1. Gáz/g züzem er m vek bemutatása [1] [11] A kombinált ciklus egyesíti a Joule-Brayton gázciklus és a Rankine g zciklus el nyeit, ezzel megvalósít egy kit n hatásfokú, gazdaságos, megbízható energia-átalakító rendszert. Napjainkban a kombinált ciklusú er m vek villamos teljesítményre vonatkoztatott hatásfoka jellemz en az 50÷57 % közötti tartományban van. A gázturbinák folyamatos fejlesztése, a magas h mérsékletet és nagy nyomást elvisel szuperötvözetek, a gázturbinalapátok felületh tési és g zh tési technológiája ill. a szuperkritikus g zturbinák fejlesztése abba az irányba mutat, hogy a kombinált ciklusú er m vek következ generációja, hatásfok tekintetében, elérheti, s t meg is haladhatja a 60 %-ot. 1.1 Gáz/g züzem er m vek tulajdonságai A gáz/g z kombinált ciklus széleskör elterjedése a következ tényez knek köszönhet : •
A részegységek, melyekb l egy kombinált ciklusú er m felépül, régóta elfogadottak, jelenleg is megbízhatóan üzemelnek az er m vekben.
•
A beruházási és fejlesztési költségek fajlagosan alacsonyabbak.
•
Alacsony környezetszennyezés.
•
A munkaközegek (leveg és víz) nagy mennyiségben állnak rendelkezésre, nem mérgez ek és nem drágák.
•
Magas termodinamikai hatásfok.
Kombinált g z/gázciklusú rendszer el nyei: 1. Magas termikus hatásfok: A gáz/g z kombinált ciklusú er m vek hatásfoka jóval magasabb, mint bármely másik konvencionális energia-átalakító rendszeré. Az 1– 6. ábrán látható különböz er m vek hatásfokának összehasonlítása a kiadott teljesítmény függvényében. 2. Alacsony telepítési és üzemeltetési költségek: A részegységek el regyárthatók, gyárilag összeszerelhet k, ezzel csökkenthet k a beépítési költségek és az átfutási id , 1–7. ábra. A fajlagos beruházási költségek összehasonlítása különböz er m típusoknál az 1–8. ábrán látható, a költségek változhattak 1988 óta, de az arányok hasonlóak. Az ábra szemlélteti, hogy a nyíltciklusú gázturbinás er m fajlagosan a legolcsóbb, illetve az újrahevítéses széntüzelés er m a legdrágább. A többi típus pedig e kett fajlagos beruházási költség közötti tartományban található. A nagyfokú el szereltséggel csökkenthet a helyszíni raktározási terület- és költségigény. A gázturbina telepítése után az m ködhet különállóan is, azaz áramot termelhet a többi alkotórész telepítésének befejezése el tt. Így hamarabb térülhet meg a befektetés. Bár az üzemeltetési költség legnagyobb részét a tüzel anyagok ára adja, ill. a m ködési és adminisztrációs költség is csak mintegy 5÷10 %-a a tüzel -anyagénak, mégis érdemes megemlíteni, hogy a kombinált ciklusú er m veknél még ez is alacsonyabb. Ennek oka az, hogy a gázturbina egyszer bb felépítés . Kevesebb kezel személyzetre van szükség, továbbá a karbantartási költségek is alacsonyabbak, mint egy hagyományos g zer m ben.
1–6. ábra. Különböz típusú er m vek hatásfokainak összehasonlítása. CC Kombinált-ciklusú er m ST-R Újrahevítéses (UH) g zer m GT Gázturbinás (nyílt) er m ST-NR Nem újrahevítéses g zer m
1–7. ábra. Különböz típusú er m vek létesítési idejének összehasonlítása. CC Kombinált-ciklusú er m ST-RC UH g zer m , széntüzeléssel GT Gázturbinás er m ST G zturbina, olaj vagy gáztüzeléssel
1–8. ábra. Fajlagos beruházási költség különböz er m típusoknál. (1988) CC Kombinált-ciklusú er m ST-RC UH g zer m , széntüzeléssel GT Gázturbinás (nyílt) er m ST G zer m , olaj- vagy gáztüzeléssel 3. Rugalmasság a tüzel&anyagok terén: A kombinált ciklusú er m vek magas hatásfokon üzemeltethet k a tüzel anyagok széles skáláján, a földgáztól és tüzel olaj kezdve, a nagy koromtartalmú nyersolajon keresztül egészen a nehézolajokig. Szénelgázosításból származó gázzal is m ködnek már turbinák, ami az utóbbi id ben egyre nagyobb teret nyer. 4. Rugalmas m(ködési tartomány: A kombinált ciklusú rendszerek jó hatásfokkal m ködnek alap-, menetrendtartó- és csúcsüzem er m ként is. Nyílt ciklusban a gázturbina általában ¼ órán belül hálózatra kapcsolható. Többtengely elrendezés esetén a g zturbina mintegy 60 percen belül indítható. Részterhelésen a jó hatásfokot a kilép gázturbina füstgázmennyiség viszonylag magas értéke biztosítja. Gazdasági összehasonlításban tehát a kombinált ciklusú er m sokkal el nyösebb bármelyik másik er m vel összevetve, mivel rövidebb id alatt, olcsóbban épül fel; el bb kezd el áramot termelni és jobb hatásfokkal üzemel, mint bármelyik más típusú er m . 1.2 Gáz/g züzem kombinált ciklusú er m vek fejl dése A kombinált ciklusú er m vek fejl dése párhuzamos a gázturbinák fejl désével. Napjainkig a kombinált ciklusok három generációja különíthet el, jelenleg éppen az átmenet van folyamatban a harmadik- és negyedik generációs berendezések között.
1.2.1 ’Els generációs’ kombinált ciklusú er m vek Az els gázturbina, melyet elektromos áram termelésére használtak az USA-ban, kombinált ciklusú kapcsolatban volt egy hagyományos g zer m vel. A 3,5 MW teljesítmény (1– 9. ábra) gázturbina füstgázh jét a 35 MW teljesítmény g zciklus tápvizének el melegítésére használták (ezen h cserél ket 1959-ig simafalú, nem bordázott csövekkel szerelték).
1–9. ábra. Az els áramtermelésre szolgáló gázturbina, kombinált ciklusba kapcsolva. Az ’50-es és ’60-as években épült kombinált ciklusú er m vek többségében hagyományos kazánokat alkalmaztak. A gázturbinák füstgázát mint égési leveg t használták fel. Ezzel a kombinációval 5÷6 %-kal jobb hatásfokot értek el, mint az „akkori” hagyományos er m vek. Az 1–1. táblázatban láthatók az els generációs kombinált ciklusú er m vek legf bb tulajdonságai. Gázturbina
Kis teljesítmény gázturbinák
Alkalmazások
Repowering, kogeneráció, 1949-68
G zciklus
Nem újrahevített, egy- vagy kétnyomású
Károsanyag kibocsátás
Nincs szabályozva
Tüzel anyag
Tüzel olaj, földgáz
1–1. táblázat. Els generációs kombinált ciklusú er m vek tulajdonságai.
1.2.2 ’Másodikgenerációs’ kombinált ciklusú er m vek 1958-tól kezdve a kazángyártók – a füstgázoldali h átadás javításának céljából –alkalmazni kezdték a hegesztett, bordáscsöves el melegít felületeket (spirális borda-elrendezéssel), így sokkal jobban hasznosíthatóvá vált a megnövekedett teljesítmény és egyre magasabb füstgázh mérséklet gázturbinák kilép h mennyisége. Az els ilyen típusú h hasznosító kazánnal (Heat Recovery Steam Generator – HRSG) ellátott kombinált ciklusú er m 1959ben épült fel. A ’60-as években építettek néhány ilyen jelleg er m vet, de igazán széles körben elterjedt és elfogadott csak a ’70-es és ’80-as id szakban lett. Ami cseppet sem véletlen az ebben az id szakban kitört els olajválság tükrében. Az akkori mércével égbeszök olajárak mindenkit a hatékonyabb energia-átalakító rendszerek fejlesztésére és építésére ösztönöztek. Környezetvédelmi okok miatt a ’70-es években elkezdték törvényileg szabályozni a kilép füstgáz NOx tartalmát. Ekkor kezdtek alkalmazni víz- vagy g zbefecskendezést az ég térbe, ezzel teljesítve (gazdaságosan és egyben jó hatásfokkal) az új el írást. A füstgáz NOx tartalma ~75 ppm lehetett, 15 % O2 mellett. Mivel az el írások egyre szigorúbbak lettek, a ’80-as évek közepén katalizátorokat (Selective Catalytic Reduction System – SCR) kezdtek beépíteni, hogy az el írt mennyiségre csökkenthessék a füstgáz NOx tartalmát. Az 1–2. táblázatban láthatók a másodikgenerációs kombinált ciklusú er m vek legf bb tulajdonságai. Gázturbina
50÷90 MW teljesítmény gázturbinák
Alkalmazások
H hasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú er m vek, 1969-90
G zciklus
Nem újrahevített, kett - vagy háromnyomású
Károsanyag kibocsátás
Víz- vagy g zbefecskendezés, SCR rendszerek beépítése a h hasznosító kazánokba
Tüzel anyag
Tüzel olaj, földgáz, alacsony f t érték gáz, nehézolaj
1–2. táblázat. Másodikgenerációs kombinált ciklusú er m vek tulajdonságai 1.2.3 ’Harmadikgenerációs’ kombinált ciklusú er m vek Az els - illetve a második generációs kombinált ciklusú er m veknél olyan gázturbinákat alkalmaztak, melyek m ködése a szimpla gázciklushoz volt optimalizálva. Ezzel szemben a ’80-as és ’90-es években olyan gázturbinákat kezdtek kifejleszteni, melyek optimálisan illeszthet k egy kombinált ciklusba. Az 1–10. ábra bemutatja, mind a kombinált gáz/g zmind a „sima” gázciklusú er m termikus hatásfokának változását a turbina belép és kilép h mérsékletének függvényében. A „sima” gázciklus esetén a legmagasabb termikus hatásfokot akkor érjük el, ha a kilépési h mérséklet igen alacsony, 400÷450 °C, 1–10. ábra a,. Ezzel szemben a kombinált ciklusú er m vek esetében az optimum pont eltolódott a
magasabb kilépési h mérséklet felé, 550÷650 °C, 1–10. ábra b, mert így érhetünk el magasabb hatásfokot a „g z oldalon”. Gazdasági megfontolások miatt az újonnan tervezett gázturbinákat nem hatásfokra, hanem energias r ségre optimalizálják. Szerencsére ez az optimum megegyezik a kombinált ciklusú er m vek optimális hatásfokával, végeredményül is napjaink gázturbináinak többsége optimálisan illeszthet kombinált ciklusba.
a,
b, 1–10. ábra. Termikus hatásfok változása a turbina belép és kilép h mérséklet függvényében. a, „Meztelen” gázturbina b, Kombinált ciklusú gázturbina A gázturbinák fejl désének van a legnagyobb hatása a kombinált gáz/g zciklus termikus hatásfokának javulására, köszönhet en az égési h mérséklet növekedésének, amit az tett lehet vé, hogy oxidációnak és korróziónak magas h mérsékleten is ellenálló ötvözeteket vezettek be és felületi h tést alkalmaznak. Természetesen a g zturbinák fejl dése is nagyban el segítette a minél jobb hatásfok elérését. Az 1–3. táblázatban láthatók a harmadikgenerációs kombinált ciklusú er m vek legf bb tulajdonságai.
Gázturbina
90÷270 MW teljesítmény gázturbinák
Alkalmazások
H hasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú er m vek, 1990-es évek elejét l napjainkig
G zciklus
Újrahevített, háromnyomású
Károsanyag kibocsátás
Víz vagy g z befecskendezés, SCR rendszerek beépítése a h hasznosító kazánokba
Tüzel anyag
Tüzel olaj, földgáz, alacsony f t érték gáz, nehézolaj
1–3. táblázat. Harmadikgenerációs kombinált ciklusú er m vek tulajdonságai. 1.2.4 ’Negyedikgenerációs’ kombinált ciklusú er m vek A negyedik generációs kombinált ciklusú er m vek fejl désére, korábbi generációkhoz hasonlóan, a legnagyobb befolyása a gázturbináknak lesz. Növekv egységteljesítmény esetén, jelenleg már 300 MW fölött, a gázturbináknál a hatásfok javul, ami mostani berendezések esetében 35÷39 %. A korróziónak és oxidációnak magas h mérsékleten is ellenálló acélok valamint a felületi h tés fejl dése, továbbá a lapátok g zzel való h tése egyre magasabb turbina el tti h mérsékletet tesz lehet vé: a mostani 1350 °C-ot is meghaladva akár az igen magasnak t n 1700 °C is elérhet vé válhat. A h mérséklet növekedésével a nyomásviszony is növekedni fog az optimalizálás során, különböz gyártók esetén más-más mértékben, jelenleg 17÷30 általában, de egyes esetekben ennél magasabb is lehet. További szigorítások várhatóak a kibocsátott károsanyagok mértékével kapcsolatban, ezért a gázturbina gyártók továbbfejlesztik a tüzel berendezéseket, a magasabb hatásfok és alacsonyabb károsanyag kibocsátás érdekében. Összegezve: a következ generációs kombinált ciklusú er m veknek még magasabb lesz a hatásfoka, nagyobb a kiadott teljesítménye, alacsonyabb károsanyag emisszió mellett. Az 1– 4. táblázatban láthatók a negyedikgenerációs kombinált ciklusú er m vek legf bb tulajdonságai.
Gázturbina
300 MW nagyobb teljesítmény gázturbinák
Alkalmazások
H hasznosító kazánnal épített kombinált ciklusú er m vek, ezredforduló kezdetét l
G zciklus
Újrahevített, háromnyomású
Károsanyag kibocsátás
Víz ill. g z befecskendezés nélküli alacsony NOx kibocsátású ég k, SCR rendszerek beépítése a h hasznosító kazánokba
Tüzel anyag
Tüzel olaj, földgáz, alacsony f t érték gáz, nehézolaj
1–4. táblázat. Negyedikgenerációs kombinált ciklusú er m vek tulajdonságai.
2. Kombinált ciklusú er m vek alapvet típusai [7] [8] A két er m típus, gázturbinás er m illetve g zer m , összekapcsolására több lehet ség nyílik, melyek között vannak lazább, illetve szorosabb kapcsolatok.
1–11. ábra. Kombinált ciklusú er m „laza” kapcsolatban: füstgáz h jének hasznosítása tápvíz el melegítésre. A legegyszer bb és egyben a leglazább kapcsolat egy gázturbina és egy g zer m között az 1–11. ábrán látható. Ebben az esetben a gázturbina füstgázának kilép h jét a g zer m tápvizének el melegítésére használjuk fel, ezzel természetesen jobb hatásfokot érhetünk el, mint külön-külön. A két rendszer külön is m ködhet, mind a kett nek saját tüzel berendezése van. Meglév szénbázisú g zer m vek kisebb teljesítmény gázturbinás kiegészítésénél
(„gázturbinás fejelés”) alkalmazzák ezt a laza kapcsolatot, a blokk teljesítményének növelésére és hatásfokának javítására. A drágább tüzel anyag miatt a gázturbinát általában csúcsüzemben m ködtetik.
1–12 ábra. Kombinált ciklusú er m laza kapcsolatban: a g zkazán égési leveg je a gázturbinából kilép füstgáz. Az 1–12. ábrán látható kombináció is kevésbé kötöttnek tekinthet , ebben a kapcsolatban a gázturbina kilép füstgázát a g zer m kazánjába vezetjük és mint égési leveg hasznosítjuk. A gázturbinából kijöv füstgáz még legalább 14÷15 % oxigént tartalmaz, így még feltétlenül alkalmas égési leveg nek. Ebben az esetben is javul a hatékonyság és növekszik a teljesítmény, habár a kazán kilépési vesztesége is megn . Szintén csúcsüzemben alkalmazzák.
1–13. ábra. Kombinált ciklusú er m szorosabb kapcsolatban, h hasznosító kazánnal. A kombinált ciklusú er m vek legelterjedtebb típusának az egyszer vázlata látható az 1– 13. ábrán. A gázturbinában történik a tüzelés, de néhány esetben van ún. „póttüzelés” beépítve, az utánkapcsolt h hasznosító kazán (HRSG) elé. Ezzel a kombinációval lehet elérni a legmagasabb hatásfokot. A gázturbina külön is üzemelhet, viszont a g zturbina csak kombinációban m ködhet.
1–14. ábra. Kombinált ciklusú er m „szoros” kapcsolata: „feltöltött” kazán. A legszorosabb kapcsolat akkor jön létre, ha a gázturbinát és a g zer m vet nyomás alatt lév , ún. „feltöltött” kazánnal kapcsoljuk össze, ahogy az 1–14. ábrán látható. A két rendszer csak együtt üzemelhet, külön nem. Magas, 42÷50 % közötti hatásfokot érhetünk el. Hátránya, hogy hamumentes tüzel anyagot igényel, vagy széntüzelés esetén nagyon jó hatásfokú füstgáztisztítást. El nye a hagyományos g zer m vekkel szemben a magasabb hatásfok, ill. az alacsonyabb károsanyag kibocsátás.
3. Ideális gáz/g z körfolyamat A kombinált gáz/g z körfolyamatban az egyszer gáz illetve g z körfolyamathoz képest úgy érünk el magasabb hatásfokot, hogy a gázturbinából kilép magas h mérséklet füstgáz h jét egy h cserél n keresztül a g z körfolyamatba juttatjuk. Az 1–15. ábra. szemlélteti a reverzibilis gáz/g z körfolyamat T–s diagramját.
1–15. ábra. Reverzibilis kombinált gáz/g zkörfolyamat T-S diagramja 1 2 adiabatikus kompresszió 3 4 adiabatikus expanzió
2 3 izobár h bevitel 4 1 izobár h átadás
4 5 adiabatikus expanzió
5 1 izobár h átadás
A gázturbina Joule–Brayton körfolyamatában az egyes (1) pontban T1 h mérséklet , p1 nyomású környezeti leveg t szív be a kompresszor. Adiabatikus, izentropikus kompresszióval komprimálja p2 nyomásra, miközben a h mérséklet T2-re emelkedik. A gázturbinába a h bevitel a 2-3 izobár szakaszon történik. A tüzel anyagot az ég kamrában elégetjük a p2 nyomású leveg vel és ezzel a munkaközeg (füstgáz) h mérsékletét növeljük (T3). A nagy nyomású és h mérséklet füstgáz a turbinába kerül és p1 környezeti nyomásig expandál, adiabatikus, izentropikus állapotváltozás során. A gázturbina füstgáz maradék h jének g zfejlesztéshez való felhasználása a 4-1 görbe mentén történik. Ezen a szakaszon a h átadás állandó nyomáson megy végbe. A 4-5 szakaszon a g z adiabatikusan expandál a g zturbinában, kondenzátornyomásig. Az 5-1 szakaszon izobár h elvonás történik, a kondenzátorban. Az ideális gáz/g z körfolyamat hatásfoka [7]
G / Go
=1
T1 1 =1 T2 3 T3 T1
1
ln
T3 T1 1
(1.1)
1
T2
3
H 2 3 T3 T2 T3 T1 = = = T3 T S2 3 ln ln 3 1 T2
(1.2)
alakban írható fel, ahol
T1 T2 T3
3
a h elvonás h mérséklete a h közlés termodinamikai átlagh mérséklete a gázturbinában a gázturbina belép füstgáz h mérséklete nyomásviszony adiabatikus kitev
1–16. ábra. Reverzibilis kombinált gáz/g zkörfolyamat hatásfoka a h mérséklet és nyomásviszony függvényében. A (1.1)-es összefüggésb l látszik hogy a veszteségmentes gáz/g z körfolyamatot három változó befolyásolja, a = p 2 p1 nyomásviszony, a adiabatikus kitev és a T3 T1 h mérséklet arány. A 1–16. ábra bemutatja G / Go hatásfok változását a nyomásviszony és T3 T1 h mérséklet függvényében. A nyomásviszony és a h mérsékletarány növelésével az ideális körfolyamat hatásfoka növekszik. Az ábráról egyértelm en leolvasható, hogy a kombinált gáz/g z körfolyamat hatásfoka mind a nyomásviszony mind a h mérsékletarány figyelembevételekor jóval meghaladja a Joule-Brayton körfolyamatú reverzibilis gázturbina hatásfokát.
4. Gázturbina és g zer m illesztése, a h hasznosító-g zfejleszt Az 1–18. ábra bemutat egy egyszer felépítés , egynyomású, póttüzelés nélküli kombinált gáz/g zciklusú er m -blokkot: •
gázturbina
•
egynyomású h hasznosító kazán
•
kondenzációs g zturbina
•
víz- vagy leveg h tés kondenzátor
•
egyfokozatú tápvízel melegítés a gáztalanítóban
A h hasznosító kazán három f részegységb l épül fel: •
tápvíz el melegít
•
elg zölögtet
•
túlhevít
1–17. ábra. Kombinált körfolyamat a T-s diagramban
1–18. ábra. Egynyomású kombinált gáz/g zer m blokk sematikus ábrája. 1 Kompresszor 2 Gázturbina 3 Füstgáz by-pass
6 Tápvízel melegít 7 Kazándob 8 G zturbina
11 Kondenzátum tartály, gáztalanító 12 Tápvíz szivattyú 13 Kondenzátum szivattyú
4 Túlhevít 5 Elg zölögtet
9 Kondenzátor 10 G z by-pass
Az 1–17. ábrán a rendszer T-s diagramja látható: a Joule-Brayton körfolyamatot a magasabb h mérsékletek miatt „fels ” ciklusnak (topping cycle) is hívják. A Rankine ciklus – az alacsonyabb h mérsékletek miatt – „alsó” ciklusnak (bottoming cycle) is nevezhet . A valóságos illetve ideális körfolyamatok közötti eltérések okai: •
1 2
irreverzibilis kompresszió
•
3 4
irreverzibilis expanzió
•
4 5
véges felület h cserél
•
9 10 irreverzibilis expanzió
Az irreverzibilitások miatt a valóságos hatásfok mindig alacsonyabb, mint az ideális. A gázturbinába bevitt tüzel teljesítmény
Q& be,GT = B& tü H i
(1.3)
alakban írható fel, ahol: B& tü
a tüzel anyag tömegárama
Hi
a tüzel anyag f t értéke
A gázturbina hatásfoka a nyomásveszteségek és az irreverzibilis kompresszió, illetve expanzió miatt GT
=
PGT & Qbe,GT
(1.4)
alakban írható fel, ahol:
PGT a gázturbina által leadott teljesítmény A gázturbinából kilép magas t4 h mérséklet , közel légköri nyomású füstgáz h jének egy részét ezután g ztermelésre használjuk a h hasznosító kazánban, melyben a véges h átadó felületek miatt a h hasznosítás hatásfoka
h
=
Q& be = Q& k1,GT (1
Q& be GT
) Q& be,GT
alakban írható fel, ahol: Q& be a h hasznosító kazánban g ztermelésre felhasznált h
(1.5)
Tehát a h hasznosítóból kilép irreverzibilitások, ezért a hatásfok
=
göz
g z a g zturbinában expandál. Itt is fellépnek
Pgöz Q&
(1.6)
be
képletb l számítható, ahol: Pgöz a g zturbina által leadott teljesítmény
Ezekb l a képletekb l a kombinált ciklusú er m hatásfoka
G/G
=
PGT + Pgöz = Q&
GT
+ (1
GT
)
h
göz
(1.7)
be ,GT
egyenletb l határozható meg.
1–19. ábra. Egynyomású kombinált gáz/g zer m energiafolyam diagramja (példa). Q Bevitt tüzel teljesítmény V1 Kondenzátor veszteség V3 Sugárzási veszteség a HRSG-ben V4 Veszteség a füstgáz by-pass kéményen V5 Generátor és sugárzási veszteség, a g zturbinánál V6 Generátor és sugárzási veszteség, a gázturbinánál ST G zturbinával el állított elektromos áram GT Gázturbinával el állított elektromos áram
V2 Kémény veszteség
Az 1–19. ábra szemlélteti számunkra az egynyomású, póttüzelés és újrahevítés nélküli, kombinált ciklusú er m energiafolyam diagramját, egy példán keresztül, konkrét értékekkel, a mennyiségek és nagyságrendek érzékeltetése céljából. Az ábrán látható, hogy a legnagyobb veszteség a kondenzátoron keresztül távozik: a bevitt h 28,3 %-a (ezt elkerülni nem lehet, mivel a g zt le kell kondenzáltatni). Majdnem hasonló mérték veszteség (25,2 %) távozik a kéményen keresztül is, aminek els dleges oka az egynyomású g ztermelés. Az össz. veszteség mintegy 55 % ami a kondenzátorban elvont és a kéményen át távozott h mennyiségen kívül egyéb veszteségeket is tartalmaz, melyek összessége 1,5 %, így a blokk ered hatásfoka 45 %-os. Az összes bevitt energia 30,1 %-a hasznosul a gázturbinában és 14,9 % a g zturbinában. Az arányok (2/3 - 1/3) a kombinált ciklusú er m vekben megszokott, tipikus értékek, ebb l is látszik, hogy a gázturbinának mennyivel nagyobb hatása van az egész rendszer hatásfokára. Hasonló hatásfokú, egynyomású kombinált ciklusú er m vi blokk Magyarországon pl. a Dunamenti Er m ben található. A Dunamenti G1+G2 blokkokban 145 MW névleges teljesítmény Siemens gázturbinák üzemelnek (a korábban épített G1 blokk HRSG egynyomású, hatásfoka így a mai szemmel szerénynek mondható 46 % körüli érték).
5. Er m vi gázturbinák A g zturbinákkal ellentétben, ahol több, az el írt teljesítményhez hasonló kapacitású g zturbinát tudnak ajánlani a gyártók, a gázturbinákat csak meghatározott méretben, ahhoz tartozó teljesítménnyel, szabványos kondíciók mellett (15 °C, 1.013 bar és 60 % relatív páratartalom) választhatunk. Választható gázturbina típusok és tulajdonságaik [11]: Aeroderivatív: •
Teljesítményük korlátozott, maximum 40 MW, kombinált ciklus esetén ez mintegy 55÷60 MW.
•
Magas gázh mérséklet (1200÷1300 °C); nagy nyomásviszony; magas termikus hatásfok, akár 42 %.
•
Könny , kicsi, kompakt egységek; akár 2 napon belül is cserélhet .
Hagyományos gázturbinák: •
Hosszútávú üzemeltetési tapasztalatok továbbfejlesztett gázturbinák.
•
Szerényebb gázh mérséklet (1100 °C körüli), alacsonyabb termikus hatásfok.
•
Általában nagyobb rugalmasság a tüzel anyagok tekintetében.
•
Teljesítmény 60 Hz esetén kb. 110 MW, 50 Hz-es berendezésnél mintegy 160 MW; kombinált ciklusban ~180÷240 MW.
Fejlett nagyteljesítmény gázturbinák:
felhasználásával
kifejlesztett
és
•
Magasabb frekvencia esetén (60 Hz) 200 MW körüli a teljesítmény, 50 Hz esetén már van 310 MW, ill. még nagyobb teljesítmény gázturbina is. Kombinált ciklusba kapcsolva a kiadható teljesítmény 300÷530 MW.
•
A magas gázh mérsékletnek (1300 °C) és nagy nyomásviszonynak (20÷30) köszönhet en, a gázturbina hatásfoka 39 %, kombinált ciklusú er m ben akár 60 % is lehet.
•
A magas kilépési h mérséklet (630 °C) és a viszonylag nagy szállított tömegáram (640 kg/s) gazdaságos és jó hatásfokú g zkörfolyamatot eredményez.
5.1 A gázturbinák fejl dése Az er m vi gázturbinák hosszú id alatt, sokirányú fejlesztés eredményeként alakultak ki. A gázturbina belépési h mérsékletének növelése és az ezt el segít kutatások eredményei tették lehet vé a kombinált ciklusú er m vek versenyképessé válását az energetikai iparban. Párhuzamosan a turbinákkal, a kompresszorokat is fejlesztették és ennek eredményeként, napjainkra a szállítható tömegáram az 1950-es években megszokott többszörösére n tt, valamint a modern kompresszorok nyomásviszonya a 30-at is meghaladja. A turbina el tti h mérséklet és szállított tömeg növekedésének tendenciája az 1950÷90-es évekig bezárólag az 1–20. ábrán látható (a tendencia az ezredfordulóig fennmaradt).
1–20. ábra. Turbina el tti h mérséklet és a szállított tömegáram növekedés 1950÷1990 között [11].
5.2 Kezd h mérséklet növelés hatásai A gázturbina el tti h mérséklet (környezeti leveg ) nagyban befolyásolja a valóságos gázturbina körfolyamattal és kombinált ciklussal elérhet hatásfokot és teljesít -képességet [7]. Az 1–21. ábrán látható a kezd h mérséklet és nyomásviszony függvényében a gázturbina körfolyamat valóságos hatásfokának változása. A kompresszióviszonynak minden egyes gázh mérséklet esetén optimuma van. Mind a fajlagos teljesítmény mind a hatásfok nagymértékben növekszik a T3 turbina el tti h mérséklet növelésével és a hozzá tartozó optimális hatásfokkal.
a,
b,
1–21. ábra. Nyomásviszony és kezd h mérséklet hatása a valóságos gázturbina körfolyamat a, fajlagos teljesítményére és b, hatásfokára. Ahogy a diagrammokon látható, a két optimum (a hatásfok és az energias r ség) nem esik egybe. Mivel az energias r ségre való optimalizálás megegyezik a kombinált ciklusú er m vek optimumával, ezért az új típusú gázturbinákat így tervezik. Az optimális nyomásviszony számításához szükséges képletet úgy kaphatjuk meg, hogy a gázturbina hasznos teljesítmény képletét a nyomásviszony szerint deriváljuk, nullával egyenl vé tesszük, majd kifejezzük a [-t. A valóságos gázturbina folyamatnál az optimális nyomásviszony (a nyomásveszteséget elhanyagolva) a következ
1
g
opt
=
c pg
g
c pl
1
l
1 1 +
g
adK
adT
T3 T1
1
l
g
l
(1.8)
l
összefüggésb l határozható meg [10], ahol c pg
magas h mérséklet füstgáz fajh je
c pl
környezeti h mérséklet leveg fajh je
g
füstgáz adiabatikus kitev
l
leveg adiabatikus kitev
adK
kompresszor adiabatikus hatásfok
adT
turbina adiabatikus hatásfok
T3
turbina el tti h mérséklet
T1
kompresszor el tti leveg h mérséklet
Az (1.8) összefüggésb l látható, hogy a valóságos nyomásviszony függ az égéstermék és leveg fajlagos h kapacitás közti különbségt l, a s rítés és az expanzió során az adiabatikus kitev k változásától, kompresszor és turbina adiabatikus hatásfokától, továbbá pontosabb számításnál még a nyomásveszteségt l is. A [optid és [opt valos közötti kapcsolat a nyomásveszteség változásakor az 1–21. ábrán látható.
1–21. ábra. A teljesítmény szempontjából optimális nyomásviszony relatív változása nyomásveszteség hatására. Az 1–5. táblázatban található adatokat felhasználva, különböz gyártók által tervezett gázturbinák teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonyai az el z ekben bemutatott képlet alapján számítható ki. A számítás során a következ adatokat használtam fel, melyeket Dr. Fülöp Zoltán: Gázturbinák c. könyvében olvastam: c pg
= 1,257 kJ/kgK (1400÷1600 K, ^=3,5)
c pl
= 1 kJ/kgK (288 K) 1
g
= 0,227 (1400÷1600 K, ^=3,5)
g
l
= 0,285 (288 K)
adK
= 0,88
adT
= 0,86
T3
turbina el tti h mérséklet
T1
= 288 K
_e
= 0,88
az 1–21. ábrából kinézve a szorzó 1,07
Az Alstom GT26-os gázturbina teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya, az (1.8) képletbe behelyettesítve a fenti adatokat: opt
=
1,257 0,277 1503 0,88 0,86 1 0,285 288
1 0 , 277 + 0 , 285
1,07 = 15,686
(1.9)
A General Electric MS9001FA típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya:
opt
1,257 0,277 1561 = 0,88 0,86 1 0,285 288
1 0 , 277 + 0 , 285
1,07 = 16,89
(1.10)
A Mitsubishi 701F típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya:
opt
1,257 0,277 1623 = 0,88 0,86 1 0,285 288
1 0 , 277 + 0 , 285
1,07 = 18,226
(1.11)
A Siemens SGT5-4000F (régebbi nevén V94.3A) típusú gázturbinájának teljesítményre vonatkoztatott optimális nyomásviszonya:
opt
1,257 0,277 1583 = 0,88 0,86 1 0,285 288
1 0 , 277 + 0 , 285
1,07 = 17,359
(1.12)
A számított optimális nyomásviszonyok alátámasztják azt az állítást, hogy az új típusú gázturbinák teljesítményre optimalizáltak. Az új gázturbináknál jellemz 1200÷1350 °C turbina el tti h mérséklethez 16÷18-as teljesítményre vonatkoztatott nyomásviszony tartozik, optimálisan. A négy gyártó közül az Alstom gázturbinája m ködik magasabb nyomásviszonnyal, közelebb a hatásfok optimumhoz. Ennek oka az lehet, hogy a GT26 gázturbina ún. „soros” tüzelés és ebben az esetben érdemesebb magasabb nyomásviszonyt választani: ezzel csökkenthet a turbina belép h mérséklete, illetve az NOx kibocsátott mennyisége is. Kombinált ciklusba való illesztés esetén nincs jelent sebb különbség a villamos teljesítményre vonatkoztatott hatásfok szempontjából. 5.3 Kezd h mérséklet növelésének lehet ségei és üteme Mint az 1–22. ábrán látható, az 1960÷70-es években ~750 °C volt a gázh mérséklet, majd a fokozatos, több irányú fejlesztések eredményeként 2000-re a nagyteljesítmény (200÷300 MW) gázturbinák esetén elérte az 1300 °C körüli h mérsékletet. A gázh mérséklet T3 növelésének lehet ségei: •
Megfelel anyagok alkalmazása
•
Felületi h tés
•
Zárt g zh tés
•
Keramikus bevonat
Az ötvözés célja a diszlokációk mozgásának megakadályozása, az ún. szuperötvözetek a kezdetek óta nikkel- és kobalt bázisúak. Kezdetben a hagyományos öntvényeket (Conventional Cast-CC), a statisztikusan kristályosodó polikrisztallitokat alkalmazták [7]. Kés bb – szilárdságnövelés céljából – csökkentették a Cr-tartalmat és más ötvöz k (Mo, W, Ta, Nb) mennyiségét növelték meg.
1–22. ábra. Kezd h mérséklet növelésének lehet ségei és id beli változásai CC Hagyományos öntvények Ta Lapátanyagban megengedett h mérséklet BTb Lapátburkolat által áthidalt h mérséklet BTh Lapáth tés
SC Egykristály DS Irányított dermedés T3 Gázh mérséklet
Diszlokációk mozgásának megakadályozásában, megszüntetésében nagy szerepe van a krisztallitok méretének és elrendezésének. Ezért kezdték el alkalmazni az irányított dermedést (Directional Solidification-DS) az öntészetben, valamint az egykristály szerkezetet. A megfelel anyagok alkalmazása ~200 °C-os gázh mérséklet emelkedést tett lehet vé a turbina el tt.
1–23. ábra. Lapáth tés komprimált leveg vel, illetve g zzel.
A lapátok filmh tése, valamint a mostanában alkalmazott zárt rendszer g zh tés további ~300 °C-os fokos emelkedést tett lehet vé mostanáig illetve a jöv ben ezen technológiák fejl dése várhatóan további h mérsékletnövekedést fog lehet vé tenni. Az 1–23. ábrán láthatunk a filmh tés, illetve a g zh tés megoldásaira egy-egy példát. Az 1990-es évek óta alkalmaznak a lapátok felületének bevonására keramikus véd réteget, ami további plusz ~100÷200 °C növelést tett lehet vé a füstgáz illetve a lapát felületi h mérséklete között.
6. A h hasznosító (HRSG) kazánok bemutatása [7] A h hasznosító kazánok feladata a gázturbina füstgáz érzékelhet h jének visszanyerése g z el állításához. Annak érdekében, hogy jó hatásfokot érjünk el a g zoldali részen, viszonylag magas g zparaméterekre van szükség. Legmagasabb hatásfokot akkor érünk el többnyomású HRSG esetén, ha nincs póttüzelés, tehát valamennyi bevitt tüzel anyagot a gázturbinában tüzeljük el. Egynyomású HRSG hatásfokát növeli a póttüzelés alkalmazása. Elvárások egy optimális h hasznosító kazánnal szemben: •
Minél több visszanyert h (magas hatásfok)
•
Alacsony nyomásesés füstgázoldalon (ökölszabály: ~10 mbar nyomáscsökkenés kb. 0,8 % teljesítmény- és hatásfokromlást eredményez).
•
Alacsony h mérsékleti korrózió elkerülése.
•
Nagy nyomásváltozások t rése az indítás során.
6.1 A h hasznosító (HRSG) kazán kialakításai [9] Kétféle h hasznosító kazánszerkezetet alkalmaznak az iparban: a „függ leges” illetve a „vízszintes” elrendezést. A kétféle kialakítást az 1–24. ábrán láthatjuk: a, függ leges b,. vízszintes. A függ leges kialakítású h hasznosító kazán el nyei: •
A szerkezet kihasználja a természetes huzatot, ami fontos a füstgáz hidraulikai ellenállása miatt, ugyanis az csökkenti a gázturbina teljesítményét.
•
Magas füstgázsebesség (15 m/s): jobb füstgázoldali h átadási tényez .
•
Kisebb területigény, mint vízszintes elrendezés esetén.
Hátránya: •
A h cserél felületek vízszintes elrendezése miatt az elg zölögtet csövekben nem alakul ki természetes cirkuláció, ezért nagyteljesítmény keringtet szivattyúkra van szükség.
a,
b, 1–24. ábra. H hasznosító kazán kialakításának lehet ségei, a, függ leges, b, vízszintes elrendezés. A vízszintes kialakítású h hasznosító kazán el nye: •
Természetes áramlás alakulhat ki a függ leges elrendezés h cserél felületek miatt, bár ebben az esetben is lehet alkalmazni keringtet szivattyút (természetesen sokkal kisebb teljesítmény t, mint függ leges esetben).
Hátránya: •
Füstgázoldalon nem alakul ki természetes huzat, ebb l kifolyólag az áramlási ellenállás - változatlan sebesség mellett - megn .
Mint a fentiekb l látható, mindkét elrendezésnek vannak el nyei, illetve hátrányai, ebb l következ en mindkett hasonlóan elterjedt. 6.2 Nyomásszintek összehasonlítása A h hasznosító kazánban a füstgázh visszanyerésének hatásossága attól is függ, hány nyomásszinten történik a g zfejlesztés. Az ideális eset az 1–25. ábrán a, látható, de mivel az evaporáció állandó h mérsékleten megy végbe, a valóságban ez nem valósítható meg. Valóságos egynyomású g ztermeléskor a h átadás az 1–25. ábrán b, látható: ilyenkor az átadható h mennyiség korlátozott, mivel az elg zölögtet felületet elhagyó füstgáz h mérséklete magasabb kell, hogy legyen, mint a fejlesztett telítettg z telítési h mérséklete. Mivel a tápvíz el melegít ben is korlátozott a visszanyerhet h mennyisége, ez magas távozó füstgázh mérsékletet eredményez, így a vártnál alacsonyabb lesz a h visszanyerés hatásfoka. A hátrányok ellenére vannak el nyei is az egynyomású h hasznosító kazánnak: •
kevesebb helyet foglal;
•
kevesebb anyag beépítése szükséges;
•
alacsonyabb üzemeltetési költség.
a,
b, 1–25. ábra. Ideális h átadás a, valóságos h átadás b, egynyomású h hasznosító kazánban. A kombinált ciklus termikus hatásfokát úgy tudjuk növelni, hogy több nyomásszinten állítunk el g zt és/vagy újrahevítést alkalmazunk, ilyenkor a víz-g z oldal jobban illeszkedik a leh l füstgázoldalhoz. A legmodernebb kombinált ciklusú er m veknél 3-nyomású újrahevítéses („3PU”) h hasznosító kazánokat alkalmaznak. Két- illetve háromnyomású h hasznosító kazán, újrahevítés és szuperkritikus g zjellemz k hatását láthatjuk az 1– 26. ábrán, ugyanazon gázturbina után kapcsolva. A diagram x tengelyén a ah h hasznosító kazán termikus hatásfoka látható, míg az y tengelyen az ak g zturbina - h hasznosítóban visszanyert h re vonatkoztatott - hatásfoka található. Balról jobbra, átlósan pedig az aG/G rendszer villamos hatásfokának változása látható, mint paraméter. Az újrahevítés nélküli, kétilletve háromnyomású h hasznosító kazánnal („2P” ill. „3P”) kapjuk a legjobb kazánhatásfokot, de az alacsony g zparaméterek miatt nem lesz túl jó a g zturbina hatásfoka, továbbá az összhatásfok is alacsonyabb lesz, mint a többi esetnél. Újrahevítés („U”) alkalmazásakor a g zparaméterek javulása miatt n ni fog az er m vi összhatásfok is. Háromnyomású újrahevítéses HRSG („3PU”) alkalmazásával további ~1÷2 %-os javulás jelentkezhet az összhatásfokban. 400÷500 MW-os kombinált ciklusú er m veknél egy százalékpontos hatásfokjavulás 15÷20 millió $-ral csökkenti a m ködési költségeket a berendezés élettartama alatt. Az ábra szerint a legjobb er m vi hatásfok akkor érhet el, ha szuperkritikus háromnyomású újrahevítéses HRSG-t („3PUS”) alkalmazunk, de gazdaságossági tanulmányok azt mutatják, hogy az elérhet hatásfokjavulás napjainkban még nincs egyensúlyban a befektetési többlet-költségigénnyel [1]. A háromnyomású g ztermelésre láthatunk egy példát az 1–27. ábrán.
1–26. ábra. H hasznosító g zfejleszt jellemz i.
1–27. ábra. Háromnyomású g ztermelés és újrahevítés T-Q diagramja.
7. Környezeti feltételek hatása a hatásfokra és teljesítményre [11] Mint már említésre került, egy kombinált ciklus m ködését leginkább befolyásoló egység a gázturbina. A gázturbinák esetében – a m ködési elvb l adódóan – a m ködési tartomány nagyon széles (a környezeti állapotok tekintetében), ezzel szemben a g zturbinákat egy viszonylag sz k paraméter-tartományra tervezik és m ködtetik - ideális esetben. Egy gázturbina és/vagy kombinált ciklusú er m tervezésénél és üzemeltetésénél négy f befolyásoló tényez r l beszélhetünk: • • •
küls leveg h mérséklet; légköri nyomás, tengerszint feletti magasság; relatív nedvességtartalom;
•
h tési megoldások/lehet ségek, h t közeg h mérséklete.
7.1 Környezeti leveg h mérséklet változásának hatása Kett alapvet oka van annak, hogy a küls leveg h mérsékletének nagy befolyása van a gázturbina és ezzel a kombinált ciklusú er m leadott teljesítményére és hatásfokára: •
A h mérséklet növekedésével csökken a s r ség, azaz változatlan térfogatáramot feltételezve nagymértékben redukálódik a szállítható tömegáram.
•
H mérséklet növekedésével n a kompresszor által felhasznált fajlagos teljesítmény, miközben nincs jelent sebb teljesítményváltozás a turbina oldalon (a T3 h mérséklet általában állandó, szabályozott érték).
Az 1–28. ábrán látható a gázturbina és kombinált ciklusú er m relatív hatásfoka a környezeti h mérséklet függvényében, változatlan egyéb paraméterek esetén. Ahogy az ábra is mutatja, a környezeti h mérséklet növekedése pozitív hatással van a kombinált ciklus hatásfokára, mivel a gázturbina kilép füstgázának magasabb a h mérséklete (a gázturbina lapátokon kevésbe hatékony a munkavégzés, tehát az expanzióvonal vége az ideálistól „jobbra és felfelé” mozdul), ez növeli a g zciklus hatásfokát. Ez a hatásfoknövekedés több, mint ami a gázturbina hatásfok-csökkenése, így összességében a kombinált ciklusú er m hatásfoka n . A g zturbina hatásfokának változása a környezeti h mérséklet függvényében az 1– 29. ábrán látható. Ez az állítás természetesen csak akkor igaz, ha a h t víz h mérsékletét állandónak tekintjük.
1–28. ábra. G zturbina relatív hatásfoka a kombinált ciklusú er m ben, a küls h mérséklet függvényében. (20 °C a h t víz h mérséklete) A kombinált ciklusú er m kiadott teljesítményére mer ben más hatással van a környezeti leveg h mérsékletének megváltozása. Itt a leveg és füstgáz tömegáram csökkenése a dönt .
Az 1–30. ábra szemlélteti a gázturbina és kombinált ciklusú er m teljesítményének változását a környezeti leveg változásának függvényében. Látható, hogy a h mérsékletcsökkenés kisebb hatással van a kombinált ciklusra, mint a gázturbinára (fent említett okok miatt a g zciklus teljesítménye nem csökken arányaiban annyival, mint a gázturbináé).
1–29. ábra. G zturbina relatív hatásfoka a kombinált ciklusú er m ben, a küls h mérséklet függvényében. (20 °C a h t víz h mérséklete)
1–30. ábra. Relatív kiadott teljesítmény gázturbina illetve kombinált ciklusú er m esetén, a küls h mérséklet függvényében. (20 °C a h t víz h mérséklete) 7.2 A légköri nyomás és tengerszint feletti magasság hatása Gázturbinák tervezésénél figyelembe vett légnyomás 1,013 bar(a), ami körülbelül megegyezik a tengerszinten mérhet átlagos környezeti nyomással. A magasság változásával az átlagos légköri nyomás is változik, ami hatással lehet a gázturbinára és ezen keresztül a kombinált ciklusú er m re (igazán számottev azonban a sugárhajtású repül gépek esetében: ~10.000 m magasságban a nyomás már csak mintegy harmada a tengerszintinek). A gázturbina hatásfokára a légnyomás változása (azonos környezeti h mérséklet mellett) nincs különösebb hatással. A kiadott teljesítményt viszont befolyásolja a kompresszor által beszívott tömegáram, ami arányos a légköri nyomással, azaz hatással van a füstgáz tömegáramára. Így közvetve a légköri nyomás arányban áll a füstgáz által átadható h mennyiségre. Amennyiben elfogadjuk azt a szakirodalmi feltevést, hogy a g zfolyamat hatásfokának változása zéró [4], az azt eredményezi, hogy a g zturbina teljesítményére is hasonló hatással van a légköri nyomásváltozás, mint a gázturbinánál. Tehát a kombinált ciklusú er m nél a légköri nyomásváltozás nem befolyásolja a hatásfokot, de a kiadott teljesítmény arányosan változik. Az 1–31. ábrán kerül bemutatásra a relatív teljesítmény és a relatív légnyomás változása, a tengerszint feletti magasság változásának függvényében.
1–31. ábra. Relatív kiadott teljesítmény és relatív légnyomás változása a tengerszint feletti magasság függvényében.
7.3 Relatív nedvességtartalom (RH) hatása A relatív nedvességtartalom növekedésével a gázturbina és kombinált ciklusú er m teljesítménye és hatásfoka kis mértékben növekszik, amennyiben más környezeti paraméter nem változik, ahogy ez az 1–32. ábrán is látható. A javulás elméletileg annak köszönhet , hogy magasabb relatív páratartalom esetén a bevitt „plusz” nedvesség entalpiáját a gázturbina hasznosítja, továbbá a füstgázból visszanyerhet energia is valamelyest növekszik. Ezt a hatást némiképp ellensúlyozza a kilép füstgáz nagyobb nedvességtartalom okozta veszteségnövekedése. A gyakorlatban azonban igen nehezen érhet tetten ez a jelenség, mivel az ábrán látható széles RH-tartomány egy adott helyszínen ritkán tapasztalható.
1–32. ábra. Relatív kiadott teljesítmény és hatásfok alakulása a relatív nedvességtartalom függvényében. 7.4 H t rendszerek, h t közegek A h t rendszer f feladata a g zturbinából kilép , munkát végzett g z lekondenzálása ill. a kondenzációs h elvonása (ezen felül h t vízzel kell ellátni némely segédberendezéseket is, mint pl. generátor körlégh t k, olajh t k stb.). Minél alacsonyabb a h t közeg h mérséklete, annál alacsonyabb kondenzátornyomást lehet elérni. Alapvet en háromféle h t rendszert alkalmaznak az energiaiparban, attól függ en, milyen h t közeg áll rendelkezésre: •
frissvízh tés;
•
nedves h t torony;
•
száraz h t torony.
1–33. ábra. Kondenzátornyomás a h t közeg h mérsékletének függvényében, száraz h t torony, nedves h t torony és frissvízh tés esetén. (RH: 60 %) Kalorikus szempontból legjobb eset, ha frissvízh tést alkalmazunk, ennek feltétele az, hogy az er m közelében legyen b viz folyó vagy nagykiterjedés víz (tó és/vagy tenger). Ha ez nem lehetséges, akkor a nedves torony a következ lehet ség, de különleges esetben szóbajöhet még egy megoldás: a száraztornyos. A folyók és nagy kiterjedés vizek átlagos h mérséklete szinte mindig alacsonyabb, mint a környezeti leveg h mérséklete. Ahogy az 1– 33. ábrán is látható, a legalacsonyabb kondenzációs nyomást frissvízh tés esetén lehet elérni. Alacsonyabb kondenzátornyomás esetén a g zkörfolyamat hatásfoka magasabb, köszönhet en a nagyobb entalpiacsökkenésnek („hosszabb” expanzióvonal): az 1–34. ábrán látható a kondenzátornyomás függvényében a relatív hatásfok, 0,03 bar(a) vákuum környezetében „1” az érték. Az 1–34. ábrán a, kondenzátornyomás hatását látjuk a g zturbina teljesítményére egy-, kett - és háromnyomású h hasznosító kazán esetén: hasonló trend figyelhet meg itt is, azaz alacsonyabb kondenzátornyomással nagyobb teljesítményt lehet elérni, azonos körülmények között.
a,
b, 1–34. ábra. a, Kiadott teljesítmény egy-, kett - illetve háromnyomású kombinált ciklusú er m esetén kondenzátornyomás függvényében. b, Relatív teljesítmény változása a kondenzátornyomás függvényében. A h t víz és környezet h mérsékletének hatása figyelhet meg egyszerre az 1–35. ábrán, ami teljes mértékben igazolja a fentebb leírtakat.
1–35. ábra. Relatív teljesítmény és -hatásfok változása kombinált ciklusú er m esetén a környezeti leveg és h t víz h mérséklet függvényében.
8. Fejlett 400 MW-os kombinált ciklusú er m vi blokkok A korszer kombinált ciklusú er m vek teljesítmény, hatásfok és egyéb fontosabb adatai az 1–5. táblázatban láthatóak. Az „újépítés ” kombinált ciklusú er m vek mind háromnyomású és újrahevítéses („3PU”) h hasznosító kazánnal épülnek, ezzel igen jó, 58 % körüli hatásfokot tudnak elérni. Valamennyi gyártó modern, nagy teljesítmény gázturbinájának hatásfoka magas, továbbá a fejlett t ztereknek köszönhet en a károsanyag kibocsátás is alacsony. Egytengely elrendezés látható az 1–36. ábrán, melynek az el nye, hogy a gázturbina, a generátor és a g zturbina egy tengelyre van kapcsolva, így csökkenthet k a beruházási költségek.
1–36. ábra. Fejlett 400 MW-os kombinált ciklusú er m vi blokk, „egytengely ” elrendezéssel
Alstom
GE
Mitsubishi
Siemens
Gázturbina típusa
GT26
MS9001FA
701F
SGT54000F
Kombinált blokk jele
KA-26-1
S109FA
268,8/281*
255,6
270
278
32:1
17:1
17:1
17:1
22
17
15
15
Adatok
Gázturbina nettó teljesítménye
M.egys.
[MW]
Nyomásviszony Kompresszor fokozatszám
SCC54000F (V94.3A)
Turbina belép h mérséklet
[°C]
1230
1288
1350
1310
Turbinából kilép h mérséklet
[°C]
620
602
586
562
Fajlagos h fogyasztás
[kJ/kWh]
9398
9757
9420
9412
Füstgáz tömegáram
[kg/s]
620
641
650
640
NOx kibocsátás
[ppm]
<25
<25
<25
<25
30/24
14
[%]
37,9/39,2*
35,7
37,5
37
[MW]
410,3
390,8
397,7
419
[kJ/kWh]
6228
6350
6317
6239
[%]
57,8
56,7
57
58,4
[$/kW]
360
354
348
348
Ég k száma Gázturbina hatásfoka Kombi blokk nettó teljesítménye A blokk fajlagos h fogyasztás A blokk nettó hatásfoka Fajlagos beruházási költség
24
*12 MW közvetve a g zturbinán adódik le, a komprimált leveg b l el állított g zb l.
1–5. táblázat. Modern 400 MW-os kombinált ciklusú er m vek és gázturbinák, különböz gyártóktól.
Irodalomjegyzék 1. David L. Chase: Combined-Cycle Development and Future. GE Power System, Schenectady, NY, 2001 2. Dr. Mehervan P: Boyce: Handbook for cogeneration and combined cycle power plant. New York, ASME Press, 2001 3. Bihari Péter: M(szaki termodinamika. Kézirat, Budapest, 2001 4. Bihari Péter: Er&m(vek. Kézirat, Budapest, 2002 5. Dr. Fatih Birol: World Energy Outlook. Economic Analysis Division 2002 6. Dr. Büki Gergely: Gázturbinák a g&zer&m(vek megújításában. Magyar Energetika, 2002. március, pp 3-9 7. Dr. Büki Gergely: Er&m(vek. M egyetem Kiadó, Budapest, 2004 8. Dr. Büki Gergely: Energiaátalakítás, gáz-g&zer&m(vek. Akadémia Kiadó, Budapest, 2000 9. Dr. Cinkóczky Botond, Dr. Penninger Antal: Összekapcsolt gáz-g&zturbinák. Tantárgyi jegyzet, Budapest, 2004 10. Dr. Fülöp Zoltán: Gázturbinák. M szaki Könyvkiadó, Budapest, 1975 11. Rolf Kehlhofer: Combined cycle gas & steam turbine power plants. The Fairmont press, Inc, Lilburn 1991 12. H. Kotschenreuther et°al: Improvement of output and Efficiency of Coal-fired Plants by Cost-effective Repowering Concepts. VGB PowerTech, 2001. május, pp 67-70 13. R. G. Narula: Salient design considerations for an ideal combined cycles power plant. Heat recovery systems & CHP, 1995 Február, Nu. 2, Volume 15, pp 94-104 14. S. Rajaram: HRSGs for combined cycle power plantst. Heat recovery systems & CHP, 1995 Február, Nu. 2, Volume 15, pp 155-161 15. A. V. Scsegljajev: G&zturbinák. M szaki Könyvkiadó, Budapest, 1979
