VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS

VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS Dr. Gács Iván egyetemi docens BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Budapest, 2003.

TARTALOMJEGYZÉK Villamosenergia-termelés........................................................................................................... 1 1.

Bevezetés............................................................................................................................ 3

2.

Villamosenergia-rendszer................................................................................................... 4 2.1. Fogyasztói igények..................................................................................................... 4 2.2. A rendszer teljesítménymérlege. ................................................................................ 5 2.3. Az erımővek szerepe a rendszerben .......................................................................... 8

3.

Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése................................................................. 9 3.1. Alapkérdések .............................................................................................................. 9 3.2. A villamosenergia-termelés költségei ...................................................................... 10 3.3. Állandó költségek..................................................................................................... 11 3.4. Változó költségek ..................................................................................................... 12 3.5. A villamosenergia egységköltsége ........................................................................... 12 3.6. A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései ...................................................... 14

4.

A munkaközeg megválasztása ......................................................................................... 15

5.

Gızkörfolyamatú erımővek............................................................................................. 16 5.1. Gızerımő rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai ........................................ 16 5.2. A gızkörfolyamat kezdı- és végjellemzıinek meghatározása ................................ 18 5.2.1. A frissgız nyomásának növelése ..................................................................... 18 5.2.2. A frissgız hımérsékletének növelése .............................................................. 19 5.2.3. Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentése ............................. 20 5.3. Tápvízelımelegítés................................................................................................... 20 5.4. Újrahevítés ............................................................................................................... 21 5.5. Hatásfoknövelı eljárások összefoglalása ................................................................. 23

6.

Gázturbinás erımővek...................................................................................................... 24 6.1. Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina....................................................................... 24 6.2. Gázturbina és kompresszor együttmőködése, szabályozás ...................................... 26 6.3. A gázturbina karbantartása, élettartama ................................................................... 28

7.

Kombinált ciklusú erımővek ........................................................................................... 29 7.1. Gázturbinához kapcsolt hıhasznosító gızerımő ..................................................... 29 7.2. Cheng ciklus ............................................................................................................. 33 7.3. További lehetséges gáz-gız körfolyamatok ............................................................. 34

8.

Kapcsolt energiatermelés ................................................................................................. 37

9.

Erımővi segédrendszerek ................................................................................................ 41 9.1. Hőtırendszerek......................................................................................................... 41 9.1.1. Közvetlen léghőtés ........................................................................................... 41 9.1.2. Frissvízhőtés..................................................................................................... 41 9.1.3. Visszahőtéses rendszerek ................................................................................. 42 9.2. Füstgáztisztítás ......................................................................................................... 44 9.2.1. Szilárd szennyezıanyagok, pernye .................................................................. 45 9.2.2. Kénoxidok ........................................................................................................ 46 9.2.3. Nitrogénoxidok................................................................................................. 47

10. Irodalom ........................................................................................................................... 49

2

1. Bevezetés Az ember teljesítıképessége igen csekély ahhoz képest, amennyit mai életmódunk igényel. Emiatt a természetbıl vett energiákkal kell kiegészítenünk illetve kiváltanunk az izomerıt. A felhasználható energiaforrásokat számos szakkönyv ismerteti. Az elsıdleges energiaforrások nagy része nem alkalmas közvetlenül a leggyakrabban felmerülı igények (világítás, főtés, hajtás, helyváltoztatás) kielégítésére vagy felhasználása nem elég kényelmes, esetleg túl nagy környezetterheléssel jár. Ezért az elsıdleges energiaforrásokból többnyire másodlagos (nemesített) energiahordozókat kell elıállítanunk. A legsokoldalúbban és legkényelmesebben felhasználható nemesített energiahordozó a villamosenergia. Ez az oka széleskörő elterjedésének. Ma már a primer energiahordozók mintegy 35-40%-át villamosenergia-termelésre használjuk és ez az arány egyre nı. A villamosenergia-termelés nem csak a kényelemnek, hanem a környezetvédelemnek is igen fontos eszköze. Evvel ugyanis a környezetszennyezéssel járó energiaátalakítás (pl. tüzelés) jobban ellenırizhetı módon és a felhasználóktól távolabb valósítható meg, mintha a végfelhasználói helyen használnánk fel a primer energiahordozókat. Gondoljunk csak a villanyvilágítás és a petróleumlámpa közötti különbségre. E kettıs elıny miatt nem az a kérdés, hogy termeljünk-e villamosenergiát, hanem az, hogy hogyan. Erre csak egy helyes válasz adható: a lehetı legolcsóbban. A költség mellett még a környezeti hatás fontosságát is szokták emlegetni. De ha a költségek alatt nemcsak a belsı (közvetlen) költségeket értjük, hanem külsı (környezeti) költségeket is figyelembe vesszük, akkor az így képzett társadalmi szintő összköltségre már igaz, hogy ennek minimumát kell keresnünk. Sajnos a külsı költségek értékelésének módja ma még nem kellıen kialakult. Ma már a világban alig találunk elszigetelten, más erımővekkel nem kooperáló módon mőködı erımőveket. Az erımőmővek döntı többsége valamely villamosenergia-rendszerben, más erımővekkel együttmőködve termeli a villamosenergiát. Ezért a költségek értékelésénél nem elég egy vizsgált erımő jellemzıit figyelembe venni, hanem azt is tudnunk kell, hogy milyen villamosenergia-rendszerben, milyen szerepet fog betölteni. Természetesen az is fontos, hogy milyen az energiaátalakítás hatásfoka. Nem szabad azonban a hatásfok szerepét túlértékelni. A jó hatásfok addig fontos, amíg a villamosenergia-termelés költségét – az energiahordozó költséget – csökkenti. Olcsó energiahordozó esetén könnyebben viseljük el a rosszabb hatásfokot is. A villamosenergia-termelés módjai sok szempont szerint osztályozhatók. Válasszuk azt az osztályozást, hogy a villamosenergia-termelés hıkörfolyamattal történik-e. Hıkörfolyamathoz számos forrásból állíthatjuk elı a szükséges hıt. A legfontosabbak:






fosszilis tüzelıanyagok (szén, kıolaj termékek, földgáz), hasadóanyagok, földhı (geotermikus energia), napenergia, égethetı megújuló energiaforrások (tőzifa, energiaültetvény, hulladékok).

Néhány példa a hıkörfolyamat nélküli villamosenergia-termelésre:





vízerımő, fotovoltaikus (napelemes) átalakítás, szélerımő, üzemanyagcella.

Jelenleg a világ villamosenergia-termelésében több mint 60% a fosszilis tüzelıanyagot használó erımővek részaránya, kb. 20% a vízerımőveké és 17% az atomerımőveké. A statisztikában még kimutatható a 0,3%-nyi geotermikus és a 0,1-0,2%-nyi (de napjainkban gyorsan növekvı arányú) szélerımővi termelés. Vagyis a villamosenergia kb. 80%-át állítják elı hıkörfolyamattal. Magyarországon ez az arány még magasabb, több mint 99%. A vízerımőveink termelése – vízhozamoktól függıen – 0,5…0,8% között mozog, a szélerımővi termelés 2003-ban még nem éri el a 0,01%-ot. Ennek megfelelıen ebben a segédanyagban elsısorban a hıkörfolyamattal megvalósított villamosenergia-termelést tárgyaljuk.

3

2. Villamosenergia-rendszer A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erımővek nem elszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el. Az együttmőködı országos erımőrendszer létrehozását – amely hazánkban döntıen az 1950-es években történt meg – a villamosenergiaellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Az együttmőködésben rejlı elınyök kiszélesítése érdekében, valamint a villamosenergia-export vagy import lehetıvé tétele szükségessé tette az országos villamosenergia-rendszerek összekapcsolását. Magyarország évtizedekig a KGST országok rendszeregyesüléséhez tartozott, 1996-ban a közép- és nyugateurópai országok többségét összefogó UCTE rendszeregyesüléséhez csatlakozott. Egy villamosenergia-rendszer három fı része a termelés (erımővek és részben az import), a szállítás (alap- és elosztó hálózat) valamint a fogyasztók (beleértve az esetleges exportot is). Miután a villamosenergia nem tárolható, a termelésnek mindig egyensúlyban kell lennie a hálózati veszteségekkel növelt (un. bruttó) fogyasztással.

2.1. Fogyasztói igények A fogyasztói igények az elmúlt idıszakok tapasztalatai és tendenciái alapján tervezhetık. A fogyasztók villamosenergia-igénye idıben jelentısen változik. Jellegzetes eltérést mutatnak a munkanapi ill. munkaszüneti napok vagy a nyári ill. a téli napok igénylefutásai. Példaként egy jellegzetes nyári és téli munkanapi menetet mutat be az 1. ábra. Nyári nap

6000

Téli nap

6000

MW 4000

4000

2000

2000

0

6

12

18

h

24

0

6

12

18

24

1. ábra. A fogyasztói igények jellegzetes munkanapi menete Az igénylefutás a különbözı napokon (pl. hétfın és pénteken) és a meteorológiai helyzettıl függıen jelentıs eltéréseket mutathat. Emiatt az idı szerint rendezett lefutás helyett kisebb eltéréseket és könnyebb kezelhetıséget eredményez, ha a terhelési diagram helyett az igények nagysága szerint rendezett tartamdiagramot használjuk. A tartamdiagram szerkesztését a 2. ábra mutatja be. A terhelési és tartamdiagram alatti terület mindkét esetben az adott idıszak alatt igényelt villamos energiával egyenlı, azaz tn

τn

0

0

E = ∫ P ( t )dt = ∫ P (τ )dτ ,

(1)

4

ahol τn =24 h/nap. Szokás még a kihasználási óraszám definiálása is, amely az adott idıszak alatt fogyasztott ill. szolgáltatott energia és a maximális teljesítmény aránya. Aszerint, hogy milyen teljesítménnyel osztunk, beszélhetünk csúcskihasználási ill. beépített teljesítıképességre vonatkoztatott kihasználási tényezırıl:

τ cs = E P

τ BT = E P

ill.

cs

(2)

BT

6000

Pcs

MW

τ1

τ2

τ1 + τ2 Pmin

4000

2000

0

6

12

18

idı

24

0

6

12

18 24 idıt art am

2. ábra. Tartamdiagram szerkesztése terhelési diagram alapján A 3. ábra azt mutatja meg, hogyan változik a napi csúcsterhelések értéke az évszakok szerint. Ennek kapcsán meg kell jegyezni, hogy napjainkban a légkondicionálás terjedésével kialakulóban van egy nyári csúcs is a legmelegebb idıszakban.

6000

4000

J F M Á M J J A S O N D 3. ábra. A csúcsterhelések évi változása

2.2. A rendszer teljesítménymérlege. A teljesítménymérleg esetén meg kell különböztetni az elıretervezési teljesítménymérleget és az utólag felállítható, tényadatokon alapuló teljesítménymérleget. Mindkét esetben azt kell biztosítani, hogy az erımővek összes beépített teljesítıképesség különbözı kiesı teljesítményekkel csökkentett értéke is elegendı legyen a fogyasztói igények kielégítésére. A teljesítménymérleg fogalmai: beépített teljesítıképesség (PBT): az erımővekbe gépegységek névleges teljesítményeinek összege,

beépített

turbó-generátor

állandó hiány (PÁH): tartósan fennálló teljesítmény csökkenés (pl. berendezés átépítése, elöregedése, tartósan fennálló rossz mőszaki állapot miatti leértékelés),

5

változó hiány (PVH) rövid ideig fennálló, változó mértékő teljesítmény csökkenés (pl. környezeti jellemzık, hıszolgáltatás, alapenergia forrás vagy hőtıvíz korlátozott rendelkezésre állása miatti hiány), rendelkezésre álló teljesítıképesség (PRT):

PRT = PBT - PÁH - PVH ,

karbantartáson álló teljesítıképesség (PTMK): a rendszer TMK miatt leállított blokkjainak összes beépített teljesítıképessége, igénybevehetı teljesítıképesség (PIT):

PIT = PRT – PTMK ,

üzembiztonsági tartalék (PÜT): a rendszer biztonságos üzeme érdekében szükséges tartalék, a terven felüli hiányok (definícióját lásd késıbb) fedezetét biztosítja, üzembiztosan igénybevehetı teljesítıképesség (PÜIT): PÜIT = PIT – PÜT , önfogyasztás (Pε): teljesítmény,

Az elıállított teljesítménybıl az erımővek által felhasznált

üzembiztosan kiadható teljesítıképesség (PÜIT,ki): PÜIT,ki = PÜIT – Pε . E legutóbbit kell összehasonlítani a rendszer tervezett fogyasztói csúcsigényével és teljesül a PÜIT ,ki ≥ Pcs

ha

(3)

egyenlıtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. A teljes teljesítménymérleg pedig a következı: PBT − PÁH − PVH − PTMK − PÜT − Pε − Pcs ≥ 0

(4)

A tervezési fázis teljesítménymérlegét a 4. ábra mutatja be.

P BT PÁH

PBT

PVH PTMK

TMK

PRT PIT

PÜT

IT

Pε ÜIT ÜIT,ki

PÜIT PÜIT,ki

J F M Á M J J A S O N D idı, hó 4. ábra. Az erımőrendszer elıretervezett teljesítménymérlegének alakulása

6

Tervezési állapotban egy sor tényezıt csak becsülni tudunk, a tényértékek ezektıl az értékektıl eltérhetnek. Emiatt az utólag regisztrálható tényadatokon alapuló teljesítménymérleg eltéréseket mutathat a tervezésihez képest. Az elszámolási teljesítménymérlegben egy sor teljesítményfogalom (beépítet, rendelkezésre álló, igénybevehetı, karbantartáson álló teljesítmény, állandó és változó hiány, önfogyasztás, fogyasztói csúcsigény) azonos mint a tervezésiben, legfeljebb számértéke nem azonos. Megjelenik azonban néhány új fogalom is. Ezek: váratlan kiesés (PVK): az üzemzavar, meghibásodás miatt üzemképtelen blokkok összes beépített teljesítıképessége, ténylegesen igénybevehetı teljesítıképesség (PTIT): PTIT = PIT – PVK , ténylegesen kiadható teljesítıképesség (PTIT,ki): PTIT,ki = PTIT – Pε . Ez utolsót kell összehasonlítani a rendszer tényleges fogyasztói csúcsigényével és ha teljesül a

PTIT ,ki ≥ Pcstény

(5)

egyenlıtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. Az elszámolási teljesítménymérleget az 5. ábra mutatja be. Ahol az azonos fogalmak tervezési és tényértékei eltérhetnek, azt felsı indexben jelezzük. P BT

PBT

PÁH t ény PVH

TMK

∆PVH

t ény PRT

t ény PVK PIT P t ény TIT

Pε

PTIT,

t ény PTM K

ki

POÜT

t ény Pcsúcs

∆Pcsúcs J F

M Á M J

J A S O N D idõ, hó

5. ábra. Az erımőrendszer tényleges teljesítménymérlegének alakulása A teljes teljesítménymérleg pedig a következı: tény tény PBT − PÁH − PVH − PTMK − PVK − Pεtény − Pcstény = POÜT ≥ 0 ,

(6)

ahol POÜT a csúcsidei operatív üzemi tartalék. A különbözı teljesítményeket relatív értékekkel illetve arányokkal is szoktuk jellemezni. Ezek közül a karbantartási tartalék tényezı:

7

rTMK =

PRT PIT + PTMK P = = 1 + TMK > 1 , PIT PIT PIT

(7)

az üzembiztonsági tartalék tényezı pedig

rTMK =

P + PÜT P PIT = ÜIT = 1 + ÜT > 1 . PÜIT PÜIT PÜIT

(8)

Ugyancsak viszonyszámként szokás az önfogyasztás jellemzése. Az önfogyasztási tényezı azt mutatja meg, hogy a termelık a megtermelt villamosenergia mekkora hányadát fogyasztják el. Ez teljesítményekkel kifejezve:

ε=

P −P Pε = ÜIT ÜIT,ki < 1 . PÜIT PÜIT

(9)

Végül a változó hiány évi átlagos értékének jellemzésére használható tényezı:

ν VH =

PRT PBT − PVH = <1 , PBT PBT

(10)

amely összefüggés olyan új erımőveknél érvényes, amelyeknél állandó hiánnyal még nem kell számolni. A (4) tervezési és (6) utólagos teljesítménymérleget különbségébıl adódik: tény tény PVK + ( PVH − PVH ) + ( PTMK − PTMK ) + ( Pεtény − Pε ) − PÜT + ( Pcstény − Pcs ) < 0 ,

(11)

amelybıl definiálható a terven felüli hiány, amely a váratlan kiesés és a tervezési értékektıl való kedvezıtlen irányú eltérések összege: PTFH = PVK + ∆PVH + ∆PTMK + ∆Pε + ∆Pcs < PÜT

(12)

A (12) összefüggés egyenértékő avval az állítással, hogy az operatív üzemi tartaléknak mindig pozitívnak kell lennie.

2.3. Az erımővek szerepe a rendszerben A villamosenergia-rendszerben betöltött szerep szerint beszélhetünk alap-, menetrendtartó- és csúcserımővekrıl. Az erımővet alaperımőnek nevezzük, ha csúcskihasználási idıtartama (definícióját lásd késıbb!) igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperımővek általában a korszerő, jó hatásfokkal és/vagy olcsó tüzelıanyaggal üzemelı, rendszerint új erımővek (Magyarországon pl. a Paksi Atomerımő). A menetrendtartó erımővek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra általában nem építünk új erımővet is, a régebbi alaperımővek válnak fokozatosan menetrendtartóvá (pl. a Tiszai, Dunamenti erımővek). A csúcserımővek csak a villamos csúcsfogyasztás idıszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500...2000 h/év alatt van. Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségő) erımőveket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelıanyag és alacsony hatásfok is megengedhetı (általában gázturbinás erımővek). Ennél is kevesebbet, legfeljebb évi 100…200 órát üzemelnek a tartalék erımővek, amelyeknek csak jelentıs mértékő terven felüli hiány esetén kell elindulniuk.

8

3. Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése 3.1. Alapkérdések A továbbiak megértéséhez az általános gazdasági alapismereteken felül szükség lesz néhány alapelv rögzítésére. Az egyik az, hogy az erımővek szinte kivétel nélkül több terméket (villamosenergia, főtési forróvíz, különbözı nyomású ipari gız) állít elı és értékesít. Ennek ellenére a következıkben a csak villamosenergiát termelı erımővek gazdasági modelljét ismertetjük. Ez igen jó közelítés a közcélú nagy erımővek esetében, amelyeknél a költségek döntıen a villamosenergia-termelést terheli, a hıkiadás értékének részaránya csekély. Az erımővek hosszú ciklusideje miatt igen fontos az infláció kezelése. Az infláció a pénz értékének (mint mértékegységnek) a csökkenése. Összegezni viszont csak azonos mértékegységre átszámított dolgokat lehet. Ennek megfelelıen csak állandó pénzértéken számított költségekkel lehet számolni. Az infláció a következı összefüggéssel írható le:

1 Ftn −1 = (1 + pi ) Ftn ,

(13)

ahol pi az évi inflációs ráta. Például a 2001. évi kb. 10%/év inflációval: 1 Ft2000 = 1.1 Ft2001 .

(13.a)

Ez többek közt azt is jelenti, hogy a gyakran szereplı kamatláb fogalom nem a nominál kamatlábat (pn), hanem reálkamatlábat (pr) jelenti. A kettı közötti kapcsolat:

(1

+ pn ) = (1 + pi ) ⋅ (1 + pr )

(14)

A gazdasági értékelésnél nagyon fontos a szemléletmód. A vállalati szemlélető vizsgálatnál a cél a nyereséges gazdálkodás. Ez szükséges valamely energetikai vállalat mőködésének megtervezéséhez, irányításához ill. a létesítés eldöntéséhez. Figyelembe veszi a gazdasági szabályozók által közvetített országos gazdasági és környezeti célokat, kötelezettségeket, de nem feladata országos vagy ágazati célok megvalósítása. Az országos ágazati szemlélet használható az ország energia-ellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Figyelembe veszi a hazai készletek, import lehetıségek, fogyasztási prognózisok, környezeti hatások ismert vagy becsült adatait. Célja az energiafelhasználás, energia-hordozó struktúra, árpolitika, globális és hazai környezeti céloknak megfelelı energiapolitika kialakítása, import kockázatok csökkentése és a biztonságos energiaellátás megvalósítása. A gazdaság más ágazatának szempontjait csak költségtényezıként veszi figyelembe. Az országos szemlélető értékelés az ország gazdasági és társadalmi életének ágazaton kívüli (pl. munkaerıpiaci, pénzpiaci, politikai) szempontjait is figyelembe veszi. Ebben már nem minden hatás fejezhetı ki egyértelmően a pénzügyi fogalmakkal. A globális szemlélet használható a világ energiaellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Eszközei a készletek, fogyasztási prognózisok, politikai kockázatok felmérése, a globális környezeti hatások értékelése. Célja a világ energiafelhasználásának, energiahordozó struktúrájának befolyásolása, politikai konfliktusok kezelése, kockázatok csökkentése, a hosszútávú fenntarthatóság biztosítása. E jegyzetben a továbbiakban az országos ágazati szemléletet alkalmazzuk.

9

3.2. A villamosenergia-termelés költségei A villamosenergia-elıállítás költségeit feloszthatjuk a felmerülés helye szerint is:


belsı költségek: az erımővön belüli energiaátalakítási technológia (állandó és változó) költségei,




külsı költségek: természetes és az épített környezetben bekövetkezı különféle változások, károk, ill. a károk megelızésének költségei.

Reális összehasonlítás érdekében a külsı költségeket villamos energia árába be kellene építenünk. Ennek ellenére – a jelenlegi gyakorlatnak megfelelıen – a továbbiakban költség alatt a belsı költségeket értjük. Az erımő életciklusát a 6. ábra mutatja be. Ebben látható, hogy a költségek és bevételek nem ugyanabban az idıintervallumban keletkeznek. Emiatt nagyon fontos a termeléssel (bevételekkel) azonos idıszakban keletkezı üzemköltségek és termelés megkezdése elıtti létesítési költségek megkülönböztetése. A t ervek ismeret ében beruházási dönt és

A gazdsági elöregedés idıpont ja

Üzemszerő mőködés kezdete

-4

0

Létesítési idı

5

10

15

20

25

év

Leírási idı Tervezési élet t art am Üzemidı (mőszaki élet t art am)

Üzembehelyezés, próbaüzem Beruházási költségek

Üzemeltetési költségek és bevételek (tervezési élettartamra)

6. ábra. Az erımő életciklusa A beruházási (létesítési) költség származhat a tulajdonos saját erıforrásaiból vagy bankhitelbıl. Az elıbbi esetben elvárás a beruházási költség visszatérülése és megfelelı profit biztosítása. Bankkölcsön esetén a hitelt kamatostul kel törleszteni. Ha a profitelvárást azonosnak tekintjük a reálkamatlábbal, akkor a két megoldás pénzügyi mérlege azonos formalizmussal írható le. A továbbiakban tekintsük úgy, hogy a leírási idı megegyezik a létesítmény tervezési élettartamával. Az üzemeltetési költségek közül a legfontosabbak az üzemanyag (tüzelıanyag), a felhasznált egyéb anyagok, a karbantartás, a bérek, az adók és biztosítások, igénybevett szolgáltatások költségei. A teljes életciklushoz tartozik még a felszámolás költsége is. Ezt általában azért nem vesszük figyelembe, mert a tényleges élettartam bizonytalan hosszúságúra tolódhat ki (gondoljunk pl. a közel 100 éves Kelenföldi Erımőre) és a lebontás rekultiváció költségei (az atomerımővek

10

kivételével) nem jelentısek a létesítési és üzemeltetési költségekhez képest. Az idıben távoli jelentkezés a lekamatozás (diszkontálás) miatt még ezt is jelentısen tovább csökkenti. A továbbiakban a gazdasági értékelést egy tipikus üzemév költségei alapján végezzük. Léteznek más módszerek is (legismertebb a diszkontált vagy aktualizált költségek módszere), ezekre azonban most nem térünk ki. A költségek csoportosításánál igen fontos az állandó és a változó költségek megkülönböztetése. Állandó költségeknek azokat nevezzük, amelyek értéke független az erımő üzemmenetétıl, azaz attól, hogy az erımő az adott idıszakban (általában 1 évben) mennyi villamosenergiát termel. Ezzel szemben a változó költségek értéke függ a villamosenergia-termelés mértékétıl, igen durva közelítésben avval arányosnak is tekinthetı.

3.3. Állandó költségek Az állandó költségeket három csoportba foglaljuk össze. Az elsı és legnagyobb tétel a leírási vagy tıkeköltség. Ez az ágazati szemlélető modellben igen távol áll a számviteli törvény szerinti leírástól, amely sem inflációt, sem kamatot nem vesz figyelembe. Ha azt akarom, hogy az üzembe helyezés pillanatában befektetett B beruházási költség az erımő n év élettartama alatt kamatostul visszatérüljön, akkor az évi visszatérítési kötelezettség (tıkeköltség) a következı formában írható fel: Cl = α l ⋅ B = α l ⋅ i ⋅ Bo [Ft/év],

(15)

ahol a leírási kulcs (leírási annuitás): αl =

pr

1 − (1 + pr )

−n

.

(16)

Az i interkaláris tényezı, pedig az építési idı alatti kamatok miatti költségnövekedést veszi figyelembe: −1

B i= = Bo

Bj

∑ (1 + p )

j =− m

j + 0.5

−1

∑B

j =− m

,

(17)

j

ahol Bj a j-edik évben ráfordított beruházási költség. A kitevıben szereplı 0,5 azt fejezi ki, hogy az év során felmerülı költségek súlypontjának az év közepét tekintjük, így az aktuális évre csak félévi kamatot számolunk. Az interkaláris tényezı értéke gyorsan létesíthetı erımőveknél (pl. gázturbinás erımő, 1…1,5 év) 1,1…1,15, hosszú építési idejő erımőveknél (pl. atom- vagy ligniterımő, 5…8 év) akár 1,5-et is elérheti. A karbantartási költség állandó és változó (energiatermelés mértékétıl függı) elemeket is tartalmaz. Karbantartásra mindenképpen szükség van, a költség csak kismértékben függ az üzemmenettıl. Ha az erımő nem folyamatos üzemő, hanem mondjuk az év felében dolgozik, az év felében áll, nyilván kisebb lesz a karbantartás költsége. Azonban ha az 50%-os kihasználtság nem ezen a módon, hanem napi 12 óra üzemeltetésbıl adódik (ami erımővek esetében jellemzıbb), akkor lehet, hogy a karbantartás-igény a sok indítás-leállás miatt nagyobb is lesz, mint folyamatos üzem esetén. Emiatt a karbantartási költség változó elemétıl általában eltekintünk, mert még az elıjelét sem tudhatjuk biztosan. A tapasztalatok szerint a karbantartási költség arányos a berendezések értékével, azaz a beruházási költséggel: CTMK = αTMK ⋅ Bo [Ft/év],

(18)

11

ahol az αTMK karbantartási költség tényezı értékére 2,5%/év-et szokás felvenni. Az egyéb állandó költségeket (bér-, adó-, biztosítási, stb. költségeket) is a beruházási költséggel arányosnak szokták tekinteni: Ce = α e ⋅ Bo [Ft/év],

(19)

ahol az αe egyéb költségek költségtényezıje értéke általában 0,5…1%/év. Ez utóbbi két költségnél vonatkoztatási alapnak az építési idı alatti kamattal nem növelt Bo beruházási költséget célszerő választani, mert az építési idı esetleges elhúzódása a tıketerhet növeli, de a karbantartási és egyéb költségeket nem. Az évi összes állandó költség a fenti három költségtag összege:

Ca = Cl + CTMK + Ce = ( αl ⋅ i + αTMK + α e ) ⋅ Bo = α ⋅ Bo

3.4. Változó költségek A változó költségek kiemelkedıen legnagyobb tétele a tüzelıanyag (atomerımőveknél üzemanyag) költsége. Az évi tüzelıanyag felhasználás az évi villamosenergia-termelésbıl (E) az évi átlagos erımőhatásfok ( ηévi ) segítségével határozható meg: Qü =

E

ηévi

[GJ/év].

(20)

Ennek évi költsége pü [Ft/GJ] fajlagos üzemanyagköltség figyelembevételével: Cü = Qü ⋅ pü =

E

ηévi

⋅ pü [Ft/év].

(21)

További változó költséget jelent a különféle egyéb anyagok felhasználása, amely közvetlenül az energiaátalakítási folyamathoz kapcsolódik, így a felhasználás a tüzelıhı felhasználással arányosnak tekinthetı. Ilyen lehet a hőtıvíz vízhasználati díja, a füstgáztisztításhoz használt reagensek (pl. mészkı, ammónia) beszerzési költsége. Ez a költség Cv ,e = Qü ⋅ ∑ s j ⋅ p j

(22)

j

formában írható fel, ahol sj [kg/GJ] a j-edik segédanyag fajlagos felhasználása, pj [Ft/kg] pedig az egységára. Evvel az évi összes változó költség:

  Cv = Cü + Cv ,e = Qü ⋅  pü + ∑ s j ⋅ p j  = pQ ⋅ Qü . j  

(23)

3.5. A villamosenergia egységköltsége Az állandó és a változó költség összegeként képezhetı a villamosenergia-termelés évi összes költsége: C = Cá + Cv .

(24)

A villamosenergia egységköltsége a évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés (E, kWh/év) hányadosa: k=

C Ca + Cv = = ka + kv [Ft/kWh] E E

(25)

12

A villamosenergia egységköltség állandó költségekbıl származó része a következı alakra hozható, annak érdekében hogy kiküszöböljük az extenzív jellemzıket: ka =

Ca α ⋅ Bo α ⋅ a ⋅ PBT α ⋅ a ⋅ rTMK ⋅ rÜT = = = , E E Pcs ⋅τ cs τ cs ⋅ν VH ⋅ (1 − ε )

(26)

ahol a az erımő fajlagos beruházási költsége: Bo  Ft  . PBT  kW 

a=

(27)

Az átalakítás során felhasználtuk a (7)…(10) összefüggéseket, amelyekbıl: 1 1 PBT PBT PRT PIT PÜIT = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ rTMK ⋅ rÜT ⋅ . Pcs PRT PIT PÜIT PÜIT ,ki ν VH 1− ε

(28)

A villamosenergia egységköltség állandó költségekbıl származó része is az évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés hányadosaként számítható:

kv =

pQ pQ ⋅ δ Cv pQ ⋅ QÜ = = = . ηévi η KE ,o E E

(29)

Az összefüggés bevezeti a δ rontótényezıt, amely azt mutatja meg, hogy az évi átlagos hatásfok milyen mértékben rosszabb a névleges üzemállapotra meghatározott ηKE,o hatásfoknál. Ez a rontótényezı három különbözı hatást vesz figyelembe, ezért három rontótényezı szorzataként írható fel:

δ=

η KE ,o = δ1 ⋅ δ 2 ⋅ δ 3 . ηévi

(30)

Az elsı rontótényezı (δ1) azt veszi figyelembe, hogy az erımővi blokk hatásfoka a terhelés függvényében változik és emiatt az év folyamán – az üzemmódtól függı gyakorisággal – a blokknak a méretezésinél rosszabb hatásfokú üzemállapotai is lesznek. Ezt a 7. ábra vastag vonallal jelzett jelleggörbéje mutatja.

η

névleges környezeti körülmények

ηKE,o

P Po Pmax 7. ábra. Erımővi blokk jelleggörbéi Névlegestıl eltérı környezeti jellemzık (pl. levegı vagy hőtıvíz hımérséklet) esetén a hatásfok jelleggörbe felfelé vagy lefelé elmozdul (7. ábrában a vékonyabb vonalak). Általában a romlás (pl. melegebb hőtıvíz esetén) nagyobb mértékő, mint a kedvezı irányú változás, ezért ez évi átlagban rontó hatást jelent. Ezt veszi figyelembe a δ2 rontótényezı.

13

A δ3 rontótényezı az instacioner állapotok – alapvetıen az indítási folyamat – többlet tüzelıanyag felhasználását veszi figyelembe. Ez abból adódik, hogy az indítás elıtt a berendezések hımérséklete alacsonyabb az üzemi értéknél és ezt többlet tüzelıanyag bevezetésével kell pótolni, amely esetleg a hideg tőztérben még a szokásosnál is nagyobb égési veszteség mellett hasznosulhat. Ez a hı a leállítás után a környezet felé történı hıelvezetés során részlegesen vagy teljesen elvész. Az indítási hıigény ezért erısen függ az indítást megelızı állásidıtıl is. Mindezekkel a villamosenergia-termelés egységköltsége: k=

pQ ⋅ δ C α ⋅ a ⋅ rTMK ⋅ rÜT = + [Ft/kWh] E τ cs ⋅ν VH ⋅ (1 − ε ) η KE ,o

(31)

3.6. A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései A villamosenergia egységköltsége alkalmas lehet annak eldöntésére, hogy egy adott gazdasági helyzetben milyen típusú alaperımővet vagy milyen csúcserımővet érdemes építeni, de nem alkalmas annak eldöntésére, hogy a rendszert alap- vagy csúcserımővel érdemes bıvíteni. Ennek eldöntésére csak a villamosenergia-rendszer egészére kiterjedı, a rendszer-kölcsönhatásokat is figyelembevevı hosszútávú vizsgálat alkalmas. Ennek során figyelembe kell venni az ellátásbiztonság kérdését is, amely elvezet az optimális vagy célszerő nagyságú üzemi tartalék meghatározásához is. Ez általában éves ciklusú értékelést igényel, de olyan elıretekintéssel, amely még alkalmas az erımő-létesítési kérdések eldöntésére. Ugyancsak rendszerszintő gazdasági vizsgálattal határozható meg a meglevı rendszer blokkjai közötti terheléselosztás is, amellyel a pillanatnyi változó költségek összegének minimumát lehet megkeresni. Ezekre a kérdésekre jelen jegyzetben nem térünk ki, de az Irodalom c. fejezetben felsorolt források közül több is foglalkozik velük.

14

4. A munkaközeg megválasztása Munkaközeg megválasztásánál figyelembe kell venni a munkaközeg árát, kémiai és fizikai összeférhetıségét a szerkezeti anyagokkal, egészségügyi és környezeti szempontokat, termodinamikai alkalmasságot. Ezeknek a szempontoknak a két legközönségesebb anyag, a víz és a levegı felel meg leginkább. Ettıl eltérı (pl. ammónia, higany, szerves anyag, hélium) munkaközegő berendezéseket csak kisebb teljesítménnyel, kísérleti célra létesítettek, mert valamely szempontnak jobban megfeleltek, mint a víz vagy a levegı. Ugyanakkor más szempontok – elsısorban az ár vagy a környezetbiztonság – azonban oly mértékben sérültek, hogy ezek a megoldások nem terjedtek el. A vízgız ciklus fontosabb jellemzıi: zárt ciklus, halmazállapot változással; magas kezdınyomás, alacsony végnyomás, nagymérető, robosztus berendezések, bonyolult kapcsolás; hıbevezetés maximális hımérséklete viszonylag alacsony, hıbevezetés átlagos és maximális hımérséklete eléggé eltérı, igen alacsony hıelvezetési középhımérséklet. A levegı-égéstermék ciklusok jellemzıi: nyitott ciklus, halmazállapot változás nélkül; kezdıés végnyomás kedvezıbb értékő, kisebb berendezések, jóval alacsonyabb fajlagos beruházási költség; hıbevezetés maximális hımérséklete magas lehet, hıbevezetés átlagos és maximális hımérséklete eléggé eltérı, igen magas hıelvezetési középhımérséklet. A kombinált ciklusok a gáz- és a gızkörfolyamat elınyeit egyesíti; alacsony kezdınyomás, egyszerőbb berendezések és kapcsolás, magas hıbevezetési és alacsony hıelvezetési hımérséklet. Kritikus eleme a két körfolyamatot összekapcsoló gáz-vízgız hıcserélı.

15

5. Gızkörfolyamatú erımővek Gızközegő kondenzációs villamosenergia-termelés hıforrása lehet hagyományos (fosszilis) tüzelıanyagot használó kazán vagy magenergiát hasznosító reaktor. Az atomerımőveknek számos típusa van, amikor ebben a fejezetben atomerımőrıl beszélünk, akkor kizárólag a nyomottvizes reaktorral épített atomerımővekre – mint legelterjedtebb típusra – gondolunk. A hagyományos hıerımővek és az atomerımővek között elsısorban a termelt gız paramétereiben van eltérés. Amikor ez lényeges, akkor külön kitérünk az atomerımővek viszonyaira, egyébként a folyamatokat a hagyományos hıerımővek példáján mutatjuk be.

5.1. Gızerımő rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai Az erımővi rendszert alrendszerekre bonthatjuk és az alrendszerek jellemzıit külön vizsgálhatjuk. A legszokásosabb felbontást a 8. ábra mutatja be a fontosabb energiaáramok irányának jelölésével. P v,E P ε ,H

P ki P t

.

Q

P ε ,T

.

Q

tü

E P g

1 P ε ,Q

T

.

Q

.

~Q

2

Q

H .

.

Q

2

v,H

.

(Q ) v,T

(Q ) v,Q

8. ábra. Gızerımő rendszerstruktúrája A H (hıközlési) alrendszer a kazánt és segédrendszereit, továbbá a kazánt a turbinaüzemmel összekötı csıvezetékeket foglalja magába. Atomerımőben kazán helyett a reaktor, a teljes primerkör és a gızfejlesztı értendı. Ebben játszódik le a kémiai vagy magenergia hıvé alakítása. A T (turbina) alrendszer a hıt mechanikai munkává alakítja. Fı berendezése a turbina, de emellett ide tartozik annak legtöbb segédrendszere is (pl. tápvízelımelegítık, szivattyúk, gáztalanítás). Ezt az alrendszert belsı alrendszernek is nevezzük, mert – egy igen csekély hıveszteségektıl eltekintve – nincs energiacseréje a környezettel, csak a többi (külsı) alrendszerrel. Az E (elektromos) alrendszer végzi a mechanikai munka villamosenergiává alakítását és az erımővi önfogyasztások villamosenergia-ellátását. Fı berendezései a generátor, a fı- és segédüzemi transzformátorok, a hozzájuk kapcsolódó villamos segédberendezések.

16

Nem tartozik az energiaátalakítási lánc fı vonulatához a Q (hıelvonási) alrendszer, de fontos szerepet tölt be: itt történik a körfolyamatokban elkerülhetetlen maradék hı elvezetése a környezetbe. Fı berendezései a kondenzátor, a hőtıvízellátás és ezek segédrendszerei. A teljes gızerımő (KE, kondenzációs erımő) energiafolyam-ábrája a következı: E Pε,H

Pε,Q Pε ,T

H

Pε

T Pi

Pt

Pg

Pki

.

Q1

.

Qtü

.

Q2

Q .

Qv,H

.

.

(Qv,T ) Qv,Q

.

Pv,E

~Q2

9. ábra. Gızerımő energiafolyam-ábrája Az egyes alrendszerek hatásfokait valamennyi bevezetett és hasznos teljesítmény figyelembe vételével és a kisebb teljesítményáramok elhanyagolásával képzett közelítı módon az 1. táblázat adja meg. A táblázat utolsó oszlopában adjuk meg az egyes alrendszerek és a kondenzációs erımő hatásfokát berendezések szerinti bontásban is. A H alrendszerben a kazán és a csıvezetékek hatásfokát, a T alrendszerben a körfolyamat és a turbina belsı hatásfokát, az E alrendszerben a mechanikai, a generátor, a transzformátor hatásfokot és az erımővi önfogyasztást figyelembe vevı hatásfokot találjuk. 1. táblázat. Az alrendszerek és az erımő hatásfokai: közelítı hatásfok

Alrendszer

hatásfok

H Hıközlés

ηH = ɺ 1 Qü + Pε H

Qɺ

ηH ≅ ɺ1 Q

T Turbina (belsı)

P ηT = ɺ t Q1 + Pε T P +P +P η E = ki ε H ε T Pt

P ηT ≅ ɺt Q

E Villamos

KE η KE ≅ η H ⋅ηT ⋅η E Kondenzációs erımő

Qɺ

hatásfok berendezések szerint η H = η k ⋅ηcs

ü

ηT = ηo ⋅ηi

1

ηE ≅

Pki Pt

η KE = η H ⋅ηT ⋅η E

η E = ⋅ηm ⋅η g ⋅ηtr ⋅ηε

η KE = ηk ⋅ηcs ⋅ηo ⋅ηi ⋅ ⋅η m ⋅η g ⋅ηtr ⋅ηε

Figyelemre méltó, hogy a H és az E (külsı) alrendszerekben olyan hatásfokokat találunk, amelyek a környezetbe távozó energiaáramokat vesznek figyelembe, míg a T (belsı) alrendszerben szereplı két hatásfok esetén nincs környezetbe távozó energiaáram, ezek a veszteségek csak azt az arányt változtatják meg, hogy az alrendszerbe érkezı Qɺ1 hıteljesítmény milyen arányban oszlik meg a hasznos Pt tengelyteljesítmény és a Q 17

alrendszeren keresztül elvezetendı Qɺ 2 hıteljesítmény között. Miután e veszteségek során teljesítmény nem távozik közvetlenül a környezetbe, csak a hasznosítható rész csökken, ezeket minıségi veszteségeknek, míg a többit mennyiségi veszteségnek nevezzük. Az összes mennyiségi veszteséget figyelembevevı hatásfok: ηmenny = ηo ⋅ ηi ⋅ ηm ⋅ η g ⋅ ηtr ⋅ ηε

(32)

Minıségi veszteségeknél a hımennyiség nem vész el, csak a hı alacsonyabb értékővé válik (hımérsékletszintje csökken, entrópiája nı), pl. fojtás, hıcsere hıfokréssel. Ekkor a hıelvonás szintjén az entrópia-különbség nagyobb lesz, mint a hıközlésnél: ∆s2 > ∆s1 , a körfolyamat hatásfoka pedig:

ηo = 1 − ahol

ρ=

q2 T ⋅ ∆s2 T = 1− 2 = 1− 2 ⋅ ρ , q1 T1 ⋅ ∆s1 T1

(33)

∆s2 > 1 , az entrópia növekedés aránya. ∆s1

5.2. A gızkörfolyamat kezdı- és végjellemzıinek meghatározása A hatásfok javításának eszköze lehet a kezdıjellemzık (frissgız nyomásának ill. hımérsékletének) növelése vagy a kondenzátor nyomásának csökkentése. A következıkben állandó hasznos teljesítmény mellett vizsgáljuk meg hogyan hatnak ezek a változások a különbözı részhatásfokokra és a beruházási költségekre.

5.2.1. A frissgız nyomásának növelése A gız tömegárama jó közelítéssel állandó, mert a körülzárt terület a T-s diagrammban alig változik (10. ábra), így azonos teljesítményhez nem kell a gızáramot lényegesen változtatni. A legfontosabb hatás, hogy a körfolyamat hatásfoka javul, mert a hıbevezetési középhımérséklet nı. A turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen romolhat, mert a gız fajtérfogata csökken ⇒ gız térfogatárama csökken ⇒ rövid lapátok esetén a résveszteség nıhet. A turbina kisnyomású részén biztosan romlik a belsı hatásfok, mert az expanzióvonal mélyebben megy be a nedves mezıbe, a gız nedvességtartalma megnı. T

T 1

1 p1

p1 T 1s

3

T 2

2o

2`

s

10. ábra. A frissgıznyomás növelésének hatása

18

Az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok: romlik, mert a tápszivattyúnál nı az elıállítandó nyomáskülönbség. A többi hatásfok nem vagy csak lényegtelen mértékben változik, Ugyanakkor a beruházási költség lényegesen nı a nagyobb nyomás miatt szükséges vastagabb falú berendezések következtében. A kezdınyomás termikus optimuma (a legjobb hatásfok, legalacsonyabb változó költség) rendkívül nagy nyomásnál (500…1000 bar) található. Ugyanakkor a növekvı állandó költségek miatt a gazdasági optimum a kritikus nyomás (221 bar) körül adódik. Kritikus nyomás közvetlen közelében nem lehet megoldani az üzembiztos gıztermelést, ezért szubkritikus (jelenleg 150…180 bar körüli) vagy szuperkritikus (240…300 bar) nyomást kell választani.

5.2.2. A frissgız hımérsékletének növelése A frissgız hımérsékletének növelésekor csökken a gız tömegárama: csökken, mert a körfolyamat vonala által körülzárt terület a T-s diagrammban nı (11. ábra). T

T 1

T1

1 p1

T 1s

3

T 2

2`

2o

s

11. ábra. A frissgız hımérséklet növelésének hatása A körfolyamat hatásfoka nagymértékben javul, mert a hıbevezetés átlagos hımérséklete jelentısen nı. A turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gız fajtérfogata nı, tömegárama csökkent, vagyis a gız térfogatárama és a résveszteség alig változik. A turbina belsı hatásfoka a kisnyomású részen javul, mert a gız nedvességtartalma csökken, Ugyancsak javul az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok is, mert a szivattyúnál állandó az elıállítandó nyomáskülönbség, de a tömegáram csökken. A többi hatásfok: nem vagy csak lényegtelen mértékben változik. A frissgız hımérséklet növelésének nincs hatásfok optimuma, a növeléssel a hatásfok mindig javul, a változó költség viszont folyamatosan csökken. Ugyanakkor a beruházási költség és vele az állandó költség az alkalmazandó jobb anyagminıségek miatt igen erıteljesen nı. Szubkritikus körfolyamatoknál a gazdasági optimum 520…550 ºC, újabban szuperkritikus nyomásnál, új, nagy hımérséklettőréső anyagok alkalmazásával 600…650 ºC frissgız hımérsékletet is elérnek.

19

5.2.3. Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentése Kondenzátor hımérsékletének (nyomásának) csökkentésekor a körülzárt terület a T-s diagrammban nı, így a gız tömegárama kissé csökken (12. ábra). T

T 1

1 p1

T 1s

3

T 2

2o

2`

s

12. ábra. A kondenzátorhımérséklet csökkentésének hatása A körfolyamat hatásfoka javul, mert a hıelvezetés átlagos hımérséklete csökken, a turbina belsı hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gız térfogatárama alig változik; kisnyomású részen romlik, mert a gız nedvességtartalma kissé, a kilépési veszteség jelentısen nı. Az önfogyasztást figyelembevevı hatásfok romlik. A körfolyamat önfogyasztása alig változik (nı), a hőtıvízellátás teljesítményigénye általában jelentısen nı. A többi hatásfok: nem vagy lényegtelen mértékben változik. A beruházási költség a hıelvonási alrendszerben, esetleg a turbinánál nı. Termikus optimum: nincs, korlát a környezet hımérséklete, a gazdasági optimum: frissvízhőtésnél 15-20 ºC-kal, visszahőtéses rendszereknél 20-30 ºC-kal a környezeti hımérséklet felett adódik.

5.3. Tápvízelımelegítés A hatásfok javításának leghatékonyabb eszköze a tápvízelımelegítés. Lényege az alacsony hımérséklető hıbevezetés kiváltása belsı hıátcsoportosítással. A T1 hıbevezetési átlaghımérséklet megnı, de a hıcserék miatt a (33) összefüggésben bevezetett ρ tényezı is. Egyfokozatú elımelegítés kapcsolását, T-s diagrammját és hatásfokra gyakorolt javító hatását a 13. ábra mutatja be. 1 T

η

1

2

n

n

e 2'

e

2'

η 2 s

13. ábra. Egyfokozatú tápvízelımelegítés

20

0

T2

T1s Tn

hatásfok

8

A gızkörfolyamatokban mindig többfokozatú tápvízelımelegítés alkalmaznak. Ez lehetıvé teszi a hıbevezetés átlaghımérsékletének növelését a hıcserék hıfokrésének és a hıcsere okozta entrópia-növekedésnek a korlátok közt tartásával. Az erımővi hatásfokra gyakorolt javító hatását a 14. ábra mutatja be.

10 7 5 3 2 1

Tn T1s

T2

14. ábra. Egyfokozatú tápvízelımelegítés A hatásfok javulása lényegesen nagyobb, mint egyfokozatú tápvízelımelegítés esetén, de a fokozatszám növelésével a növekmény-haszon csökken, különösen nem ideális (véges felülető, egynél kisebb kihasználási tényezıjő) elımelegítıknél. A gyakorlatban általában 6…8 fokozatú tápvízelımelegítést alkalmaznak. Egy jó távízelımelegítı rendszer tervezésénél gazdasági optimalizálással kell meghatározni a tápvízelımelegítés véghımérsékletét, fokozatszámát, fokozatbeosztását és az elımelegítık felületét. Ennek részleteit itt nem ismertetjük, a szakirodalomban megtalálható. Fontos kérdés még az elımelegítık főtıgız kondenzátumainak elvezetési megoldása. A kondenzátum-elvezetés lehetıségeit a 15. ábra mutatja be. Az ábrában ballról jobbra a következı megoldásokat használják:    

keverı elımelegítı, a kondenzátum bekeveredik a tápvízáramba, szivattyús elırekeverés, kaszkád, csapadékhőtı nélkül kaszkád, csapadékhőtıvel.

A jósági sorrend termikus szempontból a következı: keverı - szivattyús - csapadékhőtıs – egyszerő kaszkád. Ugyanakkor üzemviteli szempontból a sorrend fordított.

15. ábra. A kondenzátum-elvezetés lehetıségei

5.4. Újrahevítés A hagyományos tüzelıanyagú erımő hatásfoknövelésének egy további hatékony lehetısége az újrahevítés. Ez azt jelenti, hogy egy rövid expanzió után a részben munkát végzett gızt visszavezetik a kazánba és ott újrahevítik, általában a kezdı hımérsékletig. E megoldásnak a kapcsolását és T-s diagrammját a 16. ábra mutatja.

21

T 1

T

T

T

1u

Tuo no

T 2

s

16. ábra. Hagyományos újrahevítéses erımő kapcsolása és T-s diagrammja Az újrahevítés hatására a hıbevezetés átlagos hımérséklete jelentısen nı, a végnedvesség, szivattyúzási munka aránya csökken. Lehetıvé teszi a kezdınyomás további növelését is. Ugyanakkor a nagynyomású turbinaszakasz belsı hatásfoka romolhat a csökkenı tömegáram és az esetlegesen növekvı frissgıznyomás miatti térfogatáram csökkenés és lapátrövidülés következtében. Emiatt alkalmazása csak nagy teljesítményő, általában 200 MW feletti blokkoknál kifizetıdı. Ettıl alapvetıen eltérı az újrahevítés célja és megoldása atomerımővekben (17. ábra). Nyomottvizes reaktorral épített atomerımővekben a gızfejlesztı telített gızt termel, amely az expanzió során nedves gızzé válik. Ahhoz, hogy az expanzió végnedvesség tartalma ne haladja meg a azt a 12…14%-os határt, amely felett a turbinalapátok igen gyorsan tönkremennek, vagy újrahevítést, vagy rendkívül alacsony frissgız nyomást kell alkalmazni. T

s

17. ábra. Atomerımővi újrahevítés kapcsolása és T-s diagrammja Az ábrában bemutatott kapcsolásban a nagynyomású házból kilépı gızt elıször egy szeparátorba vezetjük, amely szétválasztja a nedves gız víz- ill. gıztartalmát, majd a telített gızt két – egy turbina megcsapolásról és egy frissgızrıl táplált – hıcserélıben újrahevítjük. Ebben a megoldásban a gızszárítás nem hıbevezetéssel történik, ezért a körfolyamat hatásfokát lényegében nem befolyásolja. Az ezt követı túlhevítés azonban csökkenti a hıbevezetési középhımérsékletet, így a körfolyamat hatásfokát csökkenti egy ugyanilyen kezdınyomású, de újrahevítés nélküli körfolyamathoz képest. Csakhogy ez a körfolyamat a végnedvesség miatt nem megvalósítható. Ha viszont a megvalósítható, alacsony kezdınyomású körfolyamathoz hasonlítom, akkor az újrahevítéses körfolyamat hatásfoka a jobb. Tehát végsı soron itt is a hatásfok javítását szolgálja az újrahevítés.

22

5.5. Hatásfoknövelı eljárások összefoglalása A 2. táblázatban foglaltuk össze az 5.2…5.4 alfejezetekben részletezett hatásfoknövelı eljárások következményeit a hagyományos erımővekre vonatkozóan. Atomerımővek esetén csak az elızı alfejezetben ismertetett újrahevítésnél van ehhez képest eltérés. 2. táblázat. A hatásfoknövelı eljárások hatásai: változás

ηk

ηcs

ηo

ηi

ηm

ηg

ηtr

ηε

B

p1 ↑

~Ø

~Ø

↑

↓

~Ø

Ø

Ø

↓

↑

T1 ↑

~Ø

(↓)

⇑

⇑

~Ø

Ø

Ø

↑

⇑

T2 ↓

~Ø

~Ø

↑

(↓)

~Ø

Ø

Ø

↓

↑

tápvízelımelegítés.

(↓)

(↓)

⇑

↑

~Ø

Ø

Ø

↓

⇑

újrahevítés

(↓)

↓

↑

↑(↓)

~Ø

Ø

Ø

↑

⇑

A táblázatban a felfelé mutató nyíl növekedést, a lefelé mutató csökkenést jelent. Ugyanezek zárójelben esetleges vagy nem lényeges hatást jelölnek. A Ø jel azt jelenti, hogy a módosítás egészen biztosan, a ~Ø jel pedig azt, hogy valószínőleg nem hat a jelölt hatásfokra.

23

6. Gázturbinás erımővek A gızerımővi energiafejlesztés mellett napjainkban egyre nagyobb teret hódítanak a gázturbinás egységek. Legfıbb elınye a berendezések kis mérete, ami lehetıvé teszi a nagymértékő gyártómői készre-szerelést, a rövid építési idıt és alacsony beruházási költséget. Emellett a gızerımővi berendezéseknél lényegesen (közel két nagyságrenddel) kevesebb magashımérséklető anyag fajlagosan drágább, lényegesen magasabb hımérsékletet tőrı anyagok alkalmazását engedi meg, így a körfolyamat kezdıhımérséklete – esetenként jelentısen – meghaladhatja az 1000 ºC-ot. A hatásfok mégsem lehet magasabb a gızerımővek hatásfokánál, mert a hıelvonás középhımérséklete sokkal magasabb, mert nincs állandó hımérséklető (halmazállapot-változásos) hıelvonás. A legelterjedtebb megoldás a környezeti levegıt beszívó és az égıtérben keletkezı gázt egy azonos tengelyre szerelt turbinában expandáltató nyíltciklusú gázturbina. Más megoldások is léteznek (pl. kéttengelyes, két égıteres, zártciklusú) ezek kevésbé elterjedtek, ismertetésükre nem térünk ki.

6.1. Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina E megoldásnak kapcsolását a 18. ábra, reverzibilis körfolyamatának T-s diagramját a 19. ábra, a valóságos körfolyamatét pedig a 20. ábra mutatja be.

É

K

T

18. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk kapcsolási vázlata Hımérséklet , K

1600

p2=p3= 24 bar

3

1400 1200 qbe

1000

p1=p4= 1 bar

800 2 600

4

400 1

200 0

0

qel

500

1000 Fajlagos entrópia, s, J/ (kgK)

19. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina reverzibilis körfolyamatának T–s diagramja

24

A valóságos körfolyamat paramétereinek megválasztásánál a következı szempontokat kell figyelembe venni: –

A T3 hımérsékletnek felsı határt szabnak az alkalmazott szerkezeti anyagok. Itt a gızkörfolyamatokkal ellentétben a munkaközeg hıfoka a magasabb, a legmagasabb hımérséklető szerkezeti anyagokat (égıtér fala, turbina lapátok) hőtéssel lehet alacsonyabb hımérsékleten tartani.

Maximált T3 mellett a nyomásviszonynak energetikai optimuma van. Az ezt bemutató 21. ábra magasabb izobárjainál a hatásfok már nem javul, sıt negatív tartományba is átmehet. Fontos azt is tudni, hogy a turbina eredı hatásfoka jobb, mint a turbinafokozatok fokozati hatásfoka, ugyanakkor a kompresszornál az eredı hatásfok rosszabb, mint a fokozati hatásfok. Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a nyomásviszony. –

. Qbe

T

p3 = áll.

3

nyomáscsökkenés a hıközlés során p 2

a turbina belsı irrevezibilitásai

2* a kompresszor belsı irrevezibilitásai

4*

2

p4

p = áll. 5* 0

4 1

1*

nyomásellenállás a kilépésnél

p1

. S

nyomásellenállás a levegı beszívás során

20. ábra. Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina valóságos körfolyamata T T3

η kicsi η jó η közel nulla η negat ív ! s

21. ábra. Valóságos gázturbinás körfolyamat paramétereinek megválasztása

25

Valóságos gázturbinában a turbina és a kompresszor nyomásviszonya – az áramlási nyomásesések miatt – nem azonos, ezért kell definiálni a különbözı berendezések nyomásviszonyait (a nyomásviszony mindig egynél nagyobb szám): δT =

p3 p4

turbina,

δK =

p1 p2

kompresszor,

δH =

p2 p3

égıtér (hıbevezetés),

δL =

p0 p1

levegı beszívás,

δG =

p4 p0

gázelvezetés,

melyekkel felírható, hogy: p p p p p δK = 2 = 0 ⋅ 2 ⋅ 4 ⋅ 3 = δL ⋅ δH ⋅ δG ⋅ δT > δT p1 p1 p3 p0 p4

(34)

6.2. Gázturbina és kompresszor együttmőködése, szabályozás A gázturbina és a kompresszor együttmőködésének vizsgálatához induljunk ki a berendezések jelleggörbéjébıl, melyeket a 22. ábra mutat.

δT

T3

δK

1

lapátállítás

n′ < n m ɺg

n = áll . Vɺ 1

22. ábra. Gázturbina és kompresszor jelleggörbéje A gázturbina gáznyelését az alábbi összefüggéssel adják meg: mɺ g = const ⋅

p3 ⋅ f (δ T ) . T3

(35)

A konstans gépfüggı, az f ( δT ) szorzót pedig a 23. ábra szerinti diagramból vehetjük. Ahhoz, hogy a két gép jelleggörbéjét közös diagramba helyezhessük, a következı megfontolásokat (gyakorlatilag koordináta-transzformációkat) kell tegyük: A (34) összefüggésben láttuk, hogy a kompresszor nyomásviszonya a három áramlási nyomásveszteség miatt nagyobb a turbináénál. Az arány az esetek többségében 1.02…1.08 között van. 26

f (rp )

n =1

1

n=2 n=3

n=∞

0

0,5

1

1/rp

22. ábra. A gáznyelés korrekciós száma nyomásviszony és fokozatszám (n) alapján A füstgázáram az égési levegı és a bevitt tüzelıanyag tömegáramának az összege, ami a következı formában írható fel: mɺ mɺ mɺ g = mɺ 1 + mɺ ü = mɺ 1 ⋅  ü + 1  = Vɺ1 ⋅ ρ1 ⋅  ü + 1   mɺ 1   mɺ 1 

(36)

A jelenlegi gázturbináknál, ahol a T3 hımérsékletet 1050…1400 ºC közötti értékre kell korlátozni kb. 2.5…3 körüli légfeleslegtényezıt kell alkalmazni, amely mellett a tüzelıanyag/levegı arány 0.02…0.025. Ezek után a jelleggörbéket összerajzolva, majd abban a jellegzetes üzemállapotokat feltüntetve immár a gépcsoport szabályozási diagramját láthatjuk (23 ábra).

T3′

δT

Á B

T3,0 T3,C

A

T3,D C D

n = áll . lapátállít ás határai . V3

23. ábra. Gázturbina terhelésváltoztatása Az A pont a névleges terhelési állapotot mutatja. A gépek túlterhelése az Á helyzetbe tolja a munkapontot, de ez csak tetemes élettartam csökkenés árán vállalható. Részterhelések felé haladva elıször a lapátok állítása következik, majd ennél is kisebb terheléseknél a tüzelıanyag-bevezetés csökkentésére kényszerülünk (C, D pontok). Mivel az égıtér hımérséklete nem mérhetı (nem homogén hımérsékletmezı), a gázturbinából kilépı füstgázé viszont már igen, kézenfekvı, hogy abból következtetnek vissza a tüzelés körülményeire. Az expanzióvonal menetének szem elıtt tartásával a fent leírt terhelésváltoztatás „a kilépı füstgázhımérsékletrıl” jól szabályozható. Fontos a mőködés szempontjából a környezeti levegı állapota, hiszen mint láttuk, a égési levegı tömegárama a beszívott levegı sőrőségétıl, azaz hımérsékletétıl függ. Például 10 °C hımérséklet csökkenés 6...7 % teljesítmény növekedést és 3...4 % hatásfok javulást okoz. A levegıhımérséklet változás hatására megváltozó jellemzıket a 24. ábra mutatja.

27

δK

PGT T1 ↓ T1 ↑

villamos korlát

T3

ρ1 ↑

ρ1 ↓ m1

1 bar 15 °C ϕ =60%

T1

24. ábra. Gázturbina jellemzık változása a levegıhımérséklet függvényében

6.3. A gázturbina karbantartása, élettartama Amíg áramlástechnikailag a kompresszor a jóval kényesebb gép, a karbantartásra a turbina az érzékenyebb. Itt nem a gızturbináknál megszokott, lapáthossz okozta szilárdsági korlátokba ütközünk, hanem elsısorban a magas üzemi hımérséklettel járó hıfeszültség és a lapátok anyagának elégése veszélyes. Hıfeszültség keletkezése a lapátok külseje és belseje között indításkor és leállításkor nagymérvő, amit másképp elkerülni nem lehet, csak a terhelési sebességek kíméletes megválasztásával. (Pl. a gızturbina minden baj nélkül elviseli a 100 %-os teherledobást, gázturbinánál ez súlyos károsodást okozhat.) A lapátok hımérséklettőrését hıálló (keramikus) bevonatokkal fokozzuk. Ennek nagy hátránya a ridegség, tehát itt is a terhelési sebességek korlátaihoz jutunk vissza. Sokat javít a helyzeten az elterjedten alkalmazott furatos lapátkonstrukció, amikor a lapátok belülrıl is hőtöttek, majd a belsı csatornából kiáramló levegı a lapát legmelegebb felületei elıtt is hőtı hatást fejt ki. Mivel a gázturbinák zöme csúcserımővi célokat szolgál, az élettartam-gazdálkodás igen fontos. A gázturbinákra minden gyártó megadja az általa garantált élettartamot, mely az úgynevezett egyenértékő üzemidı szerint számítandó. Definíciója:

τ e = ∑τ j ⋅ k j + ∑ n j ⋅ c j , j

(37)

j

ahol τi az i.-ik indítás után üzemben töltött idı, ki ezen i-ik üzemi periódus üzemállapot súlyfaktora (névleges üzemállapot, gáztüzelés: ~1, részterhelésen sem kisebb, olajtüzelésnél: ~2...5; túlterhelés (Á pont), gáztüzelés: ~1,5...2). A második szummázás a különbözı események hatását veszi figyelembe, benne nj események száma (indítás, leállítás, terhelésváltozás, rendkívüli esetek), cj események súlyfaktora, amit általában a gyártó ad meg. Fontos tudni, hogy a gázturbinák általában alkalmasak igen gyors (elhatározástól teljes terhelésig 7-15 perces) indításra is, ennek elhasználódást jellemzı cj szorzófaktora azonban sokszorosan meghaladja normális ütemő (20-30 perces) indításét. Ugyancsak nagy igénybevételt jelent a hirtelen, elızetes fokozatos teljesítménycsökkentés nélküli leállítás, ami pl. teherledobás miatt lehet szükséges. Elvárás, hogy két karbantartás között az egyenértékő üzemidı legalább 7000...8000 h legyen. Ezután a gépet felül kell vizsgálni, el kell végezni a szükséges karbantartó jellegő tevékenységeket. Általában 3 ilyen periódus (~20…25000 h) után a legjobban terhelt lapátok teljes cserét igényelnek. 28

7. Kombinált ciklusú erımővek A kombinált gáz-gız körfolyamatú erımővek gondolatát a gázturbina körfolyamat magas hıelvezetési átlaghımérséklete (máskép fogalmazva a kipufogó gáz magas hımérséklete) vetette fel. Ha ezt a hıt valamilyen gızkörfolyamatban tudjuk hasznosítani, akkor egyesítettük a gázturbina magas hıbevezetési átlaghımérséklete és a gızkörfolyamat alacsony hıelvezetési átlaghımérséklete nyújtotta elınyöket. A kombinációnak számos lehetısége van, ezek közül messze a legelterjedtebb a gázturbinához kipufogó gázához kapcsolt hıhasznosító gızerımő, és annak különbözı alváltozatai. Ezért ezt a kombinációt ismertetjük részletesebben, a többit csak röviden megemlítjük.

7.1. Gázturbinához kapcsolt hıhasznosító gızerımő A jelenleg legelterjedtebben használt 1000…1200 ºC belépı gázhımérséklető gázturbinák kipufogó gázának hımérséklete 500…550 ºC körül van. Ez elegendıen magas ahhoz, hogy kiegészítı tüzelés nélkül is közepes (40…60 bar) nyomású gız termelhetı, amely egy gızkörfolyamatban hasznosítható. Az ilyen módon termelt gızbıl többlet hıbevezetés nélkül még kb. fele akkora villamos teljesítmény nyerhetı, mint a gázturbinából, azaz az összes villamos teljesítmény és a hatásfok kb. másfélszeresére nı. Ez 32…36% gázturbina hatásfok mellett már 50% körüli vagy azt is meghaladó kombinált ciklus hatásfokot jelent, ami meghaladja a gızkörfolyamatú erımővek szokásos hatásfokait. A legegyszerőbb, egynyomású gıztermelést megvalósító megoldás felépítését a 25. ábra, a körfolyamat elvi ábráját T-s diagramban a 26. ábra mutatja be. Qɺ ü T4

T1

PGT h1 mg ɺ

T2

T3

PKE

T G

h1′

V T HH 25. ábra. Az utánkapcsolt hıhasznosító gızerımő kapcsolása Fontos tulajdonsága ennek a kapcsolásnak, hogy a gázturbina a gızerımő kiesésekor is képes üzemelni, a gızerımő önmagában azonban nem. A kombinált gáz-gız körfolyamat hatásfoka az ábra jelöléseivel: ηG / G =

PGT + PKE , Qɺ ü

(38)

A két körfolyamat összeillesztését legszemléletesebben Q-T diagramban lehet bemutatni (27. ábra).

29

∆Sɺ1 T

T1

T2 ∆Sɺ 2 , a

Sɺ

∆Sɺ 2 , b

26. ábra. Az utánkapcsolt hıhasznosító gızerımő körfolyamata

T2

T

∆T

T HH

T

G

V

Qɺ

27. ábra. A hıhasznosító kazán Q-T diagramja Az ábrán a V, G, T jelölések rendre a vízhevítés, gıztermelés, túlhevítés felületeit jelentik. A füstgáz lehőlési görbéjének, mind a víz hıközlési szakaszainak meredekségét a közegek fajhıje és tömegárama határozza meg, mégpedig a − ( mɺ ⋅ c )−1 összefüggés szerint. Az ábrában ∆T a minimálisan szükséges hıfokrést jelöli, ami ahhoz szükséges, hogy a hıátvitel gazdaságosan megvalósítható, véges nagyságú felülettel legyen megvalósítható. A szerkesztés menete a következı:  a gázturbina jellemzıi (kilépı gáz összetétele, tömegárama, hımérséklete) ismeretében megszerkeszthetjük a gázlehőlési vonalat,  ennél ∆T-nyivel lejjebb berajzoljuk a „tiltott zóna” határát (vékonyabb vonal),  felvesszük a gıznyomást, a hozzátartozó telítési hımérséklet vonalával elmetszzük a vékony vonalat, ez kijelöli a T és G szakaszon összesen átadható hıteljesítményt,  ebbıl a következı összefüggéssel lehet meghatározni a termelhetı gızmennyiséget:

30

QɺT + Qɺ G = mɺ ⋅ ( h1 − h1' )

(39)

 ennek ismeretében meghatározhatók a T és V szakaszokon a gız- és vízhevítési vonal meredekségét,  a tápvízhımérsékletnél lezárjuk a V szakaszt, és vele együtt a hasznosítható hı nagyságát is megkapjuk. A füstgázoldali hımérleg

Qɺ HH = mɺ 2 ⋅ c2 ⋅ ( T2 − THH ) ,

(40)

amibıl kiadódik a füstgáz THH lehőtési véghımérséklete. A füstgáz lehőtésének a korróziós szempontok (harmatpont) viszonylag alacsony, 80…100 °C-os korlátot szabnak, de evvel a megoldással általában nem mehetünk ~160 °C alá, vagyis az elvileg hasznosítható hınek egy részét ebben a kapcsolásban elveszítjük. A gáz lehőtési véghımérséklete függ a termelt gız nyomásától is, ahogy ezt a 28. ábra bemutatja. A vékonyabb vonallal rajzolt, alacsonyabb nyomású gızkörfolyamat esetén csökkenthetı a kilépı füstgáz hımérséklete, nı a gızkörfolyamatba átadott hıteljesítmény, de az alacsonyabb gıznyomás egyúttal alacsonyabb hatásfokú gızkörfolyamatot eredményez. T2

T

∆T

Qɺ H H

η KE

T HH PKE T

G

V

Qɺ ∆Qɺ 28. ábra. Nyomásváltoztatás hatása a gázlehőtésre

p1 , gız 29. ábra. A gıznyomás hatása a kombinált ciklus fı jellemzıire

A termelt gız nyomásának hatását a hıhasznosító kazánban a gızkörfolyamatnak átadható hıteljesítményre, a gızkörfolyamat hatásfokára és a gızkörfolyamatnak a kettı szorzataként kialakuló villamos teljesítményére a 29. ábrában látható. z ábra azt mutatja, hogy a gıznyomásnak a közepes nyomások tartományában termikus optimuma van, ami egyben jó közelítéssel a gazdasági optimumot is megadja. Könnyen belátható, hogy a megcsapolásos tápvízelımelegítés ebben az esetben nem javítja, hanem rontja a hatásfokot, mert a csapolás(ok)on elvett gız csökkenti a gızkörfolyamat villamos teljesítményét. A tápvíz gáztalanításáról azonban itt is célszerő a gızerımőveknél megszokott módon gondoskodni. A táptartály telített gızzel történı főtését végezhetjük a gızturbina megcsapolásáról, vagy pedig a hıhasznosító kazánban létesített további főtıfelületekben fejlesztett (általában a légkörinél nagyobb nyomású) gızzel (30. ábra). Ez a megoldás nem változtatja meg a kombinált ciklus egyetlen energetikai jellemzıjét sem, csupán a hıhasznosító V jelő szakaszán csökken egy kicsit a közepes hıfokrés (31. ábra).

31

T2

T

∆T

T G V

T HH

T

G

V

Qɺ 31. ábra. A gáztalanítós táptartály hatása a Q-T diagramra

30. ábra. A gáztalanítós táptartály kapcsolása

A füstgáz jobb lehőtése kisebb nyomású gız termelésével érhetı el. Elérhetı, hogy ez ne csökkentse a gızturbina teljesítményét, úgy, hogy a alacsonyabb nyomású gız mellett magasabb nyomású gızt is termelünk. Ezt a megoldást kétnyomású hıhasznosításnak nevezzük, kapcsolását a 32. ábra, Q-T diagramját a 33. ábra mutatja be. Összehasonlításként az ábrában vékony vonallal jelezzük az egynyomású kapcsolás viszonyait. T

T1 G1 V1

∆T fg

T2 G2 G2

G1

V2

T1 32. ábra. Kétnyomású hıhasznosító gızerımő kapcsolása

V1

T2

V2

Qɺ

33. ábra. Kétnyomású hıhasznosító gızerımő Q-T diagramja

A kétnyomású gıztermeléssel a füstgázt lehőtése a bejelölt értékkel javul. A változás elınye úgy is megfogalmazható, hogy a víz-gız felmelegedési szakaszai eredıben a füstgáz lehőlési görbéjéhez közelíthetık, csökkentve ezzel a hıátvitelnél a közepes hıfokrést és avval együtt a folyamat irreverzibilitását. Szóba jöhet olyan kapcsolás is, amikor a V1 és T2 felületeket a hıfokok szempontjából helyileg felcseréljük, vagy pedig egymás mellé (azonos hımérséklető zónába) helyezzük. A konstrukciós nehézségeket a termikus elınyök ellentételezhetik. A lehőlési és felmelegítési görbe tovább közelíthetı egymáshoz a nyomásfokozatok számának növelésével. Ez azonban már kisebb hasznot húz, mert a korróziós szempontok szerint megengedhetı gázlehőtést már a két nyomásfokozat esetén is el lehet érni, a továbbiak már csak az illeszkedést javítják. Háromnál több nyomásfokozatot jelenleg még nem használnak. A gázlehőtés javításának a másik módja a több nyomás helyett póttüzelés alkalmazása. A gázturbina kilépı gázában általában még 14…15% oxigén van, ami lehetıvé teszi további tüzelıanyag elégetését a gázturbina és a hıhasznosító elsı hıátadó felülete között. A póttüzeléses hıhasznosítás Q-T diagramját a 34. ábra mutatja be.

32

T

Qɺ pót

szerkezeti anyag miatti hımérsékletkorlát

Qɺ HH Qɺ HH, új

∆Qɺ Qɺ

34. ábra. Póttüzeléses hıhasznosítás Q-T diagramja Az ábrából látható, hogy a gızkörfolyamatnak átadott hıteljesítmény nagyobb mértékben nıtt meg, mint a póttüzelés hıteljesítménye. Azaz a póttüzelés növekmény hatásfoka 100%-nál nagyobb.

7.2. Cheng ciklus Ha a gázturbinából kilépı füstgázzal gızt termelünk, majd azt az égıtérbe visszavezetjük, Cheng ciklusról beszélünk. Ekkor a hulladékhı-hasznosítás lehetıvé teszi, hogy a fejlesztett gız tömegárama a komprimált levegı tömegáramának akár 50 %-át is elérje. A megoldás hátránya a turbina élettartamának csökkenésén kívül az, hogy drága, kezelt vizet kell a folyamatba pótolni, ami a munkavégzés után teljes egészében elvész. A Cheng ciklus komplett változatáról (35. ábra) akkor beszélünk, ha a hıhasznosító hıcserélıben póttüzelést is alkalmazunk, és a fejlesztett gızt nem teljes egészében az égıtérbe visszük, hanem annak bizonyos részét valamilyen módozatú hıkiadásban dolgozzuk fel:

Qɺ ki

Qɺ pót 35. ábra. A Cheng ciklus komplett változata A Cheng ciklust a 36. ábra szerinti üzemi diagram jellemzi. A gázturbina már zéró villamos teljesítmény mellett is jelentıs hulladékhıt szolgáltat (A pont). Felterheléskor (A-B szakasz) mind a hı- mind a villamos teljesítmény nı. A B-C szakaszon jelenik meg a fejlesztett gız fokozatos visszavezetése az égıtérbe, ami a turbina teljesítményét tovább növeli, miközben a kiadható hıteljesítmény nyilván csökken. A póttüzeléssel az A-B-C vonaltól jobbra, míg részterheléssel és gız visszavezetéssel a vonaltól balra fekvı területek érhetık el.

33

C

P

GT

részterhelés + gız visszavezetés

gız visszavezetés + póttüzelés

B részterhelés + póttüzelés

Qɺ kiadható

A

36. ábra. A Cheng ciklust üzemi diagramja A megoldás elınye, hogy a két kiadott teljesítmény egymástól függetlenül, széles határok között állítható be. Ennek különösen szigetüzemő rendszereknél (pl. tengeri olajfúró tornyok) van nagyjelentısége.

7.3. További lehetséges gáz-gız körfolyamatok Laza kapcsolatot teremt a két körfolyamat között a gázturbina kipufogó gázának hıhasznosítása egy gızerımő tápvízrendszerében (37. ábra). (A laza kapcsolat azt jelenti, hogy bármelyik körfolyamat mőködıképes a másik nélkül is.) Ilyenkor a gızerımő nagynyomású elımelegítıit (néha a kisnyomásúakat is) csapolt gız helyett a gázturbina kipufogó gázával főtjük, így a megcsapolásokon ki nem vett gız továbbexpandál a kondenzátorig és ez adja az összekapcsolás hasznaként jelentkezı többlet villamos teljesítményt. PKE

PGT

T n2

T2

TH

Tn

T n1

37. ábra. Gázturbina hıhasznosítása gızerımő tápvízrendszerében A gázturbina kipufogó gázának hıhasznosítása történhet egy gızerımő kazánjában is (38. ábra). Ennél a megoldásnál a kipufogó gáz részlegesen kiváltja az égési levegıt, mert magas oxigéntartalma a kazánban még hasznosítható. Ez is laza kapcsolat a két körfolyamat között

34

PKE

PGT

T ki

T2

Tn

38. ábra. Gázturbina hıhasznosítása gızerımő atmoszférikus gızkazánjában A 39. ábra kapcsolása szoros kapcsolatot teremt, egyik részkörfolyamat sem tud a másik nélkül mőködni. A kapcsolat egyrészt a a gázturbina nagynyomású részén elhelyezkedı ún. feltöltött kazánban, másrészt a gızkörfolyamat tápvízrendszerében valósul meg. Ez a típus nem terjedt el széleskörően. PKE

Tn

PGT T1

T2 TH 39. ábra. Feltöltött gızkazánban integrált gáz/gızerımő A kombinált ciklusokkal elérhetı igen jó hatásfok és az energetikai célra használható szenek – szénhidrogénekhez hasonlítva – jelentısebb készlete arra készteti a tervezıket, hogy szénfelhasználásra alkalmas kombinált ciklusokat alakítsanak ki. A 40. ábra egy ilyen lehetséges kapcsolást mutat be. Ebben a megoldásban a szén elégetése egy nyomás alatti örvénylı fluidágyas kazánban történik. A fluidágyban történik meg a gızkörfolyamat hıtermelése, így a hımérsékletkorlát betartásához nem kell magas légfelesleg tényezıt használni. Ezt követıen rendkívül jó leválasztási fokú pernyeleválasztó állit elı gázturbinába vezethetı tisztaságú gázt. Itt is alkalmazható a gázturbina kipufogó gázának hıhasznosítása a gızkörfolyamat tápvízrendszerében. Esetenként – a gázkörfolyamat hatásfokának emelése érdekében – a pernyeleválasztó és a gázturbina között földgázzal még ráfőtenek a munkavégzı gázra.

35

PKE

Tn

PGT

T1

T2 TH 40. ábra. Integrált gáz/gızerımő nyomás alatti örvényágyas széntüzeléssel További szénfelhasználási próbálkozások folynak külsı széntüzeléső gázturbinával, nyomás alatti szénelgázosítás és gázturbina összekapcsolásával és más megoldásokkal, mindegyiket kapcsolódó gızkörfolyamattal kiegészítve. Természetesen a szénfelhasználás mindegyik technikai megoldása igen szoros integrációt jelent, de ezeknél az üzemrészek önálló mőködtetésének kérdése értelemszerően fel sem merül.

36

8. Kapcsolt energiatermelés Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hı- és villamosenergiatermelés, amikor egy villamosenergia-termelı berendezés termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkezı hulladékhıjét olyan hıfokszinten tudjuk elıállítani, hogy az még hıigények – elsısorban főtési igények – kielégítésére felhasználható. Az ilyen rendszerekben a felhasznált tüzelıhı 80…90%-a hasznosul villamos- vagy hıenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függıen eltérı lehet. Ennek megfelelıen a kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót kell használni. Az egyik az összes hatásfok a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hıteljesítményhez, a másik a két hasznos teljesítmény aránya (a fajlagos villamosenergia-termelés), amely a hasznos villamos teljesítmény (P) és hıteljesítmény (Qf) aránya:

η=

P + Qɺ f Qɺ ü

és

σ=

P ɺ Qf

(41)

Az utóbbi mutatónak az adja a jelentıségét, hogy különválasztott megtermelés esetén a csak villamos-energiát termelı folyamatok hatásfoka általában 30-40%, míg főtési hı kb. 90% hatásfokkal állítható elı. Emiatt kedvezıbb az a megoldás, amelyben több értékes villamosenergia termelhetı, azaz nagyobb a fajlagos villamosenergia-termelése. Több évtizede ismeretes és alkalmazott eljárás a nagy távhırendszerekben alkalmazott kapcsolt energiatermelés gızkörfolyamatokban. Ez célszerően több tíz, vagy inkább 100 MW-ot meghaladó csúcshıigényő távhırendszerekben alkalmazható (általában főtési célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gız hıhordozó elıállítására. A hıkiadás módja ellennyomású vagy elvételes kondenzációs lehet. Az ellennyomású hıszolgáltató blokk turbinájában csak annyi gızt lehet expandáltatni, amennyit a fogyasztók igényelnek vagy amennyivel a fogyasztók által igényelt forróvíz felmelegíthetı. Ez azt jelenti, hogy a villamosenergia elıállítása és a tüzelıanyag fogyasztás közelítıleg arányos a hıigény nagyságával. Egy ellennyomású főtıblokk kapcsolását és a körfolyamat T-s diagramját a 41. ábra mutatja. T 1

Sza bá lyoza tla n elvét el

F ő t ési h ıcser élık

te

T1

tv

t ell'

T ell

ell0

T2 2'

Tá pvízelım elegítı r en dszer

20

ell 2

s

41. ábra. Ellennyomású főtıblokk kapcsolása és a körfolyamat T-s diagramja

37

Az összes hatásfok általában 80…90%, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke – a körfolyamat paramétereitıl és a hıkiadás hıfokszintjétıl függıen – 0,2 és 0,4 között lehet. Egy ilyen kapcsolt energiatermelés és az azt helyettesítı külön-külön termelés energiaáramait mutatja kerekített számokkal a 42. ábra. külön hı- és villamosenergia termelés

kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20

tüzelıanyag 100

tüzelıanyag 55

hıenergia 65

villamos energia, 20 veszteség 35

veszteség 10

veszteség 15

tüzelıanyag 75

Tüzelıhı megtakarítás:

hıenergia 65

55 + 75 – 100 = 30 42. ábra. Kapcsolt energiatermelés gızkörfolyamatban A számpélda mutatja, hogy a kapcsolt energiatermelés 30 egységnyi hımegtakarítást eredményez a külön hı- és villamosenergia termeléshez képest (100 egység tüzelıhı 130 helyett), ami a kiadott távhıre vonatkoztatva 30/65=0,46 fajlagos hımegtakarítást jelent. Az ellennyomású kapcsolt energiatermeléstıl eltérıen az elvételes kondenzációs kapcsolt energiatermelés (43. ábra) esetén nincs általános kényszerkapcsolat a két termék aránya között. Az ellennyomású főtıblokknak alapvetıen három különbözı üzemállapota van: •

Minimális kondenzáció: a kondenzátorba ömlı gızáram nem csökkenthetı nullára, még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlasztó csappantyú esetén sem. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelhetı, mint egy közös gépben megvalósuló minimális kondenzációs és egy ellennyomású körfolyamat szuperpozíciója.

•

Maximális gıznyelés: ilyenkor a hıkiadás növelése a villamos teljesítmény csökkenését vonja maga után. A villamos teljesítmény csökkenésének és a kiadott hıteljesítménynek az arányát fajlagos kiesett villamosenergia-termelésnek nevezzük:

y ki = − •

∆P Qɺ f

(42)

Közbensı tartomány: a két kiadott hasznos teljesítmény egymástól függetlenül változtatható, beállítható.

A hıkiadás minıségi jellemzıi (σ fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés és yki fajlagos kiesett villamosenergia-termelés) is szoros kapcsolatban állnak a hıközlési, hıkiadási és hıelvonási középhımérsékletekkel. Veszteségmentes, ideális körfolyamatokban

σ=

T1 − Tell T1 = −1 Tell Tell

és

y ki =

38

Tell − T2 T = 1− 2 . Tell Tell

(43)

Szabályozatlan elvétel Főtési hıcserélık

te

tv

Tápvízelımelegítı rendszer

43. ábra. Elvételes kondenzációs főtıblokk turbinájának kapcsolása Valóságos ellennyomású gızkörfolyamatban a fajlagos ellennyomású villamosenergiatermelés:

σ ell

 Tell  1 −  ⋅η T ⋅η mE T1   = ,   Tell   Tell   +   ⋅η mQ (1 − η T ) ⋅ 1 − T T 1   1   

(44)

ahol ηmE és ηmQ a villamos és a hıkiadási alrendszer mennyiségi veszteségeit figyelembevevı hatásfok, ηT pedig a turbina belsı hatásfoka. Az összefüggésbıl kiolvasható, hogy a fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés értéke a valóságos körfolyamatban kisebb, mint az ideális körfolyamatban. Valóságos elvételes kondenzációs gızkörfolyamatban a fajlagos kiesett villamosenergiatermelés értéke:

 T  y ki = 1 − 2 ⋅ ρ irr  ⋅η T ⋅η mE ,  Tell 

(45)

ahol ρirr a hıelvonási és hıkiadási középhımérséklet közötti tápvízelımelegítés irreverzibilitásai miatt bekövetkezı entrópiaáram-növekedést figyelembevevı tényezı. A (45) összefüggéssel meghatározható érték kisebb (kedvezıbb), mint az ideális körfolyamat esetében. Ennek magyarázata, hogy itt veszteségek maradnak el, mert a gız egy része nem expandál végig a kondenzátorig. A gázturbinák mintegy 10…15 évvel ezelıtti megjelenése a villamosenergia-termelésben lehetıvé tette a valamivel kisebb hıigényő körzetek bekapcsolását a kapcsolt energiatermelés lehetséges körébe és a fajlagos villamosenergia-termelés értékének emelését kb. 0,6-ig. Ennek az ad jelentıséget, hogy az 1998-as nyilvántartások szerint Magyarország 103 településén 290 távhıszolgáltató rendszert tartottak nyilván, és összesen 650 ezer lakás tartozott ezekhez a távhırendszerekhez, azaz a rendszerenkénti átlagos lakásszám alig haladja meg a kétezret. Hasonló teljesítménytartományban gazdaságos lehet a kombinált gáz-gız körfolyamatokban alkalmazott kapcsolt energiatermelés, ezekben az esetekben a fajlagos villamosenergiatermelés értéke akár az 1-et is elérheti. A magasabb beruházási költségő kombinált ciklus létesítésének gazdaságossága általában csak akkor biztosított, ha a hıigényektıl függetlenül is alkalmas villamosenergia-termelésre. Ezt elvételes kondenzációs rendszerrel vagy ún.

39

kényszer-kondenzáció, vagyis a távhırendszer fogyasztóitól független hıelvonási rendszer beépítésével lehet biztosítani. A kisebb, akár ezer alatti lakásszámú körzetek, kisebb ipari fogyasztók és akár egy-egy nagyobb intézmény kapcsolt energiatermelésbe való bevonását a gázmotorok néhány évvel ezelıtt elindult elterjedése tette lehetıvé. Ezek a földgáztüzeléső belsıégéső motorok leggyakrabban a 300…3000 kW villamos- és 350…4000 kW hıteljesítmény tartományban épülnek. Ez már 2…4 MW csúcshıigényő rendszerekben is lehetıvé teszi a kapcsolt energiatermelést, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke pedig eléri a 0,8…0,95 értéket is. A magas fajlagos villamosenergia-termelés jelentıségét a 44. ábra mutatja be. Ebben látható, hogy 100 egységnyi gázmotorban felhasznált tüzelıhı már 162 egységnyi különálló termelésben felhasználandó tüzelıhıt válthat ki, szemben a gızkörfolyamatú erımőveknél bemutatott 130 egységnyivel. Így a fajlagos hımegtakarítás értéke (62/45 = 1,38) jóval 1 fölött van! Ennek persze az az oka, hogy összehasonlító villamosenergia-termelésnek a magyar villamosenergia-rendszer 35% körüli átlagos hatásfokát vettük fel, ami eleve rosszabb, mint a gázmotorok kb. 40% villamos hatásfoka. Még ennél is valamivel kedvezıbb eredményeket kapnánk a kombinált ciklusban megvalósított kapcsolt energiatermelésre vonatkozóan kapcsolt energiatermelés

külön hı- és villamosenergia termelés

villamos energia, 40

tüzelıanyag 100

hıenergia 45

villamos energia, 40

tüzelıanyag 110 veszteség 70

veszteség 15

veszteség 7

Tüzelıhı megtakarítás: 110 + 52 – 100 = 62

tüzelıanyag 52

hıenergia 45

44. ábra. Kapcsolt energiatermelés gázmotorban

40

9. Erımővi segédrendszerek Egy erımő mőködéséhez az eddig ismertetett fı folyamatokon felül még néhány nélkülözhetetlen segédrendszerre is szükség van. Ezek közül ebben a fejezetben csak a hıelvonás és a füstgáztisztítás rendszereire térünk ki. További létfontosságú segédrendszereket más tananyagok és segédletek tárgyalnak vagy a szakirodalomban fellelhetık. Ilyen fontos segédrendszerek pl. a tüzelıanyag-ellátás, gızkörfolyamat esetén a levegıellátás, pótvízellátás, levegıeltávolítás, széntüzelés esetén a salak- és pernyeeltávolítás, nyíltciklusú gázturbinák esetén a levegıtisztítás rendszerei.

9.1. Hőtırendszerek Gızkörfolyamatok és kombinált ciklusok esetén a hıelvonást a hőtırendszerek valósítják meg. Egy viszonylag ritkán alkalmazott rendszer (GEA közvetlen léghőtés) kivételével a kondenzátorban lejátszódó hıelvonást hőtıvíz segítségével valósítják meg, ezért ezt a rendszert hőtıvízellátási rendszernek is szokás nevezni. A hőtıvízellátási rendszer elnevezés azonban valamivel többet is jelent, mint a hıelvonást, az erımővi technológiákban néhány egyéb hőtési igény (pl. generátorhőtés, helységhőtés) is fellép, ezek hőtıvízigénye azonban elhanyagolható a hıelvonás hőtıvízigénye mellett. Az erımővekben egyéb vízigények is fellépnek (pl. pótvíz elıállítás, hidraulikus salak-pernye szállítás), azonban ezek vízigénye is nagyságrendekkel elmarad a hőtıvízigény mellett.

9.1.1. Közvetlen léghőtés A GEA rendszerő közvetlen léghőtés esetén a turbinából kilépı, igen alacsony nyomású gızt közvetlenül hőtıtoronyba vezetik, ahol a levegıáram kondenzálja le a gızt. Egyszerősége és víztakarékossága ellenére sem nagyon terjedt el, elsısorban az alacsony gıznyomás okozta levegı-betörési veszély és a nagy gız fajtérfogat miatt szükséges extrém nagy keresztmetszető gızvezeték miatt.

9.1.2. Frissvízhőtés Frissvízhőtésnél valamely élıvízbıl (folyóvíz, tenger, tó) kivett hőtıvíz csak egyszer halad keresztül a hőtırendszeren és utána visszaeresztjük az élıvízbe. Ilyenkor mindig felületi kondenzátort alkalmaznak hıelvonásra, hogy az igen jó minıségő körfolyamati közeg (gáztalanított és sótalanított víz) ne érintkezhessen a csak szőréssel kezelt, magas oldott gázés sótartalmú hőtıvízzel. Kondenzációs gızerımővek hőtıvízigénye igen magas. 1 MW hasznos villamos teljesítményre hagyományos erımővek esetén 1.2…1.4 MW, atomerımő esetén kb. 2 MW elvonandó hıteljesítmény jut. Ehhez a szokásos 8…10 °C hőtıvíz felmelegedés feltételezésével 30…50 kg/s (110…180 t/h) hőtıvízáramra van szükség. Ez pl. azt jelenti, hogy egy paksi blokk (460 MW) hőtıvízigénye megközelíti a Sajó vagy a Rába közepes vízhozamát. Annak megítéléséhez, hogy egy folyó mekkora erımő számára tud elegendı hőtıvizet szolgáltatni, nézzük meg egy folyó vízhozam-tartóssági görbéjét (45. ábra). Az ábrában jelölt legfontosabb értékek:     

LNQ: legnagyobb víz, az eddig észlelt legnagyobb vízhozam, KNQ: közepes nagy víz, az évi maximumok átlaga, KÖQ: közepes víz, sokévi átlagos vízhozam, KKQ: közepes kisvíz, az évi minimumok átlaga, LKQ: legkisebb víz, az eddig észlelt legkisebb vízhozam

41

(A vízgazdálkodásban hagyományosan Q-val jelölik a m3/s-ban mért vízhozamot.) Q [m3/s]

LNQ KNQ nagy vízhozamú év átlagos vízhozam-tartósság KÖQ, átlagos vízhozam

kis vízhozamú év KKQ LKQ T [h/év] 45. ábra. Vízhozam-tartóssági görbe Durva, közelítı szabály, hogy vízi mőtárgy (duzzasztás) nélkül a vízhozamnak kb. harmadát lehet egy folyóból kivenni. Méretezési vízhozamnak a folyó KKQ közepes kis vízhozamát szokás tekinteni. Ha a hőtıvízigény ennek harmadát nem haladja meg, akkor duzzasztás nélküli frissvízhőtést lehet alkalmazni. Ennél nagyobb vízigény (kisebb vízhozam) esetén megoldás lehet a duzzasztás (a KKQ 70…90%-áig növelhetı a vízkivétel), kisegítı visszahőtés (hőtıtorony) létesítés, ami csak kis vízhozam esetén mőködik vagy a kis vízhozam esetén a vízkivétel és az erımővi termelés korlátozása, ami változó hiányként terheli az erımővet. Frissvízhőtés esetén általában igen nagy a hőtıvízszivattyúk teljesítményfelvétele, mert az erımővet biztonsággal az árvízszint feletti magasságú rendezett terepen kell elhelyezni. A szivattyúzási munka egy része visszanyerhetı, ha a melegvíz visszavezetésnél rekuperációs vízturbinát alkalmaznak.

9.1.3. Visszahőtéses rendszerek Visszahőtéses rendszereknél a felhasznált hőtıvizet lehőtjük és újra felhasználjuk a kondenzátor és a segédrendszerek hőtésére. A visszahőtés során a hıt a levegınek adjuk át közvetlenül érintkeztetéssel (nedves hőtés) vagy felületi hıcserélın keresztül (száraz hőtés). Megfelelı vízhozamú vízfolyás esetén a visszahőtés egyik lehetséges megoldása a hőtıtó (46. ábra). A párolgás miatt a hőtıtó sótartalma csak megfelelı mennyiségő vízleeresztés esetén tartható korlátok között. A tó víz tömegmérlege (általában évi mennyiségekkel): mbe + mcs = mle + msz + m p + ∆me ,

(46)

a sótartalom tömegmérlege pedig

mbe ⋅ cbe = ( mle + msz ) ⋅ c ,

(47)

42

ahol mbe a befolyó vízfolyás vízhozama, mle a vízleeresztés, mcs a tóba hulló csapadék, mp a párolgás, msz a talajba elszivárgás, ∆me az erımő vízkivételének és visszaeresztésének különbsége, cbe a befolyó víz sókoncentrációja, c pedig a tó vizének sókoncentrációja. (A só tömegmérleg az erımő pótvíz-kezelési módjától függıen kis mértékben változhat.) A párolgás mennyiségének meghatározásánál figyelembe kell venni a természetes párolgás mellett a hıelvitelhez szükséges párolgást is. Magyarországi meteorológiai viszonyok között a hıelvitel 60-80%-a párolgással történik.

mp

mcs

mbe

mle

msz ∆me

Erımő

46. ábra. Hőtıtavas hőtés Minden egyes sófajtára be kell tartani a c ≤ cmeg

(48)

korlátot, ahol cmeg az adott sófajta tóban megengedhetı koncentrációja. A (46)…(48) összefüggésekbıl kifejezhetı a vízfolyás minimálisan szükséges vízhozama: mbe =

m p + ∆me − mcs . cbe 1− cmeg

(49)

Tapasztalatok szerint a megfelelı visszahőtés eléréséhez 1 MW villamos teljesítményhez kb. 1 hektár hőtıtó felület kell. A hőtés intenzitása növelhetı szökıkúthoz hasonló szóró-hőtık alkalmazásával, de az megnöveli a cseppelragadás mértékét is. Hasonló módon kell meghatározni a szükséges pótvíz ill. leeresztési mennyiséget nedves hőtıtornyos hőtés (47. ábra) esetén is. Ebben az esetben az elszivárgási veszteség elmaradása és a kisebb párolgási veszteség következtében kisebb a pótvíz-igény, mint hőtıtavas hőtésnél, Száraz hőtési rendszerek között – az elızı pontban említett közvetlen léghőtés mellett – elterjedten alkalmazzák a Heller-Forgó rendszerő hőtést (48. ábra). Ennél a keverıkondenzátor kondenzátumát szivattyú szállítja az apróbordás alumínium hıátadó felületekhez, amelyekben – az esetlegesen megjelenı tömörtelenségeken bekövetkezı levegıbetörés

43

elkerülése érdekében – atmoszférikusnál nagyobb nyomásnak kell lennie. A lehőlt víz a szivattyúzási munka egy részének visszanyerése érdekében nyomásejtı vízturbinán keresztül jut vissza a kondenzátorba. A párolgás és a cseppelragadás elmaradása következtében a pótvíz-igény legalább egy nagyságrenddel kisebb, mint nedves hőtıtornyok esetén. Ugyanakkor a párolgásos hıátvitel elmaradása a közepes hıfokrést megnöveli. Száraz levegı esetén – általában nyáron – a hőtés intenzitása javítható a hıátadó felületek külsı nedvesítésével (nedvesített száraz hőtıtorony).

G

pótvíz

leeresztés 47. ábra. Nedves hőtıtornyos hőtés

G

G

pótvíz

48. ábra. Heller-Forgó rendszerő száraz hőtıtornyos hőtés

9.2. Füstgáztisztítás A levegıkörnyezet terhelésének csökkentése érdekében a tüzelések során keletkezı levegıszennyezı anyagok mennyiségét korlátozni kell. Rövid áttekintésünkben csak a három legfontosabb szennyezıanyag csökkentésére térünk ki.

44

9.2.1. Szilárd szennyezıanyagok, pernye Szilárd szennyezık döntı többsége a tüzelıanyag nem éghetı komponenseibıl (hamutartalom) keletkezik. Kisebb mértékben és rövid idıre – elsısorban olajtüzelésnél – koromképzıdés is felléphet. A magyar energetikai szenek általában 30…45% hamutartalmúak és szénportüzeléső kazánokban tüzelik el. Ez az alacsony főtıértékkel párosulva 10…40 g/m3 porkoncentrációt eredményez a füstgázban. Ugyanakkor a levegıtisztaság-védelmi elıírások 50…150 mg/m3 koncentrációt engednek meg a kibocsátásnál. Ez 99%-nál jobb leválasztási fokot igényel a pernyeleválasztótól. Ezt az értéket csak elektrosztatikus pernyeleválasztóval vagy zsákos szőrıvel lehet elérni. Az olajtüzeléső erımővekben a kıolaj lepárlási maradékát (pakura, gudron) tüzelik el. Ennek hamutartalma csak néhány ezrelék, de veszélyes nehézfémeket, fémoxidokat tartalmaz. Ennek ellenére olajtüzeléső erımővi kazánoknál ritkán alkalmaznak pernyeleválasztót. Az elektrosztatikus leválasztó berendezés (49. ábra) a füstgáz áramlási irányával párhuzamosan elhelyezett pozitív polaritású leválasztó lemezeket tartalmaz, amelyek között negatív polaritású szóróelektródák vannak. A szóróelektródákat nagyfeszültségő (30...100 kV) egyenáram táplálja. A szóróelektróda olyan keretre feszített huzalokból áll, amelyeken éleket vagy csúcsokat alakítottak ki azért, hogy arról a nagyfeszültség hatására elektronok léphessenek ki. A kilépı elektron az elektromos erıtérben nagymértékben felgyorsulva távolodik el a szóróelektródától. Az elektron nekiütközve ionizálja a gázatomokat anélkül, hogy befogódna. A pozitív gázionok a negatív polaritású szóróelektróda felé közelednek és ütközés révén újabb elektronok szabadulnak fel a huzalból. Eközben az erıs elektromos térben a porszemcsék felületén is töltésmegoszlás jön létre. A porszemcsék szóróelektróda felıli felületeirıl az elektronok elvándorolnak és így az pozitív töltéső lesz. A porszemcse pozitív töltéső felületeire tapadnak aztán a szóróelektródából kilépı elektronok és a gáz ionizációja következtében keletkezı negatív töltéső ionok. Ezáltal a porszemcse teljes felülete negatív töltéső lesz. E negatív töltéső porszemcsék az elektromos térben a pozitív töltéső leválasztó lemez felé vándorolnak és azon leválasztódnak.

49. ábra. Elektrosztatikus pernyeleválasztó felépítése 45

A leválasztási fokot az alkalmazott térerı nagyságától, a szemcsemérettıl és a szemcse anyagától függı ún. oldalirányú szemcsevándorlási sebesség és a fajlagos elektróda felület (az elektróda felület és füstgáz térfogatáram hányadosa) határozza meg. Az elérhetı leválasztási fok általában 99…99.6%, de a 3...5 µm-nél kisebb szemcséknél rohamosan csökken. A győjtıelektródák (lemezek) tisztítását szakaszosan, üzem közben végzik rázással vagy a lemezek ütögetésével. Ennél is jobb leválasztási fok érhetı el a zsákos szőrıkkel (50. ábra), amelyek tisztítása a szőrı kikapcsolása után végezhetı. Emiatt a folyamatos üzemő kazánoknál a zsákos szőrıket megfelelı tartalékkal, csoportokba foglalva építik be és egy-egy csoportot üzembıl kivéve végzik a tisztítást. A használat során a zsákok eltömıdésével a leválasztási fok javul, de lényegesen megnı a zsákok áramlási ellenállása (mint a porszívónál), ami a ventilátor teljesítményigényét növeli. A tisztítási periódusokat általában a zsákok áramlási ellenállásáról vezérlik.

Ellenirányú tisztító levegı zsák rázó mechanizmus

Nagynyomású levegı-fúvókák

Tisztított gáz Fémkeret

Tisztított gáz Szőrızsák

Poros gáz

Szőrızsák

Poros gáz

Leválasztott por kiürítése

Leválasztott por kiürítése gáz áramlási iránya: bentrıl - ki

gáz áramlási iránya: kívülrıl - be .

50. ábra. Zsákos szövetszőrık felépítése

9.2.2. Kénoxidok Az erımővi szenek és az olaj lepárlási maradéka általában 2…4% kenet tartalmaznak. Szén esetén a kén egy része (10…40%-a) a hamuban kötött formában távozik a többi, olajtüzelésnél pedig az összes kén kénoxidokká alakul. A kénoxidok döntı többsége (92...99%) kéndioxid, a többi kéntrioxid lesz. (Nem rossz közelítés, ha az összes kénoxidot kéndioxidnak tekintjük.) A jelenlegi levegıtisztaság-védelmi követelmények teljesítéséhez kb. 90…95% leválasztási fokú füstgázkéntelenítés szükséges. A legelterjedtebb eljárások a nedves füstgázmosók, ritkábban alkalmaznak száraz vagy félszáraz eljárásokat. A nedves eljárásoknál általában mészkövet (CaCO3) vagy mészhidrátot (Ca(OH)2) használnak abszorbensként. 46

Egy mészköves nedves füstgázkéntelenítı eljárás kapcsolását mutatja be az 51. ábra.

51. ábra. Mészköves, nedves füstgázkéntelenítı eljárás A füstgázkéntelenítés kémiai reakció a következık: SO2 + H 2O → H 2 SO3

abszorpció

CaCO3 + H 2 SO3 → CaSO3 + CO2 + H 2O semlegesítés 1 CaSO3 + O2 → CaSO4 oxidáció 2 CaSO4 + 2 H 2O → CaSO4 ⋅ 2 H 2O kristályosodás Az abszorpció az elımosóban, a semlegesítés a mosótoronyban, az oxidáció a mosótorony aljában levı medencében, a kristályosodás pedig a szárítás során játszódik le.

9.2.3. Nitrogénoxidok A nitrogénoxidok (NOx: NO, nitrogénmonoxid és NO2, nitrogéndioxid) a tüzelés során három módon keletkezik:

 tüzelıanyag kémiailag kötött (szerves) nitrogéntartalmából,  az égési levegı nitrogénjébıl termikus NOx képzıdési mechanizmussal,  az égési levegı nitrogénjébıl prompt NOx képzıdési mechanizmussal. A nitrogén és oxigén molekulák (N2 és O2) nem lépnek egymással reakcióba. Erre bizonyíték a Föld légkörének összetétele. A tüzelıanyag NOx keletkezésénél a szénhidrogén molekulák égésekor atomos állapotú nitrogén marad vissza, amely kémiailag igen aktív és az O2 kötést feltépve alakulhat nitrogénmonoxiddá. A termikus NOx keletkezésénél az oxigén magashımérséklető disszociációja hoz létre atomos oxigént, amely reakcióba léphet a nitrogén molekulákkal.

47

A prompt NOx keletkezésénél a hirtelen felmelegedı, oxigénhiányos környezetbe kerülı szénhidrogén molekulák krakkolódása indítja be a folyamatot. A széttöredezett molekulából létrejövı, szabad vegyértékkel rendelkezı gyökök oxigén hiányában a nitrogén molekulákkal léphetnek reakcióba és nitrogéntartalmú szerves molekulák vagy gyökök keletkeznek. Ezek azután a tüzelıanyag NOx keletkezésénél megismert módon járulnak hozzá a nitrogénoxid képzıdéshez. A tüzelés során elsıdlegesen mindig nitrogénmonoxid keletkezik és csak a kazán alacsonyabb hımérséklető huzamaiban alakul 5…10%-a az egészségre sokkal veszélyesebb nitogéndioxiddá. A nitogéndioxiddá alakulás azonban a légkörben is folytatódik. Az ismertetett keletkezési mechanizmusokból is látszik, hogy a nitrogénoxid képzıdés mértékét elsısorban a tüzeléstechnikai jellemzık határozzák meg. Ebbıl adódik, hogy a nitrogénoxid kibocsátás csökkentését két módon lehet elérni:  tüzeléstechnikai paraméterek megváltoztatása, csökkenthetı (primer eljárások),

amivel

a

képzıdés

mértéke

 nitrogénoxid leválasztás (szekunder eljárások). Valamennyi primer eljárás sarkalatos pontja a légfelesleg tényezı csökkentése. Ezért fontos a tüzelés pontos ellenırzése. A tüzelıanyag NOx képzıdési mechanizmus csak a légfelesleg tényezı csökkentésével befolyásolható kedvezı irányban. A termikus NOx képzıdési mechanizmus ezen kívül mérsékelhetı a tőztér legmelegebb pontjaiban a csúcshımérsékletek csökkentésével, inert anyag bekeverésével és a tartózkodási idı csökkentésével. A prompt NOx képzıdés mérséklése elsısorban a tüzelıanyag felmelegedési sebességének csökkenésével érhetı el. A NOx képzıdés csökkentésére számos megoldást alkalmaznak. Ezek közül az elterjedtebbek a többfokozatú tüzelés, a füstgáz recirkuláció, az elnyújtott tüzelés, NOx szegény égık és redukáló gázégı alkalmazása. Ezek közül több együtt is használható. A szekunder (leválasztási) eljárások közül a szelektív katalitikus redukció (SCR) vált be legjobban. Ennek során a leggyakoribb megoldásnál titándioxidra felvitt vanádiumpentoxid katalizátoron a nitrogénoxidokat ammóniával reagáltatják. Ennek során nitrogén molekulák és vízgız keletkezik. A legfontosabb kémiai reakciók: 6 NO2 + 8 NH 3 → 7 N 2 + 12 H 2O 4 NO + 4 NH 3 + O2 → 4 N 2 + 6 H 2O A legkedvezıbb hımérséklet az SCR számára a 350…370 °C közötti tartomány, de semmiképpen nem szabad 320 °C alá, ill. 400 °C fölé menni. Ezért a nitrogénoxid leválasztás sorrendben megelızi a többi leválasztást. Emiatt a katalizátor élettartama erısen függ az alkalmazott tüzelıanyagtól, mert a kénoxidok és a szilárd szennyezık rongálják a katalizátort. A katalizátort gáztüzelés esetén is 8…10 évenként cserélni kell, olajtüzelésnél 5…7 év, széntüzelésnél 3…4 év az élettartama.

48

10. Irodalom BIHARI PÉTER – BALOGH ANTAL: Erımővek. Elektronikus jegyzet. http://www.energia.bme.hu/downloads.htm BÜKI GERGELY: Erımővi berendezések. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1984. BÜKI GERGELY: Energiatermelés, atomtechnika. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. BÜKI GERGELY: Hıkörfolyamatok I. Egyetemi jegyzet. Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. BÜKI GERGELY: Energetika. Egyetemi tankönyv. Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1997. ISBN 963 420 533 X GÁCS IVÁN – KATONA ZOLTÁN: Környezetvédelem (Energetika és levegıkörnyezet). Egyetemi jegyzet, 45041. Mőegyetemi Kiadó, 1998. LÉVAI ANDRÁS: Hıerımővek. Nehézipari könyv- és folyóiratkiadó Vállalat, 1954. LÉVAI ANDRÁS: Hıerımővek II. Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964. LÉVAI ANDRÁS: Hıerımővek II. Hıkapcsolások. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1982. LÉVAI ANDRÁS – ZETTNER TAMÁS: Hıerımővek IV. Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1971. MARGULOVA, T. H.: Atomerımővek. Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977. ISBN 963 10 1874 4 KISS LAJOS: Villamosenergia-gazdálkodás. Egyetemi tankönyv. Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. ISBN 963 18 18939 X İSZ JÁNOS – BIHARI PÉTER: Hıellátás. AIFSz jegyzet, kézirat, BME Energetika Tanszék, 1998. PETZ ERNİ: Hıerımővek I. Gazdasági vizsgálatok. Egyetemi jegyzet. Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. REMÉNYI KÁROLY: Új technológiák az energetikában. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1995. ISBN 963 05 6847 0

49