dr. Gács Iván: Villamosenergia-termelés by Edutus Főiskola

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

Budapest, 2003.

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

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

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

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

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

Gőzkörfolyamatú erőművek ..........................................................................................16 5.1. Gőzerőmű rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai .......................................16 5.2. A gőzkörfolyamat kezdő- és végjellemzőinek meghatározása................................18 5.2.1. A frissgőz nyomásának növelése ...................................................................18 5.2.2. A frissgőz hőmérsékletének növelése ............................................................19 5.2.3. Kondenzátor hőmérsékletének (nyomásának) csökkentése .............................20 5.3. Tápvízelőmelegítés ...............................................................................................20 5.4. Újrahevítés ............................................................................................................21 5.5. Hatásfoknövelő eljárások összefoglalása ...............................................................23

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

Kombinált ciklusú erőművek ........................................................................................29 7.1. Gázturbinához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű ....................................................29 7.2. Cheng ciklus .........................................................................................................33 7.3. További lehetséges gáz-gőz körfolyamatok ...........................................................34

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

Erőművi segédrendszerek .............................................................................................41 9.1. Hűtőrendszerek .....................................................................................................41 9.1.1. Közvetlen léghűtés ........................................................................................41 9.1.2. Frissvízhűtés .................................................................................................41 9.1.3. Visszahűtéses rendszerek ...............................................................................42 9.2. Füstgáztisztítás ......................................................................................................44 9.2.1. Szilárd szennyezőanyagok, pernye ................................................................45 9.2.2. Kénoxidok .....................................................................................................46 9.2.3. Nitrogénoxidok .............................................................................................47

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

1. Bevezetés Az ember teljesítőképessége igen csekély ahhoz képest, amennyit mai életmódunk igényel. Emiatt a természetből vett energiákkal kell kiegészítenünk illetve kiváltanunk az izomerőt. A felhasználható energiaforrásokat – többek között – e sorozat A-01 kötete ismerteti részletesen. Az elsődleges energiaforrások nagy része nem alkalmas közvetlenül a leggyakrabban felmerülő igények (világítás, fűtés, hajtás, helyváltoztatás) kielégítésére vagy felhasználása nem elég kényelmes, esetleg túl nagy környezetterheléssel jár. Ezért az elsődleges energiaforrásokból többnyire másodlagos (nemesített) energiahordozókat kell előállítanunk. A legsokoldalúbban és legkényelmesebben felhasználható nemesített energiahordozó a villamosenergia. Ez az oka széleskörű elterjedésének. Ma már a primer energiahordozók mintegy 35-40%-át villamosenergia-termelésre használjuk és ez arány egyre nő. A villamosenergia-termelés nem csak a kényelemnek, hanem a környezetvédelemnek is igen fontos eszköze. Evvel ugyanis a környezetszennyezéssel járó energiaátalakítás (pl. tüzelés) jobban ellenőrizhető 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 kettős előny miatt nem az a kérdés, hogy termeljünk-e villamosenergiát, hanem az, hogy hogyan. Erre csak egy helyes válasz adható: a lehető legolcsóbban. A költség mellett még a környezeti hatás fontosságát is szokták emlegetni. De ha a költségek alatt nemcsak a belső (közvetlen) költségeket értjük, hanem külső (környezeti) költségeket is figyelembe vesszük, akkor az így képzett társadalmi szintű összköltségre már igaz, hogy ennek minimumát kell keresnünk. Sajnos a külső költségek értékelésének módja ma még nem kellően kialakult. Ma már a világban alig találunk elszigetelten, más erőművekkel nem kooperáló módon működő erőműveket. Az erőműművek döntő többsége valamely villamosenergia-rendszerben, más erőművekkel együttműködve termeli a villamosenergiát. Ezért a költségek értékelésénél nem elég egy vizsgált erőmű jellemzőit 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 hőkörfolyamattal történik-e. Hőkörfolyamathoz számos forrásból állíthatjuk elő a szükséges hőt. A legfontosabbak:

fosszilis tüzelőanyagok (szén, kőolaj termékek, földgáz), hasadóanyagok, földhő (geotermikus energia), napenergia, égethető megújuló energiaforrások (tűzifa, energiaültetvény, hulladékok).

Néhány példa a hőkörfolyamat nélküli villamosenergia-termelésre:

vízerőmű, fotovoltaikus (napelemes) átalakítás, szélerőmű, üzemanyagcella.

Jelenleg a világ villamosenergia-termelésében több mint 60% a fosszilis tüzelőanyagot használó erőművek részaránya, kb. 20% a vízerőműveké és 17% az atomerőműveké. A statisztikában még kimutatható a 0,3%-nyi geotermikus és a 0,1-0,2%-nyi (de napjainkban gyorsan növekvő arányú) szélerőművi termelés. Vagyis a villamosenergia kb. 80%-át állítják elő hőkörfolyamattal. Magyarországon ez az arány még magasabb, több mint 99%. A vízerőműveink termelése – vízhozamoktól függően – 0,5…0,8% között mozog, a szélerőművi termelés 2003-ban még nem éri el a 0,01%-ot. Ennek megfelelően ebben a segédanyagban elsősorban a hőkörfolyamattal megvalósított villamosenergia-termelést tárgyaljuk.

2. Villamosenergia-rendszer A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erőművek nem elszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el. Az együttműködő országos erőműrendszer létrehozását – amely hazánkban döntően az 1950-es években történt meg – a villamosenergiaellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Az együttműködésben rejlő előnyök kiszélesítése érdekében, valamint a villamosenergia-export vagy import lehetővé 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 fő része a termelés (erőművek 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 időszakok tapasztalatai és tendenciái alapján tervezhetők. A fogyasztók villamosenergia-igénye időben jelentősen 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

1. ábra. A fogyasztói igények jellegzetes munkanapi menete Az igénylefutás a különböző napokon (pl. hétfőn és pénteken) és a meteorológiai helyzettől függően jelentős eltéréseket mutathat. Emiatt az idő szerint rendezett lefutás helyett kisebb eltéréseket és könnyebb kezelhetőséget 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 időszak alatt igényelt villamos energiával egyenlő, azaz tn

τn

E = ∫ P ( t )dt = ∫ P (τ )dτ , 0

(1)

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

τ cs = E P

τ BT = E P

ill.

(2)

6000

Pcs

τ1

τ1 + τ2

τ2 Pmin

4000

2000

idő

18 24 időt 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 időszakban.

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 előretervezési teljesítménymérleget és az utólag felállítható, tényadatokon alapuló teljesítménymérleget. Mindkét esetben azt kell biztosítani, hogy az erőművek összes beépített teljesítőképesség különböző kieső teljesítményekkel csökkentett értéke is elegend ő legyen a fogyasztói igények kielégítésére. A teljesítménymérleg fogalmai: beépített teljesítőképesség (PBT): az erőművekbe gépegységek névleges teljesítményeinek összege,

beépített

turbó-generátor

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

változó hiány (PVH) rövid ideig fennálló, változó mértékű teljesítmény csökkenés (pl. környezeti jellemző k, hő szolgáltatás, alapenergia forrás vagy hű tővíz korlátozott rendelkezésre állása miatti hiány), rendelkezésre álló teljesítőképesség (PRT):

PRT = PBT - PÁH - PVH ,

karbantartáson álló teljesítőképesség (PTMK): a rendszer TMK miatt leállított blokkjainak összes beépített teljesítő képessége, igénybevehető teljesítőképesség (PIT):

PIT = PRT – PTMK ,

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

Az elő állított teljesítménybő l az erőművek által felhasznált

üzembiztosan kiadható teljesítőképesség (PÜIT,ki): PÜIT,ki = PÜIT – Pε .

E legutóbbit kell összehasonlítani a rendszer tervezett fogyasztói csúcsigényével és teljesül a

PÜIT ,ki ≥ Pcs

(3)

egyenlő tlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. A teljes teljesítménymérleg pedig a következő : (4)

PBT − PÁH − PVH − PTMK − PÜT − Pε − Pcs ≥ 0

A tervezési fázis teljesítménymérlegét a 4. ábra mutatja be.

P BT PÁH

PBT

PVH PTMK

TMK

PIT

PÜT

Pε ÜIT ÜIT,ki

J F

PRT

PÜIT PÜIT,ki

M Á M J J A S O N D idő, hó

4. ábra. Az erő mű rendszer előretervezett teljesítménymérlegének alakulása

Tervezési állapotban egy sor tényező t csak becsülni tudunk, a tényértékek ezektől az értékektől eltérhetnek. Emiatt az utólag regisztrálható tényadatokon alapuló teljesítménymérleg eltéréseket mutathat a tervezésihez képest. Az elszámolási teljesítménymérlegben egy sor teljesítményfogalom (beépítet, rendelkezésre álló, igénybevehető , 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: az üzemzavar, meghibásodás miatt üzemképtelen blokkok váratlan kiesés (PVK): összes beépített teljesítő képessége, ténylegesen igénybevehető teljesítőképesség (PTIT): PTIT = PIT – PVK , ténylegesen kiadható teljesítőképesség (PTIT,ki): PTIT,ki = PTIT – Pε .

Ez utolsót kell összehasonlítani a rendszer tényleges fogyasztói csúcsigényével és ha teljesül a PTIT ,ki ≥ Pcstény

(5)

egyenlő tlenség, 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 felső indexben jelezzük. P BT

PBT

PÁH t ény PVH

TMK

∆PVH

PRtény T

t ény PVK PIT P t ény TIT

Pε

PTIT,

t ény PTM K

POÜT

tény Pcsúcs

∆Pcsúcs J F

M Á M J J A S O N D idõ, hó

5. ábra. Az erőműrendszer tényleges teljesítménymérlegének alakulása

A teljes teljesítménymérleg pedig a következő : tény tény PBT − PÁH − PVH − PTMK − PVK − Pεtény − Pcstény = POÜT ≥ 0 ,

(6)

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

rTMK =

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

(7)

az üzembiztonsági tartalék tényező pedig rTMK =

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

(8)

Ugyancsak viszonyszámként szokás az önfogyasztás jellemzése. Az önfogyasztási tényező azt mutatja meg, hogy a termelők 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 tényező:

ν VH =

PRT PBT − PVH = <1 , PBT PBT

(10)

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

(11)

amelyből definiálható a terven felüli hiány, amely a váratlan kiesés és a tervezési értékektő l való kedvezőtlen irányú eltérések összege:

PTFH = PVK + ∆PVH + ∆PTMK + ∆Pε + ∆Pcs < PÜT

(12)

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

2.3. Az erőművek szerepe a rendszerben A villamosenergia-rendszerben betöltött szerep szerint beszélhetünk alap-, menetrendtartó- és csúcserőművekről. Az erőmű vet alaperő műnek nevezzük, ha csúcskihasználási idő tartama (definícióját lásd késő bb!) igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperőmű vek általában a korszerű, jó hatásfokkal és/vagy olcsó tüzelőanyaggal üzemelő , rendszerint új erőművek (Magyarországon pl. a Paksi Atomerőmű ). A menetrendtartó erő művek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra általában nem építünk új erőművet is, a régebbi alaperőművek válnak fokozatosan menetrendtartóvá (pl. a Tiszai, Dunamenti erő művek). A csúcserő művek csak a villamos csúcsfogyasztás időszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500...2000 h/év alatt van. Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségű) erőmű veket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelő anyag és alacsony hatásfok is megengedhető (általában gázturbinás erőművek). Ennél is kevesebbet, legfeljebb évi 100…200 órát üzemelnek a tartalék erőmű vek, amelyeknek csak jelentő s mértékű terven felüli hiány esetén kell elindulniuk.

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 erő művek szinte kivétel nélkül több terméket (villamosenergia, fűtési forróvíz, különböző nyomású ipari gő z) állít elő és értékesít. Ennek ellenére a következő kben a csak villamosenergiát termelő erő mű vek gazdasági modelljét ismertetjük. Ez igen jó közelítés a közcélú nagy erőművek esetében, amelyeknél a költségek döntő en a villamosenergia-termelést terheli, a hőkiadás értékének részaránya csekély. Az erő mű vek 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 megfelelően csak állandó pénzértéken számított költségekkel lehet számolni. Az infláció a következő 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 szereplő kamatláb fogalom nem a nominál kamatlábat (pn), hanem reálkamatlábat (pr) jelenti. A kettő közötti kapcsolat:

+ pn ) = (1 + pi ) ⋅ (1 + pr )

(14)

A gazdasági értékelésnél nagyon fontos a szemléletmód. A vállalati szemléletű vizsgálatnál a cél a nyereséges gazdálkodás. Ez szükséges valamely energetikai vállalat mű ködésének 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 lehetőségek, fogyasztási prognózisok, környezeti hatások ismert vagy becsült adatait. Célja az energiafelhasználás, energia-hordozó struktúra, árpolitika, globális és hazai környezeti céloknak megfelelő energiapolitika kialakítása, import kockázatok csökkentése és a biztonságos energiaellátás megvalósítása. A gazdaság más ágazatának szempontjait csak költségtényezőként veszi figyelembe. Az országos szemléletű értékelés az ország gazdasági és társadalmi életének ágazaton kívüli (pl. munkaerőpiaci, pénzpiaci, politikai) szempontjait is figyelembe veszi. Ebben már nem minden hatás fejezhető ki egyértelműen 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.

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

belső költségek : az erő mű vön belüli energiaátalakítási technológia (állandó és változó) költségei,

külső költségek: természetes és az épített környezetben bekövetkező különféle változások, károk, ill. a károk megelőzésének költségei.

Reális összehasonlítás érdekében a külső költségeket villamos energia árába be kellene építenünk. Ennek ellenére – a jelenlegi gyakorlatnak megfelelő en – a továbbiakban költség alatt a belső költségeket értjük. Az erőmű életciklusát a 6. ábra mutatja be. Ebben látható, hogy a költségek és bevételek nem ugyanabban az időintervallumban keletkeznek. Emiatt nagyon fontos a termeléssel (bevételekkel) azonos időszakban keletkező üzemköltségek és termelés megkezdése előtti létesítési költségek megkülönböztetése. A t ervek ismeret ében beruházási dönt és

A gazdsági elöregedés időpont ja

Üzemszerű működés kezdet e

-4

Létesítési idő

év

Leírási idő Tervezési élet t art am Üzemidő (műszaki élet t art am)

Üzembehelyezés, próbaüzem Beruházási költségek

Üzemeltetési költségek és bevételek (tervezési élettartamra)

6. ábra . Az erőmű életciklusa

A beruházási (létesítési) költség származhat a tulajdonos saját erőforrásaiból vagy bankhitelből. Az elő bbi esetben elvárás a beruházási költség visszatérülése és megfelelő 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 idő megegyezik a létesítmény tervezési élettartamával. Az üzemeltetési költségek közül a legfontosabbak az üzemanyag (tüzelőanyag), 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 Erőműre) és a lebontás rekultiváció költségei (az atomerőművek

kivételével) nem jelentősek a létesítési és üzemeltetési költségekhez képest. Az időben távoli jelentkezés a lekamatozás (diszkontálás) miatt még ezt is jelentősen 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 erőmű üzemmenetétő l, azaz attól, hogy az erőmű az adott idő szakban (általában 1 évben) mennyi villamosenergiát termel. Ezzel szemben a változó költségek értéke függ a villamosenergia-termelés mértékétől, igen durva közelítésben avval arányosnak is tekinthető.

3.3. Állandó költségek Az állandó költségeket három csoportba foglaljuk össze. Az első és legnagyobb tétel a leírási vagy tőkeköltség. Ez az ágazati szemléletű 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 erőmű n év élettartama alatt kamatostul visszatérüljön, akkor az évi visszatérítési kötelezettség (tő keköltség) a következő formában írható fel:

Cl = α l ⋅ B = αl ⋅ i ⋅ Bo [Ft/év],

(15)

ahol a leírási kulcs (leírási annuitás): αl =

pr 1 − (1 + pr )

−n

(16)

Az i interkaláris tényező, pedig az építési idő alatti kamatok miatti költségnövekedést veszi figyelembe:

−1

B i= = Bo

∑ (1 + p )

j + 0.5

j =− m

−1

∑B

(17)

j =− m

ahol Bj a j-edik évben ráfordított beruházási költség. A kitevő ben szereplő 0,5 azt fejezi ki, hogy az év során felmerülő költségek súlypontjának az év közepét tekintjük, így az aktuális évre csak félévi kamatot számolunk. Az interkaláris tényező értéke gyorsan létesíthető erőmű veknél (pl. gázturbinás erőmű, 1…1,5 év) 1,1…1,15, hosszú építési idejű erő mű veknél (pl. atom- vagy ligniterőmű, 5…8 év) akár 1,5-et is elérheti. A karbantartási költség állandó és változó (energiatermelés mértékétől függő) elemeket is tartalmaz. Karbantartásra mindenképpen szükség van, a költség csak kismértékben függ az üzemmenettől. Ha az erőmű nem folyamatos üzemű, 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 üzemeltetésbő l adódik (ami erőművek esetében jellemzőbb), akkor lehet, hogy a karbantartás-igény a sok indítás-leállás miatt nagyobb is lesz, mint folyamatos üzem esetén. Emiatt a karbantartási költség változó elemétő l általában eltekintünk, mert még az előjelét sem tudhatjuk biztosan. A tapasztalatok szerint a karbantartási költség arányos a berendezések értékével, azaz a beruházási költséggel: CTMK = αTMK ⋅ Bo [Ft/év],

(18)

ahol az αTMK karbantartási költség tényező 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 karbantartási költség tényező értéke általában 0,5…1%/év. Ez utóbbi két költségnél vonatkoztatási alapnak az építési idő alatti kamattal nem növelt Bo beruházási költséget célszerű választani, mert az építési id ő esetleges elhúzódása a tő keterhet növeli, de a karbantartási és egyéb költségeket nem. Az évi összes állandó költség a fenti három költségtag összege: Ca = Cl + CTMK + Ce = ( α l ⋅ i + α TMK + α e ) ⋅ Bo = α ⋅ Bo

3.4. Változó költségek A változó költségek kiemelked ően legnagyobb tétele a tüzelő anyag (atomerő mű veknél üzemanyag) költsége. Az évi tüzelőanyag felhasználás az évi villamosenergia-termelésből (E) az évi átlagos erőmű hatásfok (η évi ) segítségével határozható meg: Qü =

η évi

[GJ/év].

(20)

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

ηévi

⋅ pü [Ft/év].

(21)

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

(22)

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 képezhető 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)

A villamosenergia egységköltség állandó költségekb ől származó része a következő alakra hozható, annak érdekében hogy kiküszöböljük az extenzív jellemzőket: 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 erő mű fajlagos beruházási költsége: Bo  Ft  . PBT  kW 

(27)

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

(28)

A villamosenergia egységköltség állandó költségekből 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 rontótényező t, amely azt mutatja meg, hogy az évi átlagos hatásfok milyen mértékben rosszabb a névleges üzemállapotra meghatározott ηKE,o hatásfoknál. Ez a rontótényező három különböző hatást vesz figyelembe, ezért három rontótényező szorzataként írható fel:

δ=

η KE ,o = δ1 ⋅ δ 2 ⋅ δ 3 . ηévi

(30)

Az első rontótényező (δ1) azt veszi figyelembe, hogy az erőművi blokk hatásfoka a terhelés függvényében változik és emiatt az év folyamán – az üzemmódtól függő 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 . Erőmű vi blokk jelleggörbéi

Névlegestő l eltérő környezeti jellemzők (pl. levegő vagy hűtővíz hő mérséklet) esetén a hatásfok jelleggörbe felfelé vagy lefelé elmozdul (7. ábrában a vékonyabb vonalak). Általában a romlás (pl. melegebb hűtő víz esetén) nagyobb mértékű, mint a kedvező irányú változás, ezért ez évi átlagban rontó hatást jelent. Ezt veszi figyelembe a δ2 rontótényező.

A δ3 rontótényező az instacioner állapotok – alapvetően az indítási folyamat – többlet tüzelőanyag felhasználását veszi figyelembe. Ez abból adódik, hogy az indítás elő tt a berendezések hőmérséklete alacsonyabb az üzemi értéknél és ezt többlet tüzelőanyag bevezetésével kell pótolni, amely esetleg a hideg tűztérben még a szokásosnál is nagyobb égési veszteség mellett hasznosulhat. Ez a hő a leállítás után a környezet felé történő hőelvezetés során részlegesen vagy teljesen elvész. Az indítási hőigény ezért erősen függ az indítást megelő ző állásid őtő l is. Mindezekkel a villamosenergia-termelés egységköltsége: k=

p ⋅δ C α ⋅ a ⋅ rTMK ⋅ rÜT = + Q [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 alaperő művet vagy milyen csúcserőművet érdemes építeni, de nem alkalmas annak eldöntésére, hogy a rendszert alap- vagy csúcserőmű vel érdemes bővíteni. Ennek eldöntésére csak a villamosenergia-rendszer egészére kiterjed ő, a rendszer-kölcsönhatásokat is figyelembevevő hosszútávú vizsgálat alkalmas. Ennek során figyelembe kell venni az ellátásbiztonság kérdését is, amely elvezet az optimális vagy célszerű nagyságú üzemi tartalék meghatározásához is. Ez általában éves ciklusú értékelést igényel, de olyan előretekintéssel, amely még alkalmas az erő mű-létesítési kérdések eldöntésére. Ugyancsak rendszerszintű gazdasági vizsgálattal határozható meg a meglevő 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 közöl több is foglalkozik velük.

4. A munkaközeg megválasztása Munkaközeg megválasztásánál figyelembe kell venni a munkaközeg árát, kémiai és fizikai összeférhetőségét a szerkezeti anyagokkal, egészségügyi és környezeti szempontokat, termodinamikai alkalmasságot. Ezeknek a szempontoknak a két legközönségesebb anyag, a víz és a levegő felel meg leginkább. Ettől eltérő (pl. ammónia, higany, szerves anyag, hélium) munkaközegű berendezéseket csak kisebb teljesítménnyel, kísérleti célra létesítettek, mert valamely szempontnak jobban megfeleltek, mint a víz vagy a levegő . Ugyanakkor más szempontok – első sorban az ár vagy a környezetbiztonság – azonban oly mértékben sérültek, hogy ezek a megoldások nem terjedtek el. A vízgőz ciklus fontosabb jellemzői: zárt ciklus, halmazállapot változással; magas kezd őnyomás, alacsony végnyomás, nagyméretű , robosztus berendezések, bonyolult kapcsolás; hő bevezetés maximális hő mérséklete viszonylag alacsony, hő bevezetés átlagos és maximális hőmérséklete eléggé eltérő , igen alacsony hőelvezetési középhő mérséklet. A levegő-égéstermék ciklusok jellemzői: nyitott ciklus, halmazállapot változás nélkül; kezdőés végnyomás kedvezőbb értékű, kisebb berendezések, jóval alacsonyabb fajlagos beruházási költség; hő bevezetés maximális hőmérséklete magas lehet, hőbevezetés átlagos és maximális hőmérséklete eléggé eltérő, igen magas hőelvezetési középhő mérséklet. A kombinált ciklusok a gáz- és a gő zkörfolyamat előnyeit egyesíti; alacsony kezd őnyomás, egyszerű bb berendezések és kapcsolás, magas hő bevezetési és alacsony hő elvezetési hőmérséklet. Kritikus eleme a két körfolyamatot összekapcsoló gáz-vízgő z hő cserélő.

5. Gőzkörfolyamatú erőművek Gő zközegű kondenzációs villamosenergia-termelés hőforrása lehet hagyományos (fosszilis) tüzelőanyagot használó kazán vagy magenergiát hasznosító reaktor. Az atomerőmű veknek számos típusa van, amikor ebben a fejezetben atomerőműrő l beszélünk, akkor kizárólag a nyomottvizes reaktorral épített atomerő művekre – mint legelterjedtebb típusra – gondolunk. A hagyományos hőerőművek és az atomerőmű vek között első sorban a termelt gőz paramétereiben van eltérés. Amikor ez lényeges, akkor külön kitérünk az atomerőművek viszonyaira, egyébként a folyamatokat a hagyományos hő erő művek példáján mutatjuk be.

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

P t

P ε ,T

tü

P g

1 P ε ,Q

H .

P ki

v,H

(Q ) v,T

(Q ) v,Q

8. ábra. Gőzerőmű rendszerstruktúrája

A H (hőközlési) alrendszer a kazánt és segédrendszereit, továbbá a kazánt a turbinaüzemmel összekötő csővezetékeket foglalja magába. Atomerő műben kazán helyett a reaktor, a teljes primerkör és a gőzfejlesztő értend ő. Ebben játszódik le a kémiai vagy magenergia hő vé alakítása. A T (turbina) alrendszer a hő t mechanikai munkává alakítja. Fő berendezése a turbina, de emellett ide tartozik annak legtöbb segédrendszere is (pl. tápvízelőmelegítő k, szivattyúk, gáztalanítás). Ezt az alrendszert belső alrendszernek is nevezzük, mert – egy igen csekély hőveszteségektő l eltekintve – nincs energiacseréje a környezettel, csak a többi (külső) alrendszerrel. Az E (elektromos) alrendszer végzi a mechanikai munka villamosenergiává alakítását és az erőmű vi önfogyasztások villamosenergia-ellátását. Fő berendezései a generátor, a fő- és segédüzemi transzformátorok, a hozzájuk kapcsolódó villamos segédberendezések.

Nem tartozik az energiaátalakítási lánc fő vonulatához a Q (h őelvonási) alrendszer, de fontos szerepet tölt be: itt történik a körfolyamatokban elkerülhetetlen maradék hő elvezetése a környezetbe. Fő berendezései a kondenzátor, a hűtővízellátás és ezek segédrendszerei. A teljes gőzerőmű (KE, kondenzációs erőmű) energiafolyam-ábrája a következő : E

Pε,H

Pε,Q

Pε ,T

Pε

T Pi

Pki

Qtü

Q .

Qv,H

(Qv,T ) Qv,Q

Pv,E

~Q2

9. ábra. Gőzerőmű energiafolyam-ábrája

Az egyes alrendszerek hatásfokait valamennyi bevezetett és hasznos teljesítmény figyelembe vételével és a kisebb teljesítményáramok elhanyagolásával képzett közelítő módon az 1. táblázat adja meg. A táblázat utolsó oszlopában adjuk meg az egyes alrendszerek és a kondenzációs erő mű hatásfokát berendezések szerinti bontásban is. A H alrendszerben a kazán és a csővezetékek hatásfokát, a T alrendszerben a körfolyamat és a turbina belső hatásfokát, az E alrendszerben a mechanikai, a generátor, a transzformátor hatásfokot és az erőmű vi önfogyasztást figyelembe vevő hatásfokot találjuk. 1. táblázat. Az alrendszerek és az erő mű hatásfokai:

Alrendszer H Hő közlés T Turbina (belső ) E Villamos

hatásfok

közelítő hatásfok Q&

hatásfok berendezések szerint η H = ηk ⋅ηcs

ηH = & 1 Qü + Pε H

η H ≅ &1 Q

P ηT = & t Q1 + PεT P +P +P η E = ki ε H ε T Pt

P ηT ≅ &t Q

ηT = ηo ⋅ηi

P η E ≅ ki Pt

η E = ⋅η m ⋅η g ⋅ηtr ⋅ηε

η KE = η H ⋅ηT ⋅η E

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

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

Figyelemre méltó, hogy a H és az E (külső) alrendszerekben olyan hatásfokokat találunk, amelyek a környezetbe távozó energiaáramokat vesznek figyelembe, míg a T (belső) alrendszerben szereplő két hatásfok esetén nincs környezetbe távozó energiaáram, ezek a veszteségek csak azt az arányt változtatják meg, hogy az alrendszerbe érkező Q&1 hőteljesítmény milyen arányban oszlik meg a hasznos Pt tengelyteljesítmény és a Q 17

alrendszeren keresztül elvezetendő Q&2 hő teljesítmény között. Miután e veszteségek során teljesítmény nem távozik közvetlenül a környezetbe, csak a hasznosítható rész csökken, ezeket minő ségi veszteségeknek, míg a többit mennyiségi veszteségnek nevezzük. Az összes mennyiségi veszteséget figyelembevevő hatásfok: (32)

ηmenny = η o ⋅ η i ⋅ ηm ⋅ η g ⋅ ηtr ⋅ η ε

Minő ségi veszteségeknél a hő mennyiség nem vész el, csak a hő alacsonyabb értékű vé válik (hőmérsékletszintje csökken, entrópiája nő ), pl. fojtás, hőcsere hő fokréssel. Ekkor a hőelvonás szintjén az entrópia-különbség nagyobb lesz, mint a hőközlésnél: ∆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 gőzkörfolyamat kezdő- és végjellemzőinek meghatározása A hatásfok javításának eszköze lehet a kezdőjellemzők (frissgő z nyomásának ill. hőmérsékletének) növelése vagy a kondenzátor nyomásának csökkentése. A következő kben állandó hasznos teljesítmény mellett vizsgáljuk meg hogyan hatnak ezek a változások a különböző részhatásfokokra és a beruházási költségekre.

5.2.1. A frissgőz nyomásának növelése A gőz tömegárama jó közelítéssel állandó, mert a körülzárt terület a T-s diagrammban alig változik (10. ábra), így azonos teljesítményhez nem kell a gő záramot lényegesen változtatni. A legfontosabb hatás, hogy a körfolyamat hatásfoka javul, mert a hőbevezetési középhőmérséklet nő . A turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen romolhat, mert a gőz fajtérfogata csökken ⇒ gő z térfogatárama csökken ⇒ rövid lapátok esetén a résveszteség nőhet. A turbina kisnyomású részén biztosan romlik a belső hatásfok, mert az expanzióvonal mélyebben megy be a nedves mezőbe, a gő z nedvességtartalma megnő. T

T 1

1 p1

T 1s

T 2

10. ábra. A frissgőznyomás növelésének hatása

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

5.2.2. A frissgőz hőmérsékletének növelése A frissgőz hőmérsékletének növelésekor csökken a gő z tömegárama: csökken, mert a körfolyamat vonala által körülzárt terület a T-s diagrammban nő (11. ábra). T

T 1

1 p1

T 1s

T 2

11. ábra. A frissgő z hőmérséklet növelésének hatása

A körfolyamat hatásfoka nagymértékben javul, mert a hőbevezetés átlagos hőmérséklete jelentősen nő . A turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gőz fajtérfogata nő, tömegárama csökkent, vagyis a gő z térfogatárama és a résveszteség alig változik. A turbina belső hatásfoka a kisnyomású részen javul, mert a gőz nedvességtartalma csökken, Ugyancsak javul az önfogyasztást figyelembevevő hatásfok is, mert a szivattyúnál állandó az elő állítandó nyomáskülönbség, de a tömegáram csökken. A többi hatásfok: nem vagy csak lényegtelen mértékben változik. A frissgőz hőmérséklet 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 anyagminőségek miatt igen erő teljesen nő . Szubkritikus körfolyamatoknál a gazdasági optimum 520…550 ºC, újabban szuperkritikus nyomásnál, új, nagy hőmérséklettűrésű anyagok alkalmazásával 600…650 ºC frissgőz hőmérsékletet is elérnek.

5.2.3. Kondenzátor hőmérsékletének (nyomásának) csökkentése Kondenzátor hő mérsékletének (nyomásának) csökkentésekor a körülzárt terület a T-s diagrammban nő, így a gő z tömegárama kissé csökken (12. ábra). T

T 1

1 p1

T 1s

T 2

12. ábra. A kondenzátorhőmérséklet csökkentésének hatása

A körfolyamat hatásfoka javul, mert a hő elvezetés átlagos hő mérséklete csökken, a turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gőz térfogatárama alig változik; kisnyomású részen romlik, mert a gő z nedvességtartalma kissé, a kilépési veszteség jelentősen nő. Az önfogyasztást figyelembevevő hatásfok romlik. A körfolyamat önfogyasztása alig változik (nő), a hűtővízellátás teljesítményigénye általában jelentősen nő . A többi hatásfok: nem vagy lényegtelen mértékben változik. A beruházási költség a hőelvonási alrendszerben, esetleg a turbinánál nő. Termikus optimum: nincs, korlát a környezet hő mérséklete, a gazdasági optimum: frissvízhű tésnél 15-20 ºC-kal, visszahű téses rendszereknél 20-30 ºC-kal a környezeti hőmérséklet felett adódik.

5.3. Tápvízelőmelegítés A hatásfok javításának leghatékonyabb eszköze a tápvízelőmelegítés. Lényege az alacsony hőmérsékletű hőbevezetés kiváltása belső hőátcsoportosítással. A T1 hőbevezetési átlaghő mérséklet megnő , de a hő cserék miatt a (33) összefüggésben bevezetett ρ tényező is. Egyfokozatú előmelegítés kapcsolását, T-s diagrammját és hatásfokra gyakorolt javító hatását a 13. ábra mutatja be. 1 T

e 2'

η 2 s

13. ábra . Egyfokozatú tápvízelőmelegítés

T1s Tn

hatásfok

A gő zkörfolyamatokban mindig többfokozatú tápvízelő melegítés alkalmaznak. Ez lehető vé teszi a hő bevezetés átlaghőmérsékletének növelését a hőcserék hőfokrésének és a hőcsere okozta entrópia-növekedésnek a korlátok közt tartásával. Az erő mű vi hatásfokra gyakorolt javító hatását a 14. ábra mutatja be.

5 3 2 1

Tn T1s

14. ábra . Egyfokozatú tápvízelőmelegítés

A hatásfok javulása lényegesen nagyobb, mint egyfokozatú tápvízelőmelegítés esetén, de a fokozatszám növelésével a növekmény-haszon csökken, különösen nem ideális (véges felületű, egynél kisebb kihasználási tényező jű) előmelegítőknél. A gyakorlatban általában 6…8 fokozatú tápvízelő melegítést alkalmaznak. Egy jó távízelő melegítő rendszer tervezésénél gazdasági optimalizálással kell meghatározni a tápvízelőmelegítés véghőmérsékletét, fokozatszámát, fokozatbeosztását és az előmelegítő k felületét. Ennek részleteit itt nem ismertetjük, a szakirodalomban megtalálható. Fontos kérdés még az előmelegítő k fűtő gő z kondenzátumainak elvezetési megoldása. A kondenzátum-elvezetés lehetőségeit a 15. ábra mutatja be. Az ábrában ballról jobbra a következő megoldásokat használják:

keverő elő melegítő, a kondenzátum bekeveredik a tápvízáramba, szivattyús előrekeverés, kaszkád, csapadékhűtő nélkül kaszkád, csapadékhűtővel.

A jósági sorrend termikus szempontból a következő: keverő - szivattyús - csapadékhűtő s – egyszerű kaszkád. Ugyanakkor üzemviteli szempontból a sorrend fordított.

15. ábra. A kondenzátum-elvezetés lehetőségei

5.4. Újrahevítés A hagyományos tüzelőanyagú erőmű hatásfoknövelésének egy további hatékony lehetősége az újrahevítés. Ez azt jelenti, hogy egy rövid expanzió után a részben munkát végzett gőzt visszavezetik a kazánba és ott újrahevítik, általában a kezdő hőmérsékletig. E megoldásnak a kapcsolását és T-s diagrammját a 16. ábra mutatja.

T 1

Tuo

T no

T 2

16. ábra . Hagyományos újrahevítéses erő mű kapcsolása és T-s diagrammja

Az újrahevítés hatására a hő bevezetés átlagos hőmérséklete jelentősen nő , a végnedvesség, szivattyúzási munka aránya csökken. Lehetővé teszi a kezdőnyomás további növelését is. Ugyanakkor a nagynyomású turbinaszakasz belső hatásfoka romolhat a csökkenő tömegáram és az esetlegesen növekvő frissgőznyomás miatti térfogatáram csökkenés és lapátrövidülés következtében. Emiatt alkalmazása csak nagy teljesítményű, általában 200 MW feletti blokkoknál kifizetődő . Ettől alapvető en eltérő az újrahevítés célja és megoldása atomerő művekben (17. ábra ). Nyomottvizes reaktorral épített atomerőművekben a gő zfejlesztő telített gő zt termel, amely az expanzió során nedves gőzzé 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 frissgőz nyomást kell alkalmazni. T

17. ábra. Atomerő művi újrahevítés kapcsolása és T-s diagrammja

Az ábrában bemutatott kapcsolásban a nagynyomású házból kilépő gőzt először egy szeparátorba vezetjük, amely szétválasztja a nedves gőz víz- ill. gő ztartalmát, majd a telített gőzt két – egy turbina megcsapolásról és egy frissgő zrő l táplált – hőcserélő ben újrahevítjük. Ebben a megoldásban a gő zszárítás nem hőbevezetéssel történik, ezért a körfolyamat hatásfokát lényegében nem befolyásolja. Az ezt követő túlhevítés azonban csökkenti a hőbevezetési középhőmérsékletet, így a körfolyamat hatásfokát csökkenti egy ugyanilyen kezdőnyomású, de újrahevítés nélküli körfolyamathoz képest. Csakhogy ez a körfolyamat a végnedvesség miatt nem megvalósítható. Ha viszont a megvalósítható, alacsony kezdőnyomású körfolyamathoz hasonlítom, akkor az újrahevítéses körfolyamat hatásfoka a jobb. Tehát végső soron itt is a hatásfok javítását szolgálja az újrahevítés.

5.5. Hatásfoknövelő eljárások összefoglalása A 2. táblázatban foglaltuk össze az 5.2…5.4 alfejezetekben részletezett hatásfoknövelő eljárások következményeit a hagyományos erőművekre vonatkozóan. Atomerőmű vek esetén csak az előző alfejezetben ismertetett újrahevítésnél van ehhez képest eltérés. 2. táblázat. A hatásfoknövelő eljárások hatásai:

változás

ηk

ηcs

ηo

ηi

ηm

ηg

ηtr

ηε

p1 ↑

~Ø

↑

↓

~Ø

↓

↑

T1 ↑

~Ø

(↓)

⇑

~Ø

↑

⇑

T2 ↓

~Ø

↑

(↓)

~Ø

↓

↑

tápvízelőmelegítés.

(↓)

⇑

↑

~Ø

↓

⇑

újrahevítés

(↓)

↓

↑

↑(↓)

~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 valószínűleg nem hat a jelölt hatásfokra.

6. Gázturbinás erőművek A gőzerő művi energiafejlesztés mellett napjainkban egyre nagyobb teret hódítanak a gázturbinás egységek. Legfőbb elő nye a berendezések kis mérete, ami lehető vé teszi a nagymértékű gyártóműi készre-szerelést, a rövid építési időt és alacsony beruházási költséget. Emellett a gő zerő mű vi berendezéseknél lényegesen (közel két nagyságrenddel) kevesebb magashő mérsékletű anyag fajlagosan drágább, lényegesen magasabb hőmérsékletet tűrő anyagok alkalmazását engedi meg, így a körfolyamat kezdő hő mérséklete – esetenként jelentősen – meghaladhatja az 1000 ºC-ot. A hatásfok mégsem lehet magasabb a gőzerőművek hatásfokánál, mert a hő elvonás középhő mérséklete sokkal magasabb, mert nincs állandó hő mérsékletű (halmazállapot-változásos) hő elvonás. A legelterjedtebb megoldás a környezeti levegő t beszívó és az égőtérben keletkező gázt egy azonos tengelyre szerelt turbinában expandáltató nyíltciklusú gázturbina. Más megoldások is léteznek (pl. kéttengelyes, két égő teres, 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.

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

1600

p2=p3= 24 bar

1400 1200 qbe

1000

p1=p4= 1 bar

800 2 600

400 1

200 0

qel 500

1000 Fajlagos entrópia, s, J/ (kgK)

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

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

A T3 hő mérsékletnek felső határt szabnak az alkalmazott szerkezeti anyagok. Itt a gő zkörfolyamatokkal ellentétben a munkaközeg hőfoka a magasabb, a legmagasabb hő mérsékletű szerkezeti anyagokat (égő tér fala, turbina lapátok) hű téssel lehet alacsonyabb hőmérsékleten tartani.

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

. Qbe

p3 = áll.

nyomáscsökkenés a hőközlés során p 2

a t urbina belső irrevezibilitásai

2* a kompresszor belső irrevezibilitásai

p = áll. 5* 0

4 1

nyomásellenállás a kilépésnél

. S

nyomásellenállás a levegő 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

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

p3 p4

turbina,

δK =

p1 p2

kompresszor,

δH =

p2 p3

égőtér (hőbevezetés),

δL =

p0 p1

levegő 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 együttműködése, szabályozás A gázturbina és a kompresszor együttműködésének vizsgálatához induljunk ki a berendezések jelleggörbéjébő l, melyeket a 22. ábra mutat.

δT

δK

lapátállítás

n′ < n m &g

n = áll . V&1

22. ábra. Gázturbina és kompresszor jelleggörbéje

A gázturbina gáznyelését az alábbi összefüggéssel adják meg: m&g = const ⋅

p3 ⋅ f (δ T ) . T3

(35)

A konstans gépfüggő , az f ( δT ) szorzót pedig a 23. ábra szerinti diagramból vehetjük. Ahhoz, hogy a két gép jelleggörbéjét közös diagramba helyezhessük, a következő 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 n=2

n=3

n=∞

0,5

1/rp

22. ábra. A gáznyelés korrekciós száma nyomásviszony és fokozatszám (n ) alapján

A füstgázáram az égési levegő és a bevitt tüzelőanyag tömegáramának az összege, ami a következő formában írható fel: m&  m&ü + 1  m&g = m&1 + m&ü = m&1 ⋅  ü + 1  = V&  1 ⋅ ρ1 ⋅  & m  1   m&1 

(36)

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

δT

T3′

T3,0

Á B

T3,C T3,D

C D

n = áll . lapátállítás hat árai . 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 először a lapátok állítása következik, majd ennél is kisebb terheléseknél a tüzelőanyag-bevezetés csökkentésére kényszerülünk (C, D pontok). Mivel az égőtér hőmérséklete nem mérhető (nem homogén hő mérsékletmező ), a gázturbinából kilépő füstgázé viszont már igen, kézenfekvő, hogy abból következtetnek vissza a tüzelés körülményeire. Az expanzióvonal menetének szem előtt tartásával a fent leírt terhelésváltoztatás „a kilépő füstgázhőmérsékletrő l” jól szabályozható. Fontos a működés szempontjából a környezeti levegő állapota, hiszen mint láttuk, a égési levegő tömegárama a beszívott levegő sűrűségétő l, azaz hőmérsékletétő l függ. Például 10 °C hőmérséklet csökkenés 6...7 % teljesítmény növekedést és 3...4 % hatásfok javulást okoz. A levegőhőmérséklet változás hatására megváltozó jellemző ket a 24. ábra mutatja.

δK

PGT T1 ↓ T1 ↑

villamos korlát

ρ1 ↑

ρ1 ↓ m1

1 bar 15 °C ϕ =60%

24. ábra. Gázturbina jellemző k változása a levegő hő mérséklet függvényében

6.3. A gázturbina karbantartása, élettartama Amíg áramlástechnikailag a kompresszor a jóval kényesebb gép, a karbantartásra a turbina az érzékenyebb. Itt nem a gőzturbináknál megszokott, lapáthossz okozta szilárdsági korlátokba ütközünk, hanem elsősorban a magas üzemi hőmérséklettel járó hő feszültség és a lapátok anyagának elégése veszélyes. Hő feszültség keletkezése a lapátok külseje és belseje között indításkor és leállításkor nagymérvű , amit másképp elkerülni nem lehet, csak a terhelési sebességek kíméletes megválasztásával. (Pl. a gő zturbina minden baj nélkül elviseli a 100 %-os teherledobást, gázturbinánál ez súlyos károsodást okozhat.) A lapátok hőmérséklettűrését hő álló (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 belülről is hűtöttek, majd a belső csatornából kiáramló levegő a lapát legmelegebb felületei elő tt is hűtő hatást fejt ki. Mivel a gázturbinák zöme csúcserő mű vi célokat szolgál, az élettartam-gazdálkodás igen fontos. A gázturbinákra minden gyártó megadja az általa garantált élettartamot, mely az úgynevezett egyenértékű üzemidő szerint számítandó. Definíciója:

τ e = ∑τ j ⋅ k j + ∑ n j ⋅ c j , j

(37)

ahol τi az i.-ik indítás után üzemben töltött idő, 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 különböző események hatását veszi figyelembe, benne n j 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 jellemző cj szorzófaktora azonban sokszorosan meghaladja normális ütemű (20-30 perces) indításét. Ugyancsak nagy igénybevételt jelent a hirtelen, előzetes fokozatos teljesítménycsökkentés nélküli leállítás, ami pl. teherledobás miatt lehet szükséges. Elvárás, hogy két karbantartás között az egyenértékű üzemidő legalább 7000...8000 h legyen. Ezután a gépet felül kell vizsgálni, el kell végezni a szükséges karbantartó jellegű tevékenységeket. Általában 3 ilyen periódus (~20…25000 h) után a legjobban terhelt lapátok teljes cserét igényelnek. 28

7. Kombinált ciklusú erőművek A kombinált gáz-gőz körfolyamatú erőművek gondolatát a gázturbina körfolyamat magas hőelvezetési átlaghőmérséklete (máskép fogalmazva a kipufogó gáz magas hőmérséklete) vetette fel. Ha ezt a hő t valamilyen gőzkörfolyamatban tudjuk hasznosítani, akkor egyesítettük a gázturbina magas hő bevezetési átlaghőmérséklete és a gőzkörfolyamat alacsony hő elvezetési átlaghőmérséklete nyújtotta előnyöket. A kombinációnak számos lehetősége van, ezek közül messze a legelterjedtebb a gázturbinához kipufogó gázához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű, és annak különböző alváltozatai. Ezért ezt a kombinációt ismertetjük részletesebben, a többit csak röviden megemlítjük.

7.1. Gázturbinához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű A jelenleg legelterjedtebben használt 1000…1200 ºC belépő gázhő mérsékletű gázturbinák kipufogó gázának hőmérséklete 500…550 ºC körül van. Ez elegendő en magas ahhoz, hogy kiegészítő tüzelés nélkül is közepes (40…60 bar) nyomású gő z termelhető , amely egy gőzkörfolyamatban hasznosítható. Az ilyen módon termelt gőzbő l többlet hőbevezetés nélkül még kb. fele akkora villamos teljesítmény nyerhető, mint a gázturbinából, azaz az összes villamos teljesítmény és a hatásfok kb. másfélszeresére nő. Ez 32…36% gázturbina hatásfok mellett már 50% körüli vagy azt is meghaladó kombinált ciklus hatásfokot jelent, ami meghaladja a gő zkörfolyamatú erő mű vek szokásos hatásfokait. A legegyszerű bb, egynyomású gő ztermelést megvalósító megoldás felépítését a 25. ábra, a körfolyamat elvi ábráját T-s diagramban a 26. ábra mutatja be. Q&ü T4

PGT h1 m &g

PKE

T G

h1′

V THH

25. ábra. Az utánkapcsolt hő hasznosító gőzerőmű kapcsolása

Fontos tulajdonsága ennek a kapcsolásnak, hogy a gázturbina a gő zerő mű kiesésekor is képes üzemelni, a gő zerő mű önmagában azonban nem. A kombinált gáz-gőz körfolyamat hatásfoka az ábra jelöléseivel: ηG / G =

PGT + PKE , Q&ü

(38)

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

∆S&1 T

T2 ∆S&2 , a

∆S&2 , b

26. ábra. Az utánkapcsolt hőhasznosító gő zerő mű körfolyamata

∆T

THH

27. ábra. A hőhasznosító kazán Q-T diagramja

Az ábrán a V, G, T jelölések rendre a vízhevítés, gőztermelés, túlhevítés felületeit jelentik. A füstgáz lehűlési görbéjének, mind a víz hőközlési szakaszainak meredekségét a közegek fajhője és tömegárama határozza meg, mégpedig a − ( m&⋅ c ) −1 összefüggés szerint. Az ábrában ∆T a minimálisan szükséges hőfokrést jelöli, ami ahhoz szükséges, hogy a hőátvitel gazdaságosan megvalósítható, véges nagyságú felülettel legyen megvalósítható. A szerkesztés menete a következő: a gázturbina jellemzői (kilépő gáz összetétele, tömegárama, hő mérséklete) ismeretében megszerkeszthetjük a gázlehűlési vonalat, ennél ∆T-nyivel lejjebb berajzoljuk a „tiltott zóna” határát (vékonyabb vonal), felvesszük a gőznyomást, a hozzátartozó telítési hőmérséklet vonalával elmetszzük a vékony vonalat, ez kijelöli a T és G szakaszon összesen átadható hő teljesítményt, ebből a következő összefüggéssel lehet meghatározni a termelhető gő zmennyiséget:

Q&T + Q&G = m&⋅ ( h1 − h1' )

(39)

ennek ismeretében meghatározhatók a T és V szakaszokon a gőz- és vízhevítési vonal meredekségét, a tápvízhőmérsékletnél lezárjuk a V szakaszt, és vele együtt a hasznosítható hő nagyságát is megkapjuk.

A füstgázoldali hőmérleg Q&HH = m&2 ⋅ c2 ⋅ (T2 − THH ) ,

(40)

amibő l kiadódik a füstgáz THH lehűtési véghő mérséklete. A füstgáz lehű tésének 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 hő nek egy részét ebben a kapcsolásban elveszítjük. A gáz lehűtési véghőmérséklete függ a termelt gőz nyomásától is, ahogy ezt a 28. ábra bemutatja. A vékonyabb vonallal rajzolt, alacsonyabb nyomású gőzkörfolyamat esetén csökkenthető a kilépő füstgáz hő mérséklete, nő a gőzkörfolyamatba átadott hőteljesítmény, de az alacsonyabb gőznyomás egyúttal alacsonyabb hatásfokú gő zkörfolyamatot eredményez. T2 ∆ T

Q&HH

η KE

THH

PKE T

∆Q&

p1,gız

28. ábra. Nyomásváltoztatás hatása a gázlehű tésre

29. ábra. A gő znyomás hatása a kombinált ciklus fő jellemző ire

A termelt gőz nyomásának hatását a hő hasznosító kazánban a gő zkörfolyamatnak átadható hőteljesítményre, a gőzkörfolyamat hatásfokára és a gő zkörfolyamatnak a kettő szorzataként kialakuló villamos teljesítményére a 29. ábrában látható. z ábra azt mutatja, hogy a gőznyomásnak a közepes nyomások tartományában termikus optimuma van, ami egyben jó közelítéssel a gazdasági optimumot is megadja. Könnyen belátható, hogy a megcsapolásos tápvízelőmelegítés ebben az esetben nem javítja, hanem rontja a hatásfokot, mert a csapolás(ok)on elvett gő z csökkenti a gőzkörfolyamat villamos teljesítményét. A tápvíz gáztalanításáról azonban itt is célszerű a gő zerőmű veknél megszokott módon gondoskodni. A táptartály telített gő zzel történő fű tését végezhetjük a gő zturbina megcsapolásáról, vagy pedig a hőhasznosító kazánban létesített további fűtő felületekben fejlesztett (általában a légkörinél nagyobb nyomású) gőzzel (30. ábra). Ez a megoldás nem változtatja meg a kombinált ciklus egyetlen energetikai jellemzőjét sem, csupán a hőhasznosító V jelű szakaszán csökken egy kicsit a közepes hő fokrés (31. ábra).

∆T

T G V

THH

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

30. ábra. A gáztalanítós táptartály kapcsolása

A füstgáz jobb lehűtése kisebb nyomású gőz termelésével érhető el. Elérhető, hogy ez ne csökkentse a gőzturbina teljesítményét, úgy, hogy a alacsonyabb nyomású gőz mellett magasabb nyomású gő zt is termelünk. Ezt a megoldást kétnyomású hőhasznosításnak 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

∆Tfg

T2 G2 G2

32. ábra. Kétnyomású hőhasznosító gő zerő mű kapcsolása

33. ábra. Kétnyomású hőhasznosító gőzerőmű Q-T diagramja

A kétnyomású gő ztermeléssel a füstgázt lehűtése a bejelölt értékkel javul. A változás előnye úgy is megfogalmazható, hogy a víz-gőz felmelegedési szakaszai eredőben a füstgáz lehűlési görbéjéhez közelíthetők, csökkentve ezzel a hő átvitelnél a közepes hőfokrést és avval együtt a folyamat irreverzibilitását. Szóba jöhet olyan kapcsolás is, amikor a V1 és T2 felületeket a hő fokok szempontjából helyileg felcseréljük, vagy pedig egymás mellé (azonos hő mérsékletű zónába) helyezzük. A konstrukciós nehézségeket a termikus elő nyök ellentételezhetik. A lehűlési és felmelegítési görbe tovább közelíthet ő egymáshoz a nyomásfokozatok számának növelésével. Ez azonban már kisebb hasznot húz, mert a korróziós szempontok szerint megengedhető gázlehű tést már a két nyomásfokozat esetén is el lehet érni, a továbbiak már csak az illeszkedést javítják. Háromnál több nyomásfokozatot jelenleg még nem használnak. A gázlehű tés javításának a másik módja a több nyomás helyett póttüzelés alkalmazása. A gázturbina kilépő gázában általában még 14…15% oxigén van, ami lehető vé teszi további tüzelőanyag elégetését a gázturbina és a hőhasznosító első hőátadó felülete között. A póttüzeléses hő hasznosítás Q-T diagramját a 34. ábra mutatja be.

Q&pót

szerkezeti anyag miatti hőmérsékletkorlát

Q&HH

Q&HH, új

∆Q& Q&

34. ábra. Póttüzeléses hő hasznosítás Q-T diagramja

Az ábrából látható, hogy a gő zkörfolyamatnak átadott hő teljesítmény nagyobb mértékben nő tt meg, mint a póttüzelés hő teljesítménye. Azaz a póttüzelés növekmény hatásfoka 100%-nál nagyobb.

7.2. Cheng ciklus Ha a gázturbinából kilépő füstgázzal gőzt termelünk, majd azt az égőtérbe visszavezetjük, Cheng ciklusról beszélünk. Ekkor a hulladékhő-hasznosítás lehetővé teszi, hogy a fejlesztett gőz tömegárama a komprimált levegő 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 hő hasznosító hőcserélő ben póttüzelést is alkalmazunk, és a fejlesztett gő zt nem teljes egészében az égőtérbe visszük, hanem annak bizonyos részét valamilyen módozatú hőkiadásban dolgozzuk fel: Q&ki

Q&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 jelentős hulladékhő t szolgáltat (A pont). Felterheléskor (A-B szakasz) mind a hő - mind a villamos teljesítmény nő. A B-C szakaszon jelenik meg a fejlesztett gőz fokozatos visszavezetése az égő térbe, ami a turbina teljesítményét tovább növeli, miközben a kiadható hő teljesítmény nyilván csökken. A póttüzeléssel az A-B-C vonaltól jobbra, míg részterheléssel és gő z visszavezetéssel a vonaltól balra fekvő területek érhető k el.

gőz visszavezetés részterhelés + póttüzelés + gőz B visszavezetés részterhelés + póttüzelés

Q&kiadható

36. ábra. A Cheng ciklust üzemi diagramja

A megoldás előnye, hogy a két kiadott teljesítmény egymástól függetlenül, széles határok között állítható be. Ennek különösen szigetüzemű rendszereknél (pl. tengeri olajfúró tornyok) van nagyjelentősége.

7.3. További lehetséges gáz-gőz körfolyamatok Laza kapcsolatot teremt a két körfolyamat között a gázturbina kipufogó gázának hőhasznosítása egy gő zerőmű tápvízrendszerében (37. ábra ). (A laza kapcsolat azt jelenti, hogy bármelyik körfolyamat mű ködőképes a másik nélkül is.) Ilyenkor a gőzerő mű nagynyomású előmelegítőit (néha a kisnyomásúakat is) csapolt gőz helyett a gázturbina kipufogó gázával fű tjük, így a megcsapolásokon ki nem vett gő z továbbexpandál a kondenzátorig és ez adja az összekapcsolás hasznaként jelentkező többlet villamos teljesítményt. PKE

PGT

T n2

T n1

37. ábra. Gázturbina hőhasznosítása gőzerőmű tápvízrendszerében

A gázturbina kipufogó gázának hő hasznosítása történhet egy gőzerő mű kazánjában is (38. ábra). Ennél a megoldásnál a kipufogó gáz részlegesen kiváltja az égési levegőt, mert magas oxigéntartalma a kazánban még hasznosítható. Ez is laza kapcsolat a két körfolyamat között

PKE

PGT

T ki

38. ábra. Gázturbina hőhasznosítása gő zerőmű atmoszférikus gőzkazánjában

A 39. ábra kapcsolása szoros kapcsolatot teremt, egyik részkörfolyamat sem tud a másik nélkül mű ködni. A kapcsolat egyrészt a a gázturbina nagynyomású részén elhelyezkedő ún. feltöltött kazánban, másrészt a gőzkörfolyamat tápvízrendszerében valósul meg. Ez a típus nem terjedt el széleskörűen. PKE

PGT T1

T2 TH

39. ábra. Feltöltött gőzkazánban integrált gáz/gő zerő mű

A kombinált ciklusokkal elérhető igen jó hatásfok és az energetikai célra használható szenek – szénhidrogénekhez hasonlítva – jelentősebb készlete arra készteti a tervező ket, 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 örvénylő fluidágyas kazánban történik. A fluidágyban történik meg a gőzkörfolyamat hőtermelése, így a hő mérsékletkorlát betartásához nem kell magas légfelesleg tényező t használni. Ezt követően rendkívül jó leválasztási fokú pernyeleválasztó állit elő gázturbinába vezethető tisztaságú gázt. Itt is alkalmazható a gázturbina kipufogó gázának hőhasznosítása a gőzkörfolyamat tápvízrendszerében. Esetenként – a gázkörfolyamat hatásfokának emelése érdekében – a pernyeleválasztó és a gázturbina között földgázzal még ráfűtenek a munkavégző gázra.

PKE

PGT

T2 TH

40. ábra. Integrált gáz/gőzerőmű nyomás alatti örvényágyas széntüzeléssel

További szénfelhasználási próbálkozások folynak külső széntüzelésű gázturbinával, nyomás alatti szénelgázosítás és gázturbina összekapcsolásával és más megoldásokkal, mindegyiket kapcsolódó gő zkörfolyamattal kiegészítve. Természetesen a szénfelhasználás mindegyik technikai megoldása igen szoros integrációt jelent, de ezeknél az üzemrészek önálló működtetésének kérdése értelemszerű en fel sem merül.

8. Kapcsolt energiatermelés Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hő- és villamosenergiatermelés, amikor egy villamosenergia-termelő berendezés termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladékhő jét olyan hőfokszinten tudjuk előállítani, hogy az még hőigények – első sorban fűtési igények – kielégítésére felhasználható. Az ilyen rendszerekben a felhasznált tüzelőhő 80…90%-a hasznosul villamos- vagy hő energia formájában. E két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függő en eltérő lehet. Ennek megfelelően a kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót kell használni. Az egyik az összes hatásfok a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hőteljesítményhez, a másik a két hasznos teljesítmény aránya (a fajlagos villamosenergia-termelés), amely a hasznos villamos teljesítmény (P) és hőteljesítmény (Qf) aránya:

η=

P + Q&f Q&ü

és

σ=

P Q&f

(41)

Az utóbbi mutatónak az adja a jelentő ségét, hogy különválasztott megtermelés esetén a csak villamos-energiát termelő folyamatok hatásfoka általában 30-40%, míg fűtési hő kb. 90% hatásfokkal állítható elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldás, amelyben több értékes villamosenergia termelhető , azaz nagyobb a fajlagos villamosenergia-termelése. Több évtizede ismeretes és alkalmazott eljárás a nagy távhőrendszerekben alkalmazott kapcsolt energiatermelés gőzkörfolyamatokban. Ez célszerűen több tíz, vagy inkább 100 MW-ot meghaladó csúcshőigényű távhőrendszerekben alkalmazható (általában fűtési célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gőz hőhordozó előállítására. A hőkiadás módja ellennyomású vagy elvételes kondenzációs lehet. Az ellennyomású hőszolgáltató blokk turbinájában csak annyi gő zt lehet expandáltatni, amennyit a fogyasztók igényelnek vagy amennyivel a fogyasztók által igényelt forróvíz felmelegíthető. Ez azt jelenti, hogy a villamosenergia előállítása és a tüzelőanyag fogyasztás közelítő leg arányos a hő igény nagyságával. Egy ellennyomású fű tőblokk kapcsolását és a körfolyamat T-s diagramját a 41. ábra mutatja. T 1

Szabályozatlan elvétel

Főtési hıcserélık

t ell' 2'

Tápvízelımelegítı rendszer

Tell T2

ell0 20

ell 2

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

Az összes hatásfok általában 80…90%, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke – a körfolyamat paramétereitől és a hőkiadás hőfokszintjétől függően – 0,2 és 0,4 között lehet. Egy ilyen kapcsolt energiatermelés és az azt helyettesítő külön-külön termelés energiaáramait mutatja kerekített számokkal a 42. ábra . külön hő- és villamosenergia termelés

kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20

tüzelőanyag 100

tüzelőanyag 55

hőenergia 65

villamos energia, 20 veszteség 35

veszteség 10

veszteség 15

tüzelőanyag 75

Tüzelőhő megtakarítás:

hőenergia 65

55 + 75 – 100 = 30 42. ábra. Kapcsolt energiatermelés gő zkörfolyamatban

A számpélda mutatja, hogy a kapcsolt energiatermelés 30 egységnyi hőmegtakarítást eredményez a külön hő - és villamosenergia termeléshez képest (100 egység tüzelő hő 130 helyett), ami a kiadott távhő re vonatkoztatva 30/65=0,46 fajlagos hőmegtakarítást jelent. Az ellennyomású kapcsolt energiatermeléstől eltérően az elvételes kondenzációs kapcsolt energiatermelés (43. ábra) esetén nincs általános kényszerkapcsolat a két termék aránya között. Az ellennyomású fűtőblokknak alapvető en három különböző üzemállapota van: •

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

•

Maximális gőznyelés: ilyenkor a hőkiadás növelése a villamos teljesítmény csökkenését vonja maga után. A villamos teljesítmény csökkenésének és a kiadott hőteljesítménynek az arányát fajlagos kiesett villamosenergia-termelésnek nevezzük: yki = −

•

∆P Q&f

(42)

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

A hő kiadás minőségi jellemző i (σ fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés és yki fajlagos kiesett villamosenergia-termelés) is szoros kapcsolatban állnak a hőközlési, hőkiadási és hőelvonási középhőmérsékletekkel. Veszteségmentes, ideális körfolyamatokban

σ=

T1 − Tell T1 = −1 Tell Tell

és

yki =

Tell − T2 T = 1− 2 . Tell Tell

(43)

Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők

Tápvízelőmelegítő rendszer

43. ábra. Elvételes kondenzációs fűtőblokk turbinájának kapcsolása

Valóságos ellennyomású gő zkörfolyamatban a fajlagos ellennyomású villamosenergiatermelés:

σ ell

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

(44)

ahol ηmE és ηmQ a villamos és a hő kiadási alrendszer mennyiségi veszteségeit figyelembevevő hatásfok, ηT pedig a turbina belső hatásfoka. Az összefüggésből kiolvasható, hogy a fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés értéke a valóságos körfolyamatban kisebb, mint az ideális körfolyamatban. Valóságos elvételes kondenzációs gő zkörfolyamatban a fajlagos kiesett villamosenergiatermelés értéke:  T  yki = 1 − 2 ⋅ ρ irr  ⋅η T ⋅η mE ,  Tell 

(45)

ahol ρirr a hőelvonási és hőkiadási középhőmérséklet közötti tápvízelőmelegítés irreverzibilitásai miatt bekövetkező entrópiaáram-növekedést figyelembevevő tényező. A (45) összefüggéssel meghatározható érték kisebb (kedvezőbb), mint az ideális körfolyamat esetében. Ennek magyarázata, hogy itt veszteségek maradnak el, mert a gőz egy része nem expandál végig a kondenzátorig. A gázturbinák mintegy 10…15 évvel ezelő tti megjelenése a villamosenergia-termelésben lehetővé tette a valamivel kisebb hő igényű körzetek bekapcsolását a kapcsolt energiatermelés lehetséges körébe és a fajlagos villamosenergia-termelés értékének emelését kb. 0,6-ig. Ennek az ad jelentőséget, hogy az 1998-as nyilvántartások szerint Magyarország 103 településén 290 távhő szolgáltató rendszert tartottak nyilván, és összesen 650 ezer lakás tartozott ezekhez a távhő rendszerekhez, azaz a rendszerenkénti átlagos lakásszám alig haladja meg a kétezret. Hasonló teljesítménytartományban gazdaságos a kombinált gáz-gő z körfolyamatokban alkalmazott kapcsolt energiatermelés, de ezekben az esetekben a fajlagos villamosenergiatermelés értéke akár az 1-et is elérheti. A kisebb, akár ezer alatti lakásszámú körzetek, kisebb ipari fogyasztók és akár egy-egy nagyobb intézmény kapcsolt energiatermelésbe való bevonását a gázmotorok néhány évvel ezelőtt elindult elterjedése tette lehetővé. Ezek a földgáztüzelésű belső égésű motorok 39

leggyakrabban a 300…3000 kW villamos- és 350…4000 kW hőteljesítmény tartományban épülnek. Ez már 2…4 MW csúcshőigényű rendszerekben is lehetővé teszi a kapcsolt energiatermelést, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke pedig eléri a 0,8…0,95 értéket is. A magas fajlagos villamosenergia-termelés jelentőségét a 44. ábra mutatja be. Ebben látható, hogy 100 egységnyi gázmotorban felhasznált tüzelőhő már 162 egységnyi különálló termelésben felhasználandó tüzelő hő t válthat ki, szemben a gőzkörfolyamatú erő mű veknél bemutatott 130 egységnyivel. Így a fajlagos hő megtakarítás 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 kedvezőbb eredményeket kapnánk a kombinált ciklusban megvalósított kapcsolt energiatermelésre vonatkozóan kapcsolt energiatermelés

külön hő- és villamosenergia termelés

villamos energia, 40

tüzelőanyag 100

hőenergia 45

villamos energia, 40

tüzelőanyag 110 veszteség 70

veszteség 15

veszteség 7

Tüzelőhő megtakarítás: 110 + 52 – 100 = 62

tüzelőanyag 52

hőenergia 45

44. ábra . Kapcsolt energiatermelés gázmotorban

9. Erőművi segédrendszerek Egy erőmű működéséhez az eddig ismertetett fő folyamatokon felül még néhány nélkülözhetetlen segédrendszerre is szükség van. Ezek közül ebben a fejezetben csak a hőelvonás és a füstgáztisztítás rendszereire térünk ki. További létfontosságú segédrendszereket más tananyagok és segédletek tárgyalnak vagy a szakirodalomban fellelhetők. Ilyen fontos segédrendszerek pl. a tüzelő anyag-ellátás, gőzkörfolyamat esetén a levegőellátás, pótvízellátás, levegőeltávolítás, széntüzelés esetén a salak- és pernyeeltávolítás, nyíltciklusú gázturbinák esetén a levegőtisztítás rendszerei.

9.1. Hűtőrendszerek Gő zkörfolyamatok és kombinált ciklusok esetén a hőelvonást a hűtőrendszerek valósítják meg. Egy viszonylag ritkán alkalmazott rendszer (GEA közvetlen léghű tés) kivételével a kondenzátorban lejátszódó hőelvonást hűtő víz segítségével valósítják meg, ezért ezt a rendszert hűtővízellátási rendszernek is szokás nevezni. A hűtő vízellátási rendszer elnevezés azonban valamivel többet is jelent, mint a hő elvonást, az erőművi technológiákban néhány egyéb hűtési igény (pl. generátorhűtés, helységhűtés) is fellép, ezek hűtő vízigénye azonban elhanyagolható a hő elvonás hűtő vízigénye mellett. Az erőművekben egyéb vízigények is fellépnek (pl. pótvíz előállítás, hidraulikus salak-pernye szállítás), azonban ezek vízigénye is nagyságrendekkel elmarad a hűtővízigény mellett.

9.1.1. Közvetlen léghűtés A GEA rendszerű közvetlen léghűtés esetén a turbinából kilépő, igen alacsony nyomású gőzt közvetlenül hűtőtoronyba vezetik, ahol a levegő áram kondenzálja le a gő zt. Egyszerű sége és víztakarékossága ellenére sem nagyon terjedt el, elsősorban az alacsony gő znyomás okozta levegő-betörési veszély és a nagy gő z fajtérfogat miatt szükséges extrém nagy keresztmetszetű gőzvezeték miatt.

9.1.2. Frissvízhűtés Frissvízhű tésnél valamely élő vízből (folyóvíz, tenger, tó) kivett hűtővíz csak egyszer halad keresztül a hűtőrendszeren és utána visszaeresztjük az élő vízbe. Ilyenkor mindig felületi kondenzátort alkalmaznak hő elvonásra, hogy az igen jó minő ségű körfolyamati közeg (gáztalanított és sótalanított víz) ne érintkezhessen a csak szűréssel kezelt, magas oldott gázés sótartalmú hű tővízzel. Kondenzációs gő zerőművek hűtővízigénye igen magas. 1 MW hasznos villamos teljesítményre hagyományos erő mű vek esetén 1.2…1.4 MW, atomerő mű esetén kb. 2 MW elvonandó hő teljesítmény jut. Ehhez a szokásos 8…10 °C hű tővíz felmelegedés feltételezésével 30…50 kg/s (110…180 t/h) hűtővízáramra van szükség. Ez pl. azt jelenti, hogy egy paksi blokk (460 MW) hű tő vízigénye megközelíti a Sajó vagy a Rába közepes vízhozamát. Annak megítéléséhez, hogy egy folyó mekkora erőmű számára tud elegendő hűtő vizet 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

(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, közelítő szabály, hogy vízi műtárgy (duzzasztás) nélkül a vízhozamnak kb. harmadát lehet egy folyóból kivenni. Méretezési vízhozamnak a folyó KKQ közepes kis vízhozamát szokás tekinteni. Ha a hűtővízigény ennek harmadát nem haladja meg, akkor duzzasztás nélküli frissvízhűtést lehet alkalmazni. Ennél nagyobb vízigény (kisebb vízhozam) esetén megoldás lehet a duzzasztás (a KKQ 70…90%-áig növelhető a vízkivétel), kisegítő visszahűtés (hűtő torony) létesítés, ami csak kis vízhozam esetén működik vagy a kis vízhozam esetén a vízkivétel és az erőmű vi termelés korlátozása, ami változó hiányként terheli az erőművet. Frissvízhű tés esetén általában igen nagy a hűtő vízszivattyúk teljesítményfelvétele, mert az erőmű vet biztonsággal az árvízszint feletti magasságú rendezett terepen kell elhelyezni. A szivattyúzási munka egy része visszanyerhető , ha a melegvíz visszavezetésnél rekuperációs vízturbinát alkalmaznak.

9.1.3. Visszahűtéses rendszerek Visszahűtéses rendszereknél a felhasznált hű tővizet lehűtjük és újra felhasználjuk a kondenzátor és a segédrendszerek hű tésére. A visszahűtés során a hő t a levegőnek adjuk át közvetlenül érintkeztetéssel (nedves hűtés) vagy felületi hőcserélő n keresztül (száraz hű tés). Megfelelő vízhozamú vízfolyás esetén a visszahű tés egyik lehetséges megoldása a hűtő tó (46. ábra ). A párolgás miatt a hűtő tó sótartalma csak megfelelő mennyiségű 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)

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

mcs

mbe

mle

msz ∆me

Erőmű

46. ábra. Hű tőtavas hű tés

Minden egyes sófajtára be kell tartani a (48)

c ≤ cmeg

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

m p + ∆me − mcs . cbe 1− cmeg

(49)

Tapasztalatok szerint a megfelelő visszahűtés eléréséhez 1 MW villamos teljesítményhez kb. 1 hektár hűtőtó felület kell. A hűtés intenzitása növelhető szökőkúthoz hasonló szóró-hű tők alkalmazásával, de az megnöveli a cseppelragadás mértékét is. Hasonló módon kell meghatározni a szükséges pótvíz ill. leeresztési mennyiséget nedves hűtőtornyos hűtés (47. ábra ) esetén is. Ebben az esetben az elszivárgási veszteség elmaradása és a kisebb párolgási veszteség következtében kisebb a pótvíz-igény, mint hű tőtavas hű tésnél, Száraz hűtési rendszerek között – az előző pontban említett közvetlen léghű tés mellett – elterjedten alkalmazzák a Heller-Forgó rendszerű hűtést (48. ábra). Ennél a keverőkondenzátor kondenzátumát szivattyú szállítja az apróbordás alumínium hő átadó felületekhez, amelyekben – az esetlegesen megjelenő tömörtelenségeken bekövetkező levegő betörés

elkerülése érdekében – atmoszférikusnál nagyobb nyomásnak kell lennie. A lehű lt víz a szivattyúzási munka egy részének visszanyerése érdekében nyomásejtő vízturbinán keresztül jut vissza a kondenzátorba. A párolgás és a cseppelragadás elmaradása következtében a pótvíz-igény legalább egy nagyságrenddel kisebb, mint nedves hűtő tornyok esetén. Ugyanakkor a párolgásos hő átvitel elmaradása a közepes hőfokrést megnöveli. Száraz levegő esetén – általában nyáron – a hű tés intenzitása javítható a hő átadó felületek külső nedvesítésével (nedvesített száraz hűtő torony).

pótvíz

leeresztés 47. ábra. Nedves hű tőtornyos hű tés

pótvíz

48. ábra. Heller-Forgó rendszerű száraz hű tő tornyos hű tés

9.2. Füstgáztisztítás A levegő környezet terhelésének csökkentése érdekében a tüzelések során keletkező levegőszennyező anyagok mennyiségét korlátozni kell. Rövid áttekintésünkben csak a három legfontosabb szennyező anyag csökkentésére térünk ki.

9.2.1. Szilárd szennyezőanyagok, pernye Szilárd szennyezők döntő többsége a tüzelőanyag nem éghető komponenseibő l (hamutartalom) keletkezik. Kisebb mértékben és rövid idő re – első sorban olajtüzelésnél – koromképződés is felléphet. A magyar energetikai szenek általában 30…45% hamutartalmúak és szénportüzelésű kazánokban tüzelik el. Ez az alacsony fű tőértékkel párosulva 10…40 g/m3 porkoncentrációt eredményez a füstgázban. Ugyanakkor a levegő tisztaság-védelmi előírások 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 szűrő vel lehet elérni. Az olajtüzelésű erő művekben a kőolaj lepárlási maradékát (pakura, gudron) tüzelik el. Ennek hamutartalma csak néhány ezrelék, de veszélyes nehézfémeket, fémoxidokat tartalmaz. Ennek ellenére olajtüzelésű erőművi 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 nagyfeszültségű (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 kilépő elektron az elektromos erőtérben 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 erő s elektromos térben a porszemcsék felületén is töltésmegoszlás jön létre. A porszemcsék szóróelektróda felő li felületeiről az elektronok elvándorolnak és így az pozitív töltésű lesz. A porszemcse pozitív töltésű felületeire tapadnak aztán a szóróelektródából kilépő elektronok és a gáz ionizációja következtében keletkező negatív töltésű ionok. Ezáltal a porszemcse teljes felülete negatív töltésű lesz. E negatív töltésű porszemcsék az elektromos térben a pozitív töltésű leválasztó lemez felé vándorolnak és azon leválasztódnak.

49. ábra. Elektrosztatikus pernyeleválasztó felépítése

A leválasztási fokot az alkalmazott térerő nagyságától, a szemcsemérettől és a szemcse anyagától függő ún. oldalirányú szemcsevándorlási sebesség és a fajlagos elektróda felület (az elektróda felület és füstgáz térfogatáram hányadosa) határozza meg. Az elérhető leválasztási fok általában 99…99.6%, de a 3...5 µm-nél kisebb szemcséknél rohamosan csökken. A gyű jtőelektródák (lemezek) tisztítását szakaszosan, üzem közben végzik rázással vagy a lemezek ütögetésével. Ennél is jobb leválasztási fok érhető el a zsákos szű rőkkel (50. ábra), amelyek tisztítása a szűrő kikapcsolása után végezhető . Emiatt a folyamatos üzemű kazánoknál a zsákos szűrő ket megfelelő tartalékkal, csoportokba foglalva építik be és egy-egy csoportot üzemből kivéve végzik a tisztítást. A használat során a zsákok eltömődésével a leválasztási fok javul, de lényegesen megnő a zsákok áramlási ellenállása (mint a porszívónál), ami a ventilátor teljesítményigényét növeli. A tisztítási periódusokat általában a zsákok áramlási ellenállásáról vezérlik. Ellenirányú tisztító levegő

zsák rázó mechanizmus

Nagynyomású levegő-fúvókák

Tisztított gáz Fémkeret

Tisztított gáz Szűrőzsák

Poros gáz

Szűrőzsák

Poros gáz

Leválasztott por kiürítése

Leválasztott por kiürítése gáz áramlási iránya: bentről - ki

gáz áramlási iránya: kívülről - be .

50. ábra. Zsákos szövetszűrő k felépítése

9.2.2. Kénoxidok Az erőművi 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 döntő többsége (92...99%) kéndioxid, a többi kéntrioxid lesz. (Nem rossz közelítés, ha az összes kénoxidot kéndioxidnak tekintjük.) A jelenlegi levegőtisztaság-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 füstgázkéntelenítő eljárás kapcsolását mutatja be az 51. ábra.

51. ábra. Mészköves, nedves füstgázkéntelenítő eljárás

A füstgázkéntelenítés kémiai reakció a következő k: SO2 + H 2 O → H 2 SO3

abszorpció

CaCO3 + H 2 SO3 → CaSO3 + CO2 + H 2 O semlegesítés 1 CaSO3 + O2 → CaSO4 oxidáció 2 CaSO4 + 2 H 2O → CaSO4 ⋅ 2 H 2O kristályosodás

Az abszorpció az előmosóban, a semlegesítés a mosótoronyban, az oxidáció a mosótorony aljában levő 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: tüzelőanyag kémiailag kötött (szerves) nitrogéntartalmából, az égési levegő nitrogénjéb ől termikus NOx képződési mechanizmussal, az égési levegő nitrogénjéb ől prompt NOx képződési mechanizmussal.

A nitrogén és oxigén molekulák (N2 és O2) nem lépnek egymással reakcióba. Erre bizonyíték a Föld légkörének összetétele. A tüzelő anyag 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 magashőmérsékletű disszociációja hoz létre atomos oxigént, amely reakcióba léphet a nitrogén molekulákkal.

A prompt NOx keletkezésénél a hirtelen felmeleged ő, oxigénhiányos környezetbe kerülő szénhidrogén molekulák krakkolódása indítja be a folyamatot. A széttöredezett molekulából létrejövő , szabad vegyértékkel rendelkező gyökök oxigén hiányában a nitrogén molekulákkal léphetnek reakcióba és nitrogéntartalmú szerves molekulák vagy gyökök keletkeznek. Ezek azután a tüzelőanyag NOx keletkezésénél megismert módon járulnak hozzá a nitrogénoxid képződéshez. A tüzelés során elsődlegesen mindig nitrogénmonoxid keletkezik és csak a kazán alacsonyabb hőmérsékletű 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 képződés mértékét elsősorban a tüzeléstechnikai jellemző k határozzák meg. Ebbő l adódik, hogy a nitrogénoxid kibocsátás csökkentését két módon lehet elérni: tüzeléstechnikai paraméterek megváltoztatása, csökkenthető (primer eljárások),

amivel

képződés

mértéke

nitrogénoxid leválasztás (szekunder eljárások).

Valamennyi primer eljárás sarkalatos pontja a légfelesleg tényező csökkentése. Ezért fontos a tüzelés pontos ellenőrzése. A tüzelőanyag NOx képződési mechanizmus csak a légfelesleg tényező csökkentésével befolyásolható kedvező irányban. A termikus NOx képződési mechanizmus ezen kívül mérsékelhető a tűztér legmelegebb pontjaiban a csúcshőmérsékletek csökkentésével, inert anyag bekeverésével és a tartózkodási idő csökkentésével. A prompt NOx képződés mérséklése első sorban a tüzelőanyag felmelegedési sebességének csökkenésével érhető el. A NOx képződés csökkentésére számos megoldást alkalmaznak. Ezek közül az elterjedtebbek a többfokozatú tüzelés, a füstgáz recirkuláció, az elnyújtott tüzelés, NOx szegény égők és redukáló gázégő 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 vízgő z 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 2 O A legkedvezőbb hőmérséklet 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 megelő zi a többi leválasztást. Emiatt a katalizátor élettartama erősen függ az alkalmazott tüzelőanyagtól, mert a kénoxidok és a szilárd szennyező k rongálják a katalizátort. A katalizátort gáztüzelés esetén is 8…10 évenként cserélni kell, olajtüzelésnél 5…7 év, széntüzelésnél 3…4 év az élettartama.

10. Irodalom BIHARI PÉTER – BALOGH ANTAL: Erő művek. Elektronikus jegyzet. http://www.energia.bme.hu/downloads.htm BÜKI GERGELY: Erőmű vi berendezések. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1984. BÜKI GERGELY: Energiatermelés, atomtechnika. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. BÜKI GERGELY: Hőkörfolyamatok I. Egyetemi jegyzet. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. BÜKI GERGELY: Energetika. Egyetemi tankönyv. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1997. ISBN 963 420 533 X LÉVAI ANDRÁS: Hőerőmű vek. Nehézipari könyv- és folyóiratkiadó Vállalat, 1954. LÉVAI ANDRÁS: Hőerőmű vek II. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964. LÉVAI ANDRÁS: Hőerőmű vek II. Hő kapcsolások. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1982. LÉVAI ANDRÁS – ZETTNER TAMÁS: Hő erő mű vek IV. Mű szaki Könyvkiadó, Budapest, 1971. MARGULOVA, T. H.: Atomerő mű vek. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977. ISBN 963 10 1874 4 KISS LAJOS: Villamosenergia-gazdálkodás. Egyetemi tankönyv. Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. ISBN 963 18 18939 X ŐSZ JÁNOS – BIHARI PÉTER: Hő ellátás. AIFSz jegyzet, kézirat, BME Energetika Tanszék, 1998. PETZ ERNŐ: Hő erő mű vek I. Gazdasági vizsgálatok. Egyetemi jegyzet. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. REMÉNYI KÁROLY: Új technológiák az energetikában. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1995. ISBN 963 05 6847 0