Összekapcsolt gáz-és gőzturbinák (Gáz-gőz kombiciklusok) Választható tantárgy jegyzete és segédlete a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karának Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszékén
Összeállította:
Dr. Czinkóczky Botond ny. egyetemi docens Dr. Penninger Antal tanszékvezető egyetemi tanár
Budapest, 2004.
Tartalomjegyzék 1. Ajánlott és választható opciók 2. A maximális lehetőségek kapcsolása 3. Egytengelyű „energiavonat” elrendezés 4. Egy-két-három nyomásszintű gőztermelés 5. A vízszintes és függőleges kazánszerkezet sajátosságai 6. Újrahevítés indokai és megoldásai 7. Póttüzelés lehetősége és megoldásai 8. Gáztalanítás megoldásai 9. Alternatív tüzelés szempontjai 10. Földgázellátás, víz-és gőz befecskendezés 11. Maxi, midi és mini gázturbinák alkalmazása Kombiciklusú fűtőerőművek: 12. Kelenföldi Hőerőmű; Újpesti hőerőmű; Kispesti fűtőerőmű 13. Csepel II fűtőerőmű 14. Debreceni fűtőerőmű 15. Dorogi fűtőerőmű 16. Simmering fűtőerőmű (Bécs) 17. Drezdai fűtőerőmű Kombiciklusú alaperőművek: 18. Dunamenti G1+G2 kombiblokk 19. Thzakya alaperőmű (Törökország) 20. Rheinhafen alaperőmű kombiblokk (Németország) 21. Aeroderivatív kogeneráció (ipari Trent) 22. Gázmotoros kombiciklusok 23. A kogeneráció költségviszonyai 24. Gázturbinás tender értékelése 25. Hőszivattyús trigeneráció 26. Cheng-ciklus Függelék
2
1. Ajánlott és választható opciók Kombinált gáz-gőz folyamatban (ciklusban): - a gőzciklus lehet: - egynyomású - kétnyomású - három nyomású - újrahevítéses - újrahevítés nélküli ajánlott a háromnyomásos és az újrahevítéses gőzciklus - a hőhasznosító kazán lehet: - vízszintes tengelyű - függőleges (toronykazán) - póttüzeléses - póttüzelés nélküli ajánlott a vízszintes tengelyű póttüzelés nélküli hőhasznosító - a gáztalanítás történhet: - a kondenzátorban - vákuum gáztalanítóban (0,25 bar) - atmoszférikus gáztalanítóban (1,2 bar) ajánlott a vákuum gáztalanító - a tüzelőanyag lehet: - földgáz - kén és vanádiummentes kőolaj ajánlott elsősorban a földgáz, de az alternatív tüzelőanyag is követelmény - a kondenzátor lehet: - egyhuzamú (friss) vízhűtésű - léghűtésű - permetezett (evaporatív) kondenzátor ajánlott az egyhuzamú (friss) vízhűtésű kondenzátor Mivel mindenminden rovat minden sora kombinálható minden más rovat minden sorával, nagyon sokféle változat jöhet létre.
3
2. A maximális lehetőségek kapcsolása A kondenzációs kombiblokk lehető legjobb hatásfoka 60% körül van, a veszteség tehát 40%, ebből mintegy 10%-ot tesz ki a füstgáz kilépő hővesztesége és 30%-ot a kondenzátorban elvont veszteséghő. Ennek feltételei: - három nyomásszintű gőztermelés - újrahevítés alkalmazása - vízszintes kazánszerkezet (keringető szivattyú nélkül) - kondenzációs kazán alkalmazása (földgáztüzelésnél) - vákuum gáztalanítóban (vagy kondenzátorban) alkalmazott gáztalanítás A felsorolt feltételeknek legalább 3 részes (házas) gőzturbina szerkezet felel meg. További hatásfokjavítás a 30% kondenzátor veszteséghő fűtőturbinával történő megszüntetésével (hasznos fűtési hőként való értékesítésével) fűtő kombiblokkban lehetséges 88%-os hatásfokig. Ezért a távhőpiac igen értékes a kombiblokkok telepítésénél. A
legjobb
hatásfokot
nyújtó
hőkapcsolás
összeköthető
a
legköltségtakarékosabb elrendezéssel, az egytengelyű energiavonat elve szerint. Az újrahevítés nemcsak a gőzciklusban, hanem a gázciklusban is alkalmazható a hatásfok növelésére (pl.: ABB GT-26 típusú gázturbina) A legegyszerűbb legolcsóbb kombiciklus kombinációk is jelentős, 10%-ot meghaladó hatásfokjavulást eredményeznek az eredeti gáz-vagy gőzciklushoz képest, ezért általános lett a kombiciklusok alkalmazása.
4
5
3. Egytengelyű „energiavonat” elrendezés A kombiciklus korszerű elrendezése, jelentős megtakarításra vezet (ABB cég). Lényege, hogy az egyetlen közös generátort a gázturbina merev tengelykapcsolóval állandóan hajtja, a másik oldalról a gőzturbina pedig egy önműködően oldódó-lehúzó „szinkron” tengelykapcsolóval pedig csak akkor hajtja, ha fordulatszáma eléri a gépcsoport szinkron fordulatszámát. Előnyei: - nem kell külön generátor a gőzturbinához - nem kell felmagasított (turbinaasztal) vasbeton gépalap, mert a kondenzátor a gőzturbina alól átkerül a gépcsoport végére és nem kell külön indító kazán, ami akkor kellene, ha a gőzturbina együtt indulna a gázturbinával Az első szinkron tengelykapcsoló 290MW teljesítménnyel 1976 óta üzemel, nagyobb számban 7-8 fejlődő országokba (Brazília, Törökország stb.) került, a fejlett országokba a piac terheltsége miatt kevés került. Eredetileg levegő tárolós gázturbinás csúcserőműben alkalmazták, később az elvételes-kondenzációs fűtőturbinák fűtő farokrészét kapcsolták ezzel a generátor másik oldalára, újabban az egytengelyű kombiciklusoknál kerülnek alkalmazásra, nálunk a Debreceni Fűtőerőműben.
6
7
4. Az egy-két-három nyomásszintű gőztermelés Egynyomású gőztermelés nagyon előnytelen, ilyen kondenzációs kombi hatásfoka alacsony, 46% körüli. Alkalmazzák gyűjtősínes erőműben (Kelenföld) és ipari gőzszolgáltatásnál (Dunamenti G1). Jellemzői a füstgázoldali és vízoldali nagy hőmérséklet különbség és emiatt
a
minimális
hőhasznosító kazánméret. A hőcserélő
felület
vízhevítőből, elgőzölögtetőből és túlhevítőből áll ilyen sorrendben a kilépő felől. A kétnyomású gőztermelés már előnyösebb, ilyen kondenzációs kombiblokk hatásfoka 54% körüli. Általánosan alkalmazzák alap-és fűtőerőművekben (pl.: Dunamenti G2, Csepel II, Debrecen stb.). A füstgáz és vízoldali hőmérséklet különbség csökken, a hőhasznosító felülete növekszik. A hármas felületi tagolódás nyomásszintenként megmarad, de a természetes sorrend módosulhat. Pl.: előretolt kisnyomású túlhevítővel a nagynyomású elgőzölögtető után, hogy biztosítva legyen mindenhol a megfelelő hőáramlást adó hőmérséklet különbség és annak a minimális értéke (pinch point ~10°C). A
három
nyomásszintű
gőztermelés
a
legelőnyösebb,
ezzel
a
kondenzációs kombiblokk hatásfoka 58-60%-ig is növelhető. A füstgőz és vízoldali hőfokkülönbség itt a legkisebb, a hőhasznosító felülete pedig a legnagyobb, hőkapcsolása a három pinch point biztosítása miatt a legbonyolultabb. Erőművekben ilyen megoldás erőművekben még nem fordult elő.
8
9
10
11
5. A vízszintes és függőleges kazánszerkezet sajátosságai Mindkét hőhasznosító kazánszerkezet elterjedt. Nálunk gyakoribb a toronykazán, ritkább a vízszintes (pl.: Debrecen). A piacvezető GE cég a vízszintes kazánt ajánlja, ennek ellenére gyakoribb a toronykazán. A toronykazán előnyei: - A szerkezet kihasználja a természetes huzatot (∆p=H(γfüst- γlevegő), ahol H a kazán magassága , γ a közeg fajsúlya), ami lényeges a kazán füstgázhozam hidraulikai ellenállása szempontjából, ami a gázturbina teljesítményét csökkenti. - A füstgázoldali gázsebességek 15 m/s körüli értékek - A huzat kihasználásával egy egynyomású toronykazán hidraulikai ellenállása 32 mbar (Dunamenti G1 blokk) A toronykazán hátránya: - A vízszintes csőkígyókon vízoldalon nem alakul ki természetes cirkuláció, ezért telített vízre mélyre telepített nagyteljesítményű keringető szivattyú kell. A vízszintes kazán előnyei: - A függőleges csőkígyókban kialakul a természetes cirkuláció, külön keringető szivattyú nem kell. A vízszintes kazán hátrányai: - Füstgáz oldalon természetes huzat nem alakul ki, ezért füstgázoldali hidraulikai ellenállása változatlan gázsebesség mellett a toronykazánhoz képest megnő. Az előnyök és hátrányok kölcsönösen kiegyenlítik egymást, ezért mindkét kazánszerkezet elterjedt.
12
13
14
6. Újrahevítés indokai és megoldásai Újrahevítés nélkül póttüzelés nélküli kondenzációs kombiciklusban a maximálisan megengedhető 12% kilépő víztartalom mellett 480-500°C frissgőzhőmérsékletnél max. 60bar frissgőznyomás lehetséges. Ez esetben is egy 5 bar belépő nyomású kisnyomású turbinarész expanziójának 80%-a telítet mezőbe esik, az erózió és vízfékezés hasonló lesz mint a telített gőzös atom turbináknál. 480°C-os újrahevítés esetén már 80÷100bar frissgőznyomás is alkalmazható, ez esetben a kilépő víztartalom 6%-ra csökken és a kisnyomású expanzió zöme a túlhevített mezőbe esik, az erózió és vízfékezés jelentősen csökken . Az újrahevítő a gázturbina után következik. Közbenső megoldás is lehetséges 250°C-ra történő újrahevítéssel egy 5bar nyomású kisnyomású ház előtt. Ez esetben a végnedvesség 10% a 480°C 80bar frissgőzállapot mellett. Ez a közbenső újrahevítés a gázturbina hűtőlevegőjével történik Előnye, hogy nemcsak a gőzoldali viszonyok javulnak, hanem a gázturbina hűtése is hatékonyabbá válik, mert a
350-450°C-ra kompenzált
hűtőlevegő jelentősen visszahűl. A
gőzciklusban
újrahevítés
ajánlott
és
indokolt,
vagy
a
frissgőzhőmérsékletre, de legalább a hűtőlevegő által elérhető közbenső hőmérsékletre.
15
16
17
7. Póttüzelés lehetősége és megoldásai: A gázturbinák kilépő füstgázának O2 tartalma kb. 15 térfogat % (levegőben 21%) Legfeljebb 2 fokozatú póttüzelés végezhető az első fokozatban az O2 tartalom 12%-ig 3%-al csökkenthető. Mivel a gázturbinában a csökkenés 6%, ezért ebben a fokozatban fele akkora hőközlés érhető el, mint a gázturbinában. A póttüzelés véghőfoka 650-750°C ez az a szint, ami alatt a hőhasznosító kazán szerkezete egyszerűbb és könnyebb, mint a besugárzott tűzterű kazánoké. A póttüzelés égői a füstgáz teljes keresztmetszetben elhelyezkedett csatornaégők. Az első fokozati póttüzeléssel gőztermelést (túlhevítés vagy újrahevítés) valósítanak meg. A második fokozatú póttüzelés legalább 12 %-a O2 tartalomnál kezdődik (a gyújthatóság miatt) és legfeljebb 3% O2 tartalomig tart. A póttüzelés működhet üzemszerűen és úgy is, mint tartalék hőteljesítmény, egyes fűtőegységek kiesése esetén tartalék kazánkapacitást jelent. Kondenzációs kombiciklusnál rontja a hatásfokot, mivel az elvont hőteljesítményt növeli. Fűtő kombiciklusnál ahol nincs kondenzátor a hatásfok romlás jóval mérsékeltebb.
18
8. Gáztalanítás megoldásai A gőzciklus korróziómentes tápvízellátásnak a birtokában ajánlott a 0,25bar nyomású vákuum gáztalanítás 60°C körüli telítési hőmérséklettel, mivel ezzel a tápvízhőmérséklettel hűthető le a gáztüzelésű füstgáz a harmatpont feletti 110°C környékére. Ez nálunk nem használatos. Nálunk az atmoszférikus (1,2 bar, 105°C) és túlnyomásos (6÷7 bar) gáztalanítás szokásos, de még a 105°C-os tápvízzel sem érhető el a 110°C körüli füstgáz kilépő hőmérséklet, ehhez a gáztalanított 105°C-os tápvizet a hideg pótvízzel víz-víz hőcserélőben 60÷70°C-ra vissza kell hűteni és így kerülhet a hőhasznosítókba. A hőcserélő így felesleges és káros, de a rendszer csak így működhet. A felesleges hőcserélővel való visszahűtés úgy kerülhető el, hogy gáztüzelés esetén 40°C-on kondenzátorban gáztalanítunk (vákuum gáztalanítás) és ezzel a tápvízzel lépünk be a hőhasznosítóba. Gázolaj tüzelés esetén viszont a tápvizet a kondenzátor után kisnyomású elmelegítőben csapolt gőzzel előmelegítjük, majd atmoszférikus
gáztalanítóban
gáztalanítjuk
és
105°C-on
vezetjük
a
hőhasznosítókba, amivel biztosítható az olajtüzelésnél szokásos 140-150°C-os kilépő füstgáz hőmérséklet.
19
9. Alternatív tüzelés szempontjai: Gáztüzelésnél a harmatpont feletti kilépő füstgáz hőmérséklet min. 018÷110°C, kondenzációs kazánoknál a harmatpont alatti 90÷95°C is lehetséges, ez esetben a párolgáshő is hasznosul, a gáznak nem a fűtőértéke, hanem égéshője hasznosul. Az NOx tartalom megengedett értéke általában 50ppm (milliomod rész) alatt, újabban 25ppm alatt, de működő egységeknél előfordul 80ppm is gőzbefecskendezés mellett. Olajtüzelés kén és vanádium mentes minőségi gázolajjal lehetséges a korrózió elkerülése. Harmatpont feletti kilépő hőmérséklet 140°C körül van. Kondenzációs kazán nem lehetséges. A füst korom és kokszmentes legyen, nehogy elszennyezze a kazán mikrobarázdás csőfelületét. E feltételekkel legjobban a kerámia lapkával bélelt tűztér biztosítja (Siemens), ahol a visszavert hősugárzás hatására a nyomás porlasztott olajköd tökéletesen elgőzölög és kiég. Olajtüzelés tartalék üzemanyag a hazai adórendszer mellett rendkívül drága, alkalmazását kerülik. A korábbi generációs gázturbináink (Kelenföld Fiat TG-25, Inota LMZ 100MW) csak olajtüzelésűek voltak, a kisebb élettartamuk (kb. 30000 óra), hatásfokuk (27% körül) és a drága üzemanyag miatt hideg tartalékba szorultak, majd selejtezésre kerültek. A korszerű gázturbina mind földgáz-olaj alternatív tüzelésűek, de gyakorlatilag a földgáz szinte kizárólagos. A földgáz rendelkezésre állását a teljesítmény lekötési díjban kell megfizetni.
20
10. Földgázellátás, víz és gőzbefecskendezés: A gázturbinákhoz a tűztéri nyomás kétszeresének megfelelő nyomású földgázhálózat kell. Ez adja a hangsebességet létesítő Laval-nyomásviszonyt, ami jó szabályozhatóság érdekében kell. A tüzelőanyag szelepen maximális (hang)sebesség kell. Ugyancsak Laval nyomásviszony kell a tűztéri vízgőz befecskendezéshez (nedves NOx csökkentés). Korszerű gázturbinák 30÷35-ös nyomásviszonyához 70bar nyomású gázhálózat kell, ami nem vezethető lakott környezetben. Ez telepítési korlátot jelent. Elégetlen hálózati nyomásszint esetén helyi földgáz kompresszor kell, ami megnöveli a költséget és az ónfogyasztást. Városi telepítésnél 25bar nyomású hálózat az, ami elérhető, ami 12-es tűztéri nyomásig megfelelő, mellyel 32-33%-os hatásfokú gázturbinák láthatók el. A nedves NOx csökkenthető módszereknél legolcsóbb és leghatékonyabb az ioncserélt vízbefecskendezés. A
gőzbefecskendezés
főleg
kombiciklusnál
lehetséges
a
saját
hőhasznosító kazánból Laval nyomásviszony mellett. Szokásos érték a tüzelőanyag tömegáram 1-2szerese. A gőzbefecskendezés részleges Cheng ciklust valósít meg. A földgáz tömegáram a levegő tömegáram kb. 2%-a, a gőzbefecskendezés 2-4%, a Cheng ciklusnál a gőzbefecskendezés 15%-ig elmehet. Energetikailag kondenzációs kombiciklusnál előnyösebb befecskendezés helyett a gőzt a gőzturbinában használni a sokkal nagyobb nyomáshatások miatt.
21
11. Maxi midi és mini gázturbinák és hőszivattyúk alkalmazása fűtőerőművekben: Adva van a távhőkörzet hőigényének évi tartamdiagramja az ipari gőzigénnyel együtt (Pl.: Kelenföld csúcsban 600 MW, nyáron 90 MW összes hőteljesítmény). Kombi ciklusú energiatermelésnél az a logikus törekvés, hogy a hőigény tartamdiagram minél nagyobb területét lefedjük a gázturbinából kiadott (hulladék) hővel, a legnagyobb ellátott hőterület a kogeneráció legnagyobb részarányát eredményezi. Az adott példában maxi gázturbinák azt a kb. 130-150 MW-os gázturbinát tekinthetjük, melynek 250 MW-os hőteljesítményű hőhasznosító kazánja által a tartamdiagramba rajzolható négyszög 4000h/év kihasználási óraszámot eredményez. Az ilyen nagy gázturbina nyáron nem működhet, mert a kb. 70%-os minimális terhelése is meghaladja a nyári 90 MW-os igény szintet. Ha nyáron is üzemeltethető midi gázturbinát választunk 90 MW-os hőhasznosító hőteljesítménnyel, akkor abból 2 egységet is (esetleg 3-al) alkalmazhatunk. Az ilyen gázturbinák 50 MW teljesítményűek lennének. Végül választhatunk 2-3 olyan mini gázturbinát melynek hőhasznosítói 65 MW hőteljesítményűek és a nyári 90 MW-os igényeket csak egy 25 MW hőteljesítményű hőszivattyúval együtt képesek kiegészíteni. Ezek a gázturbinák 30 MW-osak lennének. A hőszivattyú környezeti hulladékhőt is felhasznál a fűtéshez, illetve adódik a minimális tüzelés. Gazdasági elemzés mellékelve.
22
Maxi változat: Legnagyobb gázturbina a téli hőigények zömének az előállítására Midi változat: Közepes gázturbina a nyári hőigények ellátására, 1 vagy 2 egység Mini változat: Minimális gázturbina a nyári hőigényeket is csak póttüzeléssel és hőszivattyú bevonásával látja el, 2 egységet tartalmaz
23
24
Kombiciklusú fűtőerőművek 12. Kelenföldi Hőerőmű - Meglévő kb. 60MW-os gyűjtősínes (43bar, 430°C) gőzerőmű fejelése 130MW-os GE Gőzturbinával és hőhasznosító kazánnal, póttüzelés nélkül. - A meglévő erőmű minden berendezése részévé vált a fejeléssel kialakuló kombiblokknak. - A kelenföldi távhőrendszer téli csúcsban 600MW hőteljesítményű, ebből 380MW fűtés, 220 MW ipari gőz. - A fűtési tartalékot meglévő forróvíz kazánok alkotják váratlan kiesés esetére. - Az egyetlen nagyteljesítményű gázturbinás egység nyáron leáll, nem tartható üzemben, minimális hőteljesítménye is nagyobb a nyári 90MWos igényénél. - A gőztermelés egynyomású, a gyűjtősín paramétereivel. - A 240MW hőteljesítményű hőhasznosító toronykazán fűtési forróvizet és és gőzt termel a gyűjtősínre. - A gázturbina típusa megegyezik a Csepel II. erőművével. - A meglévő gőzturbina park gőzszolgáltató ellennyomású gőzturbinákból és változó ellennyomású fűtőturbinákból áll. - A gázturbina 25bar nyomású földgázt igényelne, Százhalombattáról 40bar nyomáson érkezik a földgáz az erőmű melletti fogadó állomásra, ahol 3MW-os nyomásejtő expanziós turbinákban csökken le a szükséges 25bar-ra. - A BMGE távhőt a Kelenföldi Hőerőműtől (Budapesti Hőerőmű Rt.) kap.
25
A Kelenföldi Erőmű egyszerűsített vázlata az energetikai számításokhoz
Az ábrán követni lehet az energiaáramlást a három csoport között. Az ajánlatnak az i. csoporthoz kell tartoznia.
26
GE gázturbina (Kelenföld, Csepel) – Kelenföldi Hőerőmű gázturbinás bővítése (123MW)
27
Kelenföldi Csepeli gázciklus belső hűtéssel
Levegő és égéstermék T-s (h-s) diagramja 28
29
30
13. Csepel II. Fűtőerőmű - Hivatalosan Csepeli Áramtermelő Kft. - Csepel I. Erőmű volt az első magyar nagynyomású (100bar) és nagyhőmérsékletű (500°C) erőmű. - Csepel II. Erőmű zöldmezős duo kombiblokk
2x130 MW General
Electric gázturbinával és 125MW elvételes-kondenzációs fűtőturbinával, fűtőüzemben 88% hatásfokkal, kondenzációban 58% körüli hatásfokkal, póttüzelés nélkül (a kondenzáció miatt). - A gázturbinák 12 körüli nyomásviszonnyal 1200°C körüli tűztéri hőmérséklettel 32% körüli hatásfokkal üzemelnek. - Távhő körzete Csepel és Pesterzsébet. - NOx tartalom 70-80ppm, csökkentés vízgőz befecskendezéssel, ami a levegő tömegáram 2-4%-a, a földgáz tömegáram 1-2 szerese. - Hatásfoka és teljesítménye alapján alapterhelést vihet. - Két nyomásszintű gőztermelés. - A hőhasznosító kazánok kilépő füstgázhőmérséklete kondenzációs üzemben 114°C, harmatpont feletti érték. - A kompresszorok izentropikus hatásfoka 88% körül, a turbináké 91% körül. - A kombiblokkot a brit Powergen cég építette és az angol trónörökös Károly herceg avatta fel, olyan jelentős létesítmény. - Beruházási költsége 260·106 USD volt, fajlagos beruházási költsége a világszínvonal szerinti érték, 675 USD/kW, ami kombiblokknál szokásos.
31
32
33
34
35
36
37
38
39
14. Debreceni Fűtőerőmű - Új zöldmezős kombi monoblokk 70MW gázturbina, 25MW elvételeskondenzációs fűtőturbina. - Egytengelyű (energiavonat) elrendezés, közös generátorokkal. - Összhatásfoka 70MW fűtőteljesítmény mellet kiváló, 88%. - Az elvételes fűtőturbina kondenzációs farokrészét főleg nyári üzemben léghűtésű kondenzátor hűti. A német GEA cég légkondenzátora vákuum alatti, ellentétben a magyar Heller-forgó rendszer túlnyomásos hőleadó felületeivel. A kondenzátornyomás viszonylag magas, 0,25bar, tehát lényegében segédhűtéssel, szükség kondenzációról van szó. - A hőhasznosító kazán 2 nyomásszintű gőztermeléssel és vízszintes elrendezéssel működik. Az új zöldmezős kombiblokk előtt a Debreceni Fűtőerőmű régi részében forróvíz- és gőzkazánok voltak és a kapcsolt energiatermelést 8MW-os változó
ellennyomású
fűtőturbina
biztosította.
Ehhez
képest
a
70+25=95MW új villamos teljesítőképesség nagyságrendi előrelépés.
40
41
15. Dorogi fűtőerőmű A régi erőmű szenes kazánjait lebontották, helyükre hőhasznosító kazán került, melyet a francia Turbomeka cég 5MW-os helikopter gázturbinájának füstgáza fűt. A Dorog-Esztergom 7km-es távhőrendszert a hőhasznosító gőzével működő régi fűtőturbinák látják el. Igen előnyös a vízbefecskendezés, ehhez teljesen sótalanított, ioncserélt vizet használnak, ami 5-8% többlet teljesítményt eredményez igen olcsón. A gázturbina állandóan üzemel, a nyáron felesleges gőzzel abszorbciós hűtőgépet működtetnek, ami a beszívott levegőt hűti le, ezáltal javítja a gázturbina hatásfokát és növeli a teljesítményét. A gázturbina és generátor konténerben, a kazánház melletti szabadtéren van elhelyezve, bezárt ajtó mellett zajszintje elhanyagolható. Az eredeti helikopter gázturbinának csak a tűzterét és égőit alakították át kerozinról földgáztüzelésre. A régi berendezés elmehet (fűtőturbinákat) tartalmazó
kombiciklus
légi
származású
(aeroderivatív)
kapcsolt
energiatermelést valósít meg. A fűtőerőmű létszámigénye minimális, három műszakban is csak mintegy 20 fő.
42
Dorog+Esztergom 8km távfűtés Dorogi Erőműből 5MW-os Rolls-Royce helikopter gázturbinával.
43
16. Simmering Fűtőerőmű (Bécs) - Tüzelőanyag a gőzkazánnál nehézolaj lepárlási maradvány füstgáz kéntelenítéssel. - Gőzciklus szuperkritikus 1000t/h kényszeráramú Benson-kazán, 370MW elvételes-kondenzációs fűtőturbina, 270MW fűtőteljesítmény. 85/95MWos gáztüzelésű Siemens gázturbina. - Variálható kombiciklus: Lehetséges a gáz-gőz egységek független üzeme, bypass kürtő segítségével. Lehetséges tápvízelőmelegítő hőhasznosítás ez esetben a gőzturbina tápvízelőmelegítő megcsapolásai lezárnak és a kazán tápvízét a gázturbina hőhasznosítója melegíti a két ciklus megfelelő illesztésével. A hatásfok javulást ez estben a gőzturbina megnövekvő teljesítménye eredményezi a tápvízelőmelegítő megcsapolások lezárása miatt. Lehetséges forrószél aláfúvás (hot wind repowering), mikor a gázturbina ~15% O2 tartalmú 500°C körüli hőmérsékletű füstgáza előmelegített égési levegőként van bevezetve a kazánba, a kazán léghevítőjének a kikapcsolásával. Lehetséges e két eljárás kombinációja is. - A füstgáz kéntelenítés mellékterméke a gipsz, ami nagy mennyiségben keletkezik és megduplázza a termelt villamosenergia költségét, ami 1,3 ATS/kWh volt. - A
270MW
fűtőteljesítmény
kiadása
a
tápvízelőmelegítőkkel
párhuzamosan a három alsó megcsapolásból
történik a gőzturbina
kisnyomású házából a felső fokozat fűtése a szabályozott nyomású elvételről megy.
44
45
17. Drezdai Fűtőerőmű - Formatervezett zöldmezős kombiblokk 3×70 MW gázturbinás egységgel (Siemens), kétszeres póttüzeléssel - A 3 egység és a 2 póttüzelés biztosítja a kiesési fűtési tartalékot, az ipari gőzszolgáltatás tartalékát és a hőigények lépcsőzetes kielégítését, úgy, hogy 1 gázturbinás egység nyáron is működhet - A beépített póttüzelés miatt forróvíz kazánra nincs szükség - A megépített bypass kürtők lehetővé teszik a gázturbinák független üzemét - Kazánban széntüzelésű fűtőerőmű üzemelt, itt ebből csak a távhőhálózat maradt meg, minden mást selejteztek, ez ellentéte a Kelenföldi Hőerőműnek, ahol a gázturbinás fejlesztéshez nem selejteztek le semmit, mindent átvettek az új kombiblokkba. - Az új fűtőerőmű áramtermelése jelentősen megnőtt, hőtermelése kissé csökkent az ipari igények csökkenése miatt, viszont a károsanyag kibocsátás (kén és por) 2-3 nagyságrendel csökkent, az egész létesítményt jó kirakata a nyugati technológia magas színvonalának. - Az ipari elvételes-változó ellennyomású fűtőturbina kondenzációs farokrésszel nem rendelkezik, ennek következtében még a két fokozatú póttüzelés sem tudja jelentősen lerontani a hatásfokot, ami 88% körülmarad a póttüzelés mellett, mivel a kilépő füstgázveszteség alig nőhet, kondenzációs veszteség nincs, a póttüzelés miatt jelentősen megnő a kiadott hő.
46
47
48
49
Kombiciklusos alaperőművek 18. Dunamenti G1+G2 kombiblokk - Zöldmezős aszimmetrikus duó kombiblokk 2×145 MW-os Siemens gázturbinával, max 600t/h 17 bar, 340°C-os ipari gőzkiadással a Dunai Finomítónak - G1 blokkban 17 baros egynyomású, gőztermelés 300 t/h, bypass kivezető nincs - G2 blokkban kétnyomásos, 17 és 80 baros gőztermelés, bypass kürtő van, 80 és 17 bar között 23 MW-os nagynyomású ellennyomású gőzturbina, 60 MW-os kisnyomású kondenzációs gőzturbina - Egynyomású erőműrész volt az első ütem, a kétnyomású a befejező, kondenzációban a hatásfok 52% - A hőhasznosítók toronykazánok - Eredetileg tisztán egynyomású kombiblokkot terveztek 46% hatásfokkal a lassan indítható és terhelhető nagynyomású gőzturbina nélkül, ami a csúcserőműként működő Dunamenti Erőműben hátránynak számított - A Siemens gázturbinák barter ügyletben érkeztek, eredetileg léghűtésű Ganz generátorokkal lettek volna ellentételezve, de a prototípus tönkremenetele után hegesztett hőálló lemez szerkezetű tüzelőterekkel törlesztettünk, melyeket a Tiszakécskei Vegyipari Gépgyár gyártott - Újabban a Dunai Finomító csaknem megszüntette az ipari gőzátvételt, így hatalmas gőzfelesleg keletkezik, amit az erőmű igyekszik meglévő tartalék kondenzációs turbináiban feldolgozni
50
51
52
53
54
55
19. Threkya alaperőmű (Törökország) - 1987 óta 1200 MW feletti négy blokkal 300 MW felett - Kondenzációs alaperőmű 50 % feletti hatásfokkal - Heller-Forgó rendszerű légkondenzáció vízszegény felületen - 95 MW-os package rendszerű ABB gázturbinás duóblokk kétnyomású gőztermeléssel - Azóta vannak nagyobb kombi alaperőművek is (Portugália 2000 MW), de ez a legrégebbi. Magyar vonatkozása a léghűtési rendszer mellett, hogy a fejlődő országban a Transzelektro cégen keresztül a magyar energetikai gépgyártás több lehetőséget kapott - Ez az erőmű is beleférne a léghűtési rendszer hűtőtornyába - Az azóta eltelt idő alatt az ottani gázturbina típusok 165 MW-ra, a hasonló duó kombiblokk 500 MW-ra fejlődött, a hasonlóan négy blokkos alaperőmű napjainkban 2000 MW-osként létesülhetne - Az alaperőmű nagy egységteljesítményt és jó hatásfokot feltételez, mert a gazdaságos teherelosztás módszereivel (azonos növekmény, hőfogyasztás, ill. költség) ez biztosítja az alaperőművet jellemző magas kihasználtságot, amit a kondenzációs kombiblokkal is el lehet érni már régóta.
56
57
20. Rheinhafen alaperőművi kombiblokk - Alaperőművi kombi monoblokk 240 MW-os újrahevítéses gázturbinával AAB és 125 MW-os régi kondenzációs gőzturbinával - A korábbi 300 t/h teljesítményű széntüzelésű gőzkazánt lebontották, helyére került a hőhasznosító kondenzációs toronykazán 92°C kilépő füstgáz hőmérséklettel (harmatpont alatt) - A korábbi 100 MW-os kondenzációs turbina teljesítménye 125 MW-ra nőtt,
mert
megszűntek
a
tápvízelőmelegítő
megcsapolások,
sőt
középnyomású gőzbevezetés is történik - A gázturbina hatásfoka 30 bar tűztéri nyomás és 1250°C/1250°C primer és szekunder tűztéri hőmérséklet mellett 38%, a kombiblokké 58% - A nagy egységteljesítmény (365 MW) és jó hatásfok miatt biztosított az alaperőmű működés - A
gázturbinás
fejlődés
kikényszeríttette
a
Ruhr-vidéki
német
szénbányászat leépülését - A gázturbina újrahevítés miatt szokatlanul magas, 610 °C-os kilépő hőmérséklete póttüzelés nélkül is lehetővé teszi a 160 bar, 540°C/540°C frissgőzállapot és visszahevítési hőmérséklet biztosítását - A gázturbina primer és szekunder tűzterei között egyfokozatú, nagynyomású turbinarész található -
A 240 MW hasznos teljesítmény mellet a kompresszor teljesítmény felvételének és a teljes turbinateljesítménynek beszámításával ez a gázturbina teljes belső teljesítménye 1000 MW feletti
58
59
21. Aeroderivatív kogeneráció (ipari Trent) - Az ipari Trent a Rolls-Royce cég három tengelyű, kétáramú sugárhajtóművéből lett erőművi célokra átalakítva a piacbővítés érdekében - Az átalakítás során eltávolították a külső áramkör csőlégcsavarját, helyére két új kompresszorfokozat került, a kisnyomású turbinatengelyt pedig kihajtó tengelycsonkkal meghosszabbították, ez lett a munkaturbina. A kerozin égőket gőzégőkre cserélték - Az ipari Trent nyomásviszonya 35, tűztéri hőmérséklete 1300 °C körüli, hatásfoka 42%, kiemelkedően magas teljesítménye 55 MW körüli erőművi egységnek alkalmas - A nagyon nyomott piac bővítése még ilyen kiváló termékkel is alig sikerül, a kevés megrendelés miatt nehéz pénzügyi helyzetbe került (a költséges fejlesztések miatt) - Korábban nagy piaci sikerük volt a 17 MW-os Avon sugárhajtómű, melyhez generátor hajtáshoz külön kétfokozatú munkaturbina is kellett és hatásfoka is csak 25 % volt, mégis 1000 feletti darabszámot értek el - A kevés megrendelések miatt a meg nem térülő fejlesztések az ágazat legjobb társaságait is (pl.: ABB) nehéz helyzetbe hozták - Az ipari Trent 2 nyomásszintű gázfejlesztő 15 MW-os kondenzációs gőzturbina kapcsolható, ezzel a blokk hatásfoka 52 %-ra nő. Az egész egység konténerbe van telepítve (Econopac). A kombiciklus azért jelent csak 10 % hatásfok növekedést, mert a kilépő füstgázhőmérséklet a jó hatásfok és nagy expanzió miatt 500 °C alatt van.
60
22. Gázmotoros kombiciklusok - A gázmotoros kombiciklusok a turbinák versenytársai a kb. 15 MW alatti tartományban - Gázmotorként
a
vasúti
motorcsaládok
jelennek
meg
motorpiac
bővítéseként. Használatos az 1000 1/min fordulatszámú hatpólusú és az 1500 1/min fordulatszámú négypólusú szinkron generátorral. A lehető legkisebb fordulatszámot a motor élettartamának növelése, a súrlódási kopások csökkentésére alkalmazzák - A
kisebb
teljesítményeknél
szívómotorokat,
a
nagyobbaknál
turbófeltöltött motorokat alkalmaznak - A gázmotorok szokásos hatásfoka 35% körüli, a közölt hő 1/3 hasznos tengelyteljesítmény, 1/3 a hűtővízzel hasznosítható, 1/3 része a füstgázzal távozik, ez gőztermelésre is fordítható - Az 5-15 MW tartományban pakura tüzelésű motorcsaládokat is alkalmaznak blokk fűtőerőmű néven - A Műegyetem kazánházában külön vállalkozásban működik gázmotor. Ilyen
hűtő,
áramtermelő
vállalkozások
széles
körben
terjednek
kórházakban, vágóhidakon, stb. - Újabban Kovács Ádám vállalkozó (Celladám) az átfogó mezőgazdasági biogáz motoros kogerációt 15 kW-os motorokkal. Ehhez technológiát és reaktor tartályokat adnak mezőgazdasági kisüzemeknek, amivel tömeges munkahely teremtését remélik.
61
23. A kogeneráció költségviszonyai - A kogenerációt állandó és változó költségek terhelik, melyek függetlenek az energiatermeléstől, a beruházási költségek éves terhe (kamatok és tőketörlesztés), valamint a karbantartási költségek alkotják (kb. 15%/év) - Gázturbina egységek szokásos fajlagos beruházási költsége 350 USD/kW, gőzturbináké, 60 USD/kW, kombiciklusoké 600-700 USD/kW. A karbantartási költség a beruházási költség 2,5%-a évente - A változó költségeket a tüzelőanyag költsége jelenti. Ez függ a fajlagos hőártól és az egység hatásfoktól (Ft/GJ) - Az 1 kW teljesítmény összköltségét az évi 8760 h/év időtartam függvényébena mellékelt ábrák emelkedő egyenesei mutatják. - A termelt villamosenergia összköltségét (egységköltségét) az évi kihasználási óraszám (fűtési alapüzemnél 7000 h/év, csúcsüzemnél 2500 h/év) felvételével az összköltség egyenessel alkotott metszéspontban az origóból húzott sugárral határozhatjuk meg azzal a feltétellel, hogy a metszéspontban az összes költség éppen egyezzen meg az 1 kW teljesítményhez tartozó kWh energiatermelés önköltségi árbevételével. - A kapott egységköltségek mindenhol azt mutatják, hogy a kogeneráció igen versenyképes energiatermelési mód
62
63
24. Gázturbinás tender értékelési módszer - Gazdasági célfüggvény a legkisebb távhőtermelési önköltség k q Ft
GJ
→ min
kq =
K → min Q
K – a kogenerációhoz felhasznált összes költség Ft Q – az értékesített összes hőenergia GJ 15
Q = ∑ Qi
Qi – évi hőkiadás (Kelenföld Qi= 7*106 GJ/év)
i =1 n
K = ∑ K i q j −i i =1
Ki – az i évben jelentkező összes költség q – kamattényező q = 1 +
l kamatláb l = 12,5 %/év 100
i – évek sorszáma j – diszkontálási alapév (üzembe helyezés) sorszáma n – 10+j a számításba vett utolsó év sorszáma Ki = Ka + Kb + Kc + Kd
energetikai
Ft/év
beruházási karbantartási egyéb
költségek
Ka = Kt + Kv tüzelőanyag költség
Kiadott villamosenergia értéke
E két utóbbi költség a legbizonytalanabb, értékük alapvetően megszabják a gazdaságosságot. Célszerű eljárás fejlett piacgazdasági összetartozó aktuális értékpárok alapjául vétele. - Ez a módszer az üzembe helyezés évére számított jelenérték módszere, a múltbéli költségek felkamatoztatva, a jövőbeliek visszakamatoztatva.
64
25. Hőszivattyú trigeneráció - A trigeneráció a hőszivattyú alkalmazásával kibővített kogeneráció - A hőszivattyú használati és fűtési melegvíz termelésre alkalmas kondenzátor
(meleg)
oldalon,
ezért
a
fűtőerőmű
rendszerében
alapterhelést visz, télen-nyáron üzemel, de különösen nyáron előnyös, mikor a környezeti hulladék hőforrás hőmérséklete magasabb, és a kompresszió teljesítmény igénye kisebb - A hőszivattyú munkaközege hűtőközeg, kompresszora villamos hajtású turbókompresszor, de gázturbina közvetlenül is hajthatja. Előnye, hogy környezeti hulladékhőt is felhasznál a fűtéshez, így kevesebb tüzelőanyag kell - Általános viszonyok között egységnyi kompresszor munkával a hideg oldali elpárologtatóban 2 egység hőelvonás történik a környezeti hideg hőforrásból (tó, folyó, városi csatornahálózat) és 3 egységnyi hőleadás történik a meleg oldali kondenzátorban fűtési célokra - Ha a hideg oldali hőelvonás távfűtő rendszer hálózati vizének visszahűtésével történik, akkor ezt a két egység hideg energiát is értékesíteni lehet a villamos energia árszínvonalán klimatizációs célra - A hőszivattyú együttműködhet a gázturbina hőhasznosítójával. Ha a gázturbina
villamos
generátor-motor
áttételen
keresztül
hajtja
a
hőszivattyú kompresszorát, akkor a gázturbina egységnyi közölt hőjéből 1,6 egységnyi fűtési hőhasznosítás létesül.
65
66
67
68
26. Cheng-ciklus - A Cheng-ciklus olyan kombiciklus, melyben a hőhasznosítóban termelt gőz a tűztérbe kerül bevezetésre, tehát külön gőzturbinája nincs. A gőzbefecskendezés a tömegáram kb. 15 %-a lehet. Ehhez viszonylag kis méretű a hőhasznosító, melynél jelentős füstgáz hőveszteség léphet föl. - A Müncheni Műegyetemen működő Cheng-ciklust mutattuk be egy folyamatábrán a hőkapcsolást és két energia folyamatábrán (Shenkeydiagram) a minimális és maximális gőzbefecskendezés üzemállapotát - Minimális gőzbefecskendezésnél 100 % tüzelő hőáramnál a kimenő villamos teljesítmény (mint hatásfok) 29%, a kiadott fűtési hőteljesítmény 46%, a befecskendezés 10%, a kompresszor visszaforgó teljesítmény felvétele 36% és a füstgáz kilépő hőveszteség 25%-os magas érték. - Maximális gőzbefecskendezésnél a tüzelő árama 113%. - Ha megnő a kiadott villamos teljesítmény 41% lesz, de a hatásfok 1,13-al osztása után 36%, a gőzbefecskendezés hőárama 59%, a kompresszió nem változik(ugyanannyi levegőt szállít), a fűtési hőkiadás elenyészően 3%, a füstgáz kilépő hőveszteség viszont a rendkívül magas 69%-ot tesz ki. - A Cheng-ciklusban egyszerű eszközökkel lehet a gázciklus teljesítményét és hatékonyságát növelni, de a hagyományos kombiciklusok hatásfokai nem érhetők el, ezért alkalmazása szűkkörű (pl.: oktatás).
69
Melléklet
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
