 T
1
p0 4 40
2 20
3
S
Gázturbina • T belsı teljesítmény:
W&T = m& 1 (h1 − h2 )
• K belsı teljesítmény: W& K = m & 3 (h4 − h3 ) • GT teljesítmény: PGT = (W& T − W& K )η mGT η Gη Tr • Tüzelıhı-teljesítmény: m& ü H ü & Qü = = m& 1 h1 − (m& 3 h4 + mü hü )
ηÉ
Fokozati és eredı hatásfok η irrK =
T4o −1 T3
η irrTf
1
T4 o T3
ηirrKf
−T1
T
η irrT
1
K 4 2
40 20
3
S
T2 o 1 − T1 = T 1 − 2o T1
Energiafolyam ábra
K PK0
T
(1 − ηGη Tr )PT, net
PK
1 − 1 PK0 η K
PT0
(1 − ηT )PT0
Q& ü
PT PT, net
PGT Q& HH
Q& 2
É
(1 − ηmÉ
)Q& ü
Q& 2H
Energetikai jellemzık • A villamosenergia-termelés hatásfoka: η GT
PGT (W&T − W& K )η Éη mGT η Gη Tr = = = (0,25 − 0,35) J E / J ü m& ü H ü Q& ü
• Fajlagos tüzelıhı-felhasználása: 1 qGT = 3600 = (14400 − 10280) kJ ü / kWhE
η GT
Gázturbina • p1=10-12 (20-30) bar, t1=1000-(1300-1500) oC, • p2=1 bar (légkör), t2=520-560-600 oC. • A körfolyamat Carnot hatásfoka: ηC = 1−
T2 = 0 , 35 − 0 , 50 T1
• t1 növelése Ni-Cr szuperötvözető lapátokkal, s rajtuk speciális kerámia-ötvözető bevonatokkal, miközben t2 is nı. • Környezeti hatások: NOx (tláng=1100-1500 oC) → égıtér kialakítás, vízbefecskendezéssel hőtés.
Gázturbina
Hatásfokjavítás • Kombinált gáz-gız erımővek. • A kilépı hıáramot maga a gázturbina hasznosítja: – hıregenerálás, – gıztermelés és gızbefecskendezés (STIG), – légnedvesítés.
• Többfokozatú kompresszió és expanzió.
Hıregenerálás
É
K1
K2
hőtés
T
6.3. Kombinált gáz-gız erımővek
Kombinált gáz-gız erımő • Gázturbinából kilépı füstgáz hımérséklete túl nagy (t2>500 oC), a füstgáz lehőthetı hıhasznosító gızkazánban, s a termelt gız gızturbinában expandál → füstgáz és gız munkaközegő turbinák kombinációja (kombinált gáz-gız erımő). • Hıhasznosító gızkazán: gázturbinában expandált füstgáz (520-600 oC) lehőtése (180100 oC-ig), kis- (<40 bar) és közepes (60-90 bar) nyomású gız termelése. Póttüzelés lehetséges.
Kombinált gáz-gız erımő kapcsolása
GE LM6000 PD gázturbina generátor set
Vízszintes elrendezéső hıhasznosító gızkazán
Hıkörfolyamat
Energiafolyam ábra
(1 − η mGT ηGη Tr )PGT0 PGT0
PGT
Q& ü
PT0 Q& 2
(1 − η mÉ )Q& ü
PT
PE
(1 − η mT ηGη Tr )PT0
Q& HH
Q& 2,gk
Q& füstgáz Gızkörfolyamat
Teljesítménymérleg • HH hıteljesítmény: Q& HH = m& 1 fg c fg (t 2 − t 2 H ) = m& 1g (h1 − htv )
• Turbina teljesítmények: PE = PGT + PT 1 PT ≈ PGT 2
Villamosenergia-termelés • Hatásfok: PGT + PT PE ηE = & = & = ( 0 , 45 − 0 , 55 ) J / J E ü Qü Q üÉ + Q& üp
• qE=8000-6500 kJü/kWhE.
Feltöltött kazánban integrált G/G erımő .
Qü
.
Q1gt Pgt
gt PGT
6.4. témakör Tüzelıanyag-cellák
Tüzelıanyag-cellák • Tüzelıanyag-cella (TC): a tüzelıanyagból – a reagensek közötti elektrokémiai reakciók révén – közvetlenül villamos energiát termel. (Az átalakításból kimaradhat a hıtermelés és a hıkörfolyamat, ill. nem jelenik meg a munka). – A TC anódos oldalára áramlik a redukáló, hidrogén-tartalmú tüzelıanyag, – katódos oldalára az oxidáló oxigén vagy levegı, – H2+1/2O2→H2O, és elektronok egyenárama, amit inverterben váltóárammá alakítanak.
Tüzelıanyag-cella Anód H2
H2 → 2H+ + e-
2e-
Elektrolit
=
~
2e½O2
2H+ + ½O2 +2e-→ H2O Katód H2O
ηHEo és ηTCo =f(T) [Büki]
η HEo
T2 = 1− T1
η TCo
T ∆S ∆G ∆H − T∆S = = = 1− ∆H G ∆H
Tüzelıanyag-cella • Tüzelıhı:
∆Qü = G = ∆H ∆H a reakciótermékek és reagensek entalpiakülönbsége; Villamos energia
E = ∆G = ∆H − ∆S ∆S a reakciótermékek és reagensek entrópiakülönbsége.
Tüzelıanyag-cella • A hımérsékletnöveléssel ugyan csökken a TC hatásfoka, de nı a T hımérsékleten távozó D=T∆Si disszipációs hı (∆Si a reakciótermék (pl. vízgız) entrópiakülönbsége). A disszipációs hı kapcsolt hıszolgáltatásra vagy gızerımőben hasznosítható. • A disszipációs hı hasznosításával TC hatásfoka alig csökken a hımérséklet növelésekor, és az eszményi hatásfok közel azonos.
Tüzelıanyag-cella • TC típusai: – Alkáli (Alkaline Fuel Cell-AFC), – Polimer-elektrolit membrános (Polymere Electrolyte Membrane FC-PEMFC), – Foszforsavas (Phosphoric Acid FC-PAFC), – Folyékony karbonátos (Molten Carbonate FC-MCFC), – Szilárd oxidos (Solide Oxide FC-SOFC).
A fejlesztett TC-k jellemzıi [Büki] A fejlesztett tüzelıanyag-cellák jellemzıi Jele
Hımérséklet °C
AFC
40-200
Tüzelıanyag (anód)
Elektrolit, Iontranszport
Oxidáló közeg (katód)
Villamos hatásfok %
kálilúg(KOH) ← OH-
oxigén
40-50
levegı, oxigén
40-55
Alkalmazás
közlekedés (mozgó)
hidrogén PEMFC
80
polimer H+ →
PAFC
200
foszforsav (H3PO4) H+→
MCFC
650
SOFC
800-1000
földgáz, széngáz, biogáz
karbonátok (Li2CO3+K2CO3) ( ← CO32keramikus anyag (ZrO2) ←O2-
40-45
levegı
hı-és villamos energia (stabil)
50-60
villamos energia
50-60
decentralizált erımővek
SOFC TC [Büki] a) csıelem, b) csıköteg, c) a teljes cella
Tüzelıanyag-cella • A teljes TC igen nagyszámú elembıl áll. A megvalósított 100-200 kWe, az elemek száma ezernél több, a tervezett 1 MW TC 6-10 ezer elemet tartalmaz.
