Elektrane_05

Termoelektrane Prof.dr.sc. Sejid Tešnjak Doc.dr.sc. Davor Grgić Doc.dr.sc. Igor Kuzle

fakultet elektrotehnike i ra~unsrstva zavod za visoki napon i energetiku

Podjela turbina termoelektrana Podjela turbina Parne turbine

Prema smjeru strujanja pare

Aksijalne

Radijalne

Prema djelovanju rotora obzirom na ekspanziju pare

Akcijske

Reakcijske

Plinske turbine

Prema visini tlaka na kraju ekspanzije

Kondenzacijske

Protutlačne

Usporedba tehnologija UGLJEN 



Prednosti – opskrba gorivom – stabilna i konkurentna cijena goriva – razvoj CleanCoal tehnologija (η > 45%) – jedinične snage 400 - 1000 MW – mogućnost korištenja šljake i pepela u cementnoj industriji – životni vijek (35+15 g.) Nedostaci – investicijski troškovi – relativno velike emisije CO2 – skladištenje goriva

PLIN Prednosti – ekološka prihvatljivost – tehnologija u razvoju – investicijska ulaganja – rok izgradnje – stupanj iskorištenja goriva (do 60%) – relativno brz povrat uloženih sredstava Nedostaci – rizik opskrbe gorivom – cijene plina u budućnosti – životni vijek – fleksibilnost pogona – back-up gorivo

NUKLEARNA





Prednosti – konkurentna, stabilna i predvidljiva cijena električne energije – nema emisija CO2 – smanjenje ovisnosti o uvozu energenata (skladištenje goriva) – pozitivan utjecaj na zapošljavanje i ekonomiju (primjer: Finska, Francuska) – razvoj naprednih tehnologija Nedostaci – investicijski troškovi – dugoročno odlaganje radioaktivnog otpada – neproliferacija – mogući problemi s dekomisijom

Usporedba tehnologija - troškovi Postojece elektrane

Nove elektrane vrsta elektrane

max. godišnje trajanje pogona (h/a)

nuklearne elektrane (1330 MW, 35%)

8000

TE na kameni ugljen (700 MW, 45.5%)

8000

TE na lignit (850 MW, 43.5%)

8000

plinske elektrane (270 MW, 38%)

8000

kombi postrojenja (800 MW, 58%)

8000

hidroelektrane (700 MW)

5000

male hidroelektrane (30 MW)

5000

vjetroelektrane (obala) 2500 (>1 MW) suncane (photovoltaic) 2400 (1 MW)

Investicijski troškovi(EUR/kW)

1700

troškovi proizvodnje u 1. godini (EUR-ct/kWh)

izjednaceni troškovi proizv. (EUR-ct/kWh)

varijabilni troškovi proizv. (EUR-ct/kWh)

5.9

4.8

700

3.6

3.2

1.3

750

3.7

3.3

1.2

280

3.8

4.1

380

3.2 1800 3000

2.1 0.02-0.1

5.6

0.02-0.1

9.7

12.1 6.8

6000

3.2

3.3 7.1

700

0.7

0.05-0.5

5.8 53.6

43.7

0.4

Parne termoelektrane 



1

Tehnološki proces proizvodnje električne energije u EES-u započinje osiguranjem dovoljnih količina primarnih oblika energije. Nastavlja se proizvodnjom, odnosno transformacijom drugih oblika energije u električnu energiju, prijenosom, te razdiobom električne energije do mjesta njene potrošnje odnosno transformacije u druge korisne oblike energije. Ovo ukazuje na jedno mnoštvo uređaja i komponenti, koje učestvuju u okviru ovog tehnološkog sustava. U slučaju tehnološkog procesa proizvodnje električne energije u termoelektranama loženim ugljenom kao primarnim energentom tada vrijedi (kao i u slučaju nuklearnih elektrana) da je to svakako jedan od zahtjevnijih i tehnički složenijih sustava za proizvodnju električne energije.

Parne termoelektrane  

2

Propisi i zahtjevi za zaštitu okoliša dodatno usložnjavaju tehnološki proces. Niz pretvorbi energije – Primarna energija fosilnog goriva se, u procesu izgaranja i prijenosa topline, u generatoru pare transformira u toplinsku energiju vodene pare – Toplinska energija vodene pare se u postrojenju parne turbine transformira u mehaničku energiju i toplinsku energiju degradiranih parametara – Mehaničke energija se u postrojenju turbogeneratora transformira u električnu energiju

Parne termoelektrane 



3

Osnovna je proizvodna jedinica elektroprivrede blok, tj. samostalna skupina uređaja koji su istodobno u pogonu, a osiguravaju odvijanje potpunog tehnološkog procesa za pretvaranje energije goriva u električnu energiju. Blok se sastoji od jednog uređaja za proizvodnju pare, jedne turbine sa sustavom za kondenzaciju, jednog generatora, te pripadnog transformatora. Termoelektrana može imati samo jedan ili veći broj blokova, istog ili različitih tipova. Uređaj za proizvodnju pare može biti kotlovnica s jednim ili dva kotla, koji se lože fosilnim gorivima.

Kondenzacijske parne termoelektrane 







Ovaj tip elektrana je najrazvijeniji tip termoelektrana. Takve se elektrane postavljaju pretežno na izvorima toplinske energije, odnosno blizu ugljenokopa ili nalazišta tekućeg i plinovitog goriva. Drugi uvjet za njihovo lociranje je blizina znatnih količina protočne vode, potrebne za hlađenje kondenzatora turbina. Glavna prednost kondenzacijskih termoelektrana sastoji se u mogućnosti proizvodnje velikih količina električne energije na izvorima fosilnih goriva, uz jednoznačan tehnološki proces i veliku snagu pojedinih pogonskih jedinica. Nedostatak im je relativno nizak stupanj iskorištenja topline.

1

Sankey-dijagram energetske bilance TE kondenzat 15.5 %

84.5 %

gorivo

1% 84 %

zagrijač 3 (otplinjač)

15 %

gubici kotla

TURBINA oduz. I

13.9 % 1.6 %

1.6 %

zagrijač 2

mehanički gubici

72 % oduz. II

9.4 % zagrijač 1

4.5 %

GENERATOR

oduz. III

5.1 % 4.3 %

KONDENZATOR

ejektor

1%

gubici generatora

kondenzat

rashladna voda

45.2 %

21.7 % električna energija

Kondenzacijske parne termoelektrane

2

Shematski prikaz procesa u kondenzacionoj parnoj termoelektrani

Princip rada TE na ugljen

Princip rada TE na mazut

Proces u termoelektrani

~

Bubanj Ulaz napojne vode

1

Para ka turbini

Isparivač

ECO Zidni pregrijač

ECO Isparivač

Bubanj

Konvekcijski pregrijač

Šot Pregrijač

210 MW

Proces u termoelektrani

2

Termoelektrane – toplane 







1

Termoelektrane – toplane služe za opskrbu jednog većeg energetskog područja kako toplinskom, tako i električnom energijom. Određeni dio pare u turbini se ne vodi u kondenzator, nego se njezina toplina koristi u tehnološke ili ogrjevne svrhe. Termički stupanj korisnosti ovakve elektrane znatno je veći od kondenzacijskih elektrana, što im je i glavna prednost. Nedostatak im je potreba za transportom velikih količina goriva do mjesta potrošnje. Međutim, ovakve toplane su u stanju opskrbljivati dotično energetsko područje i dovoljnim količinama električne energije, čime se smanjuje cijena opskrbe električnom energijom. Zbog toga su one najpovoljnije rješenje složene opskrbe toplinskom i električnom energijom.

Termoelektrane – toplane

Shematski prikaz procesa u termoelektrani – toplani s turbinom s oduzimanjem pare

2

Temeljni elementi TE na ugljen

1


1 1.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

6.

Šot pregrijač Bubanj Bunker i dodavač Gorionici Mlinovi Skladište ugljena Elektrofilter Ljungstroem Ekrani ložišne komore

7.

8.

2. 9.

3. 4. 5.


2

Razvodna stanica Rashladni toranj

Toplifikacija grada VT

ST

NT

Turbina

Instalacija za degaziranje Regeneracijski zagrijači

Generator

Blok transformator Kondenzator

Dopunska voda

Regeneracijski zagrijači Rezervoar demineralizovane vode


3


4

210 MW KWU parna turbina

Gubitci u TE

Osnovna oprema parne termoelektrane

       

Svi glavni dijelovi parne termoelektrane smješteni su u glavnoj pogonskoj zgradi: Bunkeri ugljena Parni kotlovi (generatori pare) Kondenzatori Turboagregati Priprema vode (isparivači, zagrijači, otplinjači, rezervoari pojne vode... ) Napojne crpke Rasklopno postrojenje vlastite potrošnje Toplinska i električna komanda

Skladište ugljena

Elektrofiltari - montaža

Elektrofiltari – konačni izgled

Rotacijski grijač zraka (Ljungstroem) 1

Rotacijski grijač zraka (Ljungstroem) 2

Mlinovi

Mlin s čekičima

Mlin s valjcima

Bunker i dodavač

Generatori pare 





1

Zadatak je parnog kotla da toplinu oslobođenu izgaranjem goriva dovede vodi ili vodenoj pari, koja na njegovom izlazu mora imati određeni tlak i temperaturu. Radi se o izmjenjivaču topline koji se nekad izvodio kao posuda napunjena vodom i grijana plinovima izgaranja goriva, dok se danas parni kotlovi izvode kao sustav cijevi, otkuda dolazi i naziv generatori pare. U parni kotao dovode se pojna voda, gorivo i zrak za izgaranje, a iz njega se odvode proizvedena vodena para, plinovi izgaranja i pepeo (šljaka) kao neizgoreni dio goriva.

Generatori pare

2

Karakteristični tipovi parnih kotlova su sljedeći:





–

Kotao s plamenim cijevima

–

Vodocijevni kotao

–

Kotao s prirodnim strujanjem

–

Kotao s prisilnim strujanjem

–

Protočni kotlovi ( Sulzerovi i Bensonovi )

U kotlovima malih učina gorivo se loži na pomičnoj rešetki, a za veće učine u ložište se dovodi ugljen u obliku prašine, koji se melje u mlinu termoelektrane. Budući da se često za loženje parnih kotlova upotrebljava mazut i zemni plin, ugrađuju se kotlovi koji se mogu koristiti svim trima vrstama goriva.

Generatori pare

Shematki prikaz s temeljnim elementima parnog kotla

3

Fire-tube generator pare (steam-block) 1

Fire-tube generator pare (steam-block) 2

Osnovni elementi generatora pare Water & Steam cycle Fuel System Air & flue gas Flow Path Ash/ rejects Handling System

Generator pare

Generator pare TE Plomin 2

Generator pare

Generatori pare - izvedbe

Bensonova izvedba

Sulzerova izvedba

Ramzinova izvedba

One-through generator pare (Sultzer)

Gorionici

Sustav gorionika DIZNE SOFA

DIZNE SOFA REBERNING GORIONIK

Hladni zrak

Vrući zrak

GLAVNI GORIONICI Gorionićki zrak

Dogorjevajući zrak

Sustav gorionika na tekuće gorivo

Parni mlaz atoma

Sustav plinskih gorionika

Monobloc nozzle mix gas burner

Ekrani i ložišne komore

Sustav gorionika i prijelaz topline va

G

or

iv

ja

ci

o

ija

iz

o id

z

d

Ra

ak Zr

ai

jacij

Radi

ja

ekci

konv

Načini izgaranja u generatoru pare

Ravnomjeran tok izgaranja

Vrtložan tok izgaranja

Izgaranje tekućeg goriva i plina Nafta i prirodni plin imaju sljedeća zajednička svojstva:  Praktički ne sadrže ni vlagu ni pepeo.  Proizvode istu količinu izgaranja plinova  ista vatra se postiže.  Gorenje u plinskim uvjetima sa relativno homogenim (postojanim) plamenom  ovo može biti izgoreno u sličnim gorionicima sa vrlo malim dotokom zraka.

Naftni plamen.

Plinski plamen.

Generator pare na tekuće ili plinovito gorivo Naftni ili plinski spremnik sa horizontalnim plamenim zidom [Babcock&Borsig].

Generatori pare

4

bubanj

pregrijac pare

komora izgaranja s cijevima za isparivanje zagrijac vode

zagrijac zraka sabirnici vode

Skica kotla s prirodnim strujanjem

Gubici topline u generatoru pare

Toplinska bilanca kotla/generatora pare

5.5% 4.2%

Heat 100% from Fuel

1%

BOILER

Dry Flue Gas Loss

Heat loss due to wet flue gas Heat loss due to moisture in fuel

0.3%

Heat loss due to moisture in air

1%

Heat loss due to unburnts in residue

1% 87%

Heat loss due to dry flue gas

Heat loss due to radiation & other unaccounted loss

Boiler Efficiency (Heat in Steam)

Klasifikacija generatora pare

Moderne EU TE

Ultra-superkritični ciklus budućnosti

Izgled moderne TE budućnosti

Elektrana na biogorivo

Shematski prikaz termoelektrane

T-s dijagram procesa Tg1 Tg2 Ts6

Tg3

o

C

Ts5

T,

Tg4

Ts4 Ts7

Ts3

Ts9 Ts8

Ts2 Ts1 Tw1

Tw2

s, kJ/kg

Jednadžbe komore za izgaranje H g1 = ηloz H d + VLhL + hB

Qeva

4  T + 273.15 4 Ts 2 + 323.15    g2  −  = ceva ⋅ Aeva ⋅    100 100      

(

)

Qeva = mg ⋅ H g1 − H g 2 ⋅η zr

Jednadžbe supergrijača

(

)

Qsup = mg ⋅ H g 2 − H g 3 ⋅η zr

(

)

Qsup = mgp − W ⋅ (hs 6 − hs 5 )

Qsup = ksup ⋅ Asup ⋅ ∆tm ∆t1 − ∆t2 ∆ tm = ∆t1 ln ∆ t2

tg2 ∆t2

tg3

ts6

∆t1 ts5

0

A

Jednadžbe ekonomajzera i grijača vode Qeko = mg ⋅ (H g 3 − H g 4 )⋅η zr

tg3

Qeko = (mgp − W )⋅ (hs 4 − hs 3 )

tg4

Qeko = keko ⋅ Aeko ⋅ ∆t m

ts3

∆t2 ts4

∆t1

0

ts7

Qgrijač _ vode = mgp ⋅ (hs 3 − hs 2 ) Qgrijač _ vode = k grijač _ vode ⋅ Agrijač _ vode ⋅ ∆t m

Qgrijač _ vode = mo ⋅ (hs 7 − hs 9 )

A

ts9 ∆t2

∆t1

ts3

ts2 0

A

Jednadžbe kondenzatora

Qcond = mcond ⋅ (hw 2 − hw1 ) ts8

Qcond = mtout ⋅ (hs 8 − hs1 ) Qcond = kcond ⋅ Acond ⋅ ∆tm

∆t2

∆t1

tw2

tw1 0

A

Jednadžbe parne turbine ps 7 =

(

)

 mtout 2 2 ps28 + psz p − ⋅ sz8  7 m  toutz

  

2

T 6

h6 − h7 η1 = h6 − h7i h7 − h8 η2 = h7 − h8i

∆h1 7i

p7

7

∆h2 p8 8i

8

xcond s

Interna efikasnost stupnja turbine

Stvarna ekspanizija

Actual Process 1-2-3-4-5

Comparison of Actual Expansion with Isentropic Expansion in Turbine

Actual Expansion in HP, IP & LP Cylinder

Gubitci u turbinskom ciklusu

Turbine heat rate (HR) - definition Turbine Heat Rate =

Q1 x (H1 – h2) + Q2 X (H3 – H2) Gross Generator Output

•

Turbine heat rate (Kcal/kWh) is defined as the heat input (Kcal) required to generate one unit of Electrical output (KWh).

Turbine heat rate (HR)

Variation of Heat Rate with Load

HR and Condenser Exhaust Pressure

Utjecaj parametara pare P1 P2

P1 P1

P3 T1

H

T3 T2 T1

P2 T2 T1

H

H

S

Effect of Increasing Pressure on Available Energy

S

Effect of Increasing Steam Temperature On Available Energy

S

Effect of Increasing Steam Pressure & Temperature Both on Available Energy

Utjecaj parametara pare

H H

Reheat Pressure

S

Reheat Temp.

S

Parne turbine 





1

Parne turbine su pogonski strojevi koji pretvaraju toplinsku energiju pare u mehanički rad. Kao pogonski medij obično se koristi vodena para. Toplinska energija pare pretvara se u mehanički rad posrednim putem. Prva faza procesa je ekspanzija pare, odnosno pad tlaka i temperature, te porast obujma. Ekspanzijom se postiže ubrzavanje strujanja pare, pa se na taj način toplinska energija pretvara u kinetičku. U drugoj fazi se kinetička energija parnog mlaza koristi za stvaranje obodne sile na rotoru i njegovo pokretanje, čime se kinetička energija pretvara u mehanički rad. Rotor turbine je spojen sa radnim strojem, kojem predaje stvoreni mehanički rad.

Parne turbine  

 

2

S obzirom na smjer strujanja pare, turbine su radijalne ili aksijalne. Vrlo velika većina turbina je aksijalna. Radijalne se grade samo iznimno, jer se ne mogu graditi za velike snage i jer se ne može provesti zagrijavanje kondenzata. Turbine se danas grade do snage od 1000 MW, za paru tlaka 300 bara i temperature do 600 °C. Glavni dijelovi parnih turbina su: – – –

Rotor Stator Kućišta, ležajevi, brtve te sustav uljnog podmazivanja

Akcijske i reakcijske turbine

Parna turbina s tri stupnja

Presjek reakcijske parne turbine

Parne turbine 







4

Ispušna para turbine ima zbog ekspanzije znatno veći obujam od svježe pare, zbog toga su presjeci za prolaz pare prema izlaznom kraju turbine sve veći - duže lopatice, veliki presjek ispušnog otvora. Ispušna se para može voditi u kondenzator s tlakom nižim od atmosferskoga ili s većim tlakom u neki sustav za međupregrijanje. Turbinski pogon ne stvara udare na temelj ili jake prisilne vibracije, te ako se agregat postavlja na razini tla, npr. u slučaju malih i pomoćnih agregata, posebno složen temelj nije ni potreban. Ako se agregat postavlja na kat strojarnice, kao što je to u većini slučajeva, a takva je izvedba nužna radi smještanja pomoćnih i kondenzacijskih uređaja, izvođenje temelja postaje složenije. Pri tome treba kod najvećih agregata nekoliko stotina tona opreme smjestiti na visinu od cca 10 m na samo nekoliko pari stupova temelja, koji mora zadovoljiti sve uvjete što se postavljaju pri radu stroja - statička i dinamička opterećenja i drugo.

Parne turbine 





5

Turbine mogu imati jedno ili više kućišta. Ti se dijelovi mogu povezivati jedan iza drugoga u seriju, te grupa ima samo jedan generator, što je najčešći slučaj. Zbog poteškoća oko izgradnje velikih generatora, najveće jedinice katkad se grade s dva generatora, a i agregat se dijeli na dvije paralelne osovine. Jedinice snage veće od 100 MW obvezatno se izvode s međupregrijavanjem pare, tj. para se nakon prolaza kroz visokotlačni dio turbine vraća u generator pare koji ima posebno ugrađen pregrijač za tu paru, nakon čega ulazi u srednjotlačni dio i konačno kroz niskotlačni dio turbine odlazi u kondenzator. Primjena velikih brzina kod parnih turbina nije spojena s poteškoćama oko svladavanja inercijskih sila masa u oscilatornom kretanju, pa se dimenzije agregata povećavaju mnogo sporije od porasta jedinične snage. Zbog toga parne turbine zauzimaju dominantan položaj među pogonskim toplinskim strojevima velikih snaga.

Parne turbine 





6

Ispravno održavana parna turbina vrlo je izdržljiv stroj, načelno građen za cjelodnevni pogon od deset mjeseci bez prekida. Svake je godine potreban manji remont ležajeva, uljnog sustava i kondenzacije, dok se kućište turbine otvara jednom u tri ili više godina. Često zaustavljanje i ponovno pokretanje najnepovoljnije utječu na trajnost turbine. Većina mehaničkih oštećenja i raznih kvarova nastaje upravo za vrijeme zaustavljanja i pokretanja. Rad s malim opterećenjem i, još više, dulji zastoji uz nedovoljnu konzervaciju također su vrlo opasni. U usporedbi s drugim vrstama pogonskih strojeva parna turbina je razmjerno skupa. Skupoća turbine rezultat je načina izvedbe složeni čelični odljevci i otkovci, aerodinamički profilirane lopatice i ostalo što je potrebno s obzirom na traženu izdržljivost i ekonomičnost u radu.

Raspored opreme kondenzacijskog agregata

Kondenzacijska turbina s ekstrakcijom pare

Turbinski stop i regulacijski ventil

Regulacija turbine

Elektrohidraulički sustav regulacije

Profil tlaka u turbini za različita opterećenja

Ovisnost tlaka turbinskog stupnja o opterećenju

Turbina i generator

Rotor parne turbine 







1

Izvedba osovine rotora zavisi o tipu turbine. Reakcijske turbine imaju rotor u obliku masivnog bubnja, koji je često sastavljen zavarivanjem od više šupljih sekcija. Akcijska turbina naprotiv, ima rotor sastavljen od osovine i diskova, koji mogu biti istokareni u jednom komadu s osovinom, ili navučeni odnosno navareni na osovinu. Rotor se izrađuje kovanjem od legiranog čelika velike čvrstoće i otpornosti na visoke temperature. Koriste se slitine čelika s kromom, molibdenom, vanadijem i dr. Lopatice rotora izvrgnute su velikim naprezanjima zbog djelovanja pare i vibracija, erozije i korozije, te visokih temperatura. Izrađuju se od oplemenjenog nehrđajučeg čelika. Kritična brzina vrtnje jedno je od najvažnijih obilježja svakog rotora. Kao i svaki drugi elastični sustav, rotor ima neku vlastitu frekvenciju, kojom titra nakon početnog impulsa. Ta frekvencija je to veća što je masa rotora manja, a njegova krutost veća, i obrnuto.






2

Kritična brzina vrtnje zove se ona brzina vrtnje pri kojoj je brzina vrtnje rotora jednaka broju vlastitih titraja rotora u istoj jedinici vremena. Kritična brzina mora pri konstrukciji rotora biti izabrana tako da je dovoljno daleko od brzine vrtnje u normalnom radu turbine, ispod ili iznad nje, jer u slučaju da se te dvije brzine podudaraju, dolazi zbog rezonancije (jakih vibracija), koje mogu izazvati teža oštećenja. Ako je rotor sastavljen od više dijelova povezanih krutim spojkama (npr. visokotlačni rotor, niskotlačni rotor, rotor generatora) to pravilo vrijedi za zajedničku kritičnu brzinu toga sustava. Ako je rotor "krut", njegova kritična brzina vrtnje znatno je veća od normalne pogonske, te do pojave rezonancije ne dolazi. Takve rotore obično imaju reakcijske turbine. Razmjerno vitki rotori akcijskih turbina redovito su "elastični", njihova kritična brzina je manja od radne. U normalnom radu to ne stvara poteškoće, ali pri pokretanju i zaustavljanju treba nastojati da se kroz područje kritične brzine prođe bez zadržavanja.








3

Neuravnotežene mase u rotoru izvor su prisilnih vibracija, koje mogu biti vrlo neugodne. Zbog toga se novi rotor prije puštanja u pogon precizno statički i dinamički uravnotežuje. Balansiranje je potrebno i poslije, u eksploataciji, kada se izvode veći remontni zahvati. Nepravilno zagrijavanje i hlađenje te nagle promjene opterećenja i temperature pare najveća su opasnost za rotor i cijelu turbinu. Takve nepravilnosti pogona mogu izazvati razne havarije, poput pucanja pojedinih dijelova, deformacija, struganja rotora po statoru itd., što sve može imati katastrofalne posljedice. Da bi se postiglo što ispravnije zagrijavanje rotora pri pokretanju, u svih većih turbina ugrađuju se uređaji kojima se za vrijeme zagrijavanja turbine polagano okreće rotor, da bi se izbjegle njegove deformacije. Uređaj (motor za prekretanje turbine) se pušta u pogon i za vrijeme ohlađivanja turbine. Spojke su elementi za međusobno povezivanje dijelova rotirajućega sustava turboagregata.

Deformacija osovine rotora

Turbo-agregat velike snage

Stator parne turbine 



1

Stator reakcijskih turbina čine redovi statorskih lopatica, koje su učvršćene izravno u elemente kućišta turbine. One su učvršćene pomoću profilirane “noge”, slično kao i rotorske, ali kako tu nema naprezanja izazvanih centrifugalnim silama, to je učvršćenje jednostavnije. Stator akcijskih turbina izveden je tako da je red statorskih lopatica koje pripadaju jednom stupnju ugrađen u takozvanu dijafragmu. Dijafragma je prstenasta dvodijelna pregradna stijena, umetnuta između dvaju diskova rotora, kroz čiju sredinu prolazi osovina turbine. Vanjski obod dijafragme učvršćen je u kućištu turbine, i to tako da je donja polovina dijafragme učvršćena za donji, a gornja za gornji dio kućišta.

Stator parne turbine 



2

Ulazno sapnište statorski je aparat prvog stupnja turbine. Ako turbina ima više kućišta, takav sklop obično se ugrađuje za prvi stupanj svakog od kućišta. U turbina s reguliranim oduzimanjem pare, ulazno sapnište ugrađuje se iza svakog od razvoda pare, kao statorski dio prvog od stupnjeva sljedećega dijela turbine. Ulazno sapnište čine statorske lopatice na odgovarajući način učvršćene u masivne čelične elemente. Oblik sapništa i raspored statorskih lopatica zavise o konstrukciji razvoda pare, načinu reguliranja protjecanja pare kroz turbinu, parametrima stanja pare i drugim uvjetima rada.

Brtvenice i sustav brtvene pare 







1

Vanjske brtvenice turbina ugrađene su na krajevima kućišta, tamo gdje rotor izlazi iz kućišta i prelazi u ležajna postolja. One sprečavaju prodiranje pare iz kućišta turbine u atmosferu - ako para u tom dijelu kućišta ima tlak viši od atmosferskog, ili zraka u kućište, ako je tlak pare niži od tlaka zraka. Zbog velike obodne brzine rotora i visokih temperatura pri radu turbine uvedene su posebne vrste brtvenica, koje ne dodiruju rotor. To su takozvane labirintne brtvenice. Struja pare prigušuje se nizom uskih raspora i širokih komora. Broj šiljaka brtvenice, koji čine uske procjepe, može kod velikog odnosa tlakova ispred i iza brtvenice dosegnuti i nekoliko desetaka. Određeno protjecanje pare kroz takvu brtvenicu ne može se izbjeći.

Brtvenice i sustav brtvene pare 

2

Specifičnost brtvenoga sustava kondenzacijskih turbina je u niskotlačnim brtvenicama, koje brtve ulaz zraka u kućište niskoga tlaka, jer u njemu vlada tlak, niži od atmosferskog. svježa para redukcijska stanica u atmos feru C B

u atmos feru A

B

u atmos feru

C

C

B

ispuštanje kondenz ata

B

C

NT

VT

ispuštanje k ondenzata

ispuštanje kondenz ata

rasterećenje

prestrujni v od 1.1 bar

dovodjenj e zaporne pare

P

X

P

Y

kondenz ator

odvodnjav anj e voda zaporne pare

odvodnjav anj e prestrujnog v oda

Slika 61. Shema sustava brtvene pare k od dvokuciš ne k ondenzacijske turbine

Sustav brtvljenja za različita opterećenja

Labirint brtva na izlazu NT dijela

Sustav brtvljenja pare

Kućišta parnih turbina 







Visokotlačna kućišta parnih turbina izvode se lijevanjem od čeličnog lijeva. Kada para ima niže parametre koristi se ugljični ili nisko legirani čelik, dok se za kućišta za turbine sa najvišim parametrima pare lijevaju od čeličnih slitina s kromom, molibdenom i vanadijem. Niskotlačna kućišta se u slučaju malih dimenzija mogu lijevati od sivog lijeva, a u većim dimenzijama isključivo se proizvode varenjem od čeličnih limova. Većina kućišta se dijeli u horizontalnoj ravnini na gornje i donje dijelove, čime je olakšana montaža statora i rotora. Na kućište se priključuju cjevovodi za dovod, razvod i odvod pare. Debeli sloj mase za toplinsku izolaciju, kojim su obložena sva kućišta u kojima je para visoke temperature, ima višestruku zadaću - zaštita okoline turbine od pretjeranoga zagrijavanja, smanjivanje gubitka topline i ujednačavanje temperatura stijena kućišta radi smanjivanja toplinskih naprezanja.

Ležajevi  





1

S vrlo rijetkim iznimkama ležajevi parnih turbina se izvode kao klizni, s podmazivanjem uz pomoć cirkulacijskog uljnog sustava. Razlikuju se potporni i odrivni ležajevi. Potporni ležajevi nose osovinu, koja se u njima okreće, dok je odrivni ležaj učvršćuje u aksijalnom smjeru. Broj potpornih ležajeva zavisi o broju rotora turboagregata, ali to ne znači da svaki dio rotora mora imati svoja dva ležaja. Ako se dva dijela rotora (npr. rotori visokotlačnog i niskotlačnog dijela turbine), vežu krutom spojkom, ležaj može biti zajednički, samo s jedne strane spojke. Drugi dio rotora, koji nema s te strane svoj ležaj, visi na spojci. Time se skraćuje konstrukcija i broj potpornih ležajeva. Ako su dijelovi rotirajućega sustava povezani zupčastim ili drugim elastičnim spojkama, onda je takva izvedba nemoguća, te svaki dio mora imati svoja dva potporna ležaja.

Ležajevi 



2

U pogledu broja odrivnih ležajeva vrijedi pravilo da svaki dio rotora koji u aksijalnom smjeru čini krutu cjelinu ima jedan odrivni ležaj. Tako npr. rotori velikih turboagregata, koji se sastoje od nekoliko turbinskih i generatorskog rotora, koji su vezani krutim spojkama, smiju imati samo jedan odrivni ležaj, da bi se omogućile dilatacije rotora pri promjenama radne temperature. Taj jedini odrivni ležaj smješten je u jednom od ležajnih postolja turbine. U slučaju kada su dijelovi međusobno vezani zupčastim spojkama, ili postoji više paralelnih osovina, kao što je to kod pogona preko reduktora, svaki od aksijalno nezavisnih dijelova mora imati svoje aksijalno vođenje. Podmazivanje ležajeva izvedeno je tako da se uz odgovarajuće konstrukcijsko izvođenje dobiva samo tekuće trenje u ležajevima. Između dijelova osovine i ležaja imamo u normalnom pogonu je uljni film.

Ležajevi 



 

3

Ležajevi se najviše troše pri pokretanju i zaustavljanju agregata, kada se zbog male brzine rotacije ne može ostvariti uljni film u ležaju. Zbog toga se kod velikih agregata izvodi poseban sustav za rasterećenje ležajeva, koji utiskuje ulje pod visokim tlakom izravno u ležaj, pod rukavac osovine, i tako onemogućuje kontakt između metala. Taj sustav djeluje samo pri pokretanju i zaustavljanju turbine. Radne površine potpornih i odrivnih ležajeva izvedene su od bijele kovine. Sloj bijele kovine vrlo je tanak. On mora biti u svakom slučaju tanji od najmanje zračnosti u protočnom dijelu turbine, tako da se u slučaju havarije, kada ležaj “iscuri”, šteta lokalizira na sam ležaj i eventualno na brtvenice, a lopatice rotora i statora ostaju pošteđene.

Ležajevi

4

Kondenzator  

  

1

Para koja je ekspandirala u kondenzatorskoj parnoj turbini dovodi se u kondenzator u kojemu se ona kondenzira uz što je moguće niži tlak. Kondenzacija se izvodi u izmjenjivaču topline, kojemu se s jedne strane dovodi para, a s druge rashladna voda, koja od pare preuzima toliko topline koliko je dovoljno da se ona potpuno kondenzira. Para i kondenzat odijeljeni su od rashladne vode.To je površinski kondenzator. Moguće je i izvesti kondenzator miješanjem u kojemu se para miješa s rashladnom vodom. U površinski kondenzator para ulazi kroz otvor što je moguće bliže posljednjem stupnju turbine. Na svom putu nailazi na cijevi što ispunjaju unutrašnjost kondenzatora, a kroz koje protječe rashladna voda. U dodiru s cijevima para predaje toplinu, kondenzira se i prikuplja kao kondenzat na dnu kondenzatora.

Kondenzator 



 

2

Zbog nemogućnosti potpunog brtvljenja, u kondenzator uvijek prodire nešto zraka što u njemu pogoršava prilike (rast tlaka) jer se zrak ne da kondenzirati pri temperaturama koje vladaju u kondenzatoru. Taj se zrak odvodi iz kondenzatora posebnim pumpama koje rade na principu ejektora. Rashladna voda odvodi iz pare samo toliko topline koliko je potrebno da se para kondenzira. Prema tome para i kondenzat jednake su temperature, a to je temperatura isparivanja. Dalje ohlađivanje kondenzata ispod temperature isparivanja treba spriječiti jer će to uzrokovati nepotreban gubitak energije zbog toga što se kondenzat vodi natrag u generator pare i tu se mora ponovo grijati.

Kondenzator

3

 U kondenzatoru se kondenzira od 60 do 75% pare proizvedene u generatoru pare što u prvom redu ovisi o izvedbi zagrijavanja kondenzata i o upotrebi djelomično ekspandirane pare za pomoćne pogone.  Termički je stupanj djelovanja procesa to bolji što je manja količina unutrašnje energije koju para donosi u kondenzator.  To se postiže uz porast tlaka i temperature svježe pare, provedbom međupregrijanje pare, povećanjem broja stupnjeva zagrijavanja kondenzata, poboljšanjem stupnja djelovanja turbine.  Kondenzatoru nije jedini zadatak da osigura kondenzaciju ekspandirane pare. Osim toga preuzima paru koja se obilaznim vodovima dovodi za vrijeme stavljanja u pogon i obustavljanja te kad se naglo smanji opterećenje i djeluje sigurnosno ventil da se spriječi gubitak kondenzata.  Kondenzator se treba dimenzionirati tako da bude sposoban preuzeti onu količinu pare koja u najnepovoljnijem slučaju donosi u kondenzator približno dvostruko više energije nego za vrijeme maksimalnog opterećenja u normalnom pogonu.

Kondenzator  



4

Para koja je ekspandirala u turbini ulazi u kondenzator, gdje se kondenzira i ponovo vraća u rezervoar pojne vode. U kondenzacijskim turbinama sva para dolazi u kondenzator, dok u turbinama s oduzimanjem dio pare se oduzima iz turbine prije nego što je ekspandirala do tlaka kondenzatora, a preostali dio pare dolazi u kondenzator. Protutlačne turbine nemaju kondenzatora, jer se sva para pod tlakom većim od tlaka kondenzatora odvodi u parnu mrežu, koja preuzima ulogu kondenzatora. U parnoj elektrani ista se voda isparava u kotlu, nakon ekspanzije u turbini kondenzira se u kondenzatoru i vraća u kotao gdje se ponovo ispari. Voda dakle prolazi kroz zatvoreni proces.

Kondenzator

Energetski uvjeti u kondenzatoru

Stupanj iskoristivosti – poboljšanje

       

Tlak pare na ulazu turbine Sadržaj vlage ili stupanj pregrijanja pare na ulazu Efikasnost rada grijača napojne vode (redukcija TTD) Efikasnost uklanjanja vlage i dodatnog pregrijanja Tlak u kondenzatoru Bajpas protoci u turbini Netočnosti u kalorimetričkim mjerenjima Netočnosti u mjerenju izlazne električne snage

Unaprjeđenje stupnja iskoristivosti – – –

(a) Sniženje tlaka u kondenzatoru (niža temperatura rashladne vode TL) (b) Pregrijanje pare ( c) Porast tlaka u kotlu (porast temperature pare TH)

T

3

T

( c) Porast tlaka kotla

3

(b) Pregrijanje 2 1

2

T 4

1

4

s s

2 (a) Niži tlak kondezatora

Visok sadržaj vlage

1 s

Stupanj iskoristivosti

Stupanj iskoristivosti

Uljni sustav parnih turbina 







1

Uljni sustav parne turbine čini skup različitih međusobno povezanih uređaja, pomoću kojih se turboagregat opskrbljuje uljem za podmazivanje i uljem potrebnim za djelovanje hidrauličkih uređaja sustava za regulaciju i zaštitu. Kroz elemente uljnog sustava ulje cirkulira u zatvorenom krugu. U takvu sustavu kruži masa od nekoliko desetaka tona ulja, a kapaciteti pumpi za ulje od više tisuća litara u minuti nisu rijetkost. I u malih jedinica uljni sustavi mogu biti prilično složeni. Svi ležajevi rotora turbine, reduktora, generatora (ili drugog radnog stroja) i pomoćnih prigona, te mnogi elementi izvrgnuti djelovanju trenja, podmazuju se uljem koje dotječe iz uređaja uljnog sustava. Podmazivanjem se smanjuje trenje i istrošenje dijelova u radu. Smanjivanjem trenja povećava se mehanička korisnost stroja.

Uljni sustav parnih turbina    

 

2

Ulje iz uljnog sustava ima određenu ulogu i pri zaštiti dijelova turbine od korozije. U normalnom pogonu turboagregata ulje dobavlja glavna uljna pumpa, koju pokreće osovina turbine. Ona se u manjih turbina izvodi kao zupčasta ili vijčana, a u većih kao centrifugalna pumpa. Glavna uljna pumpa dobavlja ulje s visokim tlakom u razdjelni ventil za ulje, gdje se struja ulja dijeli na ulje za podmazivanje i ulje za hidrauliku. Razdjelni ventil propušta ulje za hidraulične uređaje s gotovo nepromijenjenim tlakom. Kako se zbog trenja i prenošenja topline ulje u gotovo svim uređajima turbine zagrijava, u uljni se sustav ugrađuju hladnjaci ulja. U njima se ulje hladi rashladnom vodom.

Sustav uljnog podmazivanja

Ulje  



  



Parne turbine podmazuju se mineralnim uljem, koje može biti nelegirano i legirano. Nelegirana turbinska ulja fino su rafinirani destilati nafte, bez anorganskih primjesa, dok legirana ulja sadrže u malim količinama različite dodatke (aditivi) kojima se povećava otpornost ulja na starenje, stvaranje emulzije itd. Za podmazivanje parnih turbina, turbokompresora i sličnih strojeva rabi se mineralno ulje viskoziteta od 34 do 41 cSt pri 50 °C. Bitno je naglasiti, da s porastom viskoziteta ulja rastu otpori trenja u ležajevima, te se ulje i ležajevi jače zagrijavaju. Najbolje odgovara ono ulje s kojim se uz najmanje unutarnje trenje još dobiva dovoljna mazivost za stvaranje uljnog filma. Broj osapunjenja Sb jedno je od najvažnijih svojstava turbinskog ulja, jer se njime dobiva mjerilo za sadržaj kiselina u ulju. Kritične temperature za turbinska mineralna ulja između su 100 i 130 °C. U interesu očuvanja ulja pri radu turbine valja paziti da ni na jednom mjestu uljnoga sustava temperatura ulja nije viša od 80 °C. U spremniku treba održavati temperaturu ulja od 55 do 65 °C.

Ostala oprema parne termoelektrane    

 

Dvije crpke su postavljene u glavni toplinski krug: Kondenzacijska crpka – služi za pumpanje kondenzirane pare iz kondenzatora u rezervoar pojne vode Pojna pumpa – koja pumpa vodu iz rezervoara u generator pare. Za razvod pare na više turbina, koriste se parovodi s parnim sabirnicama i pripadajućim ventilima, koji su pogonjeni motorima i imaju mogućnost regulacije. Vlastita potrošnja termoelektrane napaja se iz rasklopnog postrojenja u samoj elektrani. Sve operacije u električnim i toplinskim krugovima upravljaju se centralno iz komandnih prostorija.

Rashladni tornjevi

Izvedbe rashladnih tornjeva Cooling towers: Different types of cooling towers are used in the power plants depending upon the location, size, infrastructure and water resources etc. Close cycle – wet cooling systems: -Induced draft -Forced draft -Natural draft cooling towers

Izvedbe rashladnih tornjeva

Blok transformatori

Komandna prostorija

Pojednostavljeni prikaz parnog bloka Pregrijana para

Generator pare

Mreža

Parna turbina

Sinkroni AC generator

Gorivo i Pretpostavka: zrak Upravljanje parnim kotlom (generatorom

pare) predviđa odgovarajuće sagorijevanje u struji zraka, dostavu pojne vode i kontrolu temperaturu pare (i mnoge druge važne radne varijable) unutar predviđenih granica.

Jednadžbe pogona u stacionarnom stanju p (pritisak pare)

D (protok pare) y (otvorenost

turbinskih ventila) Dgen

Pel (električna snaga)

Dturb Parna turbina

Generator

Pm

Generator pare

B (dotok goriva)

Omjeri kod tereta:

P Pnaziv.

(mehanička snaga) Uvjeti ravnoteže

Pel ≈ Pm = P Pm ≈ c1∙Dturb Dturb ≈ c2 ∙p ∙y Dgen ≈ c3∙B Dturb = Dgen= D

D B ≈ ≈ = teret (u postocima : ×100%) Dnaziv. Bnaziv.

Dva ekstremna pogonska režima

1

1. Konstantan tlak pare p = pnaziv. = konst.

y ≈ teret

dakle: D ≈ c2 ∙p ∙y

D (protok pare)

p (pritisak pare) Pel (električna

y (otvorenost turbinskih ventila)

snaga) Parna turbina

Generator

Pm

Generator pare

B (dotok goriva)

(mehanička snaga)

Dva ekstremna pogonska režima

2

2. Prirodni klizni režim tlaka

y = 1 (potpuno otvoreno)

p ≈ teret×pnaziv.

dakle: D ≈ c2 ∙p ∙y

D (protok pare)

p (pritisak pare) Pel (električna

y

snaga)

(otvorenost turbinskih ventila)

Parna turbina

Generator

Pm

Generator pare

B (dotok goriva)

(mehanička snaga)

Dva ekstremna načina promjene proizvodnje 1. Turbina vodi (parni kotao slijedi)

D p

Pel

Promjena opterećenja

y

Generator pare

Parna turbina

Generator

Pm p

B

p

Kontroler pritiska

Dva ekstremna načina promjene proizvodnje 2. Parni kotao vodi (turbina slijedi) Režim konst. pritiska

D p

p

1 prirodni klizni režim tlaka

Generator pare

Promjena opterećenja

B

y Parna turbina

Pel Generator

Pm

p

Kontroler pritiska

Ovisnost pogona o načinu promjene proizvodnje 



Za slučaj upravljanje u režimu konstantnog tlaka, obje strategije (turbina vodi i generator pare vodi) su izvedive ; prirodni klizni režim tlaka traži potpuno otvorene turbinske ventile pa pogon tipa turbina vodi nije izvediv.

Napomena:

U stalnom pogonu na punom opterećenju, nema razlike između operacijskih režima i primjene strategije mijenjanja opterećenja.

Pogon pri promjenjivom opterećenju Mijenjanje opterećenja u oba smjera je neizbježno praćeno sa akumulacijom ili otpuštanjem mase(tvari) i energije, uskladištene unutar komponenti bloka.

Akumulacijski procesi određuju konačan ostvariv postotak porasta opterećenja. Oslobađanje mase (tvari) i energije uskladištene unutar komponenti bloka omogućava manje i brze porast izlazne električne snage.

Povećanje proizvodnje promjenom dovoda goriva (parni kotao vodi)

p Dgen

y

Pel

Dturb

Parna turbina

Generator pare B

Generator Pm

Kad je B poraslo : Veće toplinsko zagrijavanje → porast temperature čestica plina → veće toplinsko zagrijavanje vode u cijevima→ porast temerature cijevi → veće zagrijavanje vode → veći Dgen → porast mase pare u isparivanju-ispunjen međuprostor → viša gustoća pare → veći p → veći Dturb → veća Pm→ veća Pel. Porast snage je zakasnio s obzirom na porast dotoka goriva, akumulacija toplinske energije u elementima postrojenja.

Povećanje proizvodnje promjenom dovoda goriva

Rezultati simulacije

Porast snage izazvan otvaranjem turbinskog ventila p Dgen

y

Pel

Dturb

Parna turbina

Generator pare B

Generator Pm

Kada y poraste: veći Dturb i veća Pel ali Dturb veći od Dgen→ smanjenje mase pare u isparivanju –ispunjen međuprostor → niža gustoća pare → niži p (dok nije Dturb jednako Dgen) → niža zasićenost temperature vode → hlađenje isparivačkih cijevi → smanjenje temperature metala i radnog medija. Privremeni rast snage na račun korištenja energije prethodno uskladištene unutar komponenti

Porast snage ostvaren otvaranjem turbinskog ventila (rezultati simulacije):

Neka opažanja : 1. Za primarnu regulaciju frekvencije regulacije neophodan je porast snage unutar sekundi. To se može ostvariti samo oslobađanjem uskladištene energije iz komponenti bloka nakon otvaranja turbinskog ventila. Prema tome upravljanje blokovima u prirodnom kliznom režimu tlaka ne podržava rad u režimu primarne regulacije frekvencije.

2. Režim kliznog tlaka ima neke prednosti u odnosu na konstantan tlak ali uzrokuje naprezanje u komponentama sa povišenim tlakom i povećanu potrošnju energije za pojne pumpe.

Uobičajeno se koristi modificirani režim kliznog tlaka i koordinirani način regulacije

Modificirani režim kliznog (promjenjivog) tlaka

p = f (teret)

p Pnaziv.

y ≈ f (teret)

pmin Proporcionalna rezerva

:

• omogućavanje kratkotrajnog porasta snage oslobađanjem uskladištene mase i energije,

y

Proporcionalna rezerva

teret

1

1

ali • Utjecaji na stupanj djelovanja blokova (deset postotna proporcionalna rezerva povećava specifičnu potrošnju goriva za 1 posto)

yidle teret

1

Koordinirani način upravljanja

p

Promjena opterećenj a

Kordinacija

y Generator pare

B

Pel Parna turbina

Generator

Pm

Porast snage u koordiniranom načinu upravljanja Nepoželjno opterećivanje

(ΔP/Pnazivna)potrebna 0.1

(ΔP/Pnazivna)postignuta

0.05 0 0

100

200

500

600

400

500

600

400

500

600

500

600

400

300

0.1

(Δp/pnazivna)

0

Unatoč forsiranju dotoka goriva

-0.1 0

100

200

300

0.15

Δy

0.1 0.05 0 0

100

200

300

0.2

0.1

Rezultati simulacije

(ΔB/Bnazivna)

0 0

100

200

300

400 time s

Dodatne mogućnosti promjene snage bloka.

Dodatne mogućnosti promjene snage bloka.

Ograničenja obzirom na izvedbu turbine i režim pogona bloka

Ograničenja određena veličinom promjene opterećenja Da se podsjetimo na tvrdnju: »Akumulacijski proces određuje ukupni ostvarivu veličinu promjene opterećenja. Šta je sa drugim ograničenjima koja konačno određuju dozvoljeni iznos (veličinu) promjene opterećenja? Promjene opterećenja su neizbježno praćene oscilacijama temperature i tlaka unutar komponenti postrojenja. Temperaturne oscilacije uzrokuju termička naprezanja materijala, koja se dodaju naprezanjima izazvanim radnim silama (Sile tlaka, centrifugalne sile u rotirajućim dijelovima itd.) Konačno: Velike, nagle i učestale oscilacije temperature i tlaka. Rezultiraju zamorom i oštećenjem materijala i na taj način smanjuju životni vijek postrojenja

Što je to termičko naprezanje?

ϑ1 , ϑ2 , ϑ3

ϑ1 = ϑ2 = ϑ3

ϑ1 < ϑ2 < ϑ3

ϑ1 ϑ2 ϑ3

ϑ1 ϑ2 ϑ3

Različita izduženja materijala uzrokuju unutrašnja naprezanja (tlačna ili vlačna ovisno o relativnom položaju)

ϑ1 < ϑ2 < ϑ3

c p ⋅ ρ ∂T 2 σT = k ⋅ β ⋅ ⋅ ⋅s λ ∂t

ϑ1 ϑ2 ϑ3

Uobičajn a duljina

Zamislite: tri odvojene ploče na temperaturama

Režimi promjenjivog i konstantnog tlaka uz uvažavanje promjene nazivnog opterećenja U režimu promjenjivog (kliznog) tlaka, kotao je kritičan : Turbina:

Promjena opterećenje uzrokuje blage oscilacije temperature pare duž stupnjeva turbine.

Kotao:

Promjene opterećenja su praćene sa značajnim tlakom pare i oscilacijama temperature usljed međusobne povezanosti tlaka i temperature u isparivačkoj zoni.

U režimu konstantnog tlaka turbina je kritična : Turbina:

Promjene opterećenja uzrokuju oscilacije temperature pare duž stupnjeva turbine (<2.5% Pn/min).

Kotao:

Promjene opterećenja su praćene blagim oscilacijama (promjenama) temperature.

Plinske turbine

Brayton/Joule Cycle FUEL

COMBUSTION CHAMBER WORK

COMPRESSOR

TURBINE

EXHAUST AIR

Brayton/Joule cycle

T

3

2 4

1 s

Ts diagram of the Joule cycle (Gas turbine cycle)

H1 + Q12 = H 2 + P12 Compressor

Generator pare:

Combustion chamber

Q12 = 0

Net Power

→ Q23 = H 3 − H 2

H 3 + Q34 = H 4 + P34

P = ( H 3 − H 2 ) − ( H 4 − H1 ) Q34 = 0 η th =

Heat efficiency

P12 = H 2 − H1

H 2 + Q23 = H 3 + P23 P23 = 0

Gas turbine

→

→

P34 = H 3 − H 4

( H 3 − H 2 ) − ( H 4 − H1 ) P = Q23 H3 − H2

m ⋅ (h3 − h2 ) − m ⋅ (h4 − h1 ) h4 − h1 η th = = 1− m ⋅ (h3 − h2 ) h3 − h2

0.4

η th = 1 −

 T2     T1 

κ κ −1

c p ⋅ (T4 − T1 ) c p ⋅ (T3 − T2 )

T  =  3   T4 

η th = 1 − π

κ κ −1

1−κ

κ

= 1−

T4 − T1 T3 − T2

0.3 ηth 0.2

0.1

=

p2 =π p1

0 0

2

4

6

8

Compression ratio, p2/p1

10

12

Gas Turbine Engine

650C is the main reason for low eff.

Gas turbine plant

FOUR MAJOR COMPONENTS OF A GAS TURBINE ENGINE    

Compressor Combustor Turbine Accessory Drive Assembly

Basic Components

COMPRESSOR 



Function: Provides required air mass at the appropriate pressure to burn the required amount of fuel and to control combustion temperature Two types – –

Axial Flow Centrifugal or Radial Flow

Stupanj djelovanja u ovisnosti o specifičnoj brzini

Compressor: 1. radial type 2. axial type

Radial compressor

Axial compressor

Radial Flow (Centrifugal) Compressor

Axial Flow Compressor

Axial flow v. Radial flow

 



Centrifugal compressors are simple, inexpensive, lightweight, and have a high pressure rise per stage Centrifugal compressors experience large inter-stage losses and require a large frontal area; they are typically less efficient than multistage axial compressor Multistage axial compressors can achieve larger compression ratios and are better suited for high-power applications

Uses of Compressed Air



PRIMARY AIR – –



Typically 30% of all compressed air Passed directly to combustor, mixed with fuel, and burned

SECONDARY AIR – – –

Approximately 70% Passes through holes in inner shell and mixes with combustion gases Two purposes  



Places an air film between the inner shell and combustion gases to prevent overheating of the inner shell Cools combustion gases to an acceptable inlet temperature for the turbine

FILM AIR –

A small percentage of compressed air may be used to cool turbine blades

COMBUSTION CHAMBER

  

Function: mixes fuel and air and burns this mixture to produce hot combustion gases Consists of a casing, perforated inner shell, and fuel nozzles Arrangement – – –

Annular Can or Tubular Can-annular

TURBINE

   

Develops shaft rotational energy from the kinetic energy of the hot combustion gases entering through the vanes Usually of axial flow design Drives the compressor and various engine accessories The remaining useful energy can be used as jet thrust or shaft mechanical work

Turbine Construction 

STATOR – –



Stationary guide nozzles (vanes) discharge gas at high velocity onto the moving blades Attached to turbine casing

ROTOR – –

Consists of a shaft and bladed wheel (disc) Attached to the main power-transmitting shaft

Rotor

Film Cooling



 

High rotational speeds and high temperature combustion gases may cause a decrease in rotor and blade strength In addition to secondary air, some turbines employ film cooling Film cooling air can use approximately 5% of the compressed air

Interior and Exterior Cooling-air Circulation

Film Cooling and Impingement Convection Cooling

ACCESSORY DRIVE ASSEMBLY 



Provides the space for mounting and the motive force for driving the accessories required for the operation and control of the gas turbine engine May be used to drive the fuel pump, lube oil pump, etc.

Advantages           

They are small in size, mass, and initial cost per unit output Weight reduction of 70% when compared to a steam plant of comparable power Simplicity Delivery time is relatively short and they can be installed quickly. Reduced manning requirements with more highly automated equipment Quicker response time (quick starting, as low as 10 s) Faster acceleration/deceleration Modular replacement More economical They are subject to fewer environmental restrictions Wide variety of liquid and gaseous fuels

Disadvantages Many parts under high stress  High pitched noise  Needs large quantities of air  Large heat source  Shorter life time  Small to medium units 

Plinska turbina u jednostavnom ciklusu

Zahvati u turbini i kompresoru reheating

intercooling

Rekuperacija

T-s dijagram realistične izvedbe GT

Plinska turbina s dodavanjme pare (STIG)

Kombinirani plinski i parni ciklus

Plinski ciklus s kogeneracijom

Kombinirani ciklus s kogeneracijom

Uobičajeni CHP sustavi plinska turbina i parni kotao/turbina : parni kotao/parna turbina :

Kako CHP štedi energiju

Prednosti stupnja korisnosti CHP-a

Ekološka korisnost od CHP-CO2

Kogeneracijsko postrojenje sa turbinom za oduzimanje pare manja turbina od kondenzatora T 3 kondenzatorski pritisak

2 1

povratni pritisak

4

Qkorisno

s

Kogeneracija TOPLI PLINOVI ZRAK

GORIVO

KOTAO ZA PREGRIJAVANJE PARE

GENERATOR PREMA MREŽI

VRUĆI PLINOVI

SNAGA

High Voltage Power to Grid

PLINSKA TURBINA

PREMA KUPCIMA

POVRAT KONDENZATA

PARA POD VISOKIM TLAKOM

KONDENZIRANA PARA (topla voda)

GENERATOR

PARA POD NISKOM TLAKOM

PARA

PARNA TURBINA (opcija)

KONDENZATOR

NADOKNADA VODE

Kombinirani (usklađeni) parni i plinski turbinski ciklus.

Shema kombiniranog parnoplinskog turbinskog postrojenja

TS dijagram kombiniranog ciklusa

Elektrane_05

Recommend Documents