Sveu čilište Jos ipa Jurja Strossm ayera u Osije ku Elektrotehni čki fakultet
ENERGETSKI PROCESI I ELEK TRANE Interna sk r ipta Priredio : Lajos JÓZSA
Osi jek, 2004
SADRŽAJ 1. KLASIFIKACIJA OBLIKA ENERGIJE ...................................................... 2 1.1 PRIMARNI OBLICI ENERGIJE ............................................................. 2 1.2 TRANSFORMACIJA OBLIKA ENERGIJE............................................. 4 1.3 KORISNI OBLICI ENERGIJE ................................................................ 5 1.4 OBNOVLJIVI I NEOBNOVLJIVI PRIMARNI OBLICI ENERGIJE ......... 6
1
1. KLASIFIKACIJA OBLIK A ENERGIJE 1.1 PRIMARNI OBLICI ENERGIJE Primarni se oblici energije nalaze u prirodi ili se u njoj pojavljuju, a mogu se svrstati u konvencionalne i nekonvencionalne oblike energije. čno i Danas se među konvencionalne oblike energije, dakle one koji se obi najčešće upotrebljavaju, ubrajaju: ogrjevno drvo, treset, ugljen, sirova nafta i prirodni plin, koji se obično nazivaju gorivima, dok se ugljen, sirova nafta i prirodni plin nazivaju još i fosilnim gorivima, zatim vodne snage (potencijalna energija vodotoka), nuklearna goriva (uran i torij) i vru ći izvori. Među nekonvencionalne oblike energije mogu se ubrojiti: uljni škriljavci i bitučeva zraminozni pijesak, energija plime i oseke, energija vjetra, energija Sun čenja, energija valova, toplinska energija mora, energija suhih stijena u Zemljinoj kori i energija fuzije lakih atoma. S obzirom na oblik energije, primarni oblici energije mogu se svrstati u nosioce kemijske energije (drvo, treset, ugljen, sirova nafta, uljni škriljavci, prirodni plin, bituminozni pijesak), nosioce nuklearne energije (uran, torij, laki atomi upotrijebljeni za fuziju), nosioce potencijalne energije (vodne snage, energija čke energije (vjetar), nosioce toplime i oseke, energija valova), nosioce kineti plinske energije (vrući izvori, energija suhih stijena, toplinska energija mora) i nosioce energije zračenja (Sunčevo zračenje). Pregled primarnih oblika energije prikazuje slika 1.1.
Slika 1.1: Primarni oblici energije, energetske transformacije i korisni oblici energije 2
Slika 1.2: Konvencionalni primarni oblici energije, energetske transformacije, postrojenja za transformacije i korisni oblici energije
Slika 1.3: Moguće transformacije oblika energije u električnu energiju
3
1.2 TRANSFORMACIJA OBLIKA ENERGIJE Kemijska energija goriva najčešće se transformira u unutrašnju energiju. Moguća je i neposredna transformacija u električnu energiju (gorive ćelije, slika 1.3), a ponekad se iskorištava i kao kemijska energija (metalurški koks, slika 1.2). Proces transformacije kemijske energije u unutrašnju energiju naziva se izgaranjem. Takva se unutrašnja energija može neposredno upotrijebiti za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode, za tehnološke procese kad su potrebne visoke temperature (keramička, metalurška, cementna industrija i sl.). Tada su nosioci energije plinovi izgaranja. Postrojenja i uređaji za neposredno iskorištavanje unutrašnje energije nazivaju se ložištima. Unutrašnju energiju nosilac predaje okolnom zraku, vodi, sirovinama ili poluproizvodima u tehnološkim procesima. Unutrašnja energija plinova izgaranja može se, dalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj pari, koja tako postaje nosilac energije. Tako zagrijanom vodenom parom griju se prostorije ili ona služi za odvijanje tehnoloških procesa kad su potrebne relativno niske temperature (do nekoliko stotina C), ali i za pogon parnih turbina u kojima se unutrašnja energija pare konačno transformira u mehaničku energiju (preko kinetičke energije). Unutrašnja energija plinova izgaranja može se i neposredno pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutrašnjim izgaranjem. Za loženje u parnim kotlovima većeg učina danas se upotrebljava ugljen u onakvom obliku kakav dolazi iz rudnika (rovni ugljen), jer ga prije upotrebe ionako treba samljeti u ugljenu prašinu. Ugljen kojiće poslužiti u druge svrhe (loženje u kotlovima malog učina, loženje u pojedinačnim ložištima u ku ćanstvima, za koksiranje itd.) treba imati određenu granulaciju, pa se mora sortirati. Preostali sitni ugljen upotrebljava se u kotlovima ve ćeg u čina. Osim toga °
čitim postupcima. Za metaugljen se upotrebljava i za proizvodnju plinova razli luršku industriju od velike je važnosti proizvodnja metalurškog koksa, što je jedna od mogućih transformacija ugljena za koju se može upotrijebiti samo ugljen određenih svojstava. Koksiranjem ugljena proizvodi se i koksni plin koji služi kao gorivo. Sirova se nafta ne upotrebljava u prirodnom obliku, ve ć se podvrgava postupku destilacije i naknadnim sekundarnim postupcima (rafinerije sirove nafte) kako bi se odijelili derivati nafte: rafinerijski plin, ukapljeni plin, laki, srednji i teški kapljeviti derivati. Rafinerijski i ukapljeni plin upotrebljavaju se kao goriva u ložištima, laki derivati za pogon benzinskih motora, srednji derivati za pogon ćanstvima, a teški derivati u dizelskih motora i kao ekstralako loživo ulje u ku ložištima i parnim kotlovima. Osim toga u rafinerijama se proizvodi niz drugih energetskih i neenergetskih proizvoda. Iz prirodnog plina najčešće se u degazolinažama odvajaju lakši ugljikovodici, ako ih sadrži prirodni plin, a preostali se "suhi" prirodni plin upotrebljava kao gorivo i kao sirovina u industriji. Nuklearna energija, prema današnjem tehničkom razvoju, transformira se u čku i električnu energiunutrašnju energiju nositelja energije, a zatim u mehani ju pomoću parnih turbina i električnih generatora (slika 1.3). Pritom nuklearni ć reaktori preuzimaju funkciju parnih kotlova. U budu nosti valja očekivati i takve reaktore u kojima će se zagrijavati plinovi umjesto vodene pare, paće se u čku. Uran kao nukplinskoj turbini transformirati unutrašnja energija u mehani
4
learno gorivo može biti u svojem prirodnom obliku (prirodna smjesa U-235 i U238) ili kao obogaćeni uran (povećani udio U-235). Ako se uspješno riješi kontrolirana nuklearna fuzija, vjerojatno će se upotrijebiti iste energetske transformacije kao za energetsko iskorištavanje nuklearne fisije. Da bi se iskoristila potencijalna energija vodotoka, plime i oseke te energije valova, potrebna je pretvorba u mehaničku a zatim u elektri čnu energiju. To ćih izvrijedi i za kinetičku energiju vjetra i toplinsku energiju mora. Toplina vru vora i toplina suhih stijena može se iskoristiti neposredno, ali samo na ograničenoj udaljenosti od bušotina, ili pretvorbom u mehani čku a zatim u elektri čnu energiju. č
č
Energija Sun zra evačenja zra enja može se transformirati u unutrašnju energiju bez koncentracije (grijanje vode) ili s koncentracijom zračenja da bi se postigla viša temperatura (proizvodnja vodene pare, specijalni metalurški posčnu energiju pomoću sotupci) ili se može transformirati neposredno u elektri larnih poluvodičkih elemenata. Na slici 1.1 prikazani su svi primarni energetski izvori s oblicima energije, transformacijama i korisnim oblicima energije. Slika 1.2 prikazuje konvencionalne primarne oblike energije s transformacijama i postrojenjima za transformacije, a slika 1.3 moguće transformacije u električnu energiju. Kao što se vidi, velik je broj mogu ćih energetskih pretvorbi. Njihova upotreba ča, o tehničkim moovisi o primarnim oblicima energije, o zahtjevima potroša gućnostima i o ekonomičnosti pojedinih postupaka.
1.3 KORISNI OBLICI ENERGIJE ćih oblika: toplinPotrošačima je potrebna korisna energija u jednom od sljede
ska, mehanička, rasvjetna ili kemijska energija , odnosno dva ili više korisnih oblika energije istodobno. Toplinska energija može se potrošačima dovesti vrelom vodom ili vodenom češće potrebni izmjeparom kao nosiocima unutrašnje energije. Tada su naj njivači topline (radijatori i sl.), ali se ponekad primjenjuje postupak miješanja vodene pare ili vrele vode s kapljevinom koju treba ugrijati (npr. u kupkama za čena temperaturom bojenje u tekstilnoj industriji). Temperatura je tada ograni nositelja unutrašnje energije (najviše do nekoliko stotina C). Izgaranjem drveta i fosilnih goriva u ložištima (pojedina čna ložišta, kotlovi za centralna grijanja, parni kotlovi, tehnološke peći i sl.) mogu se potrošači također opskrbiti toplinskom energijom, ali tada i znatno viših temperatura. Osim toga se električna energija u otpornim i indukcijskim pećima pretvara u toplinsku energiju. Za opskrbu potrošača (koji su s obzirom na smještaj stabilni)mehaničkom energijom danas dolazi u obzir prakti čki samo električna energija (električni motori). Znatan je dio mehaničke energije međutim potreban za transport, dakle za pokretne potroša če. Tada se mehanička energija proizvodi pomoću motora s unutrašnjim izgaranjem (cestovni i zra čni promet), dok se za željez°
nički i brodski promet upotrebljavaju uz motore s unutrašnjim izgaranjem i čki i gradski promet dolazi u obzir parni kotlovi s parnim turbinama. Za željezni i električna energija. Stabilni se potrošači mogu neposredno opskrbiti mehaničkom energijom pomoću bilo kojeg pogonskog stroja (parna, plinska, vodna turbina, motor s unu5
trašnjim izgaranjem) i bez međutransformacije u električnu energiju. To običđenje pogona, no nije pogodno zbog kompliciranog održavanja u pogonu (vo dopremanje goriva, održavanje postrojenja). Osim toga racionalnije je proizvesti električnu energiju u agregatima veće snage i pomoću električne mreže čku enerdovesti je do elektri čnih motora, u kojima se ona pretvara u mehani giju. Kao što je ve ć spomenuto, upotreba pogonskih strojeva za proizvodnju mehaničke energije kao konačnog oblika korisne energije normalna je pojava će najprije transformacija u prometnim sredstvima, iako se i tu ponekad susre u električnu energiju, a zatim ponovo u mehaničku energiju (dizelsko električne lokomotive, brodski pogoni). Za opskrbu potrošača rasvjetnom energijom danas se upotrebljava jedino eč
đ
lektri nađaje energija. Taradio, je energija tako er nezamjenjiva za elektrokomunikacijske ure (telefon, televizija). Za redukcijske peći (visoke peći za proizvodnju sirovog željeza, lučne peći za proizvodnju karbida i ferolegura i dr.) i za elektrolize, koje se temelje nakemijskim procesima, potreban je ili koks, ili električna energija, ili istodobno i koks i električna energija. U novije doba u visokim se pećima koks djelomično zamjenjuje prirodnim plinom ili teškim loživim uljem. U prvom je redu kemijska ećima i elektrolizama, ali se tu nergija korisni oblik energije u redukcijskim pe pojavljuje i toplinska energija kao korisni oblik energije.
1.4 OBNOVLJ IVI ENERGIJE
I
NEOBNOVLJ IVI
PRIMARNI
OBLICI
Osim podjele na konvencionalne i nekonvencionalne oblike energije, o kojima je bilo riječi, primarni se oblici energije mogu podijeliti s obzirom na njihovu obnovljivost na dvije skupine: primarni oblici koji se prirodno obnavljaju i oni koji se ne obnavljaju. U obnovljive primarne oblike energije ubrajaju se: Sunčevo zračenje koje se može neposredno iskorištavati (Sunčeva energija u užem smislu, jer gotovo čeve aktivnosti), vodsvi oblici energije na Zemlji u krajnjoj liniji posljedica Sun ne snage, energija vjetra, energija plime i oseke, energija valova, toplina mora. U neobnovljive oblike pripadaju: fosilna goriva (ugljen, sirova nafta i prirodni plin) i nuklearna goriva, Zemljina unutrašnja toplina koja se pojavljuje na površini (topli izvori), toplina u Zemljinoj unutrašnjosti, laki atomi potrebni za fuziju. Primarni oblici energije koji se obnavljaju ne mogu se tijekom vremena istrošiti jer se stalno Sunčevim zračenjem obnavljaju (promjena atmosferskih prilika izaziva vjetar, isparivanjem vode stvaraju se oblaci, a iz njih oborine koje se slijevaju u vodotoke itd.), iako je moguće da se potpuno iskoriste i neki obnovđa npr. izgradnjom toliko hidroelekljivi primarni energetski oblici. To se doga trana na nekom vodotoku da se njima obuhvati ukupna potencijalna energija vodotoka. Time je, naravno ograničeno iskorištenje vodnih snaga, pa se u hidroelektranama tog vodotoka može u određenom vremenskom intervalu dobi-
vati samo ograničena količina potencijalne energije, ali zato iskorištavanje nije vremenski ograničeno. Nasuprot tome, količina energije koja je npr. nagomičena pa će jednog dana te lana u ugljenu, ma kako bila velika, ipak je ograni rezerve biti iscrpljene. Naravno, trajanje rezervi ovisi o intenzitetu iskorištavanja. 6
Između primarnih oblika energije koji se obnavljaju i onih koji se ne obnavljaju postoje razlike u konstantnosti, mogu ćnosti uskladištenja i transporta, a i u pogledu investicija za izgradnju postrojenja i potrebnih troškova za njihov pogon i održavanje. Potencijalne mogućnosti primarnih oblika koji se obnavljaju mijenjaju se vremenom, što znači da je snaga funkcija vremena, da nije konstantna. Te promjene mogu biti vrlo brze (snaga vjetra ovisi o trećoj potenciji njegove brzine, a brzina se može znatno promijeniti i za nekoliko minuta),brze (snaga plime i oseke proporcionalna je koti morske razine, a maksimalna i minimalna kota postižu se najčešće tijekom 12 sati; za Sunčevu energiju u užem smislu intenzitet zračenja ovisi o dijelu dana i ima dnevni ciklus),polagane (vodne su č
č
č
ć
snage proporcionalne vode koja uprotje vodotokom, a naj eš se činainivode može smatrati da je kolikoli stalna toku edana) ivrlo polagane (zaetopćim linu mora evidentno je da snaga ovisi o temperaturama na površini i u ve dubinama, što se mijenja s promjenom godišnjih doba). će akumulirati (vjetar, plima Većinu oblika energije koji se obnavljaju nije mogu i oseka, energija valova, Sun čeva energija) pa se njima valja služiti učasu će, ali su za to potrebna kad se pojavljuju. Akumuliranje vodnih snaga je mogu velika ulaganja. Zbog promjenjivosti snage ne mogu se takvim primarnim oblicima energije zadovoljiti potrošačke potrebe, jer se one vremenski ne poklapaju s mogućnostima iskorištenja. Zato su nužni dodatni primarni oblici energije da bi se uskladile potreba i proizvodnja. Nasuprot tome, primarni oblici energije koji se ne obnavljaju mogu se iskorištavati prema potrebama, uz konstantnost snage. Oni oblici koji se u svojem primarnom obliku mogu transportirati (fosilna i nuklearna goriva) daju se uskladištiti bez većih teškoća. će transportiNijedan od primarnih oblika energije koji se obnavljaju nije mogu rati onakav kakav se pojavljuje u prirodi, a većina primarnih oblika koji se ne č
obnavljaju goriva transportira se u čprirodnom vrijedi naro ito za fosilna i nuklearna koja danas ine znatan obliku. dio međTo unarodne trgovine. Pri izgradnji postrojenja na fosilna i nuklearna goriva, kao s primarnim oblikom ćinom manja sredstva nego za energije, potrebna su – po jedinici snage – ve ona koja se oslanjaju na ostale primarne energetske oblike. Za pogon postrojenja potrebno je osigurati odgovarajuće gorivo, što su dodatni izdaci. Takvih troškova međutim nema kad se upotrebljavaju primarni oblici energije koji se obnavljaju. Mogućnost prilagodbe potrebama, mogućnost uskladištenja i transporta u prigodnom obliku te manje potrebne investicije razlozi su zbog kojih se danas više upotrebljavaju neobnovljivi nego obnovljivi oblici energije. čno iskoIma, dakle, raznovrsnih primarnih oblika energije, ali za njihovo prakti čka mogućnost rištavanje nije mjerodavno samo njihovo postojanje nego tehni i ekonomska opravdanost iskorištavanja. S obzirom na te zahtjeve primarni oblici energije mogu se podijeliti u tri skupine:a) oblici energije za koje nije ni tehnički riješen način iskorištavanja; b) oblici energije za koje je riješen način ćanju – ekotehničkog iskorištavanja, ali su oni ipak – prema današnjem shva nomski nepovoljni da bi se u većoj mjeri iskorištavali; c) energetski oblici kojih je upotreba i ekonomski opravdana. U prvu skupinu ubrajaju se Zemljina unutrašnja toplina i fisija lakih atoma, a u drugu neposredno iskorištavanje Sunčeva zračenja, energija vjetra, energija plime i oseke, energija valova, toplina mora. U tre ću skupinu oblika energije
7
koji se obnavljaju dolaze samo vodne snage, a od oblika koji se ne obnavljaju fosilna i nuklearna goriva te topli izvori (Zemljina toplina koja se pojavljuje na površini). će trajno – bez Drvo je primarni oblik energije koji se obnavlja jer ga je mogu vremenskog ograničenja – dobivati iz nekoga šumskog kompleksa ako je sječa usklađena s prirastom. Prema tome, drvo se kao primarni energetski oblik nalazi s obzirom na obnovljivost između oblika koji se obnavljaju i onih koji se ne obnavljaju; o načinu eksploatacije ovisi treba li drvo smatrati obnovljivim ili neobnovljivim primarnim izvorom energije.
8
SADRŽAJ 2. OSNOVE TRANSFORMACIJE ENERGIJE...................................................2 2.1 ZNAČAJKE SUSTAVA ZA PRETVORBU ENERGIJE ............................4 2.1.1 Pojam i vrste sustava za pretvorbu energije ............................................4 2.1.2 Stanje sustava i veličine stanja ................................................................6 2.1.3 Sustav i promjena stanja sustava ............................................................9 2.2 ISKUSTVENI ZAKONI ENERGETSKIH PRETVORBI ......................... 11 2.2.1 Pojam energije i oblici energije ............................................................. 11 2.2.2 Zakon o održanju energije..................................................................... 11 2.2.2.1 Konzervativni sustavi ......................................................................... 11 2.2.2.2 Zatvoreni adijabatski sustavi ............................................................. 13 2.2.2.3 Zatvoreni neadijabatski proces.......................................................... 14 2.2.2.4 Opći otvoreni sustav .......................................................................... 14 2.2.3 POJAM ENTROPIJE I PROMJENA ENTROPIJE ................................ 18 2.3 KRUŽNI PROCESI................................................................................ 20 2.3.1 PRIRODNI KRUŽNI PROCES VODE................................................... 20 2.3.2 TEHNIČKI KRUŽNI PROCESI .............................................................. 21 2.3.2.1 Kružni proces položaja ...................................................................... 21 2.3.2.2 Termodinamički kružni procesi .......................................................... 22 2.4 TEHNIČKA VRIJEDNOST RAZLIČITIH OBLIKA ENERGIJE .............. 27
1
2. OSNOVE TRANSFORMACIJE ENERGIJE U svrhu pokrivanja čovjekovih potreba, prije svega za toplinskom, mehaničkom i svjetlosnom energijom, te informacijama, razvijeni su brojni tehnički sustavi za pretvorbu energije. U nastavku će, međutim, biti riječi samo o procesima energetskih transformacija u elektranama, pri čemu se pod „elektranama“ podrazumijevaju takvi sustavi za pretvorbu energije, koji primarnu energiju u industrijskim okvirima pretvaraju u elektri čnu. Tako je elektrana pretvarač energije u smislu oplemenjivanja energije s ciljem proizvodnje elektri čne energije u velikim količinama. Na temelju toga cilja, na izgradnju i pogon elektrana postavljaju se pet zahtjeva, čiji je vremenski razvoj skupa s njihovim kompleksnim me đuovisnostima i proturječnim parcijalnim zahtjevima prikazan na slici 2.1.
Slika 2.1: Razvoj zahtjeva koji se postavljaju na opskrbu elektri čnom energijom Prije izgradnje elektrane treba osigurati da njezina opskrba primarnom energijom bude dostatna. To znači da opskrba primarnom energijom mora biti u svakom trenutku za čitavu životnu dob elektrane u potpunosti garantirana. Jeftina č
č
proizvodnja ne energije svega što niže dovedene specifi ne energije. troškove postrojenja ielektri primarne energije,zahtijeva te visoki prije stupanj iskorištenja Zahtjev za pouzdanošću elektrana traži visoki stupanj raspoloživosti i laku održivost pojedinih komponenata postrojenja. Ovo je odre đeno prije svega time,
2
u kojoj su mjeri tehnički problemi, napose problemi materijala, općenito i u svakom pojedinom slučaju riješeni. Zahtjev da elektrane ne ugrožavaju okoliš treba promatrati s dvaju gledišta: prvo, prisutna je želja čovjeka da prirodu zaštiti od pretjerane tehničke izgradnje; i drugo, ispuštanje čvrstih čestica, plinova, otpadne topline i radioaktivnosti, nastalih za vrijeme pogona elektrane, treba svesti na minimum. Konačno, zahtjev da se u elektranama koriste procesi koji štede primarnu energiju, utemeljen je ograničenošću tehnički lako iskoristivih energetskih zaliha, te politikom gospodarenja energijom u pogledu ovisnosti pojedinih zemalja o uvozu energenata. Dok je u početku izgradnje elektrana u prvome planu bio zahtjev za dostatnom č
opskrbomsve s primarnom energijom i što jeftinijoj pouzdanost proizvodnji elektri ne energije, razvojem većih i složenijih tipova elektrana, je dodatno dobila nas značaju. Uz to dolazi danas u sve ve ćoj mjeri do izražaja i zahtjev za korištenjem nosilaca primarne energije koji ne ugrožavaju okoliš, kao i postrojenja koje štede primarnu energiju. U budu ćnosti će svakako kompleksna optimizacijska istraživanja na polju izgradnje i pogona elektrana dobivati sve više na značaju. Za pretvaranje primarne energije u električnu posredstvom tehničkih procesa u obzir dolaze brojni postupci. Slika 2.2 daje pregled najvažnijih, danas poznatih, fizički mogućih postupaka proizvodnje električne energije u elektranama.
Slika 2.2: Postupci proizvodnje elektri čne energije u elektranama
3
Svrstavanje postupaka za pretvorbu energije može uslijediti prema me đufazama preko kojih se električna energija proizvodi. Postupci kod kojih se transformacija u električnu energiju odvija preko me đufaze "mehanička energija", nazivaju se indirektnim pretvorbama, a postupci bez te međufaze direktnim pretvorbama. Elektrana se može prikazati u obliku blok-dijagrama kao na slici 2.3, gdje su ulazne i izlazne veličine tokovi energije i tokovi mase (odnosno nosilaca energije).
∑ X k (M )
∑ Yi (M )
k
i
∑ X l (E )
∑ Y j (E )
l
j
Slika: 2.3: Blok-dijagram elektrane
2.1 ZNA ČAJKE SUSTAVA ZA PRETVORBU ENERGIJE 2.1.1 Pojam i vrs te sus tava za pretvo rbu energi je Pod sustavom za pretvorbu energije podrazumijeva se postrojenje koje je od okoline odijeljeno i u kojemu se odvija energetska transformacija. Odvajanje sustava od njegove okolice vrši se posredstvom prirodnih, ali i izmišljenih granica (bilancna ljuska). Postavljanje sustava vrši se prema svojstvima njegovih granica u pogledu na tokove energije i tokove mase. Pri tome se razlikuju slijede će vrste sustava: Ako preko granica sustava nema transporta masa, dakle toka radnog medija, sustav se smatra zatvorenim. Kako je na slici 2.4 vidljivo, granica sustava može biti pokretna ili promjenljiva oblika, s tim da energija može preko te granice te ći u svim smjerovima.
4
m2 ,V2 , p2
m1 , V1 , p1
m2 ,V2 , p2 m1 , V1 , p1
m = ρ ⋅V
Slika: 2.4: Zatvoreni termodinamički sustav s mogu ćnošću razmjene energije i bez razmjene mase preko granice sustava m - masa radnog medija V - volumen unutar bilancne ljuske ρ - gustoća radnog medija p - pritisak unutar bilancne ljuske Ako postoji mogućnost razmjene energije i mase s okolicom, govori se o otvorenom sustavu. Promatrani prostor i bilancna ljuska ostaju tada konstantni, kao u primjeru hidroelektrane prema slici 2.5.
m1
m2
Slika 2.5: Hidroelektrana kao primjer otvorenog sustava Sustav za pretvorbu energije kod kojeg je razmjena energije preko granica sustava moguća samo u obliku rada, dakle bez razmjene topline, zove se adijabatskim sustavom. Adijabatski sustavi mogu biti kako zatvoreni (slika 2.6), tako i otvoreni.
5
m, p , V
F
=
p⋅ A
Slika 2.6: Adijabatski sustav Drugu mogućnost podjele sustava predstavljaju unutrašnja svojstva sustava. U tom smislu neki je sustav homogen, ako su kemijski sastav i fizičke osobine unutar sustava svugdje iste. Sustav od dva ili više homogenih podru čja (faza) smatra se heterogenim. Na granicama faza mijenjaju se osobine skokovito.
2.1.2 Stanje sus tava i veli čine stanja Prepusti li se sustav - preko čijih granica nema ni toka energije, ni toka materije dovoljno dugo samom sebi, dospjet će u stanje u kojem njegova sustavna svojstva postaju neovisna o vremenu. Kaže se tada da se sustav nalazi u ravnoteži. Takvo stanje, koje je definirano kako za otvorene, tako i za zatvorene sustave, može se opisati fizikalno mjerljivim veličinama stanja. Opća veličina G može se nazvati veličinom stanja, ako ona ovisi samo o stanju sustava a ne ovisi putu do toga stanja, dakle:
∫ dG = ∫ dG CA
(2.1)
CB
Ako veličina stanja ovisi o dvjema varijablama (slika 2.7), vrijedi: G = G ( x, y )
(2.2)
∂ 2G ∂ 2G = ∫ ∂x ⋅ ∂y C∫ ∂y ⋅ ∂x C A
(2.3)
B
6
cA
y
2
1
cB
x
Slika 2.7: Prostor stanja veličine stanja G ovisne o dvjema varijablama x i y Vanjsko i unutarnje stanje nekog sustava opisuje se odgovaraju ćim veličinama stanja. Vanjske veličine stanja opisuju vanjsko (mehaničko), dok unutarnje veličine stanja unutarnje (termodinamičko) stanje sustava. a) Vanjske veličine stanja Neka se neki sustav za pretvorbu energije mase m nalazi u gravitacijskom polju Zemlje, gdje pri gravitacijskom ubrzanju g na njega djeluje sila težine G . Položaj težišta sustava u odnosu na referentni nivo z 0 predstavlja visinsku koordinatu z (slika 2.8), koja je ujedno i veli čina stanja.
m
Z
G = m⋅ g
Zo
Slika 2.8: Sustav za pretvorbu energije koji pada u gravitacijskom polju Zemlje 7
Gravitacijsko ubrzanje g ovisno je o položaju, a njegova je prihva ćena etalonska vrijednost - kao što je poznato - 9,80665 m/s 2. Promjena položaja težišta sustava mase m koji se kreće duž fiksnog referentnog nivoa prema slici 2.9 u jedinici vremena, dakle brzina c , predstavlja drugu vanjsku veličinu stanja sustava (slika 2.9).
c m
Slika 2.9: Sustav za pretvorbu energije koji se kreće duž fiksnog referentnog nivoa Pomoću ove dvije veličine stanja mogu se u osnovi opisati npr. hidrodinami čki sustavi. b) Unutarnje veličine stanja Za opisivanje unutarnjeg stanja nekog jednostavnog termodinami čkog sustava č
č
tlak p , specifi ni volumen v i apsolutna pogodne su tri temperatura T . mjerljive veli ine stanja Tlak p je omjer sile F koja djeluje okomito na površinu A i te površine:
p=
F A
(2.4)
Fizička jedinica za tlak u SI sustavu jedinica je Pascal (1 Pa = 1 N/m2), a tehnička bar (1 bar = 105 N/m2). Neka na ovome mjestu bude navedena i veza stare jedinice "atmosfera" i nove "bar", dakle 1 at = 0,9806 bar. Specifični volumen v je zapremina sustava V reducirana na njegovu masu m i jednak je recipročnoj vrijednosti gustoće ρ materije: v=
1 V = m ρ
(2.5)
Jedinica mjere za specifični volumen je m3/kg. Za energiju termodinamičkog sustava karakteristična je i njegova apsolutna temperatura T . Ako su dva sustava u termi čkoj ravnoteži, onda imaju iste 8
temperature. Za razliku od dviju izvedenih veličina stanja p i v , termodinamička ili apsolutna temperatura T osnovna je veličina. Mjeri se u jedinicama Kelvin, pri čemu vrijedi da je 1K = 1 ºC. Preračunanje apsolutne temperature T , izražene u Kelvinima, u relativnu temperaturu ϑ , izraženu u stupnjevima Celzija, vrši se prema formuli: ϑ = T − 273,15
(2.6)
Prigodom opisivanja procesa energetskih transformacija svrsishodno je primijenjene veličine reducirati na jedinicu mase. Time se dobiju specifi čne veličine, koje se ozna čavaju malim slovima kao na primjer: V - specifični volumen v = m W
-
specifični rad
w=
-
specifična toplina
q=
m Q m
2.1.3 Sustav i pro mjena stanja sus tava Kao tehnički proces označava se promjena stanja nekog sustava, provedena utvrđenim postupkom. Jednostavni je proces npr. promjena stanja pri gibanju kola (slika 2.10).
c1
>
c2
0
m
=
0
m
Slika 2.10: Promjena stanja pri gibanju kola Svi su procesi u kojima se odvijaju energetske pretvorbe, povezani s promjenama stanja radnog medija, dakle nosioca energije. Pri tome se pretpostavlja da se u normalnom pogonu sve promjene stanja odvijaju kvazistacionarno, tj. da se za vrijeme promjene stanja sustav - globalno promatrajući - nalazi u stanju ravnoteže. Time je moguće promjene stanja opisati veli činama stanja. Termi čka jednadžba stanja s kojom se neki jednostavni termodinamički proces može opisati, povezuje tri unutarnje veli čine stanja za definiranje homogenog
9
procesa. Stanje takvog sustava u potpunosti je odre đeno veličinama p , v i T . U implicitnom obliku ova jednadžba glasi: F ( p, v, T ) = 0
(2.7)
Samo za idealne plinove i realne plinove pri veoma niskim tlakovima poprima ova termička jednadžba stanja slijedeći jednostavni oblik: p ⋅ v = R ⋅T
(2.8)
gdje je R plinska konstanta ovisna o vrsti plina u (J/kg·K). Za granični slučaj idealnog plina na slici 2.11 prikazana je ova površina stanja u p − v − T -prostoru.
T v = konst. p
p = konst.
T = konst.
v F ( p , v, T ) = 0
Slika 2.11: Površina stanja idealnog plina u p − v − T -prostoru U smislu gornje jednadžbe stanja odre đene promjene stanja posebno se označavaju. Po tome, za T = konst. radi se o izotermičkoj, za v = konst. o izohorskoj, a za p = konst. o izobarskoj promjeni stanja radnog medija.
10
2.2 ISKUSTVENI ZAK ONI ENERGETSKIH PRETVORBI 2.2.1 Pojam energij e i obli ci energi je Općenito, energija je sposobnost sustava da izazove vanjska djelovanja. Energija se u prirodi i u tehnici može pojaviti u brojnim oblicima, kao npr. kinetička energija, mehanički rad, toplina i električna energija. Mogućnost korištenja ovih oblika energije određena je prije svega s dva iskustvena zakona termodinamike. Pod termodinamikom će se ovdje podrazumijevati op ćenita nauka o energiji. Ona s jedne strane bazira na fizikalnim ovisnostima (iskustvenim postavkama), a s druge strane u znatnoj je mjeri obilježena tehni čkim pristupom pri postavljanju problema. U nastavku će biti riječi o nekim osnovnim postavkama o oblicima energije i njihovim pretvorbama posredstvom tehni čkih procesa. Pri tome će se vidjeti kako se svi oblici energije mogu u okviru tako definirane termodinamike u osnovi zajedno razmatrati. Ovaj termodinamički način promatranja, posredstvom kojeg se izražavaju ovisnosti između makroskopskih veličina stanja tvari i njihovih ravnotežnih stanja, označava se klasičnim odnosno fenomenološkim. Takav pristup, me đutim, pretpostavlja da su promatrani sustavi za pretvorbu energije veliki naspram molekularnih, odnosno atomskih dimenzija. Ovo će, kako se izravno može ustvrditi, u okviru slijede ćih razmatranja praktički uvijek biti zadovoljeno, te će se razmatranja ograničiti na klasičnu termodinamiku. Nasuprot ovome, u statističkoj se termodinamici, koja se koncem 19. stoljeća razvila iz kinetičke teorije plinova (L. Boltzmann i J. W. Gibbs), zakoni klasi čne i kvantne mehanike primjenjuju na atome ili molekule, te se statističkim metodama uspostavlja ovisnost između mikroskopskih svojstava čestica i makroskopskih svojstava sustava.
2.2.2 Zakon o održanju energij e Za opisivanje procesa energetskih pretvorba najprije je potrebno utvrditi pravila za predznake za energiju koja prelazi granice sustava. Neovisno o obliku prijenosa energije, energija dovedena sustavu uzima se pozitivnom, a energija odvedena iz sustava negativnom. Ako prora čun rezultira pozitivnom vrijednošću za energiju razmijenjenu preko granice sustava, tada se stvarni smjer toka energije slaže s odabranim (referentnim) smjerom. Dobije li se negativna vrijednost, stvarni je tok energije suprotan odabranom. 2.2.2.1 Konzervativni sustavi Sustavi u kojima se kinetička i potencijalna energija pretvaraju u tehni čki rad, pri čemu se drugi energetski oblici ne pojavljuju, nazivaju se konzervativnim
11
sustavima.
Primjer otvorenog konzervativnog sustava je hidroelektrana, prikazana na slici 2.12:
∇
Wt12
c1
GV E1
m DV
∇
z2
E2
z1
c2 m
zo Slika 2.12: Primjer otvorenog konzervativnog sustava: hidroelektrana E1 , E 2 - ulazna i izlazna energija z1 , z 2 - koordinate položaja c1 , c 2 - ulazna i izlazna brzina vode W12 - mehani čki rad; Wt ,12 - tehnički rad m - masa vode DV - nivo donje vode; GV - nivo gornje vode
Energetska bilanca postavlja se za bilancnu ljusku (granicu sustava). Cjelokupni mogući mehanički rad W12 , koji je posljedica promjene volumena, može se u slučaju procesa bez gubitaka pretvoriti u tehni čki rad Wt ,12 , a to je rad ili energija na osovini turbine: Wt ,12 = W12
(2.9)
Wt ,12 = E2 − E1 =
= Ekin , 2 + E pot , 2 − E kin,1 − E pot ,1
(2.10)
12
Wt ,12 = E kin, 2 − E kin,1 + E pot , 2 − E pot ,1 =
=
m 2
(2.11)
⋅ (c22 − c12 ) + m ⋅ g ⋅ ( z 2 − z1 )
Pretpostavi li se jednakost ulazne i izlazne brzine ( c1 = c2 ) – što je u hidroelektranama realno – tehnički rad ovisi samo o promjeni potencijalne energije. Dakle, kako se iz ovog primjera može vidjeti, rad je uvijek oblik energije koji prelazi granicu sustava. 2.2.2.2
Zatvoreni adijabatski sus tavi
Kao što je ve ć navedeno, suštinska je karakteristika adijabatskih sustava da toplina ne može prelaziti granicu sustava. Kao primjer takvog sustava neka se promatra električni otpor unutar adijabatskih (toplotno izoliranih) zidova prema slici 2.13:
(W12 )ad
Slika 2.13:
Primjer zatvorenog adijabatskog sustava: električni otpor unutar toplotno izoliranih zidova
Neka se dovede npr. elektri čne energije W12 takvom mirujućem zatvorenom sustavu tako što se kroz otpor R propusti struja I kroz vrijeme ∆t : W12 = I 2 ⋅ R ⋅ ∆t
(2.12)
Prema zakonu o održanju energije u unutrašnjosti sustava će se povećati energija. Ova energija, koja se može shvatiti kao zbroj kineti čke i potencijalne energije svih molekula radnog medija sustava, naziva se unutarnjom energijom U . Time u gornjem slučaju vrijedi ravnoteža:
13
U 2 = U 1 + W12
(2.13)
odnosno: W12 = U 2 − U 1
(2.14)
Ova ovisnost predstavlja definicijsku jednadžbu izvedene veli čine stanja, unutarnje energije U . Izvršeni rad kod adijabatskih sustava jednak je dakle promjeni unutarnje energije. 2.2.2.3
Zatvoreni neadijabatski pro ces
Kod zatvorenog neadijabatskog sustava pri prijelazu iz stanja 1 s unutarnjom energijom U1 u stanje 2 s unutarnjom energijom U 2 , moguć je prijenos energije preko granice sustava u obliku rada ( W12 ) i topline ( Q12 ). Ako se i ovdje pretpostavi da promatrani sustav miruje, za energetsku bilancu zatvorenog neadijabatskog sustava se dobije: Q12W+
U= U2 −
12
(2.15)
1
Ova energetska bilanca predstavlja 1. glavni stavak termodinamike za zatvorene sustave. Kao takva ujedno je i definicijska jednadžba topline, koja, dakle, kao i rad, prelazi granicu sustava. Time su poznate tri na čina prijenosa energije: posredstvom električne energije, topline i mehaničkog rada. 2.2.2.4
Op ći otvoreni sustav
Kod otvorenih sustava, za razliku od zatvorenih, mogu ća je kontinuirana razmjena energije i mase preko granica sustava. O stacionarnom se procesu protjecanja govori onda, ako su masa, toplina i tehnički rad razmijenjeni za vrijeme procesa neovisni o trenutku promatranja. U nastavku će se samo analizirati upravo takvi stacionarni procesi protjecanja. Tada se radi o konstantnim tokovima mase, topline i rada: Wt ,12 Q ∆m = konst. 12 =konst . =konst . ∆τ ∆τ ∆τ
(2.16)
Tu je ∆m za trajanje vremenskog intervala ∆τ razmijenjena masa, pri čemu ∆τ može biti proizvoljne veličine, s obzirom na to da se radi o stacionarnom procesu protjecanja. Q12 , odnosno Wt ,12 su toplina, odnosno tehni čki rad razmijenjeni u vremenu ∆τ pri promjeni stanja sustava od 1 do 2 . Za postavljanje 1. glavnog 14
stavka za otvorene sustave, taj se sustav prikazan na slici 2.14 prevodi u kvazizatvoreni sustav. w1 ∆m
= c1 ρ1 A1 m
ρ12 E
z1
=
wt12
konst.
z2
w2
= c2 ρ 2 A2 m
Z0 =
Slika 2.14: Otvoreni sustav Na slici su: A1 , A2 - ulazna i izlazna površina; c1 , c2 - ulazna i izlazna brzina radnog medija; ρ1 , ρ 2 - ulazna i izlazna gusto ća radnog medija; z1 , z2 - visinske koordinate; w1 , w2 - specifična ulazna i izlazna energija strujanja; wt ,12 - specifični tehnički rad; q12 - razmijenjena specifična toplina; E ' - sadržaj energije otvorenog sustava;
∆m - element mase radnog medija.
Pri tome će se pretpostaviti da otvorenim sustavom tijekom promjene stanja od 1 do 2 protječe masa tvari od ∆m = 1 kg, i to tako što u po četnom stanju 1 ta masa radnog medija upravo ulazi u sustav, a u krajnjem stanju 2 upravo izlazi iz sustava. Sadržaj energije kvazi-zatvorenog sustava sastoji se – kako se to iz energetske bilance izravno može vidjeti – od stalno konstantnog sadržaja energije otvorenog sustava E ' (jer se njezina količina uvođenjem i istodobnim odvođenjem radnog medija ne mijenja) i energije sadržane u elementu mase ∆m . Za početno stanje, kada element mase ∆m ulazi u sustav, vrijedi: 15
⎛U c2 E1 = E+' ∆ ⋅ m ⎜+ 1 + ⋅ 1 ⎝ ∆m 2
⎞
(2.17)
g z1 ⎟
⎠
a za konačno stanje, kada element mase izlazi iz sustava: ⎛U c2 E2 = E+' ∆ ⋅ m ⎜+ 2+ ⋅ 2 ⎝ ∆m 2
⎞
(2.18)
g z2 ⎟
⎠
Iz razlike sadržaja energije E2 i E1 slijedi 1. glavni stavak za ovaj kvazi-zatvoreni sustav: Q12W+ E12= E −m 2= ∆⋅
⎡U −U c c 2 − + ⎢ 2 +gz⋅12z − 2 ⎣ ∆m
1
2 1
(
⎤
2
1
)⎥ ⎦
(2.19)
Ako se jednadžba (2.19) primijeni na element mase ∆m = 1 kg, gornje se veličine mogu prevesti u njihove relativne (specifične) vrijednosti. Vrijedi dakle: q12 + w12 = u 2 − u1 +
c 22 − c12 2
+ g ⋅ ( z 2 − z1 )
(2.20)
gdje su: q12 =
Q12
;
w12 =
∆m
W12
; u=
∆m
U
(2.21)
∆m
q12 predstavlja (specifičnu) razmijenjenu toplinu tijekom, a w12 je (specifični) rad izvršen od strane kvazi-zatvorenog sustava za vrijeme promatranog procesa. Ovaj se rad sastoji od tehničkog rada wt ,12 , koji predaje na vratilu sustava i energije strujanja, kojom se obavlja ulazno i izlazno strujanje elementa mase ∆m = 1 kg. Opći izraz za energiju strujanja elementa mase radnog medija ∆m kroz presjek A , na putu s , pri tlaku p , kao što je poznato, glasi:
W = A ⋅ p ⋅ s = p ⋅V
(2.22)
odnosno za specifičnu energiju strujanja: w=
A⋅ p ⋅ s
∆m
=
p ⋅V
= p⋅v
(2.23)
∆m
U gornjim je relacijama V volumen, odnosno v specifični volumen radnog medija koji struji. 16
Specifična energija strujanja w , iako izražena unutarnjim zna čajkama sustava p i v , prelazi granicu sustava jer radni medij predstavlja kontinuirani tok tvari, koji kao takav i sam prelazi tu granicu. S time, vodeći ra čuna o predznacima specifičnih energija strujanja na ulazu w1 i izlazu w2 , slijedi bilanca rada procesa: w12 = wt ,12 + w1 − w2 = wt ,12 + p1 ⋅ v1 − p2 ⋅ v2 = wt ,12 − ( p2 ⋅ v2 − p1 ⋅ v1 )
(2.24)
Uvrštenjem ove jednadžbe u energetsku bilancu (2.20) dobije se: ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ c2 c2 q12 + wt ,12 = ⎜⎜ u2 + p2 ⋅ v2 + 2 + g ⋅ z2 ⎟⎟ − ⎜⎜ u1 + p1 ⋅ v1 + 1 + g ⋅ z1 ⎟⎟ 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
(2.25)
Zbroj specifične unutarnje energije u i specifične energije strujanja p ⋅ v naziva se specifična entalpija h , koja povrh veličina stanja u , p i v predstavlja daljnju, izvedenu veličinu stanja sustava: h = u + p⋅v
(2.26)
S time 1. glavni stavak za otvorene sustave, u op ćem obliku za stacionarne procese strujanja, glasi: q12 + wt ,12 = h2 − h1 +
1 2
⋅ (c22 − c12 ) + g ⋅ ( z2 − z1 )
(2.27)
Kod procesa u termoelektranama obično je dozvoljeno zanemariti promjenu kinetičke i potencijalne energije radnog medija. Tako, u danom slučaju energetska bilanca otvorenog sustava poprima pojednostavljeni oblik: q12 + wt ,12 = h2 − h1
(2.28)
Dakle, tada je promjena entalpije radnog medija jednaka razlici dovedene topline i iz nje dobivenog tehni čkog rada (imajući pri tome u vidu da je tehni čki rad u smislu prihvaćene konvencije o predznacima - kao energija odvedena iz sustava - negativna). Vidi se prema tome, da se energija ne može ni proizvesti ni poništiti, ve ć samo transformirati. Želi li se op ća jednadžba (2.27) primijeniti na hidroelektranu, treba voditi ra čuna o slijedećem: Prema jednadžbi kontinuiteta stacionarnog strujanja je A ⋅ c = konst. , =
=
A1 A2 rezultira s c1 c2 . Razlika je pritiska što uz na jednaki zraka raziniulazni ulazai izlazni i izlazapresjek zanemariva, što zna či da je p1 = p 2 . Sustav je adijabatski pa je q12 = 0 . Voda se može smatrati nestlačivom, tako da su njezina
17
gustoća ρ i specifični volumen v konstantni ( ρ1 = ρ 2 , v1 = v2 ). Konačno, kako unutarnja energija nestlačive vode ovisi samo o temperaturi, dakle u = f (T ) , za ovakav povratljivi proces (proces bez trenja) vrijedi da je u1 = u 2 , tj. da se unutarnja energija u sustavu se ne mijenja. Uz te uvjete 1. se glavni stavak pojednostavljuje: wt ,12 =h 2− h + g1 z⋅ z −(
2
1
)
=− u2u +1 p− ( p2 ⋅ v+) g1⋅ z(− z )= 2 = g⋅ z( z−
2
(2.27-a)
1
)z =−∆ 1
gdje je ∆z = z1 − z2 razlika geodetskih visina ulaza i izlaza. Odani tehnički rad na osovini turbine ovisi – kako je ve ć i prije prikazano - samo o promjeni potencijalne energije. Ovo predstavlja teoretski najveću vrijednost. Međutim, u prirodi postoje samo procesi s gubicima pa zbog gubitaka zbog trenja vrijedi u 2 > u1 . Ovi gubici rezultiraju manjim odanim turbinskim radom i povećanjem unutarnje energije vode, što zapravo znači povećanje njezine temperature.
2.2.3 POJAM ENTROPIJE I PROMJENA ENTROPIJE Pojam entropije usko je povezan s drugim glavnim stavkom termodinamike. Za razumijevanje 2. glavnog stavka mora se razlikovati izme đu sustava u kojima se nepovratljivi odvijajuCarnot (reverzibilni) procesi. Prema -u (1843)(ireverzibilni), povratljivim seodnosno procesompovratljivi naziva onaj proces u kojem se pretvorba energije odvija na način da se svaka promjena stanja može povratiti u početno stanje, a da nije ostala nikakva promjena u okolini. Povratljivi, kvazistacionarni proces mora zadovoljiti dva uvjeta: U samom sustavu ne smije se obavljati rad trenja (interna povratljivost), te u okolini koja sudjeluje u procesu ne smije nastupiti nepovratljivost (eksterna povratljivost). Ovakvi se procesi smatraju interno i eksterno povratljivim. Nasuprot tome, ako se po četno stanje u sustavu ne može uspostaviti bez promjene u okolini, takav se proces naziva nepovratnim. Iz iskustva se zna da su svi prirodni procesi nepovratljivi, dakle sami od sebe odvijaju se samo u jednom smjeru. Drugi glavni stavak termodinamike predstavlja bitno ograničenje energetskih pretvorbi, koji su prema zakonu o održanju energije teoretski mogući. Dok 1. glavni stavak opisuje bilancu energije pri procesu transformacije, dotle 2. glavni stavak iskazuje empirijsko saznanje o smjeru odvijanja prirodnih procesa. Max Planck (1858 - 1947) formulirao je ovo iskustvo o nepovratljivosti ovako: Svi
procesi kojima dolazi do sama trenja od - nepovratljivi su. Od - 1888) potje če u definicija: Toplina sebe ne može preR. ći sClausiusa tijela niže(1822 temperature na tijelo više temperature. Obje formulacije za specijalna podru čja kvalitativno opisuju iskustva u svezi s odgovarajućim prirodnim pojavama.
18
Iako povratljivih procesa nema, ipak imaju veliko značenje. Koriste se, naime, kao idealni procesi za usporedbu pri vrjednovanju stvarnih procesa za pretvorbu energije. U svrhu jednoznačnog kvantitativnog razlikovanja povratljivih i nepovratljivih procesa, R. Clausius je (1865) definirao novu veličinu stanja, koja zadovoljava gornji iskustveni zakon i raspolaže sa slijede ćim svojstvima: 1. kod adijabatskog sustava veličina stanja nikada se ne smanjuje; 2. kod povratljivih procesa veličina stanja ostaje konstantna; 3. kod nepovratljivih procesa veli čina stanja se pove ćava. Ovu izvedenu veličinu stanja Clausius je naziva entropijom ( S ) i definira njezin diferencijal: dS =
dQ12 + dWR
(2.29)
T
odnosno relativnu vrijednost toga diferencijala u odnosu na jedinicu mase: ds =
dS dq + dwR = m T
(2.30)
gdje je WR rad trenja. Promjena entropije zatvorenog neadijabatskog sustava sastoji se od dva člana: dS = dS + dS q
ir
pri čemu dS q = dQ12 / T predstavlja promjenu entropije zbog prijenosa topline preko granice sustava, a dS ir = dWR / T promjenu entropije zbog unutarnje nepovratljivosti uslijed trenja. Kako u nepovratljivom procesu ima, a u povratljivom nema trenja, vrijedi: dSir ≥ 0 . Nadalje, kako pri adijabatskom procesu nema razmjene topline, a pri neadijabatskom procesu smjer razmjene topline može biti iz sustava ili u sustav, vrijedi: dS q ⋛ 0 . Prema tome: - za adijabatski i povratljivi proces: - za adijabatski i nepovratljivi proces:
dS q = 0
dS ir = 0 ⇒ dS = 0
dS q = 0
dS ir > 0 ⇒ dS > 0
- za neadijabatski i povratljivi proces:
dS q ⋛ 0
dS ir = 0 ⇒ dS ⋛ 0
- za neadijabatski i nepovratljivi proces:
dS q ⋛ 0
dS ir > 0 ⇒ dS ⋛ 0
19
2.3 KRUŽNI PROCESI Kružni su procesi karakterizirani time, što se kod njih veličine stanja koje opisuju sustav, nakon niza promjena stanja ponovno vraćaju u početno stanje. Tako se za svaku veličinu stanja Gi nekog kružnog procesa može pisati:
∫ dG
i
=0
(2.31)
Ovo općenito vrijedi kako za povratljive, tako i za nepovratljive kružne procese. U nastavku će se prikazati najvažniji kružni procesi energetskih transformacija. 2.3.1 PRIRODNI KRUŽNI PROCES VODE Na osnovi mjerenja se zna da je tok energije Sun čeva zračenja izvan atmosfere iznosi oko 1350 J/s,m2. Na taj način Sunce godišnje emitira tok energije od oko E RS ≈ 1,3·1024 J/god. (U usporedbi s tim, prema današnjim procjenama ukupne rezerve fosilnih goriva iznose E RF ≈ 1,2·1023 J, a ukupne rezerve iskoristive nuklearne energije E RN ≈ 5·1028 J.) Najveći dio te energije služi isparivanju vode. Posredstvom djelovanja Sunca, dakle, kao je to na slici 2.15 prikazano, izaziva se i održava prirodni kružni proces vode. km 3 / god .
km 3 / god . km 3 / god .
km 3 / god . km 3 / god .
km 3 / god .
Slika 2.15: prirodni kružni proces vode Samo je razmjerno mali dio vode koja sudjeluje u tom kružnom procesu, i to onaj koji u obliku kiše pada na čvrstu površinu Zemlje, pogodan za energetsko 20
iskorištenje. Danas se procjenjuje tehni čki moguće godišnje korištenje energije te vode na E RV ≈ 1,5·1019 J/god. 2.3.2 TEHNIČKI KRUŽNI PROCESI Kod mnogih procesa za pretvorbu energije postrojenja se me đusobno povezuju na način da se s radnim medijem provodi tehni čki kružni proces. Za razliku od prirodnih kružnih procesa, tehnički se kružni procesi moraju održavati radnim strojevima (npr. pumpama). Ovisno o tome da li se pretežno mijenjaju vanjske ili unutarnje veličine stanja, razlikuju se kružni procesi položaja i termodinamički kružni procesi. 2.3.2.1
Kru žni pro ces pol ožaja
Na slici 2.16 prikazan je princip kružnog procesa položaja. ∇ OW
∆Z
∇ UW
Slika 2.16: Kružni proces položaja: pumpno-akumulacijska hidroelektrana I - gornji akumulacijski bazen II - donji akumulacijski bazen P - pumpa T - turbina
21
U ovom procesu električna se energija ne proizvodi, već se samo indirektno akumulira. Električna energija se u vremenu malog optere ćenja koristi za pumpanje vode u gornji akumulacijski bazen. U vodi na taj na čin akumulirana potencijalna energija u vremenu velikog optere ćenja ponovno se pretvara u električnu energiju. 2.3.2.2
Termodinami čki kružni procesi
Termodinamički kružni procesi u termoelektranama imaju zadatak da dovedenu toplinu2.17 pretvore u tehniprimjer čki rad.termodinami Pretvorba se obavlja u toplinskim Slika prikazuje čkog kružnog procesastrojevima. koji se dobiva serijskim spajanjem četiri otvorena podsustava, odnosno parcijalna procesa.
q41
q12
wt 41
wt12
q34
q23
wt 34
wt 23
Slika 2.17: Opći termodinamički kružni proces qik - koli čina razmijenjene specifične topline wt ,ik - razmijenjeni specifični tehnički rad Pojedini podsustavi predstavljaju otvorene sustave, u kojima se odvijaju stacionarni procesi strujanja. Stoga za svaki se podsustav može postaviti 1. glavni stavak za otvorene sustave. Ako se sustav sastoji od n = 4 podsustava kao na slici, dobije se slijede ći sustav jednadžbi:
22
q12 + wt ,12 = h2 − h1 + q 23 + wt , 23 = h3 − h2 + q34 + wt ,34 = h4 − h3 + q 41 + wt , 41 = h1 − h4 +
1 2 1 2 1 2 1 2
⋅ (c 22 − c12 ) + g ⋅ ( z 2 − z1 ) ⋅ (c32 − c22 ) + g ⋅ ( z 3 − z 2 )
(2.32) ⋅ (c42 − c32 ) + g ⋅ ( z 4 − z 3 ) ⋅ (c12 − c42 ) + g ⋅ ( z1 − z 4 )
Zbrajanjem ovih jednadžbi za kružni se proces dobije: q12 + q23 + q34 + q41 = − wt ,12 − wt , 23 − wt ,34 − wt , 41
(2.33)
Za kružni proces s n parcijalnih procesa - uz n + 1 = 1 - može se op ćenito pisati: n +1=1
∑q
n +1=1
ik
= − ∑ wt ,ik = − wt ,kp
i =1 k =i +1
(2.34)
i =1 k = i +1
gdje je wt ,kp specifični tehnički (korisni) rad kružnog procesa. Ovo znači slijedeće: ako se u nekom zatvorenom sustavu ostvaruje kružni proces, suma svih razmijenjenih količina topline jednaka je sumi svih obavljenih radova. a) Povratljivi kružni procesi Kružni proces vodene pare u termoelektranama predstavlja primjer interno povratljivog kružnog procesa, za koji uz dovedenu qdo i odvedenu qod specifičnu toplinu, te dobiveni tehnički rad povratljivog procesa wt ,rev vrijedi: qdo + qod = − w trev,
(2.35)
Ili zbog negativnog predznaka odvedene specifične topline: qdo − qod = − tw rev,
(2.36)
Za vrjednovanje interno povratljivog toplinskog kružnog procesa omjer tehničkog rada i dovedene topline označava se kao termički stupanj djelovanja: wt ,rev ηt = qdo
(2.37)
koji pokazuje koliki se dio dovedene topline pretvara u tehnički (korisni) rad. 23
T − s dijagram kao na slici 2.18 posebno je pogodan za prikazivanje toplinskih procesa, jer u njemu se dovedena i odvedena specifi čna toplina mogu predstaviti površinama.
T
W
Tdo, sr Tok Tod , sr dq
sA
sB
ds
s
Slika 2.18: Kružni proces u T − s dijagramu I - toplinski proces (u smjeru kretanja kazaljke na satu) - odani tehnički (korisni) rad II - proces hla đenja (suprotno od smjera kretanja kazaljke na satu) – dovedeni tehnički (korisni) rad Tok - temperatura okoline
Prema definicijskoj jednadžbi entropije: ds =
dq + dw R
(2.38)
T
pri promjeni stanja od A do B bez trenja ( wR = 0 ) i uz temperaturnu funkciju pri dovođenju topline Tdo - za dovedenu se toplinu dobije: B
q = T dods⋅ A do
∫
(2.39)
24
Slično, za odvedenu toplinu pri promjeni stanja od B do A i uz temperaturnu funkciju Tod vrijedi: A
∫
qod = T odds⋅
(2.40)
B
Temperaturne funkcije Tdo i Tod mogu se pojednostavljeno zamijeniti i svojim srednjim temperaturama, ukoliko ove zadovoljavaju slijede će jednadžbe: Tdosr, = Todsr, =
B 1 T ds do sB − s A A
∫
⋅
(2.41)
A
1
∫
⋅
Tod ds sB − s A B
Uz te srednje temperature slijedi: qdo T =
s ⋅sB(
−
dosr,
qod =−T
)
A
⋅s sB−(
odsr ,
(2.42)
)
A
Specifični korisni rad povratljivog kružnog procesa postaje time: q − wtrev , = q −do=
)(
s− s ⋅ BT ( A−T
od
, sr od
dosr
,
)
(2.43)
Sukladno gornjoj jednadžbi vidi se da površina koja se tijekom povratljivog procesa u T − s dijagramu obilazi, predstavlja dobiveni specifični tehnički rad. Termički stupanj djelovanja interno povratljivog kružnog procesa dâ se izraziti i pomoću srednjih temperatura: ηt =
wt ,rev
qdo − qod
qdo
do
=
=−
q
od sr
1
T
,
T
,
do sr
(2.44)
Iz toga slijedi važan zaklju čak za postavljanje tehničkog postupka za pretvorbu energije, naime da je termički stupanj djelovanja to ve ći što je Tdo,sr viši i Tod ,sr niži. Kod zadane gornje i donje granice stupanj djelovanja ηt će biti najveći, ako se cjelokupna toplina qdo dovodi uz najveću temperaturu Tdo , a sva toplina qod odvodi uz najmanju temperaturu. Takav se proces zove Carnotov proces s pripadajućim termičkim stupnjem djelovanja:
25
ηt ,C= 1−
Tod ,sr
Tod
Tdosr,
do
=− 1
(2.45)
T
Carnotov proces, kako to slika 2.19 prikazuje u p − v i T − s dijagramu, sastoji se od četiri povratljiva parcijalna procesa:
od 1 do 2: ekspanzija duž izoterme Tdo uz istovremeno dovođenje topline; od 2 do 3: adijabatska ekspanzija uz odani rad do temperature Tod ; - od 3 do 4: kompresija duž izoterme Tod uz istovremeno odvođenje topline; - od 4 do 1: adijabatska kompresija pri čemu se temperatura povećava na Tdo . -
p s1
T
s2
Tdo , sr = Tdo Tod , sr = Tod Tdo
Tok
Tod s1
V
s2
s
Slika 2.19: Carnotov kružni proces Ako je kružni proces i eksterno povratljiv, dakle prijelaz topline odvija se uz beskonačno malu razliku temperatura ( Tod ,sr = Tok ), dobije se teoretski najveći termički stupanj djelovanja: ηt ,C ,max = 1 −
Tok
(2.46)
Tdo
b) Nepovratljivi procesi Termički je stupanj djelovanja čak i u slučaju idealnog tehničkog projektiranja i izgradnje postrojenja za pretvorbu energije manji od jedinice, naime temperatura Tod sukladno 2. glavnom stavku ne može čak ni kod interno povratljivih procesa biti manja od temperature okoline Tok (≈ 290 K). Kod svih realnih procesa za
26
prijenos topline potreban je pozitivni pad temperature (eksterna nepovratljivost) Tod − Tok > 0 . Jedan dio oslobođenog rada pri nepovratljivom procesu zbog gubitaka ne može se tehnički iskoristiti (interna nepovratljivost). Dakle, bilanca radova glasi: wt + wg =kp tw ,
(2.47)
gdje su: wt - rad iskorišten pri nepovratljivom (tehni čkom) procesu; wg - gubici energije: wt ,rev - tehnički rad, koji nastaje pri povratljivom procesu.
Prema tome, svi su tehnički procesi pretvorbe i prijenosa energije interno i eksterno nepovratljivi. Posredstvom bilance radova može se definirati tehni čki stupanj djelovanja procesa: ηt , w =
wt wtrev ,
= 1−
wg
(2.48)
w trev,
Za kontinuirane, vremenski konstante procese pri: P=
∆W =konst . ∆t
(2.49)
tehnički se stupanj djelovanja da se izraziti i bilancom snaga: ηt , P = 1 −
Pg
(2.50)
Pt ,rev
gdje su: Pt - snaga gubitaka; Pt ,rev - tehnička snaga, koja nastaje pri povratljivom procesu.
2.4 TEHNIČKA VRIJEDNOST RAZLI ČITIH OBL IKA ENERGIJE Prema zakonu o održanju energije svi su oblici energije jednako vrijedni, a iskaz o tome da li je neka energetska pretvorba mogu ća, daje 2. glavni stavak. Pretvorljivost nekog oblika energije ozna čava se kao njegova tehnička vrijednost. Na osnovi njihovih tehničkih vrijednosti, oblici energije mogu se svrstati u tri skupine:
27
a) neograničeno pretvorljiva energija (npr. mehanički rad, električna, potencijalna, kinetička energija); b) ograničeno pretvorljiva energija (npr. unutarnja energija, toplina); c) nepretvorljive energije (npr. unutarnja energija okoline). Za kvantitativno određivanje tehničke vrijednosti energije, neovisno o tome u kojem se obliku pojavljuje, uvode se dvije nove veli čine: eksergija i anergija. Eksergijom naziva se onaj dio energije, koja se može pretvoriti u bilo koji drugi oblik energije. Kao anergija označava se ona energija, koja se ne moće pretvoriti u eksergiju. Pri tome uvijek vrijedi: Energija = Eksergija + Anergija
(2.51)
Ovi će se pojmovi iskoristiti za definiranje mjerila dobrote kružnih procesa kao što su eksergijski (tehnički) stupanj djelovanja, stupanj djelovanja energetske pretvorbe i stupanj djelovanja prijenosa energije. U op ćem smislu, kao eksergijski (tehnički) stupanj djelovanja ξ naziva se omjer dobivene i utrošene eksergije. Za određivanje stupnja djelovanja uvijek treba postaviti energetsku bilancu na granici sustava (otvorenog ili zatvorenog). U slučaju općeg otvorenog sustava prema slici 2.20, uz i -tu dovedenu eksergiju Edo,i od ukupno n , j -tu odvedenu eksergiju od ukupno m , te k -ti gubitak energije (anergija) Eg ,k od ukupno e , ta bilancna jednadžba glasi:
Eod ,1
Edo,1 Edo, 2
Eod , 2
Edo,n
Eod ,m
E g .1
E g .2
E g .e
Slika 2.20: Opći otvoreni sustav s tokovima eksergije i anergije n
∑E
doi ,
i =1
m
= ∑odEj j =1
e
,
+∑ gk E
(2.52)
,
k =1
28
Bilanca eksergije stvara se preko svih nosioca energije koji prelaze granicu sustava, dakle preko svih a) tokova tvari i topline; b) mehaničkih radova i tokova elektri čne energije. n
m
Uvodeći oznake Edo = ∑ Edoi o, d, E = od∑ j gE i =1
j =1
,
, Egk =
e
∑E
,
, sustav sa slike 2.20
k =1
može se pojednostavljeno prikazati kao na slici 2.21.
Eod
Edo
Eg
Slika 2.21: Pojednostavljeni prikaz op ćeg otvorenog sustava sa slike 2.21 Mjeru dobrote tehničkog procesa opisuje eksergijski (tehnički) stupanj djelovanja, ξ koji se određuje kao omjer od strane sustava odvedene i dovedene eksergije. Uz oznake prema pojednostavljenoj slici 2.21 on glasi: ξ=
Eod Edo
=
Edo − Eg
(2.53)
E do
Eksergijski (tehnički) je stupanj djelovanja prema definiciji kod idealnog, dakle interno i eksterno povratljivog procesa, jednak jedinici, dok je kod tehni čkog, dakle interno i eksterno nepovratljivog procesa, manji od jedinice. Kod procesa bez pretvorbe energije goriva u toplinsku energiju – kao npr. kod svih električnih strojeva – uz veliki tehni čki i ekonomski napor za minimalizacijom gubitaka trenja, može se eksergijski (tehni čki) stupanj djelovanja približiti jedinici. Stupanj djelovanja energetske pretvorbe ζ predstavlja mjeru dobrote energetske transformacije i definiran je omjerom eksergije i dovedene energije. To zna či da je čak i kod idealno izgra đenog i eksterno povratljivo vođenog procesa bitno manji od jedinice. Razlikuju se maksimalni i termički stupanj djelovanja energetske pretvorbe. Maksimalni stupanj djelovanja energetske pretvorbe ζ max dobije se za neki povratljivi (bez gubitaka trenja) referentni proces (Carnot, Clausius-Rankine) na temelju slike 2.22, gdje E označava eksergiju, a B anergiju. 29
E
E+B
B
Slika 2.22: Uz definiciju maksimalnog stupnja djelovanja energetske pretvorbe ζ max
ζ max =
E
(2.54)
E+B
Maksimalni stupanj djelovanja energetske pretvorbe daje pretvorljivi dio dovedene energije (topline), koji se pri povratljivom (interno i eksterno) vo đenju procesa može pretvoriti u bilo koji drugi oblik energije. Termički stupanj djelovanja energetske pretvorbe povratljivog kružnog procesa ζ rev definira se uz pomo ć slike 2.23, gdje Eg ,e irev predstavlja gubitke eksergije ,
zbog eksterne nepovratljivosti.
E − E g ,e,irev
E+B
B + E g ,e,irev
Slika 2.23: Uz definiciju termičkog stupnja djelovanja energetske pretvorbe ζ rev ζ rev =
E − Eg ,e ,irev
(2.55)
E+B
Stupanj djelovanja ζ rev određuje dio dovedene topline koji se pri interno povratljivom vođenju procesa može pretvoriti u bilo koji drugi oblik energije.
Termički stupanj djelovanja energetske pretvorbe nepovratljivog kružnog procesa ζ irev definira se prema slici 2.24 na sli čan način, pri čemu Eg ,ie ,irev označava
gubitke eksergije zbog interne i eksterne nepovratljivosti. 30
E − Eg ,ie ,irev
E+B
B + E g ,ie ,irev
Slika 2.24: Uz definiciju termičkog stupnja djelovanja energetske pretvorbe ζ irev ζ irev =
E − Eg ,ie ,irev
(2.56)
E+B
Stupanj djelovanja ζ irev određuje dio dovedene topline koji se pri nepovratljivom vođenju procesa može pretvoriti u bilo koji drugi oblik energije. Uspoređujući opisane stupnjeve djelovanja energetske pretvorbe, može se konstatirati da uz jednake, procesu dovedene količine eksergije vrijedi: ζ max > ζevr
ζ >irev
Stupanj djelovanja prijenosa energije η predstavlja omjer za vrijeme kružnog
procesa odane energije i dovedene energije i definira se prema slici 2.25, na kojoj Edo i Bdo označavaju dovedenu, Eod i Bod odvedenu eksergiju i anergiju, dok Eg i Bg predstavljaju gubitke eksergije i anergije.
Eod + Bod
Edo + Bdo
Eg + Bg
Slika 2.25: Uz definiciju stupnja djelovanja prijenosa energije η η=
Eod + Bod
(2.57)
Edo + Bdo
31
Stupanj djelovanja prijenosa energije η reprezentira onaj dio dovedene energije, koji se nakon prijenosa energije unutar promatranog sustava može još predati slijedećem priključenom sustavu. Treba napomenuti da je ovaj stupanj djelovanja već bio definiran izrazom (2.37) kao omjer tehničkog rada i dovedene topline za specijalni slučaj interno povratljivog toplinskog kružnog procesa, i bio je nazvan termičkim stupnjem djelovanja. Konačno, može se konstatirati da za razliku od uvijek važećeg zakona o održanju energije, za tehničke procese ne postoji sli čan zakon o održanju eksergije, drugim riječima o održanju sposobnosti radnog medija da vrši rad.
32
SADRŽAJ 3. OSNOVNE KARAKTERISTIKE ELEKTRANA ......................................... 2 3.1 OPĆENITO ............................................................................................ 2 3.2 ENERGETSKE KARAKTERISTIKE ELEKTRANA................................ 3 3.3 DIJAGRAMI OPTEREĆENJA ELEKTRANE ......................................... 5
1
3. OSNOVNE KARAKTERISTIKE ELEKTRANA 3.1 OPĆENITO Elektrane su postrojenja za proizvodnju većih količina električne energije. Za pogon generatora kao izvora električne energije predviđeni su u svakoj elektrani pogonski strojevi (vodne turbine, parne turbine, motori s unutrašnjim izgaranjem, elisa za pogon vjetrom). Osim pogonskih strojeva i generatora (pogonski stroj i generator čine agregat), postoje i ostali uređaji i naprave koji su potrebni za pogon tih strojeva, za regulaciju, kontrolu, upravljanje i druge namjene. Hidroelektranama se nazivaju postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pretvara u električnu energiju. Tu se ubrajaju i elektrane koje se koriste plimom i osekom. Termoelektrane su postrojenja koja upotrebljavaju različita goriva ili toplinu Zemlje za proizvodnju električne energije (parne, nuklearne, dizelske, plinske i geotermijske elektrane). U elektranama na vjetar iskorištava se kinetička energija zraka. Osnovni je zadatak elektrana da proizvedu potrebnu koli činu energije u trenutku kad ju potrošač traži. S obzirom da ne postoji mogu ćnost akumuliranja većih količina električne energije, proizvodnja električne energije mora u svakom trenutku biti jednaka potražnji. Elektrane trebaju biti u mogućnosti udovoljiti tom zahtjevu. Danas se elektrane rijetko grade kao izolirana postrojenja u kojima se električna energija proizvodi samo za određene potrošače, npr. neke industrije locirane daleko od postojećih električnih mreža. Elektrane su danas redovito dio nekog elektroenergetskog sustava koji, osim većeg broja elektrana za proizvodnju električne energije, obuhvaća još i rasklopna postrojenja za razvod i transformaciju elektri čne energije, vodove za prijenos i razdiobu električne energije i postrojenja, uređaje i aparate u kojima se električna energija kod potroša ča pretvara u onaj oblik energije koji mu je potreban (toplinu, mehaničku energiju, kemijsku energiju, svjetlo). Svi dijelovi elektroenergetskog sustava trebaju biti dimenzionirani tako da osiguravaju opskrbu potrošača električnom energijom određenog napona i frekvencije na kvalitetan i najekonomičniji način. Elektrane obuhvaćene elektroenergetskim sustavom su dio cjeline, a način njihovog rada ovisi o radu drugih elektrana i o potražnji svih potroša ča sustava. To vrijedi i za rasklopna postrojenja i vodove. Zbog toga na čin izgradnje elektrane, dimenzioniranje njezinih ure đaja i izbor pogonskih karakteristika tih uređaja ovisi o zahtjevima elektroenergetskog sustava kojem elektrana pripada. Elektrane koje pokrivaju potrošnju prikazanu gornjim dijelom dnevnog dijagrama opterećenja (slika 3.1) nazivaju se vršnim elektranama, a one koje imaju zadatak da rade za potrošnju u donjem dijelu dijagrama, temeljnim elektranama.
2
Slika 3.1: Dnevni dijagram opterećenja Uloga i režim rada pojedine elektrane u elektroenergetskom sustavu ovise o sposobnosti elektrane da se prilagodi brzim promjenama optere ćenja (najbolje se mogu prilagoditi akumulacijske hidroelektrane i elektrane s plinskim turbinama) te o ispunjenju zahtjeva da se potrebna energija proizvede uz što niže troškove (maksimalno iskorištenje raspoložive vode, što veća proizvodnja u termoelektranama s malim specifi čnim troškovima za gorivo). Uloga elektrana nije unaprijed čvrsto određena. U kišnom razdoblju godine velika većina hidroelektrana (osim onih s vrlo velikim akumulacijama) rade kao temeljne elektrane, a termoelektrane se što je mogu će više koriste kao vršne elektrane. U sušnom razdoblju uloge se zamjenjuju. Osim toga, uloga elektrana mijenja se i s razvojem sustava. Starije termoelektrane rade sve više kao vršne (jer imaju ve će specifične troškove za gorivo), a nove termoelektrane preuzimaju ulogu temeljnih.
3.2 ENERGETSKE KARAKTERISTIKE ELEKTRANA Instalirana snaga je osnovna karakteristika svake elektrane. Ona se definira kao aritmetička suma nazivnih snaga generatora (u megavoltamperima, MVA), odnosno kao aritmetička suma snaga turbina, mjerenih na stezaljkama generatora (u megavatima, MW). Instalirana snaga je, dakle, nazivna snaga elektrane.
Maksimalna snaga je najveća snaga koju elektrana kao cjelina može proizvesti uz pretpostavku da su svi njezini dijelovi sposobni za pogon. Za hidroelektranu se uz ovo pretpostavlja i da su protok i pad optimalni, a za termoelektranu da joj stoji na raspolaganju dovoljna koli čina ugljena određene kvalitete i dovoljna količina vode normalne temperature i čistoće za hlađenje kondenzatora. Pri određivanju maksimalne snage ne postavlja se zahtjev da se postigne optimalni stupanj djelovanja, ali se uzimaju u obzir utjecaji svih dijelova postrojenja: dimenzije dovoda, tla čnog cjevovoda, odvoda i sli čno u
3
hidroelektranama, kapacitet dopreme i mljevenja ugljena, u čin kotlova, kapacitet odvoda pepela, dovoda vode i sli čno u termoelektranama. Razlikuje se maksimalna snaga na stezaljkama generatora (maksimalna bruto-snaga) i maksimalna snaga na pragu (maksimalna neto-snaga).
Raspoloživa snaga je najveća snaga koju elektrana može proizvesti u nekom trenutku, polazeći od stvarnog stanja u elektrani (kvarovi, popravci i pregledi), a uz pretpostavku da nema ograničenja zbog proizvodnje jalove snage. Pri određivanju raspoložive snage treba kod hidroelektrane uzeti u obzir raspoloživi dotok i pad, a kod termoelektrane kvalitetu ugljena, količinu i temperaturu vode. I ovdje se razlikuje raspoloživa snaga na stezaljkama generatora i na pragu elektrane. Maksimalno i minimalno godišnje opterećenje elektrane određuje se iz pogonskih podataka elektrane ili iz konstruirane godišnje krivulje trajanja opterećenja (slika 3.2).
Slika 3.2: Konstrukcija dnevne krivulje trajanja optere ćenja iz dnevnog dijagrama opterećenja U većini praktičnih slučajeva – za elektrane koje rade u ve ćim elektroenergetskim sustavima – maksimalno je godišnje opterećenje jednako ili skoro jednako maksimalnoj snazi, dok je minimalno opterećenje jednako nuli (zbog godišnjeg pregleda). Dakle, odnos izme đu minimalnog i maksimalnog opterećenja za elektrane nema značenja, ali zanimljivo je poznavati faktor opterećenja elektrane ( m ) i faktor iskorištenja elektrane ( n ).
Faktor opterećenja elektrane definiran je kao omjer elektri čne energije proizvedene u promatranoj godini i električne energije koja bi se proizvela da je elektrana kroz cijelu tu godinu bila pod maksimalnim opterećenjem. Ako se č
ć
s Pmax ozna i maksimalno optere enje elektrane u toku promatrane godine u megavatima, a s Wgod godišnja proizvodnja elektrane u megavatsatima u istom razdoblju, faktor opterećenja elektrane izračunava se po formuli:
4
m
W god =
(3.1)
8760 Pmax
jer godina ima 8760 sati.
Faktor iskorištenja dobiva se iz analognog izraza ako se umjesto maksimalnog opterećenja Pmax u formulu (3.1) uvrsti maksimalna snaga elektrane ( Pe max ): W god n
=
8760 Pe max
(3.2)
Trajanje korištenja. Opterećivanje odnosno iskorištavanje elektrane često se karakterizira trajanjem korištenja maksimalnog optere ćenja ( t max ), i trajanjem korištenja maksimalne snage ( t e max ). Ove dvije veličine (dva trajanja) mogu se definirati kao vrijeme potrebno da se snagom Pm , odnosno snagom Pe max proizvede energija Wgod . Veličine tm i tmax mogu se (u satima) izračunati prema formulama: t max
t e max
W god =
(3.3)
Pmax W god
=
(3.4)
Pe max
Treba naglasiti da ni t max ni t e max ne predstavljaju stvarno trajanje pogona elektrane, već samo vrijeme koje bi bilo potrebno da se uz maksimalno opterećenje, odnosno snagu, proizvede količina energije Wgod . Trajanje korištenja akumulacijskih hidroelektrana je 2000 – 3000 h/god, protočnih i do 6000 h/god, a termoelektrana izme đu 1000 (stare) i 6500 h/god (nove). Faktori trajanja korištenja mogu se odrediti prema snazi ili optere ćenju na priključnicama generatora ili na pragu elektrane. U prvom slu čaju treba u izraze (3.3) i (3.4) uvrstiti godišnju proizvodnju na priklju čnicama generatora, a u drugom slučaju godišnju proizvodnju na pragu elektrane.
3.3 DIJAGRAMI OPTEREĆENJA ELEKTRANE U elektroenergetskom sustavu postoji velik broj potroša ča od kojih svaki troši električnu energiju na način i u doba kako to najbolje odgovara njegovim potrebama. Zbogđen toga se i potražnja tijekom mijenja. Tim mora biti prilago elektroenergetski sustav dana s elektranama kojepromjenama su u njega uključene. Osnovu za upoznavanje zahtjeva potrošača, a prema tome i polaznu točku za projektiranje, izgradnju i pogon elektrana, predstavlja tzv. dnevni dijagram opterećenja. 5
Dnevni dijagram potražnje ili dnevni dijagram optere ćenja pokazuje kako se potražnja (potrošnja) mijenja tijekom dana. O dnevnom dijagramu za potražnju govori se kad se promatra promjena sa strane potroša ča, a o dnevnom dijagramu opterećenja kad se gleda sa strane elektrana, rasklopnih postrojenja ili vodova. Iako svaki od potrošača troši električnu energiju prema svojim potrebama, dnevni dijagrami potražnje (zbog vrlo velikog broja potrošača) imaju u svakom elektroenergetskom sustavu karakteristi čan oblik. Dnevni dijagram nije svakog dana jednak. On ovisi o danima u tjednu (npr. u subotu i nedjelju potrošnja je manja nego u druge dane), o godišnjem dobu (zimi je potrošnja veća nego ljeti), o vrsti potrošača (industrija, domaćinstva, č
č
elektri na vu a itd.) i o razvijenosti zemlje (slika 3.3).
Slika 3.3: Dnevni dijagrami opterećenja na dan 20.12.1967. u nekim europskim zemljama. 1 – SR Njema čka, 2 – Francuska, 3 – Italija, 4 - Španjolska, 5 – Švicarska, 6 – Nizozemska, 7 – Austrija, 8 – Jugoslavija, 9 – Portugal Na dnevnom dijagramu opterećenja (sl. 3.1) vide se dva karakteristična opterećenja: maksimalno opterećenje ( Pmax ) i minimalno opterećenje ( Pmin ). Površina ispod krivulje predstavlja tijekom dana proizvedenu energiju ( Wd ).Pomoću ovih triju podataka mogu se odrediti dvije veličine koje karakteriziraju dnevni dijagram opterećenja: faktor opterećenja ( m ), definiran
6
kao omjer između energije Wd i energije koja bi se mogla proizvesti snagom Pmax tijekom 24 sata: m
=
Wd
(3.5)
24 Pmax
i omjer minimalnog i maksimalnog opterećenja ( m0 ): m0
=
Pmin
(3.6)
P max
Energiju 24 Pmax prikazuje površina OABC na slici 3.1. Na osnovi analize ostvarenih dijagrama optere ćenja može se pokazati da između faktora opterećenja m i veličine m0 postoji približan odnos
(0,8
1,0 )m
3
. S obzirom da je potrošena energija u dnevnim dijagramima prikazana površinama, oni se teško iskorištavaju kad krivulje dnevnog optere ćenja imaju nepogodan oblik. Zbog toga se često primjenjuju i drugi dijagrami kao npr. dnevna, tjedna i godišnja krivulja trajanja opterećenja. m0
=
⋅ ⋅ ⋅
7
SADRŽAJ 4. HIDROELEKTRANE....................................................................................... 2 4.1 OPĆENITO O HIDROELEKTRANAMA....................................................... 2 4.2 DIJELOVI HIDROELEKTRANE................................................................... 3 4.2.1 BRANE ILI PREGRADE........................................................................... 3 4.2.2 ZAHVAT .................................................................................................. 4 4.2.3 DOVOD ................................................................................................... 5 4.2.4 VODOSTAN ILI VODNA KOMORA ........................................................ 5 4.2.5 TLAČNI CJEVOVOD............................................................................... 6 4.2.6 OBILAZNI CJEVOVOD ........................................................................... 7 4.2.7 VODNE TURBINE................................................................................... 7 4.2.7.1 Osnovna podjela vodnih turbina.............................................................. 7 4.2.7.2 Energetske prilike u vodnoj turbini .......................................................... 9 4.2.7.3 Efektivna snaga vodne turbine.............................................................. 13 4.2.7.4 Uvjeti sličnog rada i specifični broj okretaja .......................................... 14 4.2.7.5 Kavitacija i difuzor (aspirator)................................................................ 21 4.2.8 SPOJ TURBINA S VODNOM KOMOROM ILI VODOSTANOM........... 23 4.2.9 UREĐAJI ZA ZAŠTITU OD VODNOG UDARA.................................... 24 4.2.10 GENERATORI........................................................................................ 26 4.2.11 STROJARNICA ...................................................................................... 26 4.2.12 RASKLOPNO POSTROJENJE.............................................................. 26 4.2.13 ODVOD VODE ....................................................................................... 27 4.3 TIPOVI HIDROELEKTRANA ..................................................................... 27 4.3.1 PRIBRANSKE HIDROELEKTRANE..................................................... 27 4.3.2 DERIVACIJSKE HIDROELEKTRANE .................................................. 29 4.4 KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA.................................................. 30 4.4.1 HIDROLOŠKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA .................... 30 4.4.2 KARAKTERISTIKE AKUMULACIJE I PADA ........................................ 32 4.4.3 ENERGETSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA ................... 35 4.4.4 EKONOMSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANE..................... 39 4.5 PRILAGOĐAVANJE HIDROELEKTRANA OPTEREĆENJU .................... 41 4.6 PUMPNO-AKUMULACIJSKE HIDROELEKTRANE.................................. 41 4.7 ELEKTRANE NA PLIMU I OSEKU............................................................ 42
1
4. HIDROELEKTRANE 4.1 OPĆENITO O HIDROELEKTRANAMA Hidroelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomo ću vodnih turbina i električnih generatora pretvara u električnu energiju. U sastav hidroelektrane idu i svi objekti i dijelovi koji služe za skupljanje, dovo đenje i odvođenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnu energiju i za transformaciju i razvod električne energije. Razlikuju se sljedeći karakteristični dijelovi hidroelektrane: brana ili pregrada, zahvat, dovod, vodna komora ili vodostan, tla čni cjevovod, strojarnica i odvod vode. Prema tipu hidroelektrane mogu neki od ovih dijelova potpuno izostati, a u drugim slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija. Hidroelektrane se mogu podijeliti prema padu, prema na činu korištenja vode, prema volumenu akumulacijskog bazena i prema smještaju strojarnice. Prema visini pada razlikuju se niskotlačne (pad do 25 metara), srednjetlačne (od 25 do 200 m) i visokotlačne (iznad 200 m). Niskotlačne hidroelektrane grade se kao riječna i kanalna postrojenja za specifične padove do 1m/km. Pri tome je karakteristi čno da im cjelokupni pad stoji na raspolaganju neposredno kod elektrane, bez potrebe za tlačnim dovodima i cjevovodima. Ovakve hidroelektrane najčešće nemaju mogućnost akumuliranja vode i upotrebljavaju se kao protočne hidroelektrane za pokrivanje osnovnog opterećenja. Srednjetlačne hidroelektrane se od niskotlačnih razlikuju samo u tome što im gornja voda zbog ve ćih padova (od 1 do 5 m/km) nije neposredno uz elektranu. Ovdje se voda od zahvata dovodi kraćim tlačnim cjevovodom. Tlačni cjevovod i elektrana u ovom slu čaju čine jednu cjelinu. Ovakve elektrane naj češće se grade na mjestima gdje rijeka stvara petlju koja se tada presije če. Visokotlačne hidroelektrane su najčešće derivacijske. Kod ovih elektrana su zahvat i strojarnica prostorno odijeljeni jer se voda iz akumulacijskog bazena dovodi do turbina cjevovodom duga čkim i više kilometara. Grade se u brdovitim krajevima za padove ve će od 5 m/km. S obzirom na na čin korištenja vode postoje protočne hidroelektrane, u kojima se voda iskorištava onako kako dotječe i akumulacijske hidroelektrane, u kojima se dio vode akumulira, da bi se mogla iskoristiti kad se pojavi potreba. Prema veli čini akumulacijskog bazena razlikuju se hidroelektrane s dnevnom akumulacijom (punjenje akumulacije noću, a pražnjenje danju), sa sezonskom akumulacijom (punjenje u kišnom, a pražnjenje u sušnom razdoblju) te s godišnjom akumulacijom(punjenje u kišnim, a pražnjenje u sušnim godinama). Prema smještaju strojarnice dijele se hidroelektrane na pribranske (strojarnica smještena neposredno uz branu) i derivacijske. Posebne vrstehidroelektrana predstavljaju pumpno-akumulacijske hidroelektrane i hidroelektrane koje iskorištavaju plimu i oseku.
2
4.2 DIJELOVI HIDROELEKTRANE 4.2.1
BRANE ILI PREGRADE
Brane ili pregrade su građevine koje imaju višestruku namjenu: da skrenu vodu s njezinog prirodnog toka prema zahvatu HE, da povise razinu vode radi većeg
pada i da akumuliraju vodu. Dva su osnovna tipa brana - niske i visoke. Visoke su brane one čija je visina, od temelja do krune, ve ća od 15 m, te brane više od 10 m, ali s krunom dužom od 500 m. Sve ostale brane su niske. Odluka o tome koja će se vrsta brana graditi ovisi o geološkom sastavu terena i o veli čini brane. Brane mogu biti masivne i nasute, ovisno o materijalu od kojega se grade. Masivne brane grade se od kamena, a češće od armiranog betona. Prema konstrukciji, masivne se brane mogu podijeliti na gravitacijske, lučne i raščlanjene. Gravitacijske brane se opterećenju vode i drugih sila odupiru vlastitom težinom. Lučne brane su zakrivljene plo če preko kojih se opterećenje dijeli na temelje, dno i bokove. Ponekad imaju neke elemente gravitacijske brane, pa se zovu lučno-gravitacijske (slika 4.1).
Slika 4.1: Lučno gravitacijska brana : 1 - Kruna brane, 2 - preljev, 3 - kontrolni hodnik, 4 - kontrolne prostorije, 5 - zapornica, 6 - temeljni ispust Lučne brane se ponekad izvode kao dijelovi rotacijskih tijela, i zovu se ljuskaste ili kupolne brane. Raščlanjene brane čini više elemenata, odnosno stupova ili potpora na koje se naslanjaju betonske ploče ili svodovi. Nasute brane su zemljane, a grade se od homogenog ili nehomogenog materijala. U homogene materijale ubrajaju se laporita zemlja i pijesak sa 15-25% gline. Češće se grade brane od nehomogenog materijala u slojevima od gline do kamenog nasipa (slika 4.2).
3
Slika 4.2: Nasuta brana: 1- kameni nasip, 2 - glinena jezgra, 3- završni nasip, 4 – filtarski slojevi 4.2.2
ZAHVAT
Zahvat ima zadatak da vodu zaustavljenu od pregrade primi i uputi prema centrali. Razlikuju se dva osnovna tipa zahvata: zahvat na površini i zahvat ispod površine vode. Zahvat na površini vode (slika 4.3) izvodi se kada je pregrada niska pa je razina vode iza pregrade prakti čki konstantna. Prolaz vode kroz zahvat regulira se zapornicama.
Slika 4.3: Zahvat na površini (HE Kraljevac) Zahvat ispod površine vode izvodi se kada se razina vode tijekom godine mijenja
(akumuliranje vode u kišnom i njezino iskorištavanje u sušnom periodu). U ovom slučaju zahvat treba postaviti na najnižu to čku do koje će se spuštati razina vode (slika 4.4).
4
Slika 4.4: Zahvat ispod površine vode, ulazni ure đaj (jezero Bajer za HE Vinodol) 4.2.3
DOVOD
Dovod spaja zahvat s vodostanom ili vodnom komorom. Može biti izgra đen kao kanal ili kao tunel. To ovisi o topografiji terena kojim se dovod vodi i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju hidroelektrani. Tunel se može izvesti kao gravitacijski i kao tla čni. Gravitacijski tunel voda ne ispunja pa je za promjenu dotjecanja vode potrebno mijenjati otvor na zahvatu. U slu čaju tlačnog tunela voda ispunja cijeli profil tunela i za promjenu dotjecanja vode nije potrebno nikakvo djelovanje na zahvatu. Hidroelektrane su znatno elasti čnije u pogonu kad imaju tlačni dovod nego kad imaju gravitacijski jer mogu bez ikakvih manipulacija slijediti promjene opterećenja. 4.2.4
VODOSTAN ILI VODNA KOMORA
Vodostan ili vodna komora nalazi se na kraju dovoda. Kad je dovod gravitacijski, potreban je vodostan dovoljnog volumena, kako bi mogao poslužiti kao spremnik vode u slučaju naglih promjena opterećenja. Ako hidroelektrana ima tlačni dovod, može se vodostan izvesti kao proširenje na kraju toga dovoda. Ovakav vodostan mora biti takvih dimenzija da uslijed promjena opterećenja tlak u dovodu ne poraste iznad dozvoljenih granica, odnosno da se razina vode ne spusti ispod najviše točke ulaza u tlačni cjevovod. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hidroelektrane. Slika 4.5 prikazuje primjer izvedbe vodne komore.
5
Slika 4.5: Vodna komora (pred HE Fužine u sistemu HE Vinodol) 4.2.5
TLA ČNI CJEVOVOD
Tlačni cjevovod služi za vo đenje vode iz vodostana ili vodne komore do turbina. U pravilu je izrađen od čelika, a za manje padove i od betona. Prema svom smještaju tlačni cjevovod može biti položen po površini i u tunelu. Cjevovod u tunelu može biti slobodno položen, kada tunel služi samo kao prostor za smještaj cjevovoda, ili prilijegati uz stijene tunela, i to bilo tako da naprezanja preuzima samo stjenka cjevovoda ili tako da ih preuzima djelomi čno i okolna stijena. Na ulazu u cjevovod uvijek postoji zaporni organ (slika 4.6) čija izvedba ovisi o tlaku koji vlada na početku cjevovoda. Najvažniji je sigurnosni zaporni organ koji ima zadatak automatski spriječiti daljnje dotjecanje vode u cjevovod, u slučaju da pukne cijev. Ispred sigurnosnog zapornog organa postavlja se pomo ćni zaporni organ koji omogućuje pregled i popravke na sigurnosnom organu bez pražnjenja dovodnog tunela ili dovodnog kanala. Postavljanje zapornih organa na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju hidroelektrani.
6
Slika 4.6: Priključak tlačnog cjevovoda: 1 – pomo ćna zapornica, 2 – sigurnosna zapornica, 3 – ventil za zrak, 4 – obilazni cjevovod, 5 – tla čni cjevovod 4.2.6
OBILA ZNI CJEVOVOD
Obilazni cjevovod nalazi se na po četku glavnog cjevovoda. On je predviđen za postupno punjenje glavnog cjevovoda. Obilazni cjevovod ima puno manji promjer od glavnog jer se, zbog sprečavanja oštećenja, cjevovod puni samo s približno 1/20 protoka u normalnom pogonu. Osim toga, zadatak je obilaznog cjevovoda da omogući izjednačenje tlakova ispred i iza zapornog organa na ulazu u cjevovod, jer bi bez tog izjednačenja bila potrebna vrlo velika snaga za otvaranje zapornog organa. 4.2.7 4.2.7.1
VODNE TURBINE Osnovna podj ela vodn ih turb ina
Energija koju ima neka tekućina (u našem razmatranju voda) što struji nekom brzinom, sastoji se od energije tlaka, potencijalne i kinetičke energije. Svaka od tih energija može se pretvoriti na pogodan na čin u drugi oblik, koji se pomo ću strojeva transformira u mehaničku energiju. Najjednostavniji su takvi strojevi vodenička kola, a ona se izvode za iskorištavanje kinetičke energije (slika 4.7-a) ili su tjerana pomo ću potencijalne energije (slika 4.7-b).
Slika 4.7: Skice vodeničnih kola: a) iskorištavanje kinetičke energije, b) iskorištavanje potencijalne energije
7
Prva vodna turbina u današnjem smislu postavljena je 1837. godine u Francuskoj. To je Fourneyronova turbina (slika 4.8), nazvana po njezinom konstruktoru. Snaga joj je bila 60 KS.
Slika 4.8: Fourneyronova vodna turbina; S –stator, R – rotor Danas se u osnovi grade dva tipa vodnih turbina: pretla čne (ili reakcijske) i turbine slobodnog mlaza (ili akcijske turbine). Pretlačnim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je tlak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu, što odgovara reakcijskim parnim turbinama. U pretlačnim turbinama, naime, dio se energije tlaka transformira u kineti čku energiju u statoru, a dio u rotoru. U turbinama slobodnog mlazatlak je na ulazu u rotor jednak kao i na njegovom izlazu. To odgovara akcijskim parnim turbinama, jer se sva energija tlaka transformira u kinetičku energiju vode u statoru. Izvode se dva tipa pretla čnih vodnih turbina: Francisova (slika 4.9) i Kaplanova turbina (slika 4.10).
Slika 4.9: Skica Francisove turbine s horizontalnom osovinom
8
Slika 4.10: Skica Kaplanove turbine Prvu je konstruirao Amerikanac Francis (1847), a drugu Čeh Kaplan (1922). Ponekad se izvodi i propelerna turbina, u principu Kaplanova, ali s nepomi čnim rotorskim lopaticama (u Kaplanovoj turbini se rotorske lopatice mogu pomicati da bi se bolje prilagodile uvjetima strujanja). Francisove turbine izvode se s horizontalnom i s vertikalnom osovinom, a Kaplanove i propelerne turbine samo s vertikalnom osovinom. Peltonova je turbina (slika 4.11) jedini tip vodne turbine slobodnog mlaza koji se danas izvodi. Konstruirao ju je 1878. godine Amerikanac Pelton. Ova se turbina izvodi s jednom i s više mlaznica.
Slika 4.11: Skica Peltonove turbine s dvije mlaznice
4.2.7.2
Energetske prili ke u vodn oj turb ini
Za određivanje snage vodne turbine polazi se od opće jednadžbe stacionarnog strujanja tekućine (Bernoullijeva jednadžba), koja uz zanemarenje trenja ima poznati oblik: p ρ
1
+ gh + c 2 = w0 = const.
(4.1)
2
9
gdje su: p – tlak u okolini elementa mase vode koja struji (N/m 2 = kgm/s2m2), ρ – specifična masa tekućine (kg/m3), h – visina promatranog elementa teku ćine iznad referentnog nivoa (m), c – brzina strujanja tekućine (m/s), w0 – specifična energija tekućine (m2/s2). Svim članovima jednadžbe je dimenzija m 2/s2, što odgovara kvadratu brzine. Ta dimenzija odgovara specifičnoj energiji, jer energija ima dimenziju kgm2/s2, a specifična se energija odnosi na jedinicu mase. Specifična energija w0 na desnoj strani izraza (4.1) ukupna je specifi čna energija tekućine koja se ne mijenja strujanjem jer je zbroj svih specifi čnih energija konstantan, što je u skladu sa stavkom o održanju energije. U izrazu (4.1) prvi je član specifična energija tlaka, drugi specifična potencijalna energija, a treći izražava specifičnu kinetičku energiju tekućine. Specifična energija w0 može se shvatiti i kao snaga elementa mase vode (M = 1 kg/s). Vodne turbine u hidroelektranama služe kao strojevi za pogon elektri čnog generatora. Kako bi dobili sliku o energetskim prilikama u hidroelektrani, razmotrimo prilike u hidroelektrani s malim padom (slika 4.12).
Slika 4.12: Skica hidroelektrane s malim padom Promotrimo element mase vode (1 kg/s) koji se kre će od točke A do točke B. Snaga elementa mase vode u to čki A u komori pred ulazom u turbinu je:
10
PA =
p A c A2 + + ghA ρ 2
(4.2)
Snaga tlaka p A / ρ posljedica je stupca vode hA' iznad točke A i tlaka okoline p0 pa je: PA =
p0 ρ
+
c 2A 2
+ gh A + gh ′A .
(4.3)
S druge strane, nakon izlaska iz hidroelektrane u odvodni kanal, element mase vode u točki B ima snagu: PB =
pB ρ
+
c B2 2
+ ghB
(4.4)
Uzevši i sada u ra čun stupac vode iznad točke B ( hB' ) i tlak okoline ( p0 ) na površinu vode u odvodnom kanalu može se jednadžba (4.4) napisati u obliku: PB =
p0 ρ
+
c B2 2
+ ghB + ghB′ .
(4.5)
Razlika između PA i PB je snaga koja se dade iskoristiti u turbini po jedinici mase, dakle: ⎛ ⎛ c2 ⎞ c2 ⎞ A A A B B P = P − P = g ⎜ h + h′ + 2 g ⎟ − g ⎜ h + h′ + 2 Bg ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ h1
A
B
2 -3
(kgm s )
(4.6)
Razlika između razina vode na strani dovoda (gornja voda) i na strani odvoda (donja voda) naziva se bruto-pad hidroelektrane ( H b ), a on je izražen relacijom:
)( ′A − )hB + hB′ H b = (h A + h
(4.7)
pa je jedinična iskoristiva snaga vode u vodnoj turbini: ⎛ ⎜ ⎝
Ph1 = g ⎜ H b +
c A2 2g
−
c B2 ⎞
⎟
(4.8)
2 g ⎟⎠
Drugi i treći član u zagradi izraza (4.8) imaju dimenziju duljine (m) i takvi se članovi nazivaju visine brzine. Prvi je član visina brzine na dovodnoj, a drugi visina brzine na odvodnoj strani. Naime, kvadrat brzine podijeljen dvostrukim ubrzanjem Zemljine sile teže jednako djeluje na snagu kao i stupac vode visok onoliko kolika je visina brzine. Izraz u zagradi jednadžbe (4.8) raspoloživi je ili neto-pad ( H n ) pa je snaga elementa vode: 11
Ph1 = gH n
(kgm2s-3)
(4.9)
Množi li se ta snaga s ukupnom masom vode M (kgs-1), koju možemo prikazati kao produkt gustoće ρ (kg/m3) i protoka Q (m3/s), za turbinu će raspoloživa snaga biti prema relaciji: Ph = MPh1 = ρg ⋅ QH n
(kgm2s-3), odnosno (W)
(4.10)
Uz razmatranje dimenzije relacije (4.9) valja napomenuti da je i u nju uklju čena dimenzija elementa mase (kgs-1) jer relacija vrijedi za protjecanje mase vode od 1 kg/s. S obzirom da je za vodu koja služi za pogon vodnih turbina dopušteno uz vrlo veliku točnost uzeti da je ρ = 1000 kg/m3, raspoloživa se snaga u praksi određuje iz izraza: (kW)
Ph = gQH n
(4.11)
Na slici 4.12 prikazan je smještaj vodne turbine u hidroelektrani u kojoj se voda iskorištava na malom bruto-padu H b , pa su u proračunu neto-pada zanemareni gubici pri dovodu vode turbini, što je i dopustivo u takvim prilikama. Ako je, međutim, riječ o većim padovima, voda se turbini dovodi kanalom ili tunelom pa zatim cjevovodom. Ovdje gubitke u odvodu i dovodu treba ura čunati kad se određuje neto-pad. Promatra li se hidroelektrana s ve ćim padom (slika 4.13), treba razlikovati prirodni bruto-pad H b' od iskoristivog bruto-pada H b .
Slika 4.13: Skica hidroelektrane s velikim padom
12
Oni se međusobno razlikuju za gubitke pada u dovodu vode hRd od vodotoka iz kojeg se uzima voda za energetsko iskorištavanje i za gubitke pada hR 0 od hidroelektrane do mjesta u vodotoku gdje se vra ća energetski iskorištena voda. Prema tome je: H b = H b′ − h Rd − h R 0 .
(4.12)
Gubici pada nisu ništa drugo nego mjera za gubitke energije, odnosno snage vode pri strujanju dovodnim i odvodnim kanalom ili tunelom, jer su gubici energije određeni relacijama wRd = ghRd , odnosno wR 0 = ghR 0 . Da se .odredio neto-pad iskoristiv u vodnoj turbini, treba dakle po ći od brutopadabi H b Kad bi se postupilo na ve ć opisani na čin, došli bismo do izraza za netopad: H n = Hb +
c 02 2g
+
c A2 2g
−
c B2 2g
− hRc .
(4.13)
Tu su: c0 – brzina vode na ulazu u cjevovod, c A – brzina vode na ulazu u turbinu, c B – brzina vode na izlazu iz difuzora turbine, hRc – visina gubitaka u cjevovodu. Kako je već naglašeno, gubici u cjevovodu su mjera za gubitke energije, odnosno snage u cjevovodu ( wRc = ghRc ). Obično je dopustivo zanemariti visinu brzine c0 , pa se dobiva: H n = Hb +
c A2 2g
−
c B2 2g
− hRc .
(4.14)
Iskoristiva snaga i sada se odre đuje prema izrazu (4.10), odnosno (4.11). 4.2.7.3
Efektivna snaga vodn e turb ine
Pri prolasku vode kroz turbinu nastaju gubici te turbina nije sposobna dati svu raspoloživu snagu. Gubici se uzimaju u obzir stupnjem djelovanja turbine ηt koji se dobiva umnoškom hidrauličkog ( η h ), volumetrijskog ( η v ) i mehaničkog (η m ) stupnja djelovanja. Hidraulički stupanj djelovanja uzima u obzir gubitke u statoru, rotoru, difuzoru i na izlazu iz difuzora, te neiskorištenu energiju zbog otjecanja č
2
đ
B vode brzinom c Bstupnjem , tj. kineti djelovanja kom energijom , što tako er predstavlja gubitak. činjenica Volumetrijskim uzima cse/ 2ug obzir da sva voda koja ulazi u stator turbine ne prolazi i kroz njezin rotor već kroz raspore izme đu statora i rotora. Mehanički gubici, karakterizirani mehaničkim stupnjem djelovanja, nastaju uslijed trenja u ležajevima i brtvenicama turbine, uslijed ventilacije zbog
13
okretanja rotora, uslijed otpora vode u prostoru izme đu rotora i ku ćišta u koje dolazi voda koja izaziva volumetrijske gubitke. Prema tome je efektivna snaga turbine koju ona ima na osovini: Pe = gQH n ⋅ η h ⋅ η v ⋅ η m = gQH n ⋅ η(kW) t = η t Ph
(4.11-a)
U najpovoljnijem području rada srednje su vrijednosti stupnjeva djelovanja dane tablicom 4.1: Tablica 4.1: Srednje vrijednosti stupnjeva djelovanja turbina
Turbine male snage Turbine srednje snage Turbine velike snage 4.2.7.4
ηh 0,88 0,92 0,95
ηv 0,95 0,97 0,99
ηm 0,96 0,97 0,87
ηt 0,80 0,85 0,92
Uvjeti sli čnog rada i specifi čni bro j okretaja
Zbog nemogućnosti točnog proračuna strujanja i gubitaka koji su posljedica strujanja, potrebno je u većini slučajeva upotrijebiti modele koji su sli čni izrađenim turbinama. Modelsko ispitivanje provodi se na modelu smanjenih dimenzija, a za vodne turbine ono se obavlja s padom vode koji se redovito razlikuje od onog s kojim će raditi izvedena turbina. U modelu vodne turbine moraju se ostvariti takve prilike strujanja da se postigne potpuna sličnost sa strujanjem u izvedenoj turbini. To je važno jer se na temelju modelskog ispitivanja može zaključiti o prilikama u izvedenoj turbini i tako omogućiti njezinu što sigurniju konstrukciju. Zamislimo dvije geometrijski slične turbine T' i T'' (slika 4.14), u kojima se voda iskorištava na neto padovima H n' i H n" .
Slika 4.14: Prikaz sličnosti vodnih turbina Na slici su: c - brzina vode pri udaru o lopaticu u - obodna brzina rotora w - relativna brzina
14
Kako su one geometrijski slične, postoji među svim linearnim dimenzijama omjer λ . Tako je omjer njihovih promjera: λ=
D ′′
(4.15)
D′
Pri tome je D ' promjer turbine T', a D" odgovarajući promjer turbine T''. Ako pretpostavimo da turbine rade sa sličnom količinom vode, presjek otvora za dovod turbini, a i svi ostali presjeci površina kroz koje struji voda trebaju biti sli čni. Dakle mora vredjeti za omjer površina: λ 2 = A′′ A′
(4.16)
Za obodne I apsolutne brzine vrijedi: u′ =
2π n′ D ′ 60
u′ =
2
c′ = 2 gH n′ ⋅
2π n′′ D′′ 60
(4.17)
2
c′′ = 2 gH′′ n
(4.18)
Tu su n' i n" brojevi okretaja u minuti turbina T' i T''. Ako postoji sličnost između turbina, onda mora postojati i sli čnost trokutova brzina: c ′′ c′
=
w′′ w′
=
u ′′ u′
=k
(4.19)
Za omjer obodnih brzina može se dakle pisati: u ′′ u′
=
n ′′D ′′ n ′D ′
=
n ′′ n′
λ=k
(4.20)
a za omjer apsolutnih brzina: c′′ c′
H n′′
=
(4.21)
H n′
Izjednačavanjem izraza (4.20) i (4.21) u smislu relacije (4.19) dobije se: n′′ n′ n′′ n′
λ=
=
H n′′
(4.22)
H n′
1 H n′′ D ′ = ′′ ′ λH ′ D n H
H′′ n
(4.23)
n
15
Promatrane turbine imaju slijedeće protoke: Q′ = A′c ′
Q′′ = A′′ c′
(4.24)
Na osnovi (4.19) i (4.20) vrijedi nadalje: c ′′ c′
n ′′
=k =
n′
λ=
n ′′ D ′′
⋅
(4.25)
n′ D ′
što uz omjer c′′ / c′ iz (4.24) daje: Q ′′ ⋅ A′ = n ′′ λ A′′ Q ′ n ′
(4.26)
odnosno: Q ′′ Q′
n ′′
=
n′
λ⋅
A ′′
=
A′
n ′′ n′
λλ 2
(4.27)
dakle: Q ′′ Q′
=
n ′′ n′
(4.28)
λλ 2
Uzimajući
n ′′ n′
λ,
iz (4.22) i λ2 iz (4.15) relacija (4.28) postaje:
2
Q′′ = Q′
H n′′ ⎛ D ⎜ ′′ ⎞⎟ H n′ ⎝ D ′ ⎠
(4.29)
Za raspoložive snage turbina T' i T'' vrijedi na temelju izraza (4.11): ′ Ph′ = gQ H
n′
Ph′′ = gQ ′′H ′′n
(4.30)
Omjer raspoloživih snaga je dakle: ′′ ′′ ′′ PH hQ n Hn =
Ph′ Q Hn′
n
2
′′ H ⎛ D⎞′′′′ H⎛ ⎞ = ⋅ n ⋅ ⎜= ⎟ n ⎜ ⎟ ′ D′ n ′ H⎝ ′⎠ D n ′ ⎝H⎠ H
2
′′ ′′ D
⎛ ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎠
3
(4.31)
Za efektivne snage gornji omjer zbog nejednakosti stupnjeva djelovanja ηt′ i ηt′′ ne vrijedi. Primijene li se izrazi (4.23), (4.29) i (4.31) na istu turbinu ( D′ = D′′ ), može se ispitati promjena broja okretaja, protoka i snage uz promijenjene uvjete rada turbine:
16
H n′′
n′′ = n′
H n′
Q′′ = Q′
H n′
Ph′′ Ph′
=
(4.32)
H n′′
(4.33)
H′′n
H′′ n
H n′
H n′
(4.34))
Ovaj izraz, s obzirom da se radi o istoj turbini, te ako se uz promijenjene uvjete rada pretpostavlja i isti stupanj djelovanja ηt , vrijedi približno i za efektivnu snagu: Pe′′ Pe′
≅
H′′n
H′′ n
H n′
H n′
(4.34-a)
Model koji je prilikom ispitivanja dao dobre rezultate može poslužiti kao uzorak pri izvedbi velikog niza turbina jer je dovoljno promijeniti omjer geometrijske sličnosti λ. Takve turbine, koje se razlikuju po dimenzijama, radit će uz različite padove, davat će različite snage i imat će različite brojeve okretaja. Budući da će se padovi, snage i brojevi okretaja znatno me đusobno razlikovati, ne bi se na temelju tih podataka moglo zaklju čiti da su te turbine geometrijski slične. Zbog toga je uvedena karakteristika nazvana specifi čni broj okretaja pomo ću koje se će se odmah moći ustvrditi pripadnost turbine stanovitom nizu. Specifični broj okretaja je broj okretaja modelne turbine koja ima toliki promjer (npr. ulazni promjer rotora pretlačne turbine, odnosno srednji promjer lopatičnog kola turbine slobodnog mlaza) da uz H nm =1 m iskorištava protok od Qm =1 m3/s. Ako s n q označimo specifični broj okretaja, te ako turbinu T” smatramo modelnom, a T’ turbinom koja joj je geometrijski slična, specifični broj okretaja će se odrediti iz (4.23), pa je: nq = nm = n
D
1
Dm
Hn
(4.35)
Tu se veličine D , n i H n odnose na geometrijski sličnu turbinu. U tu jednadžbu za modelnu turbinu unijeta je vrijednost za promjer s oznakom Dm , a za pad H nm upisana je vrijednost 1 m, da bi se održala dimenzionalna ispravnost formule. Analogno tome postavlja se relacija za protok (4.29), koja vrijedi za modelnu turbinu: ⎛ Dm ⎞ Q = Q = 1 = Q⎜⎝ D ⎟⎠ q
m
2
1
(4.36)
Hn
17
Pri tome je Qq protok kroz modelnu ( Qq =1 m3/s), a Q protok kroz geometrijski sličnu turbinu. Ako se iz (43) odredi omjer Dm / D i uvrsti u (4.35) dobije se: Q ⎛ 1 ⎞ 4 ⎜ ⎟ 1 ⎝ Hn ⎠
nq = n
3
(4.37)
Oba su omjera ( Q /1 i 1/ H n ) bez dimenzije, pa specifični broj okretaja ima dimenziju broja okretaja, odnosno dimenziju koju ima i n . Uobičajeno je da se broj okretaja navodi u min-1, što nije sukladno SI sustavu jedinica (s -1). Osim toga, uobičajeno brojniku i nazivniku, pa je je:da se izraz za specifi čni broj okretaja piše bez jedinica u nq = n
Q 4
(min-1) ili (s-1)
H n3
(4.38)
što je s obzirom na određivanje vrijednosti nq ispravno, ali se na osnovi te relacije ne smije zaključivati o dimenziji specifičnog broja okretaja. Način na koji je definiran specifični broj okretaja danas se sve više upotrebljava, a napušta se onaj uveden u po četku razvoja vodnih turbina. Taj specifični broj okretaja definiran je kao broj okretaja modelne turbine tolikog promjera da uz pad od H nm =1 m razvija efektivnu snagu Pem =1 KS. Uz tu definiciju specifični broj okretaja, koji je označen s ns , određen prema (4.23) relacijom: D
1
Dm
Hn
n =n =n s
m
(4.39)
a izraz za omjer raspoloživih snaga (4.31) uz pretpostavku jednakih stupnjeva djelovanja modelne i slične turbine, može se primijeniti i na efektivne snage u obliku: ⎛ Dm ⎞ ⎟ ⎝ D ⎠
2
Pem = 1 = P ⎜
⎛ 1 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ Hn ⎠
3
(4.40)
Ako se iz jednadžbi (4.39) i (4.40) eliminira omjer Dm / D , nastaje izraz: ns = n
P 1 1 Hn
1 4
(4.41)
Hn
nq , pa u tom S obzirom nashvatiti dimenzije vrijedi za nskojem sve ono je spomenuto čni broj smislu treba i izraz prema se što normalno odre đujezaspecifi okretaja:
18
ns = n
P
(4.42)
Hn 4 Hn
Dakako, snaga se mora uvrstiti u KS. Specifični broj okretaja definiran na ovaj na čin ima nedostatak, što se s jedne strane snaga unosi u jedinicama koje nisu u skladu sa SI sustavom, a s druge strane što ovisi o stupnju djelovanja turbine η t (jer se u izraz za n s uvrštava efektivna snaga u KS). Kako turbina efektivnu snagu od Pem =1 KS može proizvesti uz različite brojeve okretaja, specifičnim brojem okretaja modelne turbine smatra se onaj uz koji je stupanj djelovanja maksimalan (slika 4.15).
Slika 4.15: Ovisnost stupnja djelovanja modelne turbine o broju okretaja uz konstantnu efektivnu snagu efektivnu snagu Pem =1 KS Ta dva specifična broja okretaja nq i ns nisu međusobno jednaka. To se može pokazati na slijedeći način: Izražen u KS, izraz za snagu (4.11-a) postaje (s obzirom na to da je 1 kW = =1/0,735499 KS): P=
9,81 QH t n 0,735499
η = 13,338 QH ⋅ t(KS) n
(4.43)
η
Uvrštenjem relacije (4.43) u izraz za specifi čni broj okretaja ns (4.42) dobije se: ns = n
13, 338 ⋅ QH nηt
Hn Hn 4
=n
3, 65 Q ηt
(4.44)
3
Hn4
Nakon što se formula (4.44) podijeli s izrazom za nq (4.38), nastaje omjer specifičnih okretaja, definiranih na razli čite načine: ns nq
= 3,65 ηt
(4.45)
19
Ako se računa sa srednjom vrijednošću stupnja djelovanja ηt =0,85, dolazi se do relacija: ns = 3, 365 nq nq ;
n = 0, 297
(4.46)
s
S obzirom na specifični broj okretaja n s , turbine se klasificiraju prema tzv. brzohodnosti: Peltonova ima specifični broj okretaja ns = 2 ÷ 60 min-1, Francisova ns = 50 ÷ 500 min-1, a Kaplanova i propelerna ns = 450 ÷ 1200 min-1. Vidljivo je da Peltonova turbina zauzima podru čje najmanjih specifičnih brojeva okretaja, a Kaplanova odnosno propelerna najvećih, dok Francisova zauzima srednje područje. Peltonova turbina izrazito je sporohodna, dok je Kaplanova (propelerna) brzohodna. Također i unutar podru čja istog tipa turbine upotrebljavaju se ti nazivi, tako npr. za Francisovu s ns ≈ 80 min -1 kaže se da je izrazito sporohodna, dok je ona s ns ≈ 400 min-1 ekstremno brzohodna. Specifični broj okretaja n s često se naziva koeficijentom brzohodnosti. Iz gornje klasifikacije, koja u stanovitom smislu ima povjesni karakter, vidi se da svakom tipu turbine pripada prilično određeno područje rada, međutim, granice ne treba smatrati oštrim i neprekoračivim. Tako npr. Moguće je izvesti Francisovu turbinu i do n s = 500 min-1, dok donja granica za propelernu u stvari i ne postoji više, kada se uzme u obzir da danas ima izvedenih propelernih turbina i za n s = =250 min-1. S obzirom na specifični broj okretaja nq , turbine se mogu klasificirati u pogledu pada na osnovi slijedećeg razmatranja: Vodna energija izrazito planinskog podru čja karakterizirana je visokim padovima (iznad 100 m) i relativno malim koli činama vode; držeći broj okretaja na normalnoj (ekonomičnoj) visini, vidimo iz jednadžbe (4.38) da će u tom području nq biti malen jer s padaju ćim Q i rastućim H ovaj pada. Prema tome, do ći će u ovom području do primjene sporohodne turbine. Obrnuto je u nizinskom području, gdje je za vodnu energiju rijeka karakteristi čan veliki kvantum Q i mala visina H , iz čega prema (4.38) rezultira veliki nq , tj. primjena Kaplanove ili propelerne turbine. Iz izraza za nq (4.38) slijedi, međutim, da će i kod visokih padova doći u obzir Francisova turbina, ako je Q dovoljno velik, a Peltonova turbina može do ći u obzir i kod nižih padova, ako je Q dovoljno malen. Iz gornjeg razmatranja specifičnog broja okretaja nq i n s , različiti tipovi turbina mogu klasificirati s obzirom na brzohodnost i pad (Tablica 4.2). Tablica 4.2: Podjela vodnih turbina s obzirom na brzohodnost i pad n s (min-1) do 30 17 - 42 24 - 60
VRSTA TURBINE PELTON s 1 mlaznicom s 2 mlaznice s 4 mlaznice 20
H (m) do 2000
FRANCIS
sporohodna normalna brzohodna extremno brzohodna KAPLAN (PROPELERNA)
50 - 125 125 - 250 250 – 350 350 - 500 450 –600 600 – 800 800 - 1200
300 – 150 150 – 80 80 – 50 50 - 30 30 – 18 18 – 11 11 - 7
Kao što se iz tablice vidi, manji n s odgovara većem padu i obratno. Ako se uzmu u obzir svi čimbenici koji utječu na izbor tipa vodne turbine, može se zaključiti da se ograničena područja primjene mogu preklapati, što se najbolje vidi na slici 4.16.
Slika 4.16: Područje primjene vodnih turbina 4.2.7.5
Kavitacija i difu zor (aspir ator)
Prilikom strujanja kroz Francisovu i Kaplanovu turbinu vodi opada tlak, dok kod Peltonove voda u slobodnom padu voda otje če s rotora, pa ima atmosferski pad. Kod Francisove i Kaplanove turbine preostali se pad iskorištava dodavanjem difuzora na izlazu iz turbine (slika 4.17).
21
Slika 4.17: Turbina s difuzorom Na taj način nastaje podtlak na izlazu vode s rotora koji raste s pove ćanjem usisne visine H s postignute difuzorom. Podtlak može biti veliki da se tlak može sniziti ispod tlaka isparavanja vode, te na izlaznoj ivici lopatica , a često već i prije mjestimično na stražnjim stranama lopatica dolazi do stvaranja mjehura vodene pare i tako će biti spriječen daljnji pad tlaka. Ta se pojava zove kavitacija. Ista pojava nastaje i u slu čaju stvaranja podtlaka pri velikim brzinama strujanja vode. Ovo stvaranje šupljeg prostora započinje kod laminarnog strujanj, uvijek na nekom zidu, a ne negdje u tekućini. Ono je posebno neugodno jer zatim mjehuri ć
pare na mjestima ve eg tlakačkiraspše, a ćvoda koja na ta mjesta navire Najprije velikom žestinom predstavlja mehani razaraju u snagu zidove lopatica. nastaju porozna nagriženja koja mogu dovesti i do potpunog razaranja rotora. Osim toga, kavitacija uslijed smanjenja presjeka (zbog stvaranja mjehura) dovodi i do smanjenja protoka, a time i snage i stupna djelovanja. Pojavu kavitacije označavaju zvučni efekti od šuma, odnosno brujanja do prave grmljavine popraćene potresima cijele strojarnice. Kavitacija se može izbje ći ograničenjem pada na vrijednost određenu tipom turbine, te ograničenjem usisne veličine difuzora primjenom difuzora (aspiratora) u obliku zavoja (slika 4.18).
Slika 4.18: Primjer difuzora u obliku zavoja 22
Dopuštena usisna visina difuzora H s ,dozv jednaka je barometarskom tlaku na nivou postrojenja, umanjenoj za tlak isparavanja H t koji odgovara danoj temperaturi t . Nadalje, mora se odbiti izvjesni - o tipu turbine ovisni - postotak σ ukupnog pada H , kojim se u obzir uzima lokalni podtlak na ugroženim mjestima lopatica, prouzrokovan djelovanjem brzine strujanja. H s ,dozv = ( A − H t ) − σH σ
(4.47)
je koeficijent kavitacije ovisan o specifičnom broju okretaja nq , a određuje se
na temelju eksperimenata na modelnim i izvedenim turbinama. Zbog toga se može u literaturi naći više podataka o vrijednostima koeficijenta kavitacije. Ovdje se, radi ilustracije navode izrazi koji dobro aproksimiraju ovisnost koeficijenta kavitacije σ o specifičnom broju okretaja nq . T je ovisnost za Francisove turbine: ⎛ nq ⎞ ⎟⎟ ⎝ 100 ⎠
2
σ = 0,360⎜⎜
(4.48)
a za propelerne turbine ⎛ nq ⎞ ⎟⎟ ⎝ 100 ⎠
2
σ = 0,28 + 0;0577⎜⎜
(4.49)
Kod Kaplanovih turbina treba vrijednosti iz relacije (4.49) pove ćati za 10%. 4.2.8
SPOJ TURBINA S VODNOM KOMOROM ILI VODOSTANOM
Spoj turbina s vodnom komorom ili vodostanom može se s pomo ću tlačnog cjevovoda izvesti na razne načine. Tako npr. svaka turbina može imati svoj vlastiti cjevovod ili sve turbine imaju zajednički cjevovod. Izvedbu tla čnih cjevovoda i zapornih organa na početku i kraju cjevovoda prikazuje shema hidroelektrane prema slici 4.19.
Slika 4.19: Shema spoja hidroelektrane s posebnim cjevovodima za svaku turbinu
23
Ako je svaka turbina posebno spojena na tlačni cjevovod nije prijeko potrebno da se na dnu cjevovoda pred turbinom postavi poseban zaporni organ (slika 4.19-a), jer se dovod vode turbini može zatvoriti zapornim organom na ulazu u cjevovod. Takvo je rješenje, međutim, nepovoljno jer se nakon obustave pogona cjevovod isprazni, pa je pri ponovnom stavljanju u pogon potrebno izvjesno vrijeme za punjenje cjevovoda. Trajanje punjenja cjevovoda to je dulje, što je duljina cjevovoda veća, a dugo čekanje to je nepovoljnije, što je važnost hidroelektrane u susatavu veća. Treba napomenut da lopatice prirodnog kola (Francis turbine) odnosno igla sapnice (Pelton turbine) normalno ne brtve se tako da bi se mogla sačuvati voda u cjevovodu nakon obustavljanja turbine. Zbog toga se u hidroelektranama većeg značenja za elektroenergetski sustav postavljaju zaporni č
č
organi i ispred turbine se (slika 4.19-b). Kad tako je priklju više obustave turbina napogona zajedni na ki cjevovod, postavljaju zaporni organi da - eno i pored jednoj od turbina - bude osiguran normalni pogon ostalih turbina. Radi toga se pred svaku turbinu postavljaju zaporni organ (slika 4.20).
Slika 4.20: Shema spoja hidroelektrane sa zajedničkim tlačnim cjevovodom Vrlo često se pred turbinu postavljaju dva zaporna organa, pogonski na strani turbine i sigurnosni na strani cjevovoda. Sigurnosni organ ima zadatak da omogući pregled i popravke pogonskog zapornog organa bez obustavljanja ostalih turbina. 4.2.9
UREĐAJ I ZA ZAŠTITU OD VODNOG UDARA
U slučaju zatvaranja dovoda vode turbini doći će do povišenja tlaka tj. do vodnog udara u cjevovodu kojim se dovodi voda turbini. Visina tlaka ovisi o trajanju zatvaranja zatvarača na dnu tlačnog cjevovoda. S produljenjem vremena zatvaranja smanjuje se povišenje tlaka u cjevovodu, što omogu ćuje upotrebu cjevovoda sa tanjim stijenkama, odnosno lakšeg i stoga jeftinijeg cjevovoda. S gledišta troškova zato je povoljno za cjevovod odabrati što dulje vrijeme za zatvaranja dovoda vode turbini. Preporu ča se – s obzirom na dimenzioniranje cjevovoda - da za padove do 50 m omjer maximalnog i stati čkog tlaka bude H max / H ≤ 1,50 , za padove do 150 m H max / H ≤ 1,25 , za padove iznad 250 m H max / H ≤ 1,15 . međutim, Ako ova ograničenja zahtijevaju vrlo duga vremena zatvaranja, potrebno je predvidjeti ure đaj za zaštitu od vodnog udara na kraju cjevovoda. Za Francisove turbine takav je uređaj regulator tlaka (slika 4.21) koji se postavlja na kraj tlačnog cjevovoda ispred turbinske spirale.
24
Slika 4.21: Regulator tlaka Ovaj uređaj služi za to da u slučaju naglog zatvaranja prirodnog kola turbine automatski otvorprotoka u istoj vode mjeri kako se zatvarajer dovod Na taj načinotvara nemaporedni smanjenja kroz cjevovod, vodavode strujiturbini. istom brzinom kao i prije zatvaranja privoda turbini, ali voda ne dolazi u turbinu, nego istječe kroz poredni otvor. Ako je regulator tlaka dobro konstruiran, neće doći do vodnog udara. U slučaju polaganog zatvaranja privoda vode, kao što se to događa u normalnom pogonu, regulator tlaka ne treba da djeluje, a za povišenje tlaka koje nastaje pri takvom zatvaranju cjevovod mora biti dimenzioniran. U Peltonovoj turbini isti se rezultati postižu otklanja čem mlaza koji je postavljen pred otvor sapnice. U normalnom pogonu otklanjač mlaza postavljen je tako da mlaz iz sapnice bez zapreke udara u lopaticu (slika 4.22).
Slika 4.22: Otklanjači mlaza
25
U slučaju naglog smanjenja opterećenja otklanjač mlaza postavlja se pred sapnicu i otklanja mlaz od lopatice, pa se na taj na čin brzo smanjuje dovod vode turbini, a da se ne smanjuje protok vode kroz cjevovod. Da se sprije či suviše veliki gubitak vode, istodobno s otklanjanjem mlaza počinje zatvaranje sapnice, koje je znatno polaganije, da bi se povišenje tlaka u cjevovodu održalo u unaprijed određenim granicama. Na slici 4.22 prikazane su tri izvedbe otklanja ča mlaza, od kojih se u posljednjoj mlaz dijeli na dva dijela, pa jedan dio vode udara u stražnje strane lopatica i na taj način koči turbinu. Koliko god je dulje trajanje zatvaranja privoda vode turbini povoljno s gledišta povišenja tlaka u cjevovodu, ono je nepovoljno s gledišta broja okretaja ć
rastere enog Iakopoželjan je generator za broj okretaja pobjega turbine, pobjegagregata. turbine nije zbog konstruiran znatnih naprezanja materijala. Zbog toga se dozvoljava da u najnepovoljnijem slučaju, nakon potpunog rasterećenja generatora, broj okretaja agregata naraste najviše 20 – 30 % iznad nazivnog broja okretaja. Uz određeno vrijeme zatvaranja dovoda vode može se porast broja okretaja za određeni agregat smanjiti povećanjem momenta tromosti rotirajućih dijelova agregata. Praktički je dovoljno uzeti u obzir samo rotor generatora, jer on predstavlja daleko najve ći dio rotirajućih masa. 4.2.10 GENERATORI Generatori zajedno s turbinama smješteni su u strojarnici. Vodne turbine pogone generatore izravno preko svojih vratila. Hidrogeneratori pretežno se rade u vertikalnoj izvedbi zbog ekonomičnije izvedbe hidrauličkog dijela elektrane. Generatori s horizontalnim vratilom susre ću se u postrojenjima manje snage i kad dvije Peltonove ili Francisove turbine pogone jedan generator. Hidrogeneratori (od sporohodnih grade se s istaknutim polovima u širokom rasponu snaga i dodo500brzohodnih) MVA. U pumpno-akumulacijskim hidroelektranama često se susreću kombinacije pumpe, turbine i generatora na istom vertikalnom vratilu. U tom slu čaju sinkroni stroj radi povremeno kao generator, a povremeno kao motor. Ima i slu čajeva kad turbina radi kao pumpa. 4.2.11 STROJARNICA U strojarnici su osim agregata hidroelektrane smješteni upravlja čki pult i drugi pomoćni uređaj za pogon, montažu i popravke (npr. mosna dizalica). S obzirom na smještaj strojarnice može se razlikovati strojarnica na slobodnom i ukopana strojarnica. Ukopavanje može biti diktirano sigurnosnim, topološkim ili ekonomskim razlozima.
4.2.12 RASKL OPNO POSTROJENJE Rasklopno postrojenje elektrane u ve ćini slučajeva smješteno je u samoj zgradi ili neposredno uz nju. Samo u iznimnim slučajevima rasklopno se postrojenje nalazi daleko od strojarnice. 26
4.2.13 ODVOD VODE Odvod vode izveden je ili kao tunel ili kao kanal, a zadatak mu je da vodu nakon iskorištenja u turbinama vrati u korito vodotoka ili da je dovede do zahvata sljedeće hidroelektrane.
4.3 TIPOVI HIDROELEKTRANA Radi što racionalnijeg korištenja vodnih snaga treba prije izgradnje postrojenja izraditi detaljan osnovni projekt korištenja vodotoka, s kojim se rješava na čin njegova korištenja od izvora do ušća. Pri tome ne treba imati u vidu samo energetsko korištenje vode, nego i zahtjeve poljoprivrede (natapanje, odvodnjavanje), opskrbu vodom (za piće i napajanje stoke), zahtjeve za sprječavanje bujica, održavanje riba i prirodnih ljepota, osiguravanje povećanje mogućnosti plovidbe i sl. Usklađivanje svih tih zahtjeva i postizanje optimalnog rješenja s obzirom na nacionalno gospodarstvo zadatak je osnovnog projekta za iskorištenje vodotoka. Niz hidroelektrana uz ostala postrojenja na vodotoku (za natapanje i odvodnjavanje, za plovidbu i dr.) naziva se hidroenergetskih sustavom. Način izvedbe hidroelektrane osim hidroenergetskog iskorištenja cijelog vodotoka i navedenih i naprijed iznijetih drugih uvjeta, ovisi još i o topografskim i geološkim prilikama i o pogonskim zahtjevima koji se postavljaju postrojenju. Zadovoljenje svih tih uvjeta traži za svaki konkretni slu čaj specifično rješenje. Izbor tipa hidroelektrane ovisi, dakle, o nizu faktora koji utječu na racionalnu i ekonomičnu izgradnju postrojenja, pa je nemoguće navesti pravila za izbor tipa postrojenja. Zato će se - radi ilustracije - opisati samo neki tipični primjeri izvedenih postrojenja. S obzirom na izvedbu hidroelektrane možemo podijeliti na dvije velike skupine: pribranske i derivacijske hidroelektrane. 4.3.1
PRIBRANSKE HIDROELEKTRA NE
Pribranske hidroelektrane imaju strojarnicu smještenu uz branu, unutar same brane ili je izvedena kao dio brane. U svim tim slučajevima postaje nepotreban dovod, vodna komora i odvod, a zahvat i tla čni cjevovod predstavljaju dio brane, odnosno strojarnice. Tu se mogu razlikovati dva krajnja slučaja: prvi kad strojarnica zamjenjuje dio brane, i drugi kad se strojarnica nalazi u samoj brani ili u neposredno uz podnožje brane. Prvo je rješenje mogu će samo kad se radi o malom padu, pa brana ima razmjerno malu visinu. Među pribranske hidroelektrane prvog tipa spadaju obi čno elektrane na velikim rijekama sa širokim koritom (slika 4.23), a me đu takve elektrane drudoga tipa hidroelektrane na vodotocima sa uskim koritom (slika 4.24).
27
Slika 4.23: Strojarnica zamjenjuje dio brane (HE Birsfelden na Rajni)
Slika 4.24:Strojarnica u brani (HE L'Aigle na rijeci Dordogne u Francuskoj) 28
Jedno je od mogućih rješenja da se – kad je pad malen – svaki od agregata postavi u jedan stup brane, pa se na taj na čin dolazi do onoliko odvojenih strojarnica koliko ima agregata (slika 4.25).
Slika 4.25: Smještaj agregata u stupovima brane (HE Vuzenica na Dravi) 4.3.2
DERIVACIJSKE HIDROELEKTRA NE
Derivacijske hidroelektrane imaju po pravilu sve dijelove hidroelektrana. S obzirom na dovod mogu se te hidroelektrane podijeliti na dvije grupe: hidroelektrane s tlačnim dovodom i hidroelektrane s gravitacijskim dovodom. Dalje se mogu razlikovati: hidroelektrane sa strojarnicom na otvorenom i hidroelektrane s ukopanom strojarnicom (slika 4.26).
29
Slika 4.26: Ukopana strojarnica (HE Vinodol)
4.4 KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA Karakteristike hidroelektrana mogu se podijeliti u četiri grupe: hidrološke karakteristike vodotoka na zahvatu za hidroelektranu, karakteristike akumulacije i pada, energetske karakteristike i ekonomske karakteristike hidroelektrana. 4.4.1
HIDROLOŠKE KARAK TERISTIKE HIDROELEKTRA NA
Hidrološke karakteristike hidroelektrana jesu veli čina, raspored i trajanje protoka. Mogućnost proizvodnje u hidroelektrani ovisi o koli čini vode koju donosi vodotok, pa je poznavanje te količine po veličini i po vremenskom rasporedu od osnovne važnosti i za projektiranje i za pogon hidroelektrane. Količina vode u vodotoku i vremenski raspored tih voda ovisi o nizu utjecaja (o oborinama, sastavu i topografiji zemljišta, temperaturi zraka, biljnom pokriva ču i dr.), pa kao osnova za utvrđivanje količine voda mogu poslužiti samo svakodnevna mjerenja količine vode. Ta s mjerenja provode pomo ću vodokaza, na kojima se o čitava visina nivoa vode. Ta visina zove se vodostaj. Pomoću vodostaja (u cm) može se iz tzv. konsumpcijske krivulje očitati protok vode ( Q u m3/s). Konsumpcijska krivulja (slika 4.27) konstruirana je na temelju posebnih mjerenja, a ovisna je o obliku korita na mjestu vodokaza.
30
Slika 4.27: Konsumpcijska krivulja za profil Gordunska Mlinica na rijeci Cetini Na osnovi određenih (srednjih) dnevnih protoka ( Q m3/s) može se nacrtati godišnji dijagram protoka (slika 4.28, krivulja a), u kojem su kronološki poredani protoci. Pomoću podataka o dnevnim protocima mogu se odrediti srednji desetodnevni protoci (dekadni protoci), srednji mjese čni protoci i, konačno, srednji godišnji protok. Svi ti srednji protoci određeni su kao aritmetičke sredine dnevnih protoka u promatranom periodu.
Slika 4.28: Godišnji dijagram protoka rijeke Krke kod Skradinskog Buka u 1947 a) krivulja protoka; b) krivulja trajanja protoka Ako se nacrta i dijagram u kojem su dnevni protoci uneseni redom po veličini od najvećeg do najmanjeg, dobiva se krivulja trajanja protoka (slika 4.28, krivulja b). Integriranjem godišnjeg dijagrama protoka ili krivulje trajanja protoka (što daje isti rezultat) dobiva se volumen vode ( Vo ) – volumen vode koji je protekao kroz
31
promatrani profil u promatranoj godini. Pri tome kao apscisu treba uzeti protekli broj sekunda. Srednji godišnji protokmože se tada izračunati prema formulu: Qs =
V0 31.54 ⋅ 10 6
(m3/s)
(4.50)
gdje je V0 volumen u m3, a 31,54·106 broj sekunda u godini. Promatranje protoka u samo jednoj godini može dovesti do krivih zaklju čaka o količinama i rasporedu voda u promatranom vodotoku, pa je potrebno promatranje protegnuti na dulji vremenski period. Osim krivulja trajanja protoka u kojima su uneseni podaci cijele godine, mogu se nacrtati krivulje trajanja protoka za pojedina razdoblja u godini (zimu i ljeto ili sušni i kišni period) ili krivulja ili krivulja trajanja za pojedine mjesece. Ako se ho će nacrtati krivulja trajanja npr. za mjesec siječanj, uvažit će se podaci za sve sije čnje u promatranom razdoblju. 4.4.2
KA RAKTERISTIKE AK UMULACIJE I PADA
Karakteristike akumulacije i pada jesu: volumen akumulacijskog bazena, njegova energetska vrijednost i pad. Razlikuje se geometrijski i korisni volumen akumulacijskog bazena. Geometrijski volumen akumulacijskog bazena je ukupni volumen vode koji se može spremiti između tla na dnu i najviše razine vode u akumulacijskom bazenu. Normalno se ne koristi sav raspoloživi volumen akumulacije, jer se za male volumene akumulirane vode naglo smanjuje pad, pa to dovodi do znatnog smanjenja snage, a s time i proizvodnje, pa je šteta od toga veća nego dobitak od iskorištenja tog malog volumena akumulirane vode. Korisni volumen akumulacijskog bazena je volumen vode koji se može spremiti izme đu najviše i najniže razine u normalnom pogonu; to je i volumen koji se koristi u normalnom pogonu. Najniža razina pri tom ne mora biti jednaka najnižoj razini za slu čaj pražnjenja radi pregleda i popravka. Za energetska razmatranja od naročite je važnosti korisni volumen akumulacijskog bazena; samo on ima utjecaja na reguliranje protoka. Da bi karakterizirao korisni volumen s obzirom na hidroelektranu, uvodi se vrijeme trajanja pražnjenja akumulacijskog bazena. To je minimalno vrijeme potrebno da korisni volumen istječe kroz turbine, pretpostavljajući da za to vrijeme nema dotoka u akumulaciju. Proto čnom hidroelektranom smatra se hidroelektrana čiji se akumulacijski bazen može isprazniti za manje dva sata; za pražnjenje bazena hidroelektrane s dnevnom akumulacijom potrebno je od 2 sata do 400 sati, a za pražnjenje bazena hidroelektrane sa sezonskom akumulacijom potrebno je više od 400 sati. Korisni volumen može se prikazati i kao relativni volumen u odnosu na ukupni volumen vode koji tjekom godine dotje če u akumulaciju. Pored toga, akumulacijski se bazen karakterizira energetskom vrijednoš ću. Pod njom se razumijeva količina električne energije koja bi se proizvela u promatranoj hidroelektrani i u svim nizvodnim hidroelektranama kad bi se ispraznio korisni volumen bez dotoka vode u bazen i bez gubitka vode. U hidroelektrani razlikuju se prirodni ili bruto-pad i korisni ili neto-pad. Prirodni ili bruto-padom H b naziva se razlika između nivoa vode na zahvatu (gornje vode) i nivoa vode nakon povratka u korito ili na kraju odvoda (donje vode). To je, dakle, 32
pad koji nam pruža priroda. Zbog gubitaka u zahvatu, dovodu, tla čnom cjevovodu i odvodu na ulazu u turbinu stoji na raspolaganju tlak koji je, mjeren u metrima stupca vode (m. s. v.), manji od prirodnog pada. Tlak na ulazu u turbinu može se izmjeriti manometrom (M na slici 4.29).
Slika 4.29: Određivanje neto pada u hidroelektrani s tlačnim cjevovodom Kako manometar pokazuje samo statički tlak ( hm u m. s. v:) treba još uvažiti i brzinske brzinske visine na ulazu ( c1 ) i na izlazu ( c 2 ) turbine. Osim toga treba još uračunati i položaj manometra ( h ) iznad nivoa vode na izlazu iz turbine. Poznavajući sve te veličine možem se odrediti tlak koji vlada na ulazu u turbinu: C12 C22 s. v.) H n = hm+ +h −(m. 2g 2g
(4.51)
Tlakom (visinom) H n određen je neto-pad u hidroelektrani. Izraz () vrijedi za reakcijske turbine (Francisovu, Kaplanovu, propelersku turbinu). Za akcijske turbine (Peltonove), h je položaj manometra iznad srednjeg nivoa sapnice, a za brzinu na izlazu postavlja se c 2 = 0 . Ni bruto-pad ni neto-pad nisu konstantni. Na prvi utje ču promjene nivoa donje i gornje vode, a na drugi osim promjena nivoa još i promjena gubitaka. Promjene nivoa gornje vode mogu nastati zbog preljeva velikih voda preko brane, do čega dolazi kad se sva suvišna voda ne može propustiti kroz ispuste. U ovom slučaju nivo gornje vode ovisan je o protoku (slika 4.30), ali samo za protoke koji su veći od protoka Q ' koji ovisi o kapacitetu ispusta i o veli čini izgradnje hidroelektrane (veličina izgradnje je maximalni protok kroz turbinu).
33
Slika 4.30: Ovisnost nivoa gornje vode H g i nivoa donje vode H d o protoku U pribranskim hidroelektranama i u akumulacijskim hidroelektranama s tla čnim dovodom bruto-pad, a prema tomu i neto-pad, ovisi o volumenu akumulirane vode ( A ). Ta se ovisnost prikazuje krivuljom H b = f ( A) , koja je prikazana na slici 4.31.
Slika 4.31: Ovisnost bruto-pada H b o volumenu akumulirane vode A Za promatranu hidroelektranu maximalan bruto pad određen je ukupnim volumenom akumulacije, a minimalni bruto pad korisnim volumenom akumulacije. Promjene nivoa donje vode ovisne su o količini vode koja protje če koritom rijeke na kraju odvoda, i to bez obzira na to da li voda dotje če koritom mimo hidroelektrane ili kroz turbine hidroelektrane. Nivo donje vode raste s povećanjem protoka (vidi sliku 4.30), a oblik krivulje ovisi o profilu korita. Razlikom nivoa određen je bruto pad. Najve ći bruto pad pojavljuje se u doba najmanjih protoka ( Qmin ), dakle onda kad je nivo donje vode najniži. Promjena pada ima velik utjecaj na snagu i mogu ću proizvodnju hidroelektrana malog pada (do oko 50 m); u hidroelektranama ve ćeg pada ta promjena često se može zanemariti. Da bi se odredio neto-pad, treba od bruto pada odbiti gubitke u svim dovodnim organima. Gubici pada približno su proporcionalni kvadratu protoka; oni su to veći ć
što jećiduljina organa i što je površina presjeka tih organa Budu da sudovodnih u dovodni organiveu ahidroelektranama malog pada obi čno manja. kratki, može se reći da u tim hidroelektranama odlu čan utjecaj na promjenu neto pada ima promjena bruto pada, dok u hidroelektranama velikog pada promjenu neto pada u najvećoj mjeri izazivaju gubici u dovodima. 34
4.4.3
ENERGETSKE KA RAKTERISTIKE HIDROELEK TRANA
Snaga koju hidroelektrana daje na priključcima generatora može se odrediti iz jednadžbe: P =(W) g ⋅ Q ⋅ H n ⋅η t ⋅η g ⋅ ρ
(4.52)
gdje je Q - protok, koji dotje če turbinama, H n neto pad koji stoji na raspolaganju, a η t i η g su stupnjevi djelovanja turbina odnosno generatora, ρ = 1000 kg/m3, gustoća vode. Stupnjevi djelovanja i turbinapromjenu i generatora ovise o opterećuenju i brojuo agregata pogonu. Slika 4.32 prikazuje stupnja djelovanja ovisnosti protoku. u
Slika 4.32: Stupanj djelovanja hidroelektrane Stupanj djelovanja pri optimalnom opterećenju u modernim hidroelektranama iznosi i do 90 %. Prosječan je stupanj djelovanja korištenja potencijalne energije vode niži i iznosi za veća , postrojenja približno 80%, a za manja postrojenja približno 75%. Za određivanje snaga kad nisu poznati stupnjevi djelovanja može se upotrijebiti približna formula: P = kQH n
(4.53)
Vrijednost veličine k ovisi o snazi o snazi agregata u hidroelektrani o i jedinicama u kojima su izraženi P , Q i H n . Za veće hidroelektrane s agregatima snage P > 10 MW, aproksimativni izraz glasi: P = 8QH n
(4.54)
( P u kW, Q u m3/s i H um), a za hidroelektrane s agregatima manje snage je n k < 8 . Veličine k obi čno se određuju linearnom interpolacijom uz pretpostavku da je k = 7,5 za elektrane s agregatima P = 1 MW. Mogućom dnevnom ili godišnjom proizvodnjom hidroelektrane naziva se ona količina energije koja bi hidroelektrana mogla proizvesti s obzirom na protoke, 35
pad, stupanj djelovanja i veličinu izgradnje. Pored toga se hidroelektrana karakterizira mogućom srednjom godišnjom proizvodnjom (GWh), koja je određena kao aritmetička sredina mogućih godišnjih proizvodnja u promatranom, što duljem, nizu godina. Pri određivanju raspoloživog dotoka vode treba uzeti u obzir postojanje bilo vlastite akumulacije, bilo akumulacije u uzvodnim hidroelektranama. Također treba uzeti u obzir eventualne potrebe vode za plovidbu, poljoprivredu i sl. Pri tome treba pretpostaviti da su svi dijelovi postrojenja sposobni za pogon, da ne postoje ograničenja u mogućnosti preuzimanja energije, da ne postoje ograničenja proizvodnje zbog utjecaja mreže (rezerva, proizvodnja jalove snage, regulacija frekvencije i sl.). Stvarna proizvodnja hiddroelektrane po pravilu je niža od moguće proizvodnje, uglavnom ć
– ućanekim razdobljima godine ve od potražnje potroša ča. i dana - zbog toga što je mogu nost proizvodnje Određivanje moguće proizvodnje najzgodnije krivulje prikazati pomoću krivulje trajanja ili vjerojatnosti protoka. Površina ispod krivulje trajanja prikazuje volumen vode ( V ) koji stoji na raspolaganju: Q
∫
V = tdQ
(4.55)
0
gdje je t trajanje protoka (slika 4.33).
Slika 4.33: Određivanje iskoristivog volumena vode Iskorištenje vode ograničeno je veličinom izgradnje hidroelektrane Qi . Veličina izgradnje je maksimalni protok koji se može koristiti u hidroelektrani pri normalnom podonu uimajući u obzir sve dijelove postrojenja. Određenoj veličini izgradnje Qi odgovara, dakle, iskoristivi volumen vode Vi : Qi
∫
Vi = t ⋅ dQ
(4.56)
0
36
koji je prikazan površinom OABt0 na slici 4.33. Kada se poznaje iskoristivi volumen ( Vi ), moguće je odrediti i srednji iskoristivi protok: Qsi =
Vi t0
Vi
=
31,54 ⋅10
6
(m3/s)
(4.57)
gdje je Vi volumen u m3, a 31,54·106 broj sekundi u godini. Srednji iskoristivi protok ( Q si ) manji je od srednjeg protoka vodotoka ( Qs ), a njihov omjer α daje stupanj iskorištenja vode vodotoka. α=
Q si Qs
=
Vi
(4.58)
V0
Kao prva aproksimacija može se odrediti moguća proizvodnja uz pretpostavku konstantnog stupnja djelovanja - pomoću veličine k u relaciji (4.53) - i konstantnog neto pada. Tada je srednja snaga hidroelektrane: Ps =k Q⋅ si Hn⋅
(4.59)
a mogu ća godišnja proizvodnja u kWh: ⋅k⋅Q ⋅H W = 8760
si
(4.60)
n
Moguća proizvodnja može se odrediti i pomoću iskoristivog volumena. Koristeći se jednadžbom (4.57) dobije se: W=
k ⋅ H n ⋅ Vi 3600
(4.61)
ili za k = 8 : W=
H n ⋅ Vi
(4.62)
450
(u kWh ako se Vi uvrsti u m 3, a H n u m). Za promatrano postrojenje moguća proizvodnja uz zadani način korištenja hidroelektrane ovisi samo o veličini izgradnje. Povećanjem veličine izgradnje raste i moguća proizvodnja, ali to sporije što je veličina izgradnje veća (slika 4.34).
37
Slika 4.34: Ovisnost moguće proizvodnje W o veličini izgradnje Qi hidroelektrane Ako je potrebno to čnije odrediti moguću proizvodnju, može se upotrijebiti grafi čka metoda prikazana na slici 4.35.
Slika 4.35: Određivanje moguće proizvodnje hidroelektrane Ucrtavanjem krivulja H n = f (t ) i η = f (t ) u isti dijagram s krivuljom trajanja Q = f (t ) , te množenjem ordinata tih krivulja dobije se uz pomo ć izraza (4.52) krivulja P = f (t ) koja pretstavlja krivulju snage. Planimetriranjem površine ispod krivulje P = f (t ) dobije se moguća proizvodnja. Sada je moguće konstruirati krivulju W = f (Qi ) , prikazanu na slici 4.34, ali za svaku promjenu veličine izgradnje treba ponovno konstruirati krivulju H n = f (t ) i η = f (t ) . Pad i stupanj djelovanja obi čno su poznati u ovisnosti o protoku, dakle poznate su funkcije H n = f (Q ) i η = f (Q ) . Konstrukcijom prema slici 4.36 može se pomoću krivulje H n = f (Q) , a preko krivulje Q = f (t ) odrediti krivulja H n = f (t ) . Analognim postupkom može se konstruirati krivulja ovisnosti η = f (t ) .
38
Slika 4.36: Konstrukcija krivulje H n = f (t ) pomoću krivulje Q = f (t ) a prema krivulji H n = f (Q) Tako određena moguća proizvodnja predstavlja srednju mogu ću godišnju proizvodnju, tj. proizvodnju koja se može u prosjeku godišnje o čekivatgi u duljem nizu godina. Na isti na čin moguće je odrediti i mogu ću proizvodnju u pojedinim godinama, ako se ra čun provede prema krivuljama trajanja za pojedine godine, a ne prema krivuljama trajanja za niz godina. 4.4.4
EKONOMSKE KARAK TERISTIKE HIDROELEKTRA NE
Među ekonomske pokazatelje značajne za hidroelektrane ubrajaju se: troškovi izgradnje i proizvodna cijena električne energije. Pod troškovima izgradnje hidroelektrane razumijevaju se troškovi investicija za sve objekte od zahvata do odvoda, uključivši odštete za eventualno poplavljeno zemljište i domove, za premještanje cesta i sl. Ovisnost troškova izgradnje I o veličini izgradnje Qi može se aproksimativno prikazati pravcem: I = A + B1Qi
(4.63)
gdje su A i B1 konstante koje ovise o tipu hidroelektrane, o duljini dovoda i odvoda, o izvedbi i veli čini brane i ostalih dijelova postrojenja, te o padu. Omjer između troškova izgradnje i moguće godišnje proizvodnje:. iW =
A + B1Qi I = W W
(4.64)
naziva se specifičnim investicijama po jedinici energije (novčanih jedinica/kWh). Veličina iW daje neki uvid u ekonomičnost hidroelektrane, ali usporedba hidroelektrana samo s obzirom na tu veličinu može dovesti do krivih zaklju čaka.
39
Troškovi izgradnje hidroelektrane mogu se prikazati i u ovisnosti o instaliranoj snazi Pi . Tada su investicije odre đene izrazom: I = A + B ⋅ Pi
(4.65)
gdje je A ista konstanta kao u jednadžbi (4.63), a B je određeno izrazom B = B1 / kH n , u kojem je k konstanta iz jednadžbe za izračunavanja snage iz pada i protoka (60), a H n neto-pad. Specifične investicije po jedinici instalirane snage (n.j./kWh) dobiju se dijeljenjem izraza (4.65) s Pi : A +B Pi
iP =
(4.66)
Specifične investicije po jedinici instalirane snage s pove ćanjem instalirane snage postaju sve manje, pa usporedba hidroelektrane s obzirom na specifi čne investicije po jedinici snage nema smisla. To pogotovo vrijedi u slučaju relativno velikih veličina izgradnje, kod kojih njihovo povećanje donosi neznatno povećanje moguće proizvodnje, a znatno povećanje specifičnih investicija po jedinici energije. Proizvodna cijena energije u hidroelektrani proporcionalna je specifi čnim investicijama iW , jer su i troškovi proizvodnje proporcionalni investicijama. U hidroelektrani, naime, praktički nema troškova koji su ovisni o količini proizvedene električne energije, već su svi troškovi stalni, bez obzira na količinu energije koju elektrana proizvodi. Proizvodna cijena energije, dakle, jednaka je: c = 0
aI
(4.67)
W
gdje je a konstanta (npr. 0,10) s kojom treba množiti investicije da se dobiju godišnji troškovi (amortizacija, kamate na osnovna sredstva itd.), a W moguća proizvodnja hidroelektrane. Međutim, o prilikama u elektroenergetskom sustavu ovisi koliko će energije biti stvarno mogu će proizvesti u promatranoj hidroelektrani. Ako se s β ≤ 1 označi omjer između stvarne proizvodnje Ws i moguće proizvodnje W , proizvodna cijena energije će iznositi: c=
c0 aI = β βW
(4.68)
Omjer β nije za cijelo vrijeme rada hidroelektrane konstantan; on je obi čno najmanji neposredno nakon izgradnje elektrane, pa se pove ćava s povećanjem potrošnje u elektroenergetskom sustavu.
40
4.5 PRILAGO ĐAVANJE HIDROELEKTRANA OPTEREĆENJU U pogledu prilagođavanja opterećenja elektrana dijagramu opterećenja postoji znatna razlika između hidroelektrana i termoelektrana. Akumulacijske hidroelektrane s tlačnim dovodom mogu se prilagoditi promjenama opterećenja brzinom koja je jednaka brzini djelovanja regulatora turbine, a to praktički znači - momentano. Međutim, za trajanje povećanja opterećenja akumulacijske hidroelektrane s gravitacijskim dovodom nije dovoljno samo otvarati dovod vode pred turbinom, već treba otvarati i zaporne organe na ulazu. Da bi se dakle, postiglo pove ćanje opterećenja u hidroelektrani, potrebno je bar toliko vremena koliko treba da voda stigne od zahvata do turbine. To praktički vrijedi i za smanjenje opterećenja, ako se ne želi da do đe do preljeva na vodostanu. Granicu povećanja opterećenja u akumulacijskim hidroelektranama predstavlja maximalna snaga, koja ovisi o raspoloživom padu u promatranom momentu, a ne ovisi o dotoku u akumulacijski bazen. Koliko dugo može hidroelektrana raditi s maximalnom snagom, to ovisi o veličini izgradnje, o dotoku i o volumenu akumulacije, a koliko dugo treba, ako uop će treba, da hidroelektrana radi s maximalnom snagom, to ovisi o njezinoj ulozi u elektroenergetskom sustavu. U protočnoj hidroelektrani maximalna snaga određena je i dotokom i raspoloživim padom; turbinama se, naime, ne smije dovoditi više vode nego što dotje če, jer bi u tom slučaju gornji nivo vode pao, pa bi turbina ostala bez vode. Tehnički je, dakako, moguće i rad protočne hidroelektrane prilagoditi potrebama, ali svako odstupanje od snage koja odgovara dotoku dovodi do gubitaka vode. Ni u akumulacijskoj ni u proto čnoj hidroelektrani nema tehničkih poteškoća za obustavljanje i ponovno stavljanje u pogon. Ograni čenje brzine stavljanja u pogon, odnosno obveza propuštanja određenih količina vode, može biti posljedica obveza prema nizvodnim korisnicima.
4.6 PUMPNO-AKUMULACIJSK E HIDROELEKTRANE Pumpno-akumulacijske hidroelektrane su postrojenja koja za proizvodnju električne energije upotrebljavaju vodu pumpanjem akumuliranu u neki akumulacijski bazen (slika 4.37).
Slika 4.37: Shema pumpno-akumulacijskih hidroelektrana : 1 – donji bazen, 2 – gornji bazen, 3 – generator, 4 – turbina, 5 – crpka, 6 – cjevovod, 7 – zapornica, 8 – električna mreža 41
Razlikuju se pumpno-akumulacijske hidroelektrane s dnevnim i sa sezonskom akumuliranjem vode. U prvom slu čaju voda se pumpa preko noći, koristeći se za to energijom iz protočnih hidroelektrana ili iz termoelektrana s niskim specifi čnim troškovima za gorivo, da bi se akumulirana voda iskoristila u vrijeme maximalnog opterećenja tijekom dana (slika 4.38).
Slika 4.38: Shema pumpno-akumulacijske hidroelektrane U drugom slučaju, voda se pumpa u kišnim razdobljima godine kad se pojavljuju viškovi energije u hidroelektranama ili kad su ekonomi čne termoelektrane slabo iskorištene; akumulirana se voda koristi u sušnom periodu godine. Dnevno akumuliranje vode primjenjuju se u prvom redu u elektroenergetskim sustavima u kojima su dominantne se u razdobljima sustavima sa znatnim udjelom čnije hidroenergije pokrivanjetermoelektrane, opterećenja u jer sušnim može ekonomi riješiti većom instaliranom snagom hidroelektrana. Sezonske akumuliranje, pak, koriste se u svim elektroenergetskim sustavima. Izgradnja pumpnoakumulacijskih hidroelektrana može biti naro čito povoljna ako je visina pumpanja manja od pada na kojem se koristi akumulirana voda. Stupanj djelovanja pumpno-akumulacijske hidroelektrane, ako se pumpanje i korištenje vode vrši između istih nivoa, iznosi naime samo 50 - 60%, ovisno o padu. Pumpno-akumulacijske hidroelektrane vrlo su pogodne, osim toga kao rezerva u sustavu termoelektrana.
4.7 ELEKTRANE NA PLIMU I OSEKU Elektrane koje koriste energiju plime i oseke za pogon turbina predstavljaju posebnu vrstu hidroelektrana. Za energetsko iskorištavanje plime i oseke potrebno je odabrati pogodan zaljev ili ušće rijeke na obali na kojoj se javljaju velike plime iveliki oseke (7 – 12m), na kojem postoji mogu ćnost izgradnje brane iamplitude gdje je dovoljno akumulacijski bazen. Postrojenja s jednostrukim iskorištenjem. Najjednostavniji način korištenja energije plime i oseke postiže se sustavom jednog bazena i turbinama koje rade
42
samo u jednom smjeru strujanja. U slučaju prikazanom na slika 4.39 bazen se puni za vrijeme plime kroz zapornice, a prazni za vrijeme oseke kroz turbine.
Slika 4.39: Shema korištenja energije plime i oseke; sistem jednog bazena s turbinama koje iskorištavaju strujanje samo u jednom smjeru Razlika nivoa između bazena i morske površine energetski se koristi samo za vrijeme oseke. Umjesto toga mogao bi se puniti bazen za vrijeme plime prolazom vode kroz turbine, a prazniti ga za vrijeme oseke kroz zapornice, ali treba naglasiti da postoji izvjesna razlika izme đu mogu će proizvodnje za slu čaj energetskog korištenja razlike nivoa za vrijeme oseke i za vrijeme plime zbog toga što obale bazena nisu okomite, pa za slu čaj energetskog korištenja za vrijeme oseke uz istu količinu vode turbine rade kroz dulje vrijeme s ve ćim padom nego u slučaju korištenja za vrijeme plime. Razlikuju se četiri faze pogona (slika 4.40).
Slika 4.40: Način rada elektrane s jednim bazenom i jednosmjernom turbinom U prvoj fazi, za vrijeme plime, bazen se puni kroz zapornice. Nakon što je postignuta maksimalna razina u akumulacijskom bazenu, zapornice kroz izvjesno vrijeme održava se bazen pun (faza 2).zatvaraju U tre ćojsefazi pogonai stavljaju se u pogon turbine, voda kroz njih otječe iz bazena u more dok se ne postigne minimalni pad uz koji još mogu raditi turbine. Nakon toga pogon turbina
43
se obustavlja, zapornice još ostaju zatvorene dok se ne izjednači razina u bazenu s razinom mora, a onda ponovo po činje punjenje bazena. Postrojenja s dvostrukim iskorištenjem. Radi produljenja trajanja pogona i da bi se bolje iskoristila energija plime i oseke, može se korištenje protegnuti i za vrijeme plime i za vrijeme oseke. Takav pogon može se posti ći jednim bazenom, ali postavljanjem turbina koje mogu iskoristiti strujanje vode u oba smjera. U tom slučaju – pored toga što čini teškoće izgradnja turbina koje mogu koristiti vodu što protječe jedanput u jednom a drugi put u drugom smjeru - ne može se posti ći punjenje bazena do kota koje odgovaraju maksimumu plime, kao što je to moguće u slučaju jednostrukog korištenja, jer bi tada trebalo ranije prestati s pogonom turbina. Da bii kao se taagregat mana za dvostrukog turbina se upotrebljava istodobno pumpanje.korištenja U tom slsmanjila, čaju turbine počinju da rade kao pumpe u momentu kad je izjedna čena razina u bazenu s razinom mora (točka A na slika 4.41) i pumpaju dok se ne postigne unaprijed utvr đena razina, koja ne mora biti jednaka s maksimumom plime ili oseke.
Slika 4.41: Način rada elektrane s jednim bazenom, dvosmjernom turbinom i dvosmjernim pumpama Za vrijeme perioda pumpanja pumpa povisuje razinu u bazenu (A’ – B'), a za vrijeme pražnjenja snizuje razinu u bazenu (A”- B”). Za takav pogon potrebni su agregati koji mogu raditi i kao dvosmjerne turbine i kao dvosmjerne pumpe. Pumpanje u bazen moguće je primijeniti i u slu čaju jednostrukog korištenja (vidi sliku 4.40). U tom slučaju s pumpanjem se po činje kad razina u bazenu postigne najveću mogu ću kotu s obzirom na razinu mora. Korištenje agregata za pumpanje donosi energetske koristi, jer se pumpanje vrši pri malim razlikama razina, a tako akumulirana voda koristi se na većem padu, odnosno, pumpanjem na maloj visini postiže se sniženje razine u bazenu, pa se i na taj na čin povećava pad korištenja vode. Pri jednostrukom korištenju moguće je skratiti obustavu proizvodnje energije time što se izgrade dva postrojenja – koja mogu biti i jedno od drugog udaljena, ali
44
rade u istoj mreži – od kojih jedno radi za vrijeme plime, a drugo za vrijeme oseke. Kakav god sistem za korištenje energije plime i oseke odabrali, ne će biti moguće postići proizvodnju s konstantnom snagom i bez prekida pogona, što ukazuje na to da su za zadovoljenje potreba potroša ča pored takvih elektrana potrebne još i dopunske elektrane. To se može posti ći bez poteškoća uključivanjem elektrana koje koriste plimu i oseku u veliki elektroenergetski sistem čija je snaga nekoliko puta veća od snage tih elektrana. Moguća proizvodnja energije u elektranama koje kao pogonsko sredstvo koriste plimu i oseku proporcionalna je površini bazena koji se dobiva izgradnjom brane i kvadratu amplitude plime. S druge strane, najve ći dio troškova za izgradnju takve č
ć
elektrane otpada nanabranu. a je, dakle, na obalama kojimaEkonomi je mogućna e sizgradnja relativno takvih malim elektrana sredstvimamogu pregraditi zaliv ili uvalu dovoljno velike površine. Prvo samo takvo postrojenje, u kojem se iskorištava energija plime i oseke izgrađeno je u ušću rijeke La Rance kod St. Maloa u Francuskoj (slika 4.42).
Slika 4.42: Elektrana za iskorištavanje plime i oseke La Rance kod St. Maloa Najveća amplituda plime na mjestu brane La Rance iznosi 11,1 m. Postavljeno je 38 agregata po 9000 kW, a godišnja porizvodnja iznosi 590 GWh. Turbine su izrađene za dva smjera strujanja vode, a mogu raditi i kao pumpe također za dva smjera strujanja. Turbine mogu raditi s padovima od 11 do 5,5 m i koristiti protok od 100-270 m3/s svaka, broj okretaja je 88,2/min. Maksimalna visina dizanja – za vrijeme pumpanja – iznosi 6 m.
45
SADRŽAJ 5. TERMOELEKTRANE........................................................................................ 2 5.1 UVOD................................................................................................................. 2 5.2 PARNE TERMOELEKTRANE ........................................................................... 2 5.2.1 PARNI KOTAO (GENERATOR PARE) ............................................................. 3 5.2.1.1 Osnovni sklopovi parnog kotla....................................................................... 3 5.2.1.2 Tlačni dio parnog kotla .................................................................................. 5 5.2.1.3 Pomoćni uređaji, nosiva konstrukcija i ozid parnog kotla.............................. 6 5.2.1.4 Postrojenja ili uređaji izvan parnog kotla....................................................... 7 5.2.1.5 Izvedbe parnih kotlova..................................................................................... 7 5.2.1.6 Plamenocijevni kotao..................................................................................... 7 5.2.1.7 Vodocijevni kotao .......................................................................................... 8 5.2.1.8 Gorivo .......................................................................................................... 10 5.2.1.9 Izgaranje u ložištu........................................................................................ 11 5.2.1.10 Tipovi ložišta i na čini izgaranja goriva u ložištu........................................... 12 5.2.1.11 Voda za parne kotlove................................................................................. 17 5.2.1.12 Priprema vode za parne kotlove.................................................................. 18 5.2.2 PARNE TURBINE............................................................................................ 20 5.2.2.1 Podjela parnih turbina.................................................................................. 20 5.2.2.2 Akcijske i reakcijske aksijalne turbine ......................................................... 21 5.2.2.3 Radijalne parne turbine ............................................................................... 25 5.2.2.4 Kondenzacijske i protutlačne parne turbine, turbine s oduzimanjem pare 26 5.2.2.5 Izvedbe parnih turbina................................................................................. 29 5.2.3 KONDENZATOR PARNE TURBINE............................................................... 31 5.2.4 SPOJ KOTLOVA S TURBINAMA.................................................................... 32 5.2.5 GENERATORI (TURBOGENERATORI)......................................................... 34 5.3 FAKTORI KOJI OGRANIČAVAJU VELIČINU INSTALIRANE SNAGE PARNE TERMOELEKTRANE....................................................................................... 34 5.4 KONDENZACIJSKE TERMOELEKTRANE..................................................... 35 5.4.1 STUPANJ DJELOVANJA KONDENZACIJSKE TERMOELEKTRANE........... 36 5.4.2 FAKTORI KOJI UTJEČU NA STUPANJ DJELOVANJA PARNE TERMOELEKTRANE....................................................................................... 38 5.4.3 OSNOVNA ENERGETSKA KARAKTERISTIKA I POTROŠNJA TOPLINE TERMOELEKTRANE....................................................................................... 42 5.4.4 TROŠKOVI IZGRADNJE I POGONA TERMOELEKTRANE.......................... 47 5.4.5 KOMBINIRANA PROIZVODNJA PARE I ELEKTRIČNE ENERGIJE............. 49 5.4.6 PRILAGOĐAVANJE PARNIH TERMOELEKTRANA OPTEREĆENJU.......... 53 5.4.7 TERMOELEKTRANE S PLINSKIM TURBINAMA........................................... 55 5.4.7.1 Stupanj djelovanja elektrana s plinskim turbinama ..................................... 56 5.4.7.2 Zatvoreni proces u postrojenju s plinskom turbinom................................... 60 5.4.8 PREDNOSTI I NEDOSTACI ELEKTRANA S PLINSKIM TURBINAMA ......... 60
1
5. TERMOELEKTRANE 5.1 UVOD čku Termoelektranama se nazivaju postrojenja u kojima se toplina pretvara u mehani energiju, a ova u električnu, bez obzira na to da li se koristi toplina dobivena čkih izvora ili toplina dobivena izgaranjem fosilnih i drugih goriva, toplina geotermi nuklearnom fisijom. Termoelektrane mogu se podijeliti prema vrsti pogonskih činu strojeva, prema načinu korištenja pare, prema upotrijebljenom gorivu i prema na hlađenja kondenzatora. Prema vrsti upotrijebljenih strojeva, razlikujemo: parne termoelektrane u kojima gorivo izgara u parnim kotlovima, a pogonski je stroj parna turbina; termoelektrane s plinskim turbinama u kojima je pogonski stroj plinska turbina; dizelske termoelektrane s dizelskim motorom kao pogonskim strojem; nuklearne termoelektrane u kojima nuklearni reaktor (s izmjenjivačem topline ili bez njega) preuzima ulogu parnog kotla, a pogonski je stroj također parna turbina; geotermičke termoelektrane u njima se ča topline) upotrebljava za para iz zemlje neposredno ili posredno (preko izmjenjiva pogon parne turbine. Termoelektrane u kojima se kao pogonski stroj upotrebljavaju parne turbine, možemo podijeliti na kondenzacijske termoelektrane i na termoelektrane za kombiniranu proizvodnju električne energije i pare (toplane i industrijske termoelektrane). čnu energiju, a u toplanama i Kondenzacijske termoelektrane proizvode samo elektri industrijskim termoelektranama pored električne energije proizvodi se para (a posredno vrela voda) koja se upotrebljava za tehnološke procese i grijanje. I s čne energije i plinskim turbinama može se ostvariti kombinirana proizvodnja elektri pare. U parnim termoelektranama mogu se koristiti čvrsta, tekuća i plinovita goriva, u termoelektranama s plinskim turbinama tekuća i plinovita, a u dizelskim termoelektranama samo tekuća goriva. S obzirom na hlađenje (u kondenzatoru parne turbine, u hladionicima postrojenja s plinskim turbinama i dizelskim motorima) razlikuju se termoelektrane s proto čnim hlađenjem i termoelektrane s povratnim hlađenjem.
5.2 PARNE TERMOELEKTRANE Svi glavni dijelovi parne termoelektrane smješteni su u glavnoj pogonskoj zgradi. Raspored unutar zgrade ovisi o tipu kotla, duljini turboagregata, kvaliteti ugljena, zahtijevu u pogledu mogućeg proširenja itd. U zgradi elektrane smješteni su bunkeri či, isparivači, otplinjači ugljena, kotlovi, turboagregati, priprema vode (zagrija rezervoari pojne vode) i pumpe za napajanje, rasklopno postrojenje vlastitog potroška i, konačno, toplinska i električna komanda. U neposrednoj blizini glavne pogonske zgrade smješteni su uređaji za transport goriva i pepela i deponij pepela. Način istovara i transporta, te izvedba uređaja ovisni su o vrsti goriva, na činu dopreme goriva i o svojstvima goriva. U postrojenja termoelektrane spadaju i postrojenja za dobavu vode (pumpne stanice) te dovod i odvod vode. Ako je predviđeno povratno hlađenje, uz glavnu pogonsku zgradu smješteni su hladnjaci (tornjevi za hlađenje). Rasklopno postrojenje može se smjestiti u glavnu pogonsku 2
zgradu ako se radi o termoelektrani manje snage iz koje se energija može razvesti vodovima napona do 35 kV, ali ako je za prijenos potreban napon 110 kV ili viši, rasklopno postrojenje se izvodi na otvorenom, obično tik uz glavnu pogonsku zgradu. Uz glavnu pogonsku zgradu postoje tako đer radionice za održavanje i sitnije popravke, te upravna zgrada. U parnoj termoelektrani ista se voda isparava u kotlu, nakon ekspanzije u turbini kondenzira u kondenzatoru i vraća u kotao gdje se ponovo ispari. Voda, dakle, prolazi kroz zatvoreni proces (sl. 5.1).
Slika 5.1: Shematski prikaz procesa u parnoj termoelektrani. Oznake A, A' , B, B ' , itd. u ovoj i nekim slijedećim slikama odgovaraju oznakama na h s dijagramima koji slijede ća u kotao, Proces se može smatrati zatvorenim i kada se kondenzirana voda ne vra ili se ne vraća sva, jer se izgubljena voda ohlađuje na temperaturu okoline, a tu istu
temperaturu ima i voda kojom se nadoknađuje gubitak.
5.2.1 PARNI KOTAO (GENERATOR PARE) Parni kotao (generator pare) dio je energetskog, industrijskog ili toplinskog postrojenja u kojemu se toplina oslobođena izgaranjem goriva predaje vodi, te je đeni tlak i temperaturu. pretvara u vodenu paru koja na izlazu iz parnog kotla ima odre Riječ je, dakle, o izmjenjivaču topline koji je u početku razvitka bio grijana posuda djelomično napunjena vodom, pa odatle potječe naziv parni kotao. Danas se sve više upotrebljava ispravniji naziv: generator pare. Osnovne karakteristike parnog kotla dane su s tri glavna parametra koji se pokušavaju normirati, odnosno uklopiti u određene granice. Ti su parametri: učin (kapacitet) D parnog kotla u kg/s ili kg/h, tlak p parnog kotla u Pa ili bar i temperatura pregrijane paret pr u °C ili K. Osim tih veličina bitna je karakteristika korisnost parnog kotla ηgp . 5.2.1.1 Osnovni sklo povi parnog kotl a Principijelna shema parnog kotla prikazana je na slici 5.2.
3
Slika 5.2: Osnovna shema parnog kotla Para proizvedena u kotlu odvodi se do potrošača, npr. u parnu turbinu, preko odvodnog ventila. Dovodni uređaj na turbini pruža otpor strujanju pare i tako se podesi da kroz njega struji potrebna količina pare koja je primjerena snazi što je razvija parna turbina. Tlak pare održatće se na konstantnoj vrijednosti samo ako je proizvodnja pare u kotlu upravo jednaka količini pare koja iz njega izlazi. Da bi tlak ponovo porastao, treba povećati isparavanje u kotlu, a to je moguće samo ako se poveća dovođenje topline, odnosno dovod goriva. Isparavanjem i odvođenjem pare smanjuje se količina vode u kotlu, pa se mora povremeno ili konstantno kotao napajati novom vodom. Napajanje se regulira tako da se razinapomo vode kotlu održava u odre se posuda. vode u kotlu ću uvodokaznog nadzire stakla kojeđenim djelujegranicama. na principuRazina spojenih Cijev čilo za napajanje dovodi vodu u kotao ili u razini ili iznad razine vode, da bi se sprije njezino otjecanje iz kotla ako zakaže sustav za napajanje. Ako bi, naime, kotao ostao bez vode, oštetile bi se njegove stijenke zbog njihova porasta temperature, jer ih đuje se povratni voda više ne hladi. S istom svrhom u dovod za napajanje kotla ugra ventil koji sprečava istjecanje vode iz kotla. Sigurnosni ventil služi za ispuštanje pare iz kotla u okoliš ako tlak premaši određenu granicu. Taj ventil mora biti tako dimenzioniran da može propustiti i maksimalnu količinu pare što ju može proizvesti kotao. Na dnu kotla postavlja se ventil za odmuljivanje, jer voda u kotao donosi nečistoće, najčešće soli otopljene u vodi, koje se skupljaju na dnu jer ih para ne nosi sa sobom. Taj se ventil povremeno otvara da se ispusti sakupljeni mulj kako bi gustoća vode u kotlu ostala u dopuštenim granicama. U parnim se kotlovima razlikuju četiri vrste ogrjevnih površina: ogrjevna površina isparavanja, pregrijač pare, zagrijač vode i zagrijač zraka. Ogrjevna površina isparavanja nalazi se u području najviših temperatura plinova izgaranja. Pregrijač pare smješten je neposredno uz ogrjevne površine isparivanja, pa se para pregrijava plinovima kojično su ohla već đdio ogrjevne površine isparivanja.izgaranja Već djelomi eni topline plinovi predali dodirujuvodi se preko s ogrjevnim površinama zagrijača vode u kojemu se voda zagrijava prije ulaska u prostor isparivanja. Konačno, plinovi izgaranja prolaze kroz zagrijač zraka u kojemu se prije ulaska u ložište zagrijava zrak potreban za izgaranje goriva. 4
Pema tome, parni se kotao sastoji od slijedećih triju osnovnih skupina dijelova i opreme: a) ložišta, tj. prostora za izgaranje goriva s potrebnom opremom za pretvorbu kemijske energije goriva u unutarnju energiju dimnih plinova; b) sklopova izmjenjivača topline, odnosno ogrjevnih površina na kojima se unutarnja či vode, isparivači energija dimnih plinova prenosi na vodu i vodenu paru (zagrija vode, pregrijači pare i zagrijači zraka ); c) pomoćnih uređaja koji čine sklop strojeva i opreme potrebnih za proizvodnju vodene pare, odnosno potrebnih za rad parnog kotla kao pogonske cjeline. Osnovni dijelovi parnog kotla su: 1) Prostor za izgaranje goriva (ložišna komora) parnog kotla sa svim ure đajima za i zraka i odvod(tla dimnih ča topline čni dioplinova; 2) dovod Sustavgoriva izmjenjiva parnog kotla i zagrijač zraka); 2.1) isparivač; 2.2) pregrijač pare; 2.3) zagrijač vode (predisparivač); 2.4) zagrijač zraka; 3) Pomoćni uređaji u parnom kotlu; 3.1) armatura parnog kotla (fina i gruba); 3.2) nosiva čelična konstrukcija; 3.3) ozid i izolacija; 4) Postrojenja ili uređaji izvan parnog kotla; 4.1) postrojenje ili uređaji za dovod goriva do parnog kotla; 4.2) postrojenje ili uređaji za pripremu vode; 4.3) postrojenje ili uređaji za napajanje vodom; 4.4) postrojenje ili uređaji za opskrbu zrakom; 4.5) postrojenje ili uređaji za odvod i čišćenje dimnih plinova; 4.6) postrojenje ili uređaji za odvod pepela i troske; 4.7) postrojenje ili uređaji instrumentacije, regulacije i automatike. 5.2.1.2
Tla čni dio parnog kotla
U tlačni dio parnog kotla dovodi se pojna voda pod tlakom mnogo višim od atmosferskoga. Tu se voda zagrijava, predisparuje i isparuje, a proizvedena se čni dio obuhvaća vodena para pregrijava na zahtijevanu temperaturu. Prema tome, tla sve ogrjevne površine izmjenjivača topline (zagrijači, predisparivači i isparivači vode, te pregrijači pare), spojne cjevovode, komore i bubanj parnog kotla (ako je kotao s prirodnim optokom vode). Ogrjevna površina isparivača vode osnovni je dio parnog kotla. Ta je površina s jedne strane u dodiru s dimnim plinovima, a s druge strane s vodom i mješavinom đen, vode i vodene pare. Najniži i najviši vodostaj u parnom kotlu mora biti jasno odre jer je to oznaka stanja vode i pare u kotlu. Time se sprječava izravni dodir dimnih ča koji nisu s druge plinova visoke temperature s ogrjevnim površinama ispariva strane hlađene mješavinom vode i vodene pare. Ogrjevne površine pregrijača pare. Pregrijač pare sklop je ogrjevnih površina izmjenjivača topline u kojemu se pregrijava zasićena vodena para do odre đene temperature pregrijavanja. U pregrijaču se, osim toga, suši para koja na ulazu u pregrijač sadrži određeni postotak vodenih čestica (1 – 5 %). Ogrjevne površine pregrijača pare izrađuju se u obliku snopova čeličnih bešavnih cijevi, prema potrebi i
5
od legiranog čelika, smještenih u ložištu ili u vodovima dimnih plinova. Suvremeni ča veliki parni kotlovi visokog pregrijavanja pare imaju ogrjevne površine pregrija čenjem prenosi od dimnih podijeljene na više dijelova. Toplina se konvekcijom i zra ča. plinova na vodenu paru koja struji u cijevima pregrija Ogrjevne površine zagrijača i predisparivača vode. Zagrijač, odnosno predisparivač vode, sklop je ogrjevnih površina izmjenjivača topline u kojem se voda zagrijava ili djelomično predisparuje. Ogrjevne površine zagrijača vode za niže pogonske tlakove (4 – 5 MPa) izra đene su često od rebrastih ljevanih cijevi, a za visoke tlakove od čeličnih bešavnih cijevi savijenih poput zmija. Temperatura zagrijavanja vode u zagrijačima niža je od 25 – 50 °C od temperature zasićene pare. Često se u č
zagrija u voda zagrijava i do temperature isparivanja, a može se i predispariti do 25%. Ogrjevne površine zagrijača zraka za izgaranje mogu biti u obliku limenih pločastih zagrijača, cijevnih zagrijača, lijevanih rebrastih cijevi ili su specijalne izvedbe
(Ljungström). Zrakom, koji se zagrijava prijenosom topline od dimnih plinova, suši se i zagrijava gorivo i stvaraju povoljniji uvjeti izgaranja (povišenje temperature izgaranja) u ložištu parnog kotla. Pomo ćni ure đaji, nosiva konstrukcija i ozid parnog kotla
5.2.1.3
Dio pomoćnih uređaja smješten je u parnom kotlu, kao na primjer gruba i fina armatura, a uređaji koji služe za dovod vode, goriva i zraka, ure đaji za odvod dimnih plinova, pepela i troske, te uređaji za regulaciju i automatizaciju pogona nalaze se izvan kotla. Armatura parnog kotla dijeli se na finu i grubu.Gruba armatura obuhvaća pomoćne uređaje ložišta, kontrolna vrata, zaklopke, otvore za nadgledanje, itd. Fina armatura ć
đ
obuhva a dijelove bitne za sigurnost pogona i rada kotla, a to su: zaporni vodokazni ureaji, vodokazna stakla, probni pipci, manometri i termometri, sigurnosni, i povratni (napojni) ventili, glavni parni ventil, odzračni ventili, ventili za puštanje u pogon, ventili za pražnjenje, te senzori instrumenata i uređaja za regulaciju i automatiku. čelična konstrukcija parnog kotla povezuje njegove pojedine dijelove u jedinstvenu cjelinu i preuzima opterećenja što nastaju ugradnjom svih dijelova parnog kotla (ložište sa svojim uređajima, ogrjevne površine izmjenjivača topline kao što su isparivač vode, pregrijač pare, zagrijač vode, armatura i ostali dijelovi).
Nosiva
Ozid i izolacija parnog kotla sprečavaju prodor vanjskog zraka u ložište i kanale kotla,
te osiguravaju minimalne toplinske gubitke. Normalna izolacija je ozid sastavljen od vatrostalnih (šamotnih) opeka, normalnih i fazonskih oblika, te vatrostalnih (šamotnih) svodova. Izme đu sloja vatrostalne opeke i vanjskog ozida od strojne gra đevne opeke često se nalazi izolacijski međusloj.
6
5.2.1.4
Postrojenj a ili ure đaji izvan parnog kotla
Postrojenje za pripremu napojne vodesluži za termičku i kemijsku pripremu vode. U kemijskoj pripremi vode odstrane se štetne tvari kao što su soli, anorganske i organske kiseline, mehaničke nečistoće itd. U termičkoj pripremi vode predgrijava se napojna voda u predgrijačima (visoko- i niskotlačni pregrijači vode) i otplinjuju se iz vode štetni plinovi (O2 i CO2 ). Uređaji za napajanje parnog kotlasastoje se od napojnih pumpi, napojnih cjevovoda,
sigurnosne i pogonske armature, te zavješenja cjevovoda. đ ć Postrojenje transport i pripremu sastoji se odprema niza transportnih aja, ve prema vrsti za goriva (čvrsto, tekuće iligoriva plinovito gorivo), zahtjevimaure za sigurnost
pogona (potrebne rezerve goriva) i prema konkretnim smještajnim uvjetima parnog kotla, njegovih pomoćnih uređaja i čitavog termoenergetskog postrojenja. Uređaji za čišćenje dimnih plinova (filtri) rade na osnovi mehaničkog odvajanja čestica pepela i balanstnih tvari, tj. djelovanjem centrifugalne sile na čestice pepela u čkih sila. Ti se dimnim plinovima, ili kao elektrofiltri na osnovi djelovanja elektrostati uređaji mogu razvrstati na četiri skupine: mehanički suhi filtri, mehanički vlažni filtri,
elektrosuhi i elektrovlažni filtri. Uređaji za odvod troske i pepela odstranjuju iz ložišta parnog kotla trosku, pepeo i ostale balastne tvari. Ti uređaji mogu biti mehanički, hidraulički ili pneumatski. Oprema za instrumentalizaciju, regulaciju i automatiku parnog kotla Za ispravan rad i pogon parnog kotla ugrađuje se oprema i uređaji koji trebaju
uskladiti dovedenu energiju goriva s potrebnom toplinskom energijom koju proizvodi parni kotao, da usklade omjere goriva i zraka kako bi izgaranje u ložištu bilo najpovoljnije, da održavaju u svim pogonskim uvjetima konstantni tlak u ložištu (podtlak ili pretlak), da održavaju konstantnu temperaturu pregrijanja pare i da održavaju napajanje kotla vodom. 5.2.1.5
Izvedbe parn ih kot lov a
Osnovna razlika u izvedbi parnih kotlova sastoji se u načinu prolaza plinova izgaranja kroz kotao, tj. da li plinovi prolaze kroz cijevi okružene vodom ili oko cijevi u kojima je voda. Prema tome, postoje sljedeće osnovne konstrukcije parnih kotlova: plamenocijevni kotlovi, gdje plinovi izgaranja struje kroz cijevi oko kojih je voda, vodocijevni kotlovi, gdje plinovi izgaranja struje oko cijevi u kojima je voda, i kombinirani kotlovi, gdje plinovi prolaze dijelom kroz plamene cijevi, a dijelom oko cijevi ispunjenih vodom. 5.2.1.6
Plamenoci jevni kotao č
Plamenocijevni kotao sastojinalazi se odjedna cilindri nog bubnja vodom, kojemu se paralelno s osi cilindra (sl. 5.3), dvijenapunjenog ili tri plamene cijeviuvelikog promjera i valovitog uzdužnog presjeka, tzv.plamenice.
7
Slika 5.3: Udužni presjek kroz plamenocijevni kotao Rešetka ložišta ugrađena je u plamenicu, a plinovi izgaranja predaju toplinu vodi kroz stijenke plamenice. Kad je potrebna pregrijana para, plinovi izgaranja odlaze iz čnog plamenice u pregrijač pare i zagrijavaju cijevi kroz koje struji para iz cilindri bubnja. Prije nego se ispuste u atmosferu, plinovi izgaranja dovode se u dodir s ogrjevnom površinom zagrijača zraka. Da bi se povećala ogrjevna površina isparivanja, dio plamenice velikog promjera zamjenjuje se s više plamenih cijevi malog promjera kroz koje struje plinovi izgaranja. 5.2.1.7
Vodocijevn i kotao
Nastojanja da se povećaju ogrjevne površine, a time i učin kotla, dovela su do različitih konstrukcija vodocijevnih kotlova. Prvi su se razvili sekcijski kotlovi, u kojima voda isparuje u koso položenim cijevima (sl. 5.4).
Slika 5.4: Skica sekcijskoga vodocijevnog kotla 8
Voda iz bubnja dotječe u niže postavljene sekcije iz kojih izlazi po jedan red koso položenih ravnih cijevi. U cijevima voda isparuje i prirodnim se uzgonom smjesa vode i pare diže prema više postavljenim sekcijama i zatim struji u bubanj. Iz gornjeg dijela bubnja odvodi se praktički suha para u pregrijač pare. Obično se svi vodocijevni kotlovi koji nemaju sekcije nazivaju strmocijevnim kotlovima koji imaju dva ili više bubnjeva (sl. 5.5) i razli čit raspored cijevi za će ogrjevne površine. isparivanje da bi se postiglo što povoljnije strujanje vode i što ve
Slika 5.5: Skica strmocijevnog kotla s tri bubnja U takvim su kotlovima cijevi zakrivljene, a njihovi krajevi uvaljani u stijenke bubnjeva. Prijelazom na sve više tlakove, toplina isparivanja postaje sve manja prema ukupnoj toplini što se u kotlu predaje vodi i pari, pa se smanjuje i potrebna ogrjevna površina đe isparivanja, te se može čitava izvesti u obliku jednog reda cijevi smještenih uz zi komore izgaranja (sl. 5.6).
Slika 5.6: Skica radijacijskog kotla. a – komora izgaranja, b – pregrija č pare, c – međupregrijač pare, d – zagrijač vode, e – zagrijač zraka 9
Takav se kotao zove radijacijski kotao, a stijenke ložišta kotla, koje su ujedno i ogrjevne površine isparivanja jer imaju ugrađene cijevi za isparivanje, zovu se membranske stijenke. đu njihovih gustoća, Prirodno strujanje vode i pare u kotlu nastaje zbog razlike izme što se postiže prikladnim rasporedom ogrjevnih površina. U kotlovima s prisilnim strujanjem voda iz bubnja dotje če u cirkulacijsku pumpu koja vodu tlači kroz sustav cijevi za isparivanje ponovo do bubnja gdje se odjeljuje para od vode. Para prirodnim uzgonom odlazi u pregrija č, a voda se vra ća u cirkulacijsku pumpu. Danas se u termoelektranama upotrebljavaju samo radijacijski kotlovi, i to s prirodnim strujanjem za niže tlakove, a za više tlakove kotlovi s prisilnim strujanjem i proto čni kotlovi. 5.2.1.8
Gorivo
Za parne kotlove upotrebljavaju se prirodna, oplemenjena ili umjetna goriva koja pri normalnoj temperaturi mogu biti učvrstom, tekućem ili plinovitom stanju. Sva se ta goriva međusobno razlikuju prema ogrjevnoj moći i prema karakteristikama izgaranja. čite vrste Prirodna goriva dobivaju se neposredno iz prirodnih nalazišta, kao npr. razli ugljena, lignit, sirova nafta, zemni plin itd. Razli čitim postupcima mogu se iz prirodnih goriva odstraniti štetni sastojci i primjese, pa se tako dobiju oplemenjena goriva. đenih tehnoloških Umjetna goriva su bilo primarni proizvod, bilo nusproizvod odre procesa, kao npr. koks, sintetska tekuća goriva, generatorski plin, itd. Ogrjevna mo ć goriva je količina topline koju odaje jedinica mase ili volumena goriva potpunim izgaranjem pod normalnim uvjetima. Začvrsta i tekuća goriva izražava se u J/kg, a za plinovita goriva u J/m3. Ogrjevna moć mnogo ovisi o sastavu goriva i uvjetima izgaranja, pa za istu vrstu goriva može varirati u širokim granicama. U parnom kotlu sva voda i vlaga sadržana u gorivu ispari i nekondenzirana odlazi s dimnim plinovima čuna s donjom ogrjevnom moći u atmosferu. Zato se za goriva parnih kotlova uvjek ra goriva H d , za razliku od gornje ogrjevne moći H g , koja je nešto veća jer uključuje i toplinu oslobođenu kondenzacijom vodene pare. Najvažnija karakteristika izgaranja goriva su zapaljivost, brzina izgaranja, temperatura i svjetlosna jakost plamena. Način izvedbe ložišta kotla ovisi o ogrjevnoj moći i karakteristikama izgaranja goriva, pa se i konstrukcija kotla mora prilagoditi tim svojstvima goriva. Čvrsta goriva
Najvažnija čvrsta goriva za parne kotlove su ugljen i lignit, ali se ponegdje kao gorivo upotrebljava i treset, a u posljednje vrijeme industrijski i gradski otpad. Ugljen. Osnovni sastav svih vrsta ugljena je čista goriva tvar i suvišne tvari. Iz rudnika se dobiva ugljen koji sadrži vlagu i pepeo kao balastne tvari. Sušenjem ugljena na normalnoj temperaturi od 15 – 25°C i grijanjem na temperaturi od 106 ±2 °C dobiva se suhi ugljen. Za parne se kotlove u svakodnevnoj primjeni ugljen potpuno ne suši, nego samo do nekog određenog postotka vlage. Otklone li se iz ugljena suvišne tvari, tj. pepeo i voda, ostane čista goriva tvar. Kameni ugljen. Sadrži malo vlage, sadržaj pepela mu je različit u širokim granicama, a potječe iz starijih geoloških formacija. Prema plinovitom sadržaju razlikuju se
podskupine kamenog ugljena: a) plinski ugljen s plinovitim sadržajem od 35 – 50 %; b) masni (srednji) ili koksni ugljen s plinovitim sadržajem od 19 – 35 %; 10
c) mršavi ugljen s plinovitim sadržajem od 10 – 19 %. Mrki ugljen. Ima različit sadržaj vlage i pepela, a potječe iz novijih tercijarnih
geoloških formacija. Plinoviti mu je sadržaj 50 – 60 %, mrke je strukture i sjajne površine loma. đa je vrsta ugljena s 50 – 70 % Lignit. Ima veliki sadržaj vlage i pepela. Najmla plinovita sadržaja i s vlaknastom drvenom strukturom. Otpadna goriva . U posljednje se vrijeme kao goriva za parne kotlove svečešće upotrebljavaju otpadne tvari, a osobito gradski otpad. Glavni razlog tome je zaštita čovjekova okoliša od onečišćenja, ali nakon velikih poskupljenja nafte i ekonomski faktor postao je važan. Ogrjevna mo ć H d otpadnih goriva ovisi o mnogo faktora, a iznosi 3,3 – 6,3 MJ/kg. Na osnovi ispitivanja izgaranja otpadnih goriva postavljene su osnovne graniceulja kojeilisastav gorivaplina. moraTe zadovoljiti da sadržaj bi ona mogla bez dodatka loživog nekog tih gorivog su granice vlagemVizgarati ≤ 50 %, sadržaj pepela mA ≤ 60 % i sadržaj gorive tvari mG ≥ 25 %. Teku ća goriva
Tekuća prirodna goriva dobivaju se frakcijskim destilacijama zemnog ulja i iz uljnih škriljavaca, a tekuća umjetna goriva preradbom ugljena. Teške frakcije dobivene destilacijom zemnog ulja, tj. ulja za loženje ili mazuti, upotrebljavaju se danas kao četno) loženje parnog kotla osnovno gorivo u parnim kotlovima. Za inicijalno (po upotrebljavajau se dizelska goriva i ostala laka goriva. Plinovita goriva
Plin je idealno gorivo za parne kotlove, jer se vrlo lako dovede plinovodom do parnog kotla, plinovito gorivo ima visoku ogrjevnu moć, lako se stvara dobra mješavina plina i zraka za izgaranje uz gotovo teorijski preti čak zraka, uređaji za izgaranje (plinski gorionici) vrlo su jednostavni, izgaranje je potpuno, a temperature izgaranja su visoke, te plinovito gorivo ne sadrži suvišnih tvari. Zemni plin ima 85 – 98 % metana (CH4), ~ 5 % teških ugljikovodika C xHy i donju ogrjevnu moć ~ 36.000 kJ/m3. Plin iz naftonosnih izvora ima visoku ogrjevnu moć od ~ 55.000 kJ/ m 3, jer sadrži ve ći udio ći, teških ugljikovodika. Postoji mnogo umjetnih plinovitih goriva, npr. plin visokih pe koksni plin, generatorski plin, vodeni plin i različite vrste plinova dobivenih rasplinjavanjem ugljena. 5.2.1.9
Izgaranje u ložiš tu
Fizikalni uvjeti izgaranja
Za vrijeme izgaranja u ložištu parnog kotla gorivo prolazi krozčetiri faze: sušenje, isplinjavanje, rasplinjavanje i izgaranje čvrstog ugljika i plinovitih sastojaka. Kad gorivo sadrži visok postotak vlage, za sušenje je potreban velik volumen ložišta. Zato se lignit i ostala otpadna biljna goriva suše ili prije unošenja u kotao ili u kotlu zračenjem topline u komori izgaranja. Nakon sušenja gorivo isplinjuje i pri tom djelovanjem topline lakohlapljivi ugljikovodici prelaze u plinovito stanje. Za rasplinjavanje i izgaranje čvrstog ugljika mora se dovoditi dovoljna količina zraka. Da se u što kraćem vremenu osigura potpuno raslinjavanje i izgaranječvrstih dijelova goriva, treba postići veliku razliku između brzine strujanja zraka i čestica goriva. U završnoj, četvrtoj fazi, izgaraju plinovi nastali isplinjavanjem i rasplinjavanjem. To je 11
posljedica snažnog vrtloženja smjese plinova i zraka, pobu đenog plamenom. Da bi čin se pojačalo vrtloženje, izvode se posebne konstrukcije ili se na poseban na dodaje zrak. Ako gorivo sadrži veću količinu hlapljivih sastojaka, korisno je dovoditi u ložište dodatne količine zraka (sekundarni zrak). Sadržaj pepela također utječe na proces izgaranja. Njegovi sastojci dobro pomiješani s gorivima mogu znatno ometati đaji za odvođenje kemijske reakcije. Pri visokom postotku pepela potrebni su ure pepela i troske iz ložišta. 5.2.1.10 Tipov i ložiš ta i na čini izgaranja goriva u ložištu
Tip ložišta ovisi o karakteristikama goriva koje će se upotrebljavati za loženje parnog ć
č
č
č
kotla. Te su vlage karakteristike: ogrjevna mo goriva, veli ina koli estica vrstogi čina plinovitih čina (zrnatost) goriva, udio u gorivu, koli saastojaka, i sastav pepela suvišnih tvari, temperatura paljenja i sposobnost brze ili spore reakcije pri izgaranju. čitih Zbog velikih razlika u osnovnim karakteristikama goriva razvilo se mnogo razli tipova ložišta. Konstrukcija ložišta treba osigurati slijedeće: izgaranje goriva treba biti potpuno i pravilno; pripremu i izgaranje goriva treba posti ći sa što manje utroška energije za pogon strojeva u sklopu ložišta; izgaranje treba da se odvija sa što manjim pretečkom zraka; ložište treba da zauzme što manji prostor i da bude izgrađeno sa što manjim utroškom materijala; ako se korističvrsto gorivo, odvod pepela i troske mora biti što jednostavniji. Ložišta za čvrsta goriva. U ložištu parnog kotla čvrsto gorivo može izgarati na dva na čina; u sloju na rešetki ili
raspršeno u prostoru (ugljena prašina). Parni kotlovi s ložištem u kojemu na rešetki izgara čvrsto gorivo u sloju imaju maksimalni učin ograničen na 100 t/h, ali im je minimalni učin praktički neograničen, tj. mogu raditi i u praznom hodu. Parni kotlovi s ložištem u kojemu raspršena ugljena prašina izgara u prostoru, grade se za velike ći sigurno paljenje učine, nikad manje od 30 t/h. U takvu se ložištu ne može posti ugljene prašine ako optere ćenje kotla padne ispod neke donje granice. Ta se donja granica opterećenja zove tehnički minimum kotla, a ovisi o svojstvima ugljena. Ložišta za izgaranje čvrstog goriva u sloju imaju rešetku koja može biti nepomična ili je pokretana mehanički. Najjednostavnija je ravna nepomična rešetka sastavljena od nepomičnih šipki između kojih su uži ili širi razmaci za dovod zraka. Gorivo se na ravnu nepomičnu rešetku nabacuje ručno. Ložišta s takvom rešetkom danas imaju samo parni kotlovi vrlo malih u čina, npr. kotlovi centralnog grijanja malih zgrada. Mehanički pomična rešetka može biti ravna, kosa ili stepeničasta. Sloj goriva, izgarajući na rešetki, polagano putuje prema kraju rešetke, a zrak za izgaranje dovodi se kroz raspore između šipki. Poseban mehanički uređaj dozira, ubacuje i regulira debljinu sloja goriva na rešetki. Postoje različite konstrukcije mehaničkih rešetki, a najčešći je tip lančana rešetka koja radi kao transportna traka (sl. 5.7).
12
Slika 5.7: Lančana rešetka. 2 – dovod ugljena, b – smjer kretanja rešetke, c – odvod pepela, d – dovod zraka Lančana se rešetka može upotrijebiti gotovo za sva čvrsta goriva. Na početku rešetke pada ugljen iz posebnog lijevka, a debljina se sloja može regulirati. S rešetkom putuje ugljen kroz komoru izgaranja i na kraju ostaju pepeo i troska koji padaju s rešetke u lijevak za pepeo. Ložišta za izgaranje čvrstog goriva u prostoru. Smjesa sitno samljevene ugljene čenjem prašine i zagrijanog zraka ubacuje se u komoru izgaranja gdje se zapali zra plamena i dimnih plinova koji zagriju zrak za izgaranje na visoku temperaturu (do 450 °C). Ako gorivo sadrži mnogo vlage i pepela, odnosno ako ima nisku ogrjevnu mo ć, dimni plinovi recirkuliraju. Ugljeni se prah mora zadržati u ložištu bar tako dugo koliko je potrebno da izgori njegova osnovna masa. Ugljena se prašina može ubrizgavati u komoru izgaranja posredno ili neposredno. Pri neposrednom se ubrizgavanju ugljena prašina dovodi u komoru izgaranja izravno iz mlinova. To je konstrukcijski i pogonski najjednostavnije rješenje, a s obzirom na investicije ujedno je i najjeftinije, ako sadržaj vlage u ugljenu nije visok i ako se troska odvodi u suhom stanju. U toku mljevenja, ugljen se istodobno suši. Zrak iz zagrijača zraka ili smjesa zraka i plinova izgaranja dovode se u mlin, odakle sa sobom odnose ugljenu prašinu kroz plamenike u komoru izgaranja. Potrebni pretlak za taj transport proizvode mlinovi ili posebni ventilatori. Ugljenu prašinu treba uvijek posredno ubrizgavati želi li se odvoditi troska u tekućem stanju, a ugljen sadrži više od 15 % vlage. Pri posrednom ubrizgavanju samljeveni ugljen sakuplja se u bunkerima ugljene prašine i iz njih se odvodi u kotao. To omogućuje da mlinovi rade samo povremeno, i to s punim opterećenjem, pa se smanjuje energija potrebna za mljevenje. Međutim, uskladištenje ugljene prašine vezano je s nekoliko problema. Svježe samljeven ugljen prolazi poput vode i kroz najmanje raspore i otvore, ali se već nakon kratkog vremena lijepi za stijenke bunkera, što sprečava jednolični odvod ugljene prašine. Ugljena prašina s visokim postotkom hlapljivih sastojaka ugrijava se u bunkeru zbog lokalnoga polaganog izgaranja, sinterira se i stvaraju se uvjeti za samozapaljenje, pa se zbog opasnosti od požara bunker ugljene prašine ne smije smatrati skladištem. Mlinovi za ugljen. Za mljevenje ugljena i lignita upotrebljavaju se tri tipa mlinova: bubnjasti mlinovi (mlinovi s kuglama), mlinovi s pritiskom pera (mlinovi s valjcima) i mlinovi čekićari.
13
Bubnjasti mlinovi (sl. 5.8) sastoje se od oklopljenog vodoravnog bubnja do oko trećine napunjenog čeličnim kuglama različitog promjera.
Slika 5.8: Bubnjasti mlin za ugljen. a – dovod ugljena, b – povrat krupnije ugljene prašine, c – samljeveni ugljen, d – dovod ugljena u mlin, e – dovod zraka i plinova izgaranja, f – mlin, g - sito Pomoću pužnog transportera ugljen se ubacuje u bubanj, a istodobno se u bubanj dovodi zrak i plinovi izgaranja. Bubanj rotira brzinom od 18 – 30 o/min i pri tome čelične kugle melju ugljen. Mlinovi s pritiskom pera imaju stazu za mljevenje izvedenu u obliku prstena ili tanjuraste posude koja rotira brzinom od 50 – 120 o/min, a po kojoj se kotrljaju valjci ili kugle pritisnute perom (sl.5.9).
Slika 5.9: Mlin za ugljen s pritiskom pera. a – dovod ugljena, b – sito, c – tlačni prsten, d – odvod ugljene prašine 14
Ugljen pada kroz cijev smještenu u situ iznad mlina, a zrak se dovodi kroz sapnice u visini staze za mljevenje. Mlinovi čekićari grade se u dvije razli čite izvedbe: s udarnim batovima i s udarnim lopaticama (udarnim ventilatorskim krilima). Mlin s udarnim batovima sastoji se od rotora s nekoliko vijenaca na koje je pričvršćeno više pokretnih poluga s batom na vrhu (sl, 5.10).
Slika 5.10: Mlin za ugljen s udarnim batovima (Krämerov mlin). 1 – dovod ugljena, 2 – udarni batovi, 3 – odvod ugljene prašine Rotor se vrti brzinom 750 ili 1500 o/min, tako da obodna brzina udarnih batova iznosi 50 – 90 m/s. Ugljen se melje sudarom s udarnim batovima. Mlin s udarnim lopaticama (sl.5.11) ima rotor konstruiran kao ventilacijsko kolo s č
lopaticama od specijalnog elika.
Slika 5.11: Mlin za ugljen s udarnim lopaticama. 1 – dovod ugljena i plinova izgaranja, – kolo krupnijih s udarnim lopaticama, 3 – sito, 4 – odvod ugljene čestica ugljene prašine prašine, 5 –2 povrat Ugljen sa zrakom i plinovima izgaranja aksijalno se dovodi rotoru koji se velikom brzinom okreće u kućištu. 15
Plamenici za ugljenu prašinu.
Plamenici za ugljenu prašinu služe da ugljenu prašinu pomiješaju sa zrakom i ubrizgaju u komoru izgaranja. Smjesa ugljena i zraka mora se što brže zapaliti i činu dovoda goriva nastaviti da gori bez prekida. Potpuno izgaranje mnogo ovisi o na i zraka. Postoje dvije različite konstrukcije plamenika: strujni plamenici i plamenici s miješanjem. Pomoću strujnog plamenika ubrizgava se u komoru izgaranja iz mlina dobavljena smjesa ugljene prašine i primarnog zraka, a sekundarni se zrak dovodi u ložište posebnim sapnicama. U plamenicima za miješanje sekundarni se zrak dodaje smjesi ugljene prašine i primarnog zraka već u plameniku prije ubrizgavanja u komoru izgaranja. ć
Ložišta Ložišta za za teku tekućaa goriva goriva mogu bitit konstruirana za laka i teška ulja, za otpadna i vrlo teška ulja (mazut, C-ulje) i za različite vrste lužina. Kao tekuće gorivo parnih kotlova velikog učina danas dolazi u obzir samo teško ili vrlo teško loživo ulje. Ta su ulja pri
temperaturi okoliša toliko gusta da ih prije loženja treba ugrijati. Iz glavnog se spremnika pumpa dnevna potrebna količina loživog ulja u dnevni spremnik sposoban da primi goriva za 12 do 24 sata pogona. Loživo ulje u dnevnom spremniku grije se zasićenom vodenom parom na temperaturu od ~ 50°C. Dnevni je spremnik obično postavljen dovoljno visoko da loživo ulje može gravitacijski proticati kroz filtre i dotjecati pumpama. Nakon što se pumpama povisi tlak, loživo se ulje zagrijava do temperature ~ 150 °C, da bi se u plamenicima moglo fino raspršiti, ali i da bi isparili lako hlapljivi sastojci. Raspršivanjem se uljni mlaz pretvara u uljne kapljice. Prema načinu raspršivanja loživog ulja razlikuju se plamenici zatlačno raspršivanje i plamenici za centrifugalno raspršivanje. Za tlačno raspršivanje loživo se ulje dovodi u plamenik pod tlakom 14 do 30 bara, pa se pomoću tangencijalnog ili spiralnog strujanja raspršuje i u finim kapljicama ubrizgava u ložište. U plameniku za centrifugalno raspršivanje (rotacijski plamenik) ulje se gravitacijom dovodi kroz šuplju osovinu u(slika prošireni raspršuje 5.12).dio gdje se zbog visokog broja okretaja (6000 – 7000 o/min)
Slika 5.12: Plamenik centrifugalno raspršivanje 1 – dovod ulja, 2 za – razdjeljivačzaulja, 3 – ventilator zraka za ulja. izgaranje, 4 – zaklopka regulaciju zraka, 5 – rotirajući konus, 6 – zaštitni plašt plamenika
16
Ložišta za plinovita goriva.
Kao plinovita goriva služe prirodni (zemni) plin ili umjetni gorivi plinovi (gradski plin, koksni plin, plin iz visokih pe ći, itd.). Za kotlove velikog u čina dolazi u obzir samo zemni plin. Kad se postrojenju parnog kotla dovodi plin pod visokim tlakom ili u tekućem stanju, potrebna je redukcijska stanica za sniženje tlaka plina. Zemni plin čilo pod visokim tlakom i s niskim temperaturama treba zagrijati da bi se sprije kondenziranje ugljikovodika s niskom temperaturom isparivanja. ći (zemni plin, plin iz Na slici 5.13. prikazan je plamenik za plin visoke ogrjevne mo rafinerije nafte).
Slika 5.13: Plamenik za plin visoke ogrjevne moći. 1 – ulaz plina, 2 – ulaz zraka, 3 razdjelna komora plina, 4 – razdjelna komora zraka, 5 – sapnice plina, 6 – izbušena glava sapnice, 7 – Venturijeve sapnice zraka, 8 – usmjerivač gorive smjese, 9 – prostor za miješanje plina i zraka, 10 – otvor za paljenje i nadzor Plin i zrak miješaju se izvan plamenika, a skretnikom se može usmjeravati mješavina plina i zraka, te skratiti plamen. Plin izlazi velikom brzinom kroz sapnice koje su ugrađene u sapnici za zrak, pa se tako postiže vrlo intenzivno miješanje i kratak plamen vrlo visoke temperature. Zbog izvanredno brze reakcije izgaranja zrak i gorivi plin čine vrlo eksplozivnu smjesu. Zato su u kotlovskom postrojenju s plinskim loženjem potrebni sigurnosni uređaji koji sprečavaju eksploziju mješavine zraka i gorivog plina. 5.2.1.11 Voda za parn e ko tlo ve
Sirova prirodna voda nikad se ne upotrebljava izravno u parnim kotlovima jer sadrži mehaničke nečistoće, otopljene soli i plinove. Napojna voda, koja se dovodi u kotao, i kotlovska voda, koja se nalazi u kotlu, moraju imati takva svojstva da bude sigurna i ekonomična proizvodnja tehnički čiste vodene pare, da se na ogrjevnim površinama u dodiru s vodom ili parom ne taloži kotlovski kamenac i da se ne pojavljuje korozija u sustavu voda – para. Svojstva napojne vode. Opći je zahtjev da napojna voda mora biti bistra i bezbojna, dakle bez lebdećih tvari i muteži, a to se lako kontrolira. Korozija željeznih stijenki sprečava se održavanjem koncentracije kisika ispod dopuštene granice. Dosad nije zapažena korozija pri koncentraciji od 0,02 mg O2 po litri vode, a tu je granicu tehnički relativno lako ostvariti. 17
O tvrdoći vode ovisi stvaranje kotlovskog kamenca koji se taloži na unutrašnje stijenke cijevi u kotlu. Kotlovac nastaje zagrijavanjem vode s otopljenim solima, različitih minerala. Taloženje kamenca, koji je vrlo dobar toplinski izolator, smanjuje prijelaz topline i povisuje temperaturu ogrjevnih površina, pa zbog toga popušta materijal i pucaju cijevi. Koncentraciju željeza i bakra u napojnoj vodi treba održati ispod dopuštene granice da bi se osigurala čistoća pare. čna da se spriječi korozija Napojna voda mora biti kemijski neutralna ili slabo bazi koja bi nastala kad bi voda bila imalo kisela. Električna vodljivost je također jedan od pokazatelja čistoće napojne vode. Električna provodnost ovisi o koncentraciji iona, pa za kemijski čistu vodu ona iznosi 0,05 S/cm. ć
Permanganatski mjera udiopjeni organskih tvari sa u napojnoj vodi. Zbog veegi čestice udjela organskih broj tvari je voda se uzakotlu i tada para sobom nosi pjene vode u pregrijač i turbinu. Udio ulja u napojnoj vodi mora biti u dopuštenim granicama, jer ulje u kotlu može na stijenkama stvarati tanke slojeve na koje se lijepe izlučne soli. 5.2.1.12 Pripr ema vo de za parn e kot lov e
Priprema vode za napajanje parnog kotla sastoji se od niza tehnoloških postupaka kojim se sirova voda obrađuje tako da dobije svojstva propisana uvjetima za kvalitetu napojne vode. Odstranjivanje mehaničkih nečistoća. Sirova se voda najprije vodi kroz rešetku gdje se zadrže krupne mehaničke nečistoće (grančice, lišće i sl.), a nakon toga, ako je potrebno, voda prolazi vrlo malom brzinom kroz bazen za taloženje gdje se istaloži pijesak i ostali grublji materijal. Odstranjivanje koloidnih nečistoća.Koloidne nečistoće imaju dimanzije između 10-4 i 10-6 mm. Zbog koloidnih nečistoća u kotlu nastaje pjenjenje, pa se onečisti para. Jedan od postupaka za odstranjivanje koloidnih nečistoća je kemijsko koaguliranje. Ako se vodi doda aluminij–sulfat, željezo–klorid ili natrij–aluminat, stvaraju se pahuljice (koaguliranje) koje se talože kao hidroksidi aluminija, natrija ili željeza, a zatim se voda filtrira u filtrima s kremenim pijeskom. Odstranjivanje željeza i mangana. Voda iz dubokih podzemnih bunara sadrži veće količine željeznih spojeva (najčešće željezo–hidrogenkarbonata) koji mogu onemogućiti djelovanje izmjenjivača. Ako se voda priprema taložnim postupcima, spojevi se željeza izravno odstrane. Pri snažnom miješanju zraka i vode željezo–hidrogenkarbonat prelazi u željezo– hidroksid koji se može odvojiti filtriranjem. Postupci taloženja. Taloženjem se sirova voda dekarbonizira i omekšava. čne kiseline na minimum, Dekarbonizacijom se smanjuje udio slobodne i vezane uglji a omekšavanjem se smanjuje tvrdoća vode. U postupku taloženja topljivi se spojevi pretvaraju u netopljive, koji se zatim odstrane filtriranjem. čima. Ionski izmjenjivači su u Omekšanje i demineralizacija vode ionskim izmjenjiva vodi netopljive tvari koje mogu svoje labilno vezane ione zamijeniti ionima iz vode. Anorganske soli raspadaju se u vodi u električno nabijene čestice, ione, i to u jednaki broj pozitivno nabijenih kationa i negativno nabijenih aniona. Omekšavanje (ili neutralna izmjena) je zamjena natrij-iona iz izmjenjivača ionima kalcija i magnezija iz dekarbonizirane ili sirove vode. Odsoljavanje vode pomoću isparivača. Za potpuno odsoljavanje vode može se upotrijebiti i isparivač (slika 5.14). 18
Slika 5. 14: Termička shema isparivača postavljenog u krug vode i pare č i zagrijava Voda, omekšana jednim od postupaka taloženja, dovodi se u ispariva parom koja je djelomično ekspandirala u parnoj turbini. U isparivaču voda ispari, a zatim se kondenzira u jednom od zagrijača turbinskog kondenzata, te služi kao napojna voda. Takav se postupak zovetermička priprema napojne vode. Otplinjavanje napojne vode. Osim soli, napojna voda nosi sa sobom i otopljene plinove (kisik, ugljik-dioksid) koji mogu u kotlu uzrokovati koroziju. Uz konstantan tlak topljivost plinova u vodi opada s povišenjem temperature, pa pri vrelištu postiže vrijednost nula. Dakle, da bi se plinovi izlu čili iz vode, treba vodu zagrijati do vrelišta i plinove odvesti na pogodan način. Najčešće se upotrebljava otplinjivač s rasprskavanjem vode (slika 5.15).
Slika 5.15: Otplinjivač s raspršivanjem vode i dodatnim zagrijavanjem. 1 – dovod vode, 2 – dovod pare, 3 – odvod vode, 4 – odvod supare Voda se dovodi u gornji dio otplinjivača u tavu za raspršivanje i otuda otječe po cijelom presjeku otplinjivača. Tako raspršena voda zagrijava se parom koja struji u suprotnom smjeru. Za vrijeme zagrijavanja iz vode se odjeljuju plinovi, koji zajedno s
19
malom količinom pare (otparkom) izlaze kroz otvor na vrhu, a voda, o čišćena od plinova pada na dno otplinjivača, najčešće smještenog na spremniku napojne vode.
5.2.2 PARNE TURBINE 5.2.2.1
Podjela parnih turb ina
U parnim turbinama pojavljuje se dvostruka energetska transformacija: a) unutarnje energije pare u kinetičku energiju i b) kinetičke energije pare u mehaničku energiju. Prva ječnim transformacija visokogkolu tlaka i temperature nepomi kanalima ili posljedica sapnicama,ekspanzije odnosno upare privodnom ili statoru. U statoruu se para skreće s prvotnog smjera strujanja da bi se dovela okretnom kolu ili rotoru. Druga se transformacija obavlja u rotoru. Ponekad se, me đutim, tu provode obje transformacije - i u kinetičku i u mehaničku energiju. Parne se turbine dijele prema smjeru strujanja pare, djelovanju rotora s obzirom na eksapanziju pare, sredstva kojima se smanjuje broj okretaja i prema visini tlaka na kraju ekspanzije. S obzirom na smjer strujanja pare razlikujemo aksijalne i radijalne turbine. U prvima para struji paralelno s osovinom, a u radijalnima okomito na nju. Kad su snage male, će snage, radijalne imaju stanovitu prednost pred aksijalnim turbinama. Za ve međutim, izvode se samo aksijalne turbine. Stoga su one danas i naj češće. Prema djelovanju rotora s obzirom na ekspanziju pare, razlikuju se akcijske i reakcijske parne turbine. U akcijskim turbinama (turbine jednakog tlaka) para ekspandira samo u privodnom kolu, odnosno među lopaticama statora, pa je na objema stranama okretnog kola tlak jednak. U reakcijskim turbinama para ekspandira i među lopaticama statora i među lopaticama rotora. Zbog ekspanzije me đu ć
ć
lopaticamaraspora, rotora, vladat e pred njim ve i tlakstrujanja nego izapare, njega. pretlak, nazvan pretlakom uzrokuje potisak u smjeru štoTaj valja kompenzirati pogodnom konstrukcijom. Stupanj djelovanja pri transformaciji kinetičke energije u mehaničku ovisi o omjeru obodne brzine i brzine pare nakon ekspanzije. Danas se za pogon turbina upotrebljava para visokog tlaka i temperature, što omogu ćuje velike brzine nakon ekspanzije. Zato su potrebne velike obodne brzine. S obzirom načvrstoću materijala i dopušteni broj okretaja, kad su turbina i generator neposredno spojeni, obodna brzina mora biti smanjena na neku dopustivu vrijednost. Da se to postigne, izvode se turbine sa stupnjevanjem tlaka, stupnjevanjem brzine, te stupnjevanjem i brzine i tlaka. Pri stupnjevanju tlaka ukupna njegova promjena podijeli se u više dijelova. Svakom dijelu pada tlaka pripada po jedno statorsko i rotorsko kolo, koja se zajedno nazivaju stupnjem turbine. Ona, prema tome, ima onoliko stupnjeva na koliko je podijeljen ukupni pad tlaka. To su višestupanjske turbine. Svaki stupanj radi kao jednostupanjska turbina, pa je brzina na kraju ekspanzije znatno manja, što omogućuje da se postigne povoljan stupanj djelovanja uz znatno manju obodnu brzinu. može se ostvariti u akcijskim i reakcijskim turbinama. Kad seStupnjevanje želi postići tlaka stupnjevanje brzine, i para ekspandira do kona čnog tlaka u privodnom kolu, a kinetička se energija iskorištava u dva ili više stupnjeva. U prvome rotorskom kolu transformira se samo dio kineti čke energije, pa ga para napušta relativno velikom brzinom. Da se omogu ći iskorištavanje preostale kinetičke energije, 20
para se dovodi među statorske lopatice drugog stupnja, koje skre ću mlaz pare i dovode ga u određenom smjeru drugome lopatičnom vijencu rotora. Taj se postupak ponavlja sve dok se dovoljno ne iskoristi kinetička energija pare. U praksi se izvode najviše četiri stupnja stupnjevanja brzine. Ta izvedba upotrebljava se samo u akcijskim turbinama. Akcijske turbine mogu se izvesti sa stupnjevanjem brzine i stupnjevanjem tlaka. Tad se ukupna razlika tlaka podijeli na više dijelova, a u svakome se provodi stupnjevanje brzine. S obzirom na visinu tlaka na kraju ekspanzije, razlikujemo kondenzacijske i protutlačne parne turbine. U kondenzacijskim turbinama iskorištava se para do kondenzatorskog tlaka, koji je određen temperaturom rashladne vode, a u č
protutla nim turbinama ekspandira tlaka znatno višegaturbini od kondenzatorskoga, jer se para koja je djelomičdo no ekspandirala u parnoj upotrebljava ili za grijanje ili za industrijske tehnološke procese. Protutlak na kraju ekspanzije u turbini ovisi u prvom redu o potrebnoj temperaturi pare. Ovdje valja spomenuti i turbine s reguliranim oduzimanjem. One su kondenzacijske i protutlačne. U turbinama s oduzimanjem dio pare koji je djelomi čno ekspandirao odvodi se iz turbine izme đu dva stupnja i najčešće se upotrebljava za tehnološke procese, a preostala para ekspandira do protutlaka ili do tlaka kondenzatora. Izvode se i turbine i s dva regulirana oduzimanja, a rijetko s više njih. 5.2.2.2
Akcij ske i reakcijske aksijalne turb ine
Jednostupanjska akcijska turbina (slika 5.16) sastoji se od jedne sapnice ili grupe njih i od jednoga okretnog lopatičnog kola.
Slika 5.16: Skica akcijske turbine i dijagram promjene tlaka ( p ) i brzine jednostupanjske strujanja ( c ) Pad entalpije pretvara se u sapnicama u kinetičku energiju, pa para velikom brzinom struji među lopatice okretnog kola. Zato se jednostupanjska akcijska turbina izvodi za 21
iskorištavanje malih padova entalpije, jer bi za ve će padove bio potreban vrlo visok broj okretaja. Danas se takva turbina, koja se naziva de Lavalova turbina po njezinu konstruktoru (1883), izvodi do izlazne brzine iz sapnice odc1 = 1000 m/s. Ta brzina odgovara padu entalpije od oko 500 kJ/kg. Jednostupanjske akcijske turbine imaju visok broj okretaja i mali promjer okretnog kola. Broj okretaja reducira se pomoću zupčanika na upotrebljivu vrijednost. Danas se grade do snage oko 500 kW, a služe kao protutla čne turbine za pogon pojnih i kondenzatskih pumpa u elektranama. Ekspandirana para upotrebljava se ili za grijanje ili se vodi u odgovarajući stupanj glavne parne turbine u termoelektrani. Jednostupanjska je turbina malih dimenzija i jednostavne konstrukcije. Ak ka turbentalpije, ina sa stupotrebljavaju upnj evanjem br . Da seturbine smanjisabroj okretaja i iskoriste većcijs i padovi sezine akcijske stupnjevanjem brzine. Takva turbina naziva se Curtisov stupanj ili Curtisovo kolo, po američkom konstruktoru Curtisu, koji ju je prvi izveo 1898. Na slici 5.17 skica je takve turbine s dva stupnja brzine.
Slika 5.17: Skica akcijske turbine s dva stupnja brzine i dijagram promjene tlakap( ) i brzine strujanja ( c ) Para ekspandira do konačnog tlaka u sapnici, ili sapnicama, i velikom brzinom struji čku među lopatice prvoga okretnog kola. U njemu se, zbog transformacije u mehani energiju, brzina smanjuje na otprilike polovicu ulazne vrijednosti. Uz tu, smanjenu brzinu para struji kroz statorsko lopatično kolo, gdje joj se mlaz skreće, uz stanovite gubitke, da bi se doveo među lopatice drugoga okretnog kola. U njemu se preostala kinetička energija pare transformira u mehaničku energiju. Akcijskim turbinama iskorištava se pad entalpije od oko 630 kJ/kg, a izvode se najčešće kao protutlačne turbine snage od 100 do 2000 kW. Služe kao pogonski strojevi za pojne pumpe i pumpe za rashladnu vodu, te za pogon generatora u elektranama i toplanama malih snaga. 22
Curtisovo kolo s dvosupanjskim stupnjevanjem brzine često je prvi stupanj višestupanjskih turbina. Ak cijska tu rbina sa st upnj evan jem tlaka . Obodnu je brzinu mogu će smanjiti i stupnjevanjem tlaka. Takva se turbina praktički sastoji od više jednostupanjskih akcijskih turbina (slika 5.18) u kojima je ulazni tlak jednak izlaznome iz prethodne turbine.
Slika 5.18: Skica akcijske turbine za stupnjevanje tlaka i dijagram promjene tlaka ( p ) i brzine strujanja ( c ) Akcijska turbina sa stupnjevanjem tlaka naziva se i Zoellyeva turbina po švicarskom konstruktoru (1903). Zbog razlike u tlakovima, koji vladaju izme đu ulaza i izlaza statorskog kola, jer se ukupna ekspanzija jednog stupnja provodi među statorskim lopaticama, moraju između statora i osovine biti labirintne brtvenice. To je izvedba s komorama. Broj stupnjeva turbine određen je padovima entalpije u pojedinim stupnjevima i ukupnim padom entalpije. Jednostupanjska reakcijska turbina . U reakcijskoj turbini para ekspandira i u privodnom i u okretnom kolu. To se postiže prikladnim oblikom lopatica okretnog kola, jer se lopatice na rotoru akcijske turbine izvode s jednakom slobodnom đu lopaticama. Slobodna se površinom za prolazak pare na cijelome njezinu putu me površina među lopaticama na rotoru reakcijske turbine smanjuje u smjeru strujanja pare jer je ono sve brže. Skica izvedbe reakcijske turbine vidi se na slici 5.19 uz napomenu da se jednostupanjska reakcijska turbina sastoji od samo jednoga privodnog i samo jednoga okretnog lopatičnog kola.
23
Slika 5.19: Skica višestupanjske reakcijske turbine i dijagram promjene tlaka p( ) i brzine strujanja ( c ) Ovakva reakcijska turbina naziva se i Parsonsova turbina po engleskom konstuktoru (1884). Reakcijska turbina sa stupnjevanjem tlaka . Skica izvedbe reakcijske višestupanjske turbine vidi se na slici 5.19. Prilike u takvoj turbini odgovaraju onima u višestupanjskoj akcijskoj turbini, ne izostavljajući, svakako, ekspanziju i u privodnom i okretnom kolu. Mješovite izvedbe . Danas se turbine ve ćih snaga uglavnom izvode s prvim stupnjem kao akcijskim, sa stupnjevanjem brzine ili bez njega. To vrijedi i kad su ostali stupnjevi akcijski (slika 5.20) ili reakcijski (slika 5.21).
Slika 5.20: Skica višestupanjske akcijske turbine s dvostupanjskim stupnjevanjem brzine i dijagram promjene tlaka (p ) i brzine strujanja ( c )
24
Slika 5.21: Skica višestupanjske reakcijske turbine s trostupanjskim stupnjevanjem brzine i dijagram promjene tlaka (p ) i brzine strujanja ( c ) U akcijskim turbinama nije potrebno da kroz cijelo okretno kolo struji para. To se ne može postići u prvom stupnju zbog konstrukcijskih razloga. Para, naime, struji samo kroz dio kanala među lopaticama okretnog kola jer se ona dovodi manjim brojem sapnica smještenih na dijelu oboda prvoga okretnog kola. Nakon ekspanzije povećava se volumen pare, pa u idućim stupnjevima ona struji svim kanalima privodnih i okretnih kola. Nasuprot tome, u reakcijskom stupnju mora para strujati kroz sve kanale među lopaticama okretnog kola jer vlada razlika tlakova u prostoru ispred lopatica okretnog kola i iza njih. Zbog te razlike tlakova, a ako para struji samo kroz dio kanala među lopaticama, dio nje će strujati beskorisno kroz raspore između ruba lopatica i kućišta, što znatno smanjuje stupanj djelovanja. Takve pojave nema u akcijskim stupnjevima jer je ispred okretnog kola i iza njega isti tlak. Zbog svega toga u reakcijskim je turbinama prijeko potrebno da prvi stupanj bude akcijski. 5.2.2.3
Radijaln e parn e tu rbi ne
U aksijalnoj parnoj turbini para struji paralelno s osovinom, a u radijalnoj okomito na nju, dakle radijalno kroz turbinu (slika 5.22).
Slika 5.22: Skica radijalne parne turbine; tip Ljungström
25
Prvu takvu turbinu konstruirao je švedski inženjer Ljungström (1912). ću u suprotnim Njegova radijalna parna turbina ima dva rotora koja se okre smjerovima i vezana su za dvije mehanički neovisne osovine. Para struji od osovine prema obodu. Lopatično kolo jednog rotora djeluje istodobno i kao okretno kolo prethodnoga i kao privodno kolo idućeg rotora. Svaki od rotora tjera vlastiti generator koji su električki paralelno spojeni. Para ekspandira u svakome lopatičnom kolu. Riječ je, dakle, o reakcijskoj turbini. Osim kao Ljungströmova može se radijalna turbina izvesti kao jednostavna Siemensova turbina (slika 5.23), koja se sastoji od statorskih i rotorskih lopati čnih kola.
Slika 5.23: Skica radijalne parne turbine; tip Siemens Da se poništi aksijalni potisak rotora, turbina ima dva rotorska kola. Prvi je stupanj čnog kola. radijalni akcijski stupanj jer se para dovodi samo dijelu lopati Zbog konstrukcijskih razloga ograničena je snaga radijalnih turbina (red veličine od oko 10 MW). 5.2.2.4
Kond enzacijsk e i prot utla čne parne turbine, turbine s oduzimanjem pare
Kondenzacijske parne turbine. Da se postigne što ve ći pad entalpije između stanja na ulazu u turbinu i stanja na kraju ekspanzije, para se dovodi u kondenzator, u kojem se kondenzira djelovanjem rashladne vode (slika 5.24).
slika 5.24: Shema kondenzacijske parne turbine 26
Zbog toga u kondenzatoru vlada vrlo mali tlak (i do 0,02 bara), koji ovisi o temperaturi rashladne vode, a koja djeluje kao hladni spremnik, odnosno kao okolina. U takvoj kondenzacijskoj turbini iskorištava se najve ći mogući pad entalpije polazeći, naravno, od zadanog stanja pare na ulazu u turbinu. Protutla čne parne turbine. U protutlačnoj turbini para ekspandira do tlaka znatno čno ekspandirala višega od onoga u kondenzatoru. Tad se para, koja je samo djelomi u turbini, iskorištava za tehnološke procese u industriji (grijanje, isparavanje, kuhanje, sušenje i sl.) ili za grijanje prostorija. Upotreba protutlačne turbine opravdana je samo ako ima potrošača koji mogu iskoristiti djelomi čno ekspandiranu paru. Najčešće se č
č
takva para u izmjenjiva topline kodentalpija potroša aisparivanja ili u toplaniiskorištava (slika 5.25),ili koji djeluju kao dovodi kondenzatori, ali se tim da se za tehnološke procese ili za grijanje prostorija. Nasuprot tome, u kondenzacijskoj turbini entalpija isparivanja odvodi se beskorisno u okolinu.
Slika 5.25: Shema protutlačne parne turbine Turbine s reguliranim oduzimanjem pare. Da se ukloni čvrsta ovisnost mehaničke energije na osovini turbine o unutarnjoj termičkoj energiji pare, na izlazu iz turbine, grade se turbine s reguliranim oduzimanjem pare (slika 5.26).
Slika 5.26: Shema parne turbine s reguliranim oduzimanjem
27
Takva turbina sastoji se od visokotlačnog i niskotlačnog dijela, smještenih u odvojena kućišta, ali koji su na zajedničkoj osovini. U visokotlačnom dijelu ekspandira sva čima, a para, koja se dovodi iz kotla, nakon ekspanzije dio nje odvodi se potroša ostatak ide u niskotlačni dio turbine. Pred ulazom u niskotla čni dio smješten je protočni ventil, kojim se regulira količina pare za ekspanziju do kondenzatorskog tlaka. Budući da tlak pare na izlazu iz visokotla čnog dijela ovisi o količini pare koja struji kroz taj dio turbine, promijeni li se količina pare kroz niskotlačni dio, mijenjat će se njezina količina kroz visokotlačni dio, a s time i tlak pare za potroša če. Tako se može održavati konstantni tlak pare oduzimanja. Danas se uglavnom sve turbine
Turbine s nereguliranim oduzimanjem pare. đ
izvode s nereguliranim pareredu izmeo utlaku dvajupare susjednih stupnjeva. BrojS nereguliranih oduzimanjaoduzimanjem ovisi u prvom na ulazu u turbinu. njegovim povećanjem raste i broj nereguliranih oduzimanja. Izvode se turbine i s deset nereguliranih oduzimanja pare. Tako oduzetom parom zagrijava se kondenzat (slika 5.27) jer se time pove ćava termički stupanj djelovanja procesa, zato što se dio pare ne dovodi u kondenzator.
Slika 5.27: Shema parne turbine s dva neregulirana oduzimanja pare čni proces, pa sva Para kojom se zagrijava kondenzat obavlja, naime, protutla energija tako oduzete pare ostaje u procesu. Količina pare iskoristiva za zagrijavanje kondenzata vrlo je ograničena jer je i toplina koju on može preuzeti ograničena.
Turbine s me đupregrijavanjem pare. Kad su tlakovi pare vrlo visoki (viši od 80 bara), redovito se izvodi parna turbina s me đupregrijavanjem pare (slika 5.28).
28
Slika 5.28: Shema parne turbine s me đupregrijavanjem pare Para koja je djelomično ekspandirala u visokotlačnoj turbini vraća se natrag u kotao, gdje se u posebnom pregrijaču ponovno pregrije (obično do temperature svježe pare) i tako se pregrijana dovodi u niskotlačnu turbinu. Nekad se izvode i dva međupregrijavanja. Pomoću međupregrijavanja postiže se nešto bolji termički stupanj djelovanja (poboljšanje od 2 - 4 %), ali je smanjenje postotka vlage u posljednjim stupnjevima turbine glavni razlog za uvođenje međupregrijavanja. 5.2.2.5
Izvedbe parnih turb ina
Parne tur bine za kon vencion alne termoelektrane. Turbine manjih snaga u jednom su kućištu (slika 5.29-a).
Slika 5.29: Primjeri izvedbe jednoosovinskih parnih turbina
29
Za više parametre svježe pare ne može se cijeli pad entalpije iskoristiti u turbini s jednim kućištem jer osovina mora biti vrlo dugačka, nastaje veliko rastezanje materijala, preveliki su dijelovi koje treba odliti ili iskovati, preveliko je savijanje čnom osovine, itd. Zbog toga se ukupni pad entalpije dijeli i dio iskorištava u visokotla dijelu (visokotlačno kućište), rađenu od materijala koji izdrži visoke temperature, te u jednom ili više srednjotlačnih i niskotlačnih dijelova (srednjotlačna i niskotlačna kućišta), koji su od manje kvalitetnih materijala, zbog nižih temperatura i tlakova. Da bi se izjednačio unutrašnji potisak, kućšta reakcijskih turbina spajaju se tako da smjer đu dvaju kućišta strujanja pare bude obrnut (slika 5.29-b). U spojnom vodu izme nema nikakvih zapornih ni regulacijskih uređaja. Turbine velike snage mogu se ostvariti samo s dovoljno velikom slobodnom č
površinom u poslijednjem stupnju. Stoga niskotla dio morapaizgraditi četiri tako da se presjeka para podijeli na dva (slika 5.29-c), tri, se (slikani 5.29-d), i više dijelova. Parne turbine za nuklearne elektrane. U dosad razvijenim reaktorima (reaktori s običnom vodom tip PWR i BWR) proizvodi se suho zasićena para relativno niskih tlakova (60 – 75 bara, kojima odgovara temperatura isparivanja od 275 – 290°C). Proces u nuklearnoj elektrani jednak je, dakle, procesu sa mokrom parom. Prema tome, riječ je o pari znatno nižeg tlaka i znatno niže temperature od one što se proizvodi u kotlovima loženima fosilnim gorivima, jer se konvencionalna termoelektrana bazira na procesu s pregrijanom parom. Najveća je teškoća vlaga u pari, jer se ona pojavljuje već na početku ekspanzije, pa, svakako, i u svim stupnjevima turbine. Stoga su potrebne posebne mjere za odvođenje kondenzata u svim stupnjevima. U niskotlačnima, gdje se para naročito intenzivno kondenzira, upotrebljavaju se šuplje statorske lopatice s rasporima koji upijaju kapljice vode (slika 5.30).
Slika 5.30: Izvedbe šupljih lopatica statora za odvo đenje vlage iz niskotlačnih stupnjeva turbine đenja kondenzata Tako upijena voda odvodi se u kondenzator. Osim parcijalnog odvo đu dva kućišta u pojedinim stupnjevima turbine, izvode se separatori kondenzata izme parne turbine sa svrhom da se smanji izlučivanje kondenzata u sljedećim
30
stupnjevima. Osim toga, prije nego se uvede u niskotla čni dio, para se zagrijava pomoću svjeeže pare iz reaktora (slika 5.31).
Slika 5.31: Shema spoja parne turbine za nuklearnu elektranu sa separatorom kondenzata (a), međupregrijačem (b) i zaklopkom (c)
5.2.3 KONDENZATOR PARNE TURBINE Para što je ekspandirala u kondenzacijskoj parnoj turbini dovodi se u kondenzator, u kojemu se ona kondenzira uz što je moguće niži tlak. Kondenzacija se obavlja 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 će je izvesti i kondenzator kondenzator. On se danas redovito upotrebljava. Mogu miješanjem, u kojemu se para miješa s rashladnom vodom. U površinski kondenzator para ulazi kroz otvor (slika 5.32) smješten što je mogu će bliže posljednjem stupnju turbine.
Slika 5.32: Skica površinskog kondenzatora
31
Na svom putu para nailazi na cijevi što ispunjavaju unutrašnjost kondenzatora (na slici 5.32 su radi preglednosti nacrtane dvije cijevi), a kroz koje protje če rashladna voda. U dodiru s cijevima para predaje toplinu, kondenzira se i prikuplja kao kondenzat na dnu kondenzatora. Zbog nemogućnosti potpunog brtvenja, u kondenzator prodire uvijek 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 zapravo temperatura isparivanja. Dalje ohlađenje kondenzata (pothlađivanje), ispod temperature isparivanja, treba spriječiti jer će to uzrokovati nepotreban gubitak energije zbog toga što dovodi se kondenzat vodi natrag kotao ili i tumora, se mora čno Ako se kondenzatoru uvijek svježa vodauizparni vodotoka to jeugrijati. proto hlađenje, koje se uvijek upotrebljava kada ima dovoljno vode. U suprotnome, kondenzator se hladi vodom u kružnom ciklusu, s tim da se ona hladi u rashladnim tornjevima. Razlikuje se vlažno i suho hlađenje. U rashladnom tornju za vlažno čno isparava (dva hlađenje voda dovedena iz kondenzatora rasprskava se i djelomi do tri posto vode u krugu hlađenja). Postupak se može poboljšati prisilnim strujanjem zraka pomoću ventilatora. Kad nema ni toliko vode koliko je potrebno za dopunu isparene vode u tornju za vlažno hlađenje, ili se ne želi dalje povećavati vlaga u đenje), ili kad bi za okolini (npr. velika koncentracija rashladnih tornjeva za vlažno hla đenje opskrbu dodatnom vodom bili potrebni veliki izdaci, izvodi se suho hla rashladne vode. Tad se sva toplina odvodi zrakom jer voda struji kroz izmjenjiva č topline i dolazi u posredni dodir sa zrakom. Temperatura raashladne vode pri tome je još viša, i znatno ovisi o temperaturi zraka.
5.2.4 SPOJ KOTL OVA S TURBINAMA čina, ovisno o ulozi Spoj kotlova s turbinama može se izvesti na više na termoelektrane (kondenzacijska ili industrijska termoelektrana, toplana), o sigurnosti proizvodnje i o tome u kojoj mjeri elektrana treba biti sposobna proizvoditi i za vrijeme redovitih pregleda postrojenja. Pri tomu treba uvažiti činjenicu da kompliciranija shema traži veći broj zapornih organa (zasuna, ventila), koji predstavljaju mjesta mogućeg kvara. Najjednostavniju shemu spoja predstavlja postrojenje s jednostrukim parnim sabirnicama (slika 5.33-a), u kojem sabirnice trebaju biti dimenzionirane tako da bude moguć pogon svake turbine s bilo kojom grupom kotlova.
Slika 5.33: Shema spoja termoelektrane s jednostrukim parnim sabirnicama; 32
a – bez mogućnosti uzdužne podjele sabirnice, b – s takvom mogućnošću Ako se sabirnice predvide bez mogućnosti njihove uzdužne podjele, svaki kvar na sabirnicama dovodi do obustave cijelog postrojenja. Stoga se u postrojenjima s većim brojem kotlova i turboagregata u sabirnice postavljaju zaporni organi (slika 5.33-b), što omogućuje bar djelomičan pogon u slučaju kvara na sabirnicama. Daljnje povećanje elastičnosti postiže se dvostrukim parnim sabirnicama (slika 5.34).
Slika 5.34: Shema spoja termoelektrane s dvostrukim parnim sabirnicama Kako je već spomenuto, povećanje elastičnosti traži znatno povećani broj zapornih organa i relativno velike izdatke za sabirnice i zaporne organe. Stoga se sve više prelazi na spoj u bloku kotao-turbina (slika 5.35).
Slika 5.35: Shema blok-spoja termoelektrane a – blok-spoj kotao-turbina b – s pomoćnim parnim sabirnicama Iako takav spoj nema nikakve elasti čnosti, njegova je prednost što je vrlo jednostavan i što ima preglednu shemu i minimalni broj zapornih organa. Sigurnost proizvodnje blok-spoja nešto je manja, ali to smanjenje sigurnosti nije toliko da bi se zbog njega moralo odustati od tako jednostavnog rješenja. Ako termoelektrana osim čne čima uzimati elektri energije potroša i paru, iz opisani ne osigurava čna dobavu pare jer sedaje para ne može mrežeblok-spoj kao elektri energija.dovoljno U tom ćne parne sabirnice slučaju povoljno je postaviti rezervni kotao koji je spojen na pomo (slika 5.35). Pomoćne sabirnice dimenzionirane su za učin samo jednog kotla, što nije slučaj s normalno izvedenim parnih sabirnicama.
33
Kad je upotrebljen proces s me đupregrijavanjem pare, praktički ne dolazi u obzir shema spoja sa sabirnicama, jer bi to znatno kompliciralo postrojenje. U tom se slučaju elektrana izvodi redovito u blok-spoju kotao-turbina (slika 5.36).
Slika 5.36: Shema spoja termoelektrane s međupregrijanjem u blok-spoju kotaoturbina
5.2.5 GENERATORI (TURBOGENERATORI) đuju u horizontalnoj Generatori u termoelektranama su turbogeneratori koji se izgra češće s dva izvedbi, smješteni su zajedno s turbinama u strojarnici. Grade se naj pola.
5.3 FAKTORI KOJI OGRANI ČAVAJU VELI ČINU INSTALIRANE SNAGE PARNE TERMOELEKTRANE Instalirana snaga termoelektrana normalno je odre đena potrebama konzuma, đutim, porast odnosno potrebama snage za dopunu proizvodnje iz hidroelektrana. Me potrošnje električne energije traži izgradnju sve većih termoelektrana, pa se događa čenja da prirodni uvjeti ograničavaju instaliranu snagu termoelektrana. Do tog ograni može doći zbog ograničenja količina ugljena, zbog ograničenih količina vode i/ili zbog ograničenog prostora za izgradnju termoelektrane. Pri određivanju raspoloživih količina goriva treba uvažiti i činjenicu da termoelektrani treba biti osigurano gorivo bar za 20-25 godina, ukoliko se želi isplativost izgradnje postrojenja. Najveća količina vode u termoelektrani potrebna je za hlađenje kondenzatora. Hlađenje kondenzatora može se provesti bilo protočnim bilo povratnim hlađenjem. U prvom se slučaju za hlađenje kondenzatora upotrebljava uvijek svježa voda, dok u slučaju povratnog hlađenja stalno kruži ista voda, koja se hladi u rashladnom tornju. Protočno hlađenje je i energetski i ekonomski povoljnije jer je pri njemu temperatura rashladne vode niža, što omogućuje održavanje nižeg tlaka u kondenzatoru, a potrebne su i manje investicije za izgradnju postrojenja. Zbog toga se uvijek teži protočnom hlađenju, kad god je to moguće s obzirom na raspoloživu količinu vode. čnim hlađenjem kondenzatora Maksimalna instalirana snaga termoelektrane s proto
34
ovisi o minimalnom protoku u vodotoku iz kojeg se uzima voda za hla đenje, jer je potrebno da puna snaga termoelektrane bude osigurana baš u doba najmanjih protoka. Za protočno hlađenje obično se računa da je za 1 kg pare koja struji u kondenzator potrebno 60 kg vode za hlađenje. Količine vode potrebne za povratno hlađenje znatno su manje, pa je moguće s istom količinom vode opskrbiti termoelektranu znatno veće snage. Najveći gubitak vode u krugu hlađenja nastaje zbog isparivanja vode u rashladnom tornju, pa je potrebno dodavati svježu vodu da se nadoknadi taj gubitak. Voda koja se isparuje u rashladnom tornju ostavlja u krugu hlađenja soli koje su u njoj bile rastopljene. Kako svježa dodatna voda stalno donosi ćava, te bi došlo do u krug hlađenja nove soli, koncentracija se soli u vodi stalno pove taloženja soli u cijevima kondenzatora kad se jedan dio vode ne bi povremeno ć
ispuštao vode i nadomještao svježom vodom. Za toliko je potreba svježe vode vea od gubitaka isparavanja. Ograničenje zbog nemogućnosti smještaja samog postrojenja može doći u obzir samo u rijetkim slučajevima, ali u nekim slučajevima instalirana snaga termoelektrane može biti ograničena zbog ograničene raspoložive površine za uskladištenje ugljena. Radi sprečavanja samozapaljenja ugljena visina sloja ne smije prijeći određenu visinu, koja je ovisna o kvaliteti i svojstvima ugljena. đivati moguću Nasuprot hidroelektranama, ne treba za termoelektrane posebno odre godišnju proizvodnju, jer je ta proizvodnja - ako stoje na raspolaganju dovoljne količine ugljena, što se može praktički uvijek pretpostaviti - proporcionalna maksimalnoj snazi. Može se računati da je u prosjeku za revizije i održavanje potrebno ~ 1000 sati godišnje. Pored toga, proizvodnja termoelektrane ovisi u prvom redu o mogućnosti plasmana energije, a tek u drugom redu o tehni čkoj mogućnosti proizvodnje.
5.4 KONDENZACIJSK E TERMOELEKTRANE Kondenzacijske termoelektrane služe isključivo za proizvodnju električne energije. Pogonski je stroj kondenzacijska parna turbina, u kojemu se para ekspandira do tlakova 0,04 ... 0,07 bara, koji vladaju u kondenzatoru. To je najčešći tip termoelektrana. Stupanj djelovanja razmjerno je nizak (do 41 %) jer je maksimalna temperatura parnog procesa razmjerno niska (do najviše 600°C). Stupanj djelovanja u najvećoj mjeri ovisi o parametrima svježe pare (njezinog tlaka i temperature). Kad se razmatra lokacija kondenzacijske termoelektrane, potrebno je razlikovati makrolokaciju od mikrolokacije. Makrolokacija ovisi o tri faktora: o gorivu, vodi i potrošačima električne energije. Kad se radi o gorivima niske kalori čne moći (lignitu, čan utjecaj slabijim vrstama mrkog ugljena) i o termoelektranama velike snage, odlu na makrolokaciju imaju gorivo i voda. Ako se u termoelektrani ra čuna s izgaranjem visokokaloričnih goriva (kamenog ugljena, derivata nafte, zemnog plina), transport ča. goriva normalno nema utjecaja na lokaciju, pa je važniji utjecaj vode i potroša Danas, kad se grade termoelektrane sve većih snaga, kad se iskorištavaju sve lošije vrste čvrstih goriva i kad je omogućen prijenos električne energije na velike daljine, najčešće se termoelektrane grade neposredno na ugljenim rudnicima. Na če potrebna površina (skladište goriva i deponij mikrolokaciju, s druge strane, utje ćnost priključka na željezničku (ili plovnu) i pepela) i nosivost zemljišta, mogu električnu mrežu, dovod i odvod vode, potreba budućeg proširenja elektrane.
35
5.4.1 STUPANJ DJEL OVANJA K ONDENZACIJSKE TER MOELEKTRANE Proces u termoelektrani može se prikazatih s - dijagramom (slika 5.37) u kojem se kao ordinata nanosi entalpija (h ), a kao apscisa entropija ( s ).
Slika 5.37: Prikaz procesa bez gubitaka u kondenzacijskoj parnoj elektrani h( s dijagram) Točka A' odgovara stanju vode na izlazu iz pojne pumpe (A' na slici 5.1); s tim '
B ), isparava ( B C ) i pregrijava stanjem kotao, u kojem se ugrijava A (adijabatske ( C D ). Uvoda turbiniulazi parauekspandira - uz pretpostavku ekspanzije - do tlaka kondenzatora (točka E ), u kojemu se para kondenzira i sa stanjem koje odgovara točki A izlazi iz kondenzatora. Promjena stanja od A na A' posljedica je povišenja tlaka vode pojnim pumpama. Termi čki stupanj djelovanja . Teorijska korisna energija jednaka je hD − hE , gdje je hD entalpija pare na ulazu u turbinu, a hE entalpija na izlazu iz turbine; dovedena je energija jednaka hD − hA , gdje je hA entalpija vode na ulazu u kotao. Ako se još uvaži energija potrebna za pumpanje pojne vode, može se teorijska korisna energija odrediti iz iznosa hD −h E h−h( A − A ) , a izraz za dovedenu energiju može se proširiti sa '
'
'
hA' , pa se dobiva hD − h
−h( Ah
−
).
Omjer između teorijske korisne i dovedene energije naziva se termički stupanj djelovanja. ηter =
hD − h
E
hD − h
A
h−h( h−h(
A' A'
−
A
−
A
A'
A
)
(5.1)
)
Iz razmatranja može se ispustiti drugi član ( hA − hA ) u brojniku jer se potrošak energije za pojnu pumpu može uključiti u ostali vlastiti potrošak elektrane. Osim toga '
36
za ova razmatranja može se zanemariti taj isti član i u nazivniku, čime se čini nešto čki stupanj veća greška kad je tlak visok. Uz spomenuto zanemarivanje izraz za termi djelovanja glasi: ηter =
hD − hE hD − hA
(5.2)
Pretpostljeno je, dakle, da se to čka A' na slici 5.1 poklapa s točkom A . Efektivni stupanj djelovanja. Prilikom crtanja dijagrama na slici 5.37 zanemareni su svi gubici. Oni se, međutim, u praksi ne mogu zanemariti. To su: a) gubici u parnom vodu od kotla do turbine iu regulacijskom ventilu turbine; zbog čki D već točki D1 (slika 5.38); njih stanje pare na ulazu u turbinu ne odgovara to
Slika 5.38: Prikaz procesa u parnim kondenzacijskim termoelektranama b) gubici u turbini zbog kojih se ekspanzija nevrši po adijabati D1 E1 već po krivulji D1 E2 . Omjerom razlika entalpija pare u točkama D1 i E2 , s jedne strane, i u točkama D1 i E1 , s druge strane, definiran je unutarnji stupanj djelovanja turbine: ηi =
hD1 − hE 2
(5.3)
hD1 − hE1
c) gubici zbog pothlađenja kondenzata - u nekim slučajevima - ispod temperature zasićenja koja odgovara tlaku u kondenzatoru. U tom je slučaju stanje kondenzata na izlazu iz kondenzatora određeno točkom A1 ; d) gubici pare kroz brtvenice i gubici topline zbog odvođenja i isijavanja, koje možemo zanemariti; 37
e) mehanički gubici u turbini. Ako se označi sa: η k stupanj djelovanja kotla, sa η p stupanj djelovanja cjevovoda, sa ηi unutarnji stupanj djelovanja turbina, sa η m mehanički stupanj djelovanja, može se odrediti stupanj djelovanja na vratilu turbine η( e ) i izraza: e
=
ter
⋅ ⋅m i ⋅ ⋅
(5.4)
p k
pri čemu je pretpostavljeno da ne dolazi do pothlađivanja kondenzata. Stupanj djelovanja ηe zove se efektivni stupanj djelovanja. Stupanj djelovanja na pragu elektrane . Uvažavajući još stupanj djelovanja čnicama generatora ( η g ) dolazi se do stupnja djelovanja elektrane na priklju generatora: η el = η eη g
(5.5)
a ako se još s ν označi omjer između snage potrebne za vlastiti potrošak ( Pvl ) i snage na priključnicama generatora (Pel ): ν =
Pvl
(5.6)
Pel
može se odrediti stupanj djelovanja na pragu elektrane iz izraza: ηel ,p = ηel ⋅ (1 − v )
(5.7)
5.4.2 FAKTORI KOJI UTJE ČU NA STUPANJ DJELOVANJA PARNE TERMOELEKTRANE čki stupanj Odlučan utjecaj na stupanj djelovanja parne termoelektrane ima termi čki djelovanja, koji je normalno i najmanji, pa je razumljivo nastojanje da se termi stupanj djelovanja poboljša. Utjecaj pove ćanja tlaka pare . Termički stupanj djelovanja uz konstantnu temperaturu svježe pare raste s povećanjem tlaka pare sve do optimalnog tlaka, uz koji se postiže maksimalni stupanj djelovanja. Taj optimalni tlak je to ve ći što je temperatura pare viša, tako da za temperature od 450°C i više doseže vrijednost ć iznad 200 bara (slika 5.39). To vrijedi za ciklus bez zagrijavanja kondenzata, dok ve za ciklus s jednim stupnjem zagrijavanja maksimalno iščezava, pa povišenje tlaka donosi i povećanje termičkog stupnja djelovanja.
38
Slika 5.39: Ovisnost termičkog stupnja djelovanja ηter o tlaku p i temperaturi svježe pare za teorijski ciklus bez zagrijavanja kondenzata (temperatura u kondenzatoru 27 °C) Povišenje temperature svježe pare . Ovo dovodi uvijek do poboljšanja stupnja djelovanja. Granica temperature odre đena je svojstvima upotrijebljenog čelika. Feritni čelici mogu se upotrijebiti do temperature od 560 °C, za više temperature (do 650 °C) potrebni su austenitni čelici. Međupregrijanje pare . Termički stupanj djelovanja može se poboljšati međupregrijanjem pare koja je već djelomično ekspandirala u prvom dijelu turbine, s tim da ponovo pregrijana para u drugom dijelu turbine ekspandira do kondenzatorskog tlaka. Ponovno pregrijavanje pare vrši se u kotlu (slika 5.40).
Slika 5.40: Shematski prikaz procesa s međupregrijanjem u parnoj termoelektrani Termički stupanj djelovanja termoelektrane uz međupregrijavanje pare može se odrediti iz izraza:
39
ηter =
( hD −h )(F h+ h) G − ( hD −h )(A h+ h) G −
(5.8)
E F
u kojemu su upotrebljene oznake kao na slici 5.41.
Slika 5.41: Prikaz procesa s me đupregrijanjem u parnoj termoelektrani I sada je u brojniku teorijska korisna energija, koja se dobiva ekspanzijom pare u prvom dijelu (od D do F na slici 5.41) i u drugom dijelu turbine (odG do E ). Isto tako se i toplina dovodi u dva maha, i to za ugrijavanje, isparivanje i prvo pregrijanje (od A do D ), a drugi put samo za ponovno pregrijanje (odF do G ). Zagrijavanje kondenzata . Termički stupanj djelovanja može se još poboljšati time da se kondenzat zagrijava parom koja je već djelomično ekspandirala u turbini. Jedan od načina je zagrijavanje kondenzata miješanjem (slika 5.42-a). Daljnje poboljšanje može se postići zagrijavanjem kondenzata u dva ili više stupnjeva (slika 5.42-b).
a – u jednom stupnju 40
b – u više stupnjeva Slika 5.42: Shematski prikaz procesa sa zagrijavanjem kondenzata miješanjem a – u jednom stupnju; b – u više stupnjeva Zagrijavanje kondenzata može se postići i površinskim zagrijačima prema slici 5.43.
a – vraćanje kondenzirane pare pumpanjem
b – vraćanje kondenzirane prirodnim putem Slika 5.43: Shematski prikaz procesa s tri stupnja zagrijavanja kondenzata posredstvom površinskih zagrijača a – vraćanje kondenzirane pare pumpanjem: b – vraćanjem kondenzirane pare prirodnim putem
41
čki stupanj Povećanje broja stupnjeva zagrijavanja kondenzata poboljšava termi djelovanja jer se s njime povećava i količina topline koja se - bez povećanja topline đutim, svaki novi stupanj odvedene u kondenzatoru - može iskoristiti u turbini. Me ćanje smanjuje zagrijavanja ne donosi isto poboljšanje stupnja djelovanja: to se pove povećanjem broja stupnjeva (slika 5.44).
Slika 5.44: Poboljšanje termičkog stupnja djelovanja u ovisnosti o temperaturi zagrijanja kondenzata t z i broju stupnjeva zagrijanja Zagrijavanje kondenzata miješanjem (slika 5.42) ima prednosti s obzirom na stupanj činu kondenzata (iz djelovanja, ali zahtjeva da se postavi pumpa za ukupnu koli kondenzatora i kondenzirane pare za zagrijavanje) iza svakog stupnja zagrijavanja. či (slika 5.43) u kojima se zbog Stoga se po pravilu upotrebljavaju površinski zagrija prolaza topline kroz stijenku kondenzat zagrijava do niže temperature uz isti tlak pare za zagrijavanje. Vraćanje kondenzirane pare u krug ostalog kondenzata može se postići pumpanjem kondenzata iz svakog zagrijača ili odvođenjem kondenzata iz svakog zagrijača ili odvođenjem kondenzata iz zagrijača višeg tlaka u zagrijač nižeg tlaka sve do turbinskog kondenzatora.
5.4.3 OSNOVNA ENERGETSKA KA RAK TERISTIKA TOPLINE TERMOELEKTRANE
I
POTROŠNJA
Niti jedan od ranije definiranih stupnjeva djelovanja nije ni za promatrani agregat konstantan već ovisi o opterećenju agregata. To također vrijedi i za termoelektrane kao cjelinu. Stupanj djelovanja definiran je kao omjer korisne snage P( ) i dovedene snage (D ): η=
P
(5.9)
D
42
Ako se u koordinatnom sustavu na apscisu nanese korisna snaga, a na ordinatu dovedena snaga, dobit će se osnovna energetska karakteristika D = f ( P ) prema slici 5.45.
Slika 5.45: Osnovna energetska karakteristika D = f ( P ) , karakteristika stupnja djelovanja η = f ( P ) i karakteristika specifičnog potroška s = f ( P ) Iz osnovne energetske karakteristike termoelektrane mogu će je prema slici 5.45 odrediti karakteristiku stupnja djelovanja η = f ( P) i karakteristiku specifičnog potroška s = f ( P ) , koja je definirana kao omjer dovedene i korisne snage. s=
D
(5.10)
P
Pomoću osnovne energetske karakteristike moguće je za poznatu krivulju trajanja opterećenja odrediti potrošnju topline dovedene gorivom (slika 5.46).
43
Slika 5.46: Grafičko određivanje dovedene energije (WD ) iz dijagrama opterećenja P = f ( t ) i osnovne energetske karakteristike D = f ( P ) ćenja P = f ( t ) - preko Grafičkom konstrukcijom možemo iz dijagrama trajanja optere osnovne energetske karakteristike D = f ( P ) - konstruirati dijagram trajanja dovedene snage D = f ( t ) . Površina ispod krivulje D = f ( t ) prikazuje dovedenu energiju WD (potrošnja topline): t
∫
WDt () = D(t) dt
(5.11)
o
koja se može odrediti planimetriranjem. Korisna energija W ( ) prikazana je također površinom, ali ispod krivulje P = f ( t ) : t
∫
W (t) = P(t) dt
(5.12)
o
Iz tih dviju veličina moguće je – analogno izrazima (5.9) i (5.10) odrediti srednji stupanj djelovanja: η sr =
W
(5.13)
WD
44
i srednji specifični potrošak: ssr =
⎡ MJ ⎤ ⎢⎣kWh ⎥⎦
WD W
(5.14)
Prikazani način određivanja potrošnje topline daje točan rezultat. Međutim, u nekim slučajevima može se zadovoljiti i aproksimacijom, pogotovo kad se radi o razmatranju prilika u budućnosti. U tu svrhu korisno je upotrijebiti linearnu aproksimaciju osnovne energetske karakteristike prema slici 5.47, koja se opisuje jednadžbom: D = D0 + sd P
⎡ MJ ⎤ ⎢⎣ h ⎥⎦
(5.15)
Slika 5.47: Aproksimacija osnovne energetske karakteristike U jednadžbi (5.15) su: D0 [ MJ / h ] - potrošak u praznom hodu; sd [MJ /kWh ] – konstanta koja se zove dodatni specifični potrošak Integriranjem izraza, uzimajući vremenske funkcije D ( t ) i P ( t ) uz uvažavanje izraza (5.12) dobivamo: t
t
t
∫
∫
∫
o
0
0
WD)(t )=( D t dt D= dt0 )s( + P tddt
MJ
[
(5.16)
]
odakle: WD )(t
=Dt 0sW + )(td
MJ
[
(5.17)
]
45
Za t = T vrijedi: WD =DT0 s+W d MJ[
(5.18)
]
Za određivanje potrošnje topline W D sada nije potrebno poznavati krivulju trajanja opterećenja već samo potrebnu korisnu energijuW i trajanje pogona elektrane t . O potrebnoj točnosti ovisi koji od načina određivanja potrošnje topline treba upotrijebiti. Može se sasvim op ćenito reći da treba upotrijebiti što to čniji način određivanja potrošnje topline za slučajeve kad se razmatranja vrše za već izgrađene termoelektrane ili za termoelektrane za koje su poznate karakteristike agregata i kotlova, kao i onda kad se radi o analizi prilika u jednoj termoelektrani. Osnovna energetska karakteristika, prikazana na slici 5.45 vrijedi za termoelektrane s jednim agregatom. Termoelektrana s jednim agregatom je iznimka. Postojanje više agregata omogućuje bolje prilagođavanje dijagramu opterećenja stavljanjem u pogon većeg broja agregata, a o tome ovisi i oblik osnovne energetske karakteristike termoelektrane. Ako u elektrani postoje dva jednaka agregata, onda to shematski izgleda kao na slici 5.48, a određivanje zajedničke karakteristike je prikazano na slici 5.49.
Slika 5.48: Shematski prikaz dva jednaka agregata u elektrani
Slika 5.49: Određivanje zbirne osnovne energetske karakteristike za dva jednaka agregata 46
Na slici 5.50 prikazane su osnovne energetske karakteristike triju jednakih agregata u istoj elektrani i to za slučaj kad su u pogonu jedan, dva i tri agregata.
Slika 5.50: Energetska karakteristika triju jednakih agregata u istoj elektrani Sjecištem karakteristika za različit broj agregata određeno je područje rada s đu tim sjecištima odgovarajućim brojem agregata, a najnižim dijelovima krivulja me određena je osnovna energetska karakteristika termoelektrane (ABCD na slici 5.50). Pogon prema tako određenoj karakteristici traži obustavljanje i stavljanje u pogon agregata, već prema promjeni opterećenja. I obustavljanje i stavljanje u pogon traži dodatni potrošak topline, što treba uzeti u obzir pri odre đivanju ukupne potrošnje topline. Međutim, u nekim slučajevima nije poželjno, a ni ekonomično obustavljati agregate, pogotovo kad se radi o kraćim obustavama. U tim slučajevima određivanje potrošnje topline treba provesti prema onoj karakteristici koja odgovara broju agregata u pogonu. Određivanje energetskih karakteristika kad su u pogonu više agregata vrši se uz zahtjev optimalne raspodjele opterećenja među agregatima. Pod optimalnom ćenja među agregatima, uz raspodjelom podrazumijeva se takva raspodjela optere koju se postiže najmanja moguća potrošnja topline.
5.4.4 TROŠKOVI IZGRADNJE I POGONA TERMOELEKTRANE Troškovi izgradnje termoelektrana obično su karakterizirani specifičnim investicijama i [nov čane jedinice / kW ] po jedinici instalirane snage. Troškovi izgradnje iznose dakle I = i ⋅ Pi
(5.19)
47
gdje je Pi instalirana snaga elektrane. Specifične investicije ovise o nizu faktora, od kojih su najvažniji: vrsta goriva, čuin kotlova i snaga turboagregata, parametri pare, termi čka shema spoja, opskrba vodom, doprema ugljena, predviđena proširenja, itd. Udio pojedinih dijelova u ukupnim investicijama termoelektrane prikazan je u Tablici 5.1. Tablica 5.1 parni kotao turboagregat
(31 – 46 %) (30 – 45 %)
prosjek 40 % prosjek 34 %
cjevovodi doprema uglja regulacija i pogonska kontrola opskrba vodom ostalo
(7 – 11 %) (0,5 – 6 %) (3 – 6 %) (2 – 6 %) (1 – 10 %)
prosjek 10 % prosjek 3 % prosjek 4 % prosjek 4 % prosjek 5 %
Ukupni godišnji troškovi (n.j./god.) mogu se u termoelektranama podijeliti na dva dijela: na troškove proporcionalne instaliranoj snazi (stalne troškove) i troškove proporcionalne proizvedenoj energiji (troškove rada). U prvu grupu troškova spadaju kamate na osnovna sredstva, amortizacija, otpisi, troškovi uprave, uzdržavanje neovisno o proizvodnji, i plaće. Svi ti troškovi mogu se prikazati kao udio α od troškova izgradnje, pa su stalni troškovi jednaki: K S = α ⋅ Pi ⋅ i
(5.20)
Veličina α kreće se u granicama od 0,12 do 0,18. U drugoj grupi troškova daleko najveći dio čine troškovi za gorivo; u tu grupu uključeni su još troškovi za mazivo i pripremu vode i troškovi uzdržavanja ovisni o proizvodnji. Za sve te troškove može se pretpostavljati da su proporcionalni proizvedenoj energiji, pa troškovi rada iznose: K R = cg ⋅ W
(5.21)
gdje cg praktički predstavlja srednje specifične troškove za gorivo po jedinici čni potrošak energije, jer je udio ostalih troškova malen. Ako se uvede srednji specifi topline ssr [MJ/kWh] i cijena topline ct [n.j./MJ] fco. kotao (obra čun kod kotla), može se pisati: K R =s csr ⋅Wt ⋅
(5.22)
Ukupni godišnji troškovi iznose, dakle: K =K S+K R = ⋅i⋅P α+is sr⋅c tW ⋅
(5.23)
odakle se može odrediti proizvodna cijena energije c dijeljenjem sa godišnjom proizvodnjom W , za koju se još može postaviti:
48
W = Pi ⋅ ti
(5.24)
gdje je t i - vrijeme kroz koje se iskorištava instalirana snaga, pa je: α ⋅i K K c= = =+ W Pt i ⋅ i t i
(5.25)
ssr ct
Za promatranu termoelektranu sve su veličine konstantne osim ti i ssr . Srednji potrošak topline ssr ovisi o iskorištenju elektrane, koje je karakterizirano veličinom ti i ćenja). načinom korištenja (trajanju pogona, obliku dijagrama optere
5.4.5 KOMB INIRANA PROIZVODNJA PARE I ELEK TRI ČNE ENERGIJE Neke industrije trebaju za tehnološki proces osim elektri čne energije i paru. Para se osim toga koristi za grijanje prostorija bilo u tvornicama bilo u javnim zgradama i stanovima. Istovremena potreba električne energije i topline omogućuje toplanama i industrijskim elektranama kombiniranu proizvodnju, koja poboljšava stupanj djelovanja. čnoj parnoj turbini do Pri kombiniranoj proizvodnji para najprije ekspandira u protutla tlaka koji odgovara potrošačima pare (taj tlak je odre đen potrebnom temperaturom pare), a zatim se ta ista para odvodi potrošačima (slika 5.51).
Slika 5.51: Kombinirana proizvodnja pare i električne energije
Slika 5.52: Odvojena proizvodnja pare i elektri čne energije 49
Uspoređujući takav proces s odvojenom proizvodnjom pare i električne energije (slika 5.52), dolazi se do omjera termičkih stupnjeva djelovanja: η1 η2
=
iD1 − ii A i
D
iD − i Ai i
D
+
− D1 η1 ; >1 η2 −E
(5.26)
gdje je η1 - stupanj djelovanja za proces na slici 5.51 η 2 - stupanj djelovanja za proces na slici 5.52 Na slici 5.53 prikazan je primjer ovisnosti omjera (5.26) o stanju iD1 na izlazu iz turbine (vidi sliku 5.51) za određeno stanje svježe pare.
η1 η2
η1
iD 1
η2
iD
iD iD
iD1
−
−
−
iA iA
iD1
−
iE
[kJ / kg ]
iD1
=
iD
Slika 5.53: Ovisnost omjera stupnjeva djelovanjaη1 / η2 o entalpiji pare za grijanje iD1 za iD = 3210, 4kJ kg/i , E = 2006, kJ kg7 / i iA = 125, 6kJ kg/ Takvi se odnosi dobivaju u svim slučajevima, što ukazuje na to da je energetski povoljno – kad god je to moguće – ostvariti kombiniranu proizvodnju pare i električne energije. Međutim, ostvarenje kombinirane proizvodnje moguće je samo kad se će potrošač topline nalazi u neposrednoj blizini elektrane, jer prijenos pare na ve udaljenosti nije ekonomski podnošljiv. Kombinirana proizvodnja pare prema shemi na slici 5.51 može se ostvariti kad postoji vremenski sklad između potrošnje pare i potrošnje elektri čne energije u svakom momentu, i kad mreža može da preuzme svu elektičnu energiju koja se može proizvesti. U svim drugim slučajevima treba za kombiniranu proizvodnju upotrijebiti druge sheme.
50
Pri razmatranju energetskih odnosa u slučaju kombinirane proizvodnje treba razlikovati dva omjera: omjer moguće proizvodnje σ 0 i omjer potražnje σ . Omjer moguće proizvodnje definiran je izrazom: σ0 =
P Q
(5.27)
gdje je: P [ kW ]
- snaga na generatoru; ] - toplina koja se predaje potrošačima u kombiniranoj proizvodnji električne
Q [M J /h
energije. ćenju, omjer Ako se zanemari utjecaj stupnjeva djelovanja i njihova ovisnost o optere σ 0 ovisi o parametrima svježe pare, o tlaku pare za potroša če i o temperaturi kondenzata koji se vraća u elektranu. Taj omjer je, dakle, prakti čki konstantna veličina za izgrađenu elektranu, odnosno za odabrane parametre svježe pare, jer su ostale veličine ovisne o potrošačima. S druge strane, omjer potražnjeσ , koji ovisi o potrošnji električne energije c i o potrošnji toplineQp prema izrazu: σ =
Pp
(5.28)
Qp
varira i tijekom dana u vrlo širokim granicama. Na slici 5.54 prikazan je primjer dnevnog dijagrama potražnje električne energije i topline, te promjena omjera σ tijekom dana, koja odgovara dijagramima potražnje.
Slika 5.54: Dijagrami potražnje električne energije Pp i topline Q p te promjena omjera σ tijekom dana 51
Samo u dva momenta tijekom dana (točka A na slici 5.54) postoji jednakost σ = σ 0 , pa je samo tada moguće zadovoljiti potražnju i elektri čne energije i topline shemom čaj σ < σ 0 nije moguć, jer se na slici 5.51. Pogon prema shemi na slici 5.51 za slu potrebnom količinom pare može proizvesti električna snaga veća od one koja je potrebna potrošačima. To bi dovelo do povećanja broja okretaja turbine, do djelovanja regulatora turbine i do smanjenja dovoda pare turbini dok se ne uspostavi ravnoteža između proizvodnje i potrošnje električne snage, ali onda ne bi bila ćuje opskrbu potrošača za zadovoljena potražnja pare. Shema na slici 5.55 omogu slučaj σ < σ 0 , jer osim protutlačne turbine postoji redukcijski ventil, preko kojega se dopunjuje manjak pare.
Slika 5.55: Shema spoja za slu čaj σ < σ 0 Kroz turbinu naime prolazi količina pare koja odgovara topliniσ 0 Pp , a kroz redukcijski ventil struji razlika koja odgovara koli čini topline Qp − σ 0 Pp . Obrnuta je slika za slučaj σ > σ 0 , jer tada potrošači električne energije traže snagu veću od one koju ekspanzijom u protutlačnoj turbini može proizvesti para potrebna potrošačima pare. Da se zadovolje oba potroša ča, potrebno je postaviti još jednu kondenzacijsku turbinu (slika 5.56), koja će osigurati neovisnost proizvodnje električne energije o potražnji pare.
Slika 5.56: Shema spoja za slu čaj σ > σ 0
52
Protutlačni agregat daje sada snagu σ 0Qp , a kondenzacijski agregat ostatak Pp − σ 0Q p . Razmatranja o odnosu između omjera σ 0 i σ ima puno značenje samo u slučaju kad promatrana elektrana radi izolirano od elektroenergetskog sustava ili kad je elektroenergetski sustav malen u odnosu na promatranu elektranu. Ako je čunati da će elektroenergetski sustav velik prema promatranoj elektrani, može se ra svi manjkovi električne energije moći nadoknaditi iz sustava i da će sustav moći preuzeti sve viškove. Da se osigura potpuna elasti čnost pogona, vrlo često se izvode parne turbine s ćuju opskrbu oduzimanjem (slika 5.57), koje uz korištenje redukcijskog ventila omogu č
ć
đ
potroša a za sve mogu e odnose izme u omjera σ i σ 0 .
Slika 5.57: Shema spoja turbine s oduzimanjem pare
5.4.6 PRILAGO ĐAVA NJE PARNIH TERMOELEK TRANA OPTEREĆENJU U termoelektranama treba razlikovati mogu ćnost prilagođavanja promjenama opterećenja u razdoblju velikih opterećenja od mogućnosti prilagođavanja malim opterećenjima. Mogućnost brze promjene opterećenja kotlova ovisi o dva faktora: o sposobnosti regulacije loženja i pomoćnih pogona i o sposobnosti akumuliranja topline u kotlu. Sposobnost regulacije loženja s utjecajem pomoćnih pogona definirana je kao mogućnost porasta opterećenja u jedinici vremena, u postocima od maksimalnog učina kotla u jedinici vremena. Ta sposobnost za kotlove s prirodnom cirkulacijom kreće se od ∼ 0,1 % do ∼ 0,8 % u sekundi, ovisno o načinu loženja, vrsti kotla i vrsti ugljena. Sposobnost regulacije loženja kotlova s prisilnom cirkulacijom može iznositi i do 3 % u sekundi. Sposobnost akumuliranja topline u vodi kotla još više pove ćava mogućnost brze promjene opterećenja kotla. Brzina promjene opterećenja parne turbine ograničena je dodatnim naprezanjem kućišta, što je posljedica promjene temperature i tlaka pare. Uz pretpostavku da je ćenja turbina prilikom upuštanja dobro zagrijana, može se brzina promjene optere prikazati dijagramom na slici 5.58.
53
Slika 5.58: Granice brzine promjene opterećenja parne turbine Srednja isprekidana linija prikazuje mogućnost promjene opterećenja po unaprijed utvrđenom voznom redu. Osim toga, moguće su promjene opterećenja po svakoj liniji koja leži između gornje i donje linije. Poraste li, npr., optere ćenje od donje granične linije na gornju, daljnja promjena opterećenja smije se vršiti po gornjoj graničnoj liniji. Za određivanje mogućnosti prilagođavanja promjenama opterećenja mjerodavna je turbina, jer je dopuštena brzina promjene opterećenja turbine manja od dopuštene promjene opterećenja kotla. Pitanje prilagođavanja potrebama u razdoblju malih opterećenja nije, međutim, samo tehničko, nego i ekonomsko pitanje. Postoje, naime, u principu dvije mogu ćnosti: prva, da se obustavi dio agregata ili dio termoelektrana koje je bilo potrebno staviti u ćenja, i druga, da se ti agregati pogon za pokrivanje potreba u razdoblju velikih optere ili termoelektrane ne obustave. Obustava agregata izaziva dodatni potrošak goriva za stavljanje u pogon kotla i turbine, kao i za potrošak za vrijeme obustave (otplinjavanje, polagano okretanje agregata i sl.). S druge strane, ako se agregati ne obustave, to dovodi do potrebe da agregati, ili dio agregata, rade s malim đer izaziva dodatni opterećenjem pri kojem je stupanj djelovanja nizak, što tako potrošak goriva. Uspoređivanjem dodatnog potroška zbog obustavljanja i dodatnog ćenja, donosi se potroška zbog neobustavljanja, a uzevši u obzir trajanje malih optere odluka o načinu pogona u tom razdoblju. Takva situacija pojavljuje se u elektroenergetskom sustavu u kojem rade same termoelektrane ili u kojima je udio hidroelektrana neznatan, a omjer minimalnog i maksimalnog optere ćenja m0 nije suviše nizak. U elektroenergetskom sustavu u kojem je udio hidroelektrana zna čajan pojavljuje se u periodu velikih voda potreba obustavljanja agregata u termoelektranama radi sprečavanja preljeva u razdoblju malih optere ćenja, jer je zbog tehničkog minimuma nemoguće proizvodnju termoelektrana smanjiti ispod određene granice. Takva situacija može nastupiti i u sustavu samih termoelektrana kad je omjerm0 vrlo nizak, pa je suma tehničkih minimuma agregata veća od minimalnog opterećenja. U prvom slučaju obustavljanje agregata predstavlja smanjenje ukupne potrošnje goriva, koja čaj samo bi bila potrošena neobustavljanja agregata, pađujerada obustavljanje još i povoljnije nego kadzaseslu radi o razlici potroška izme s povoljnim nepovoljnim stupnjem djelovanja. U drugom slučaju se radi o nužnom obustavljanju agregata zbog nepovoljnog dijagrama opterećenja.
54
Tehnički minimum rada kotlova ovisi o vrsti loženja, o vrsti goriva i o održavanju stabilnog izgaranja. Kotlovi s loženjem na rešetki mogu se održavati u pogonu u praznom hodu, što nije slučaj s kotlovima loženim ugljenom prašinom, kod kojih tehnički minimum ovisi, uglavnom, o sadržaju hlapljivih sastojaka u gorivu. Tehnički minimum turboagregata je određen temperaturom pare na izlazu iz turbine. Praktički može turbina raditi u praznom hodu uz uvjet da se poduzmu posebne mjere, naročito što se tiče hlađenja ejektora (korištenje sirove vode) i dobave pare za otplinjač pojne vode.
5.4.7 TERMOELEKTRANE S PLINSKIM TURBINAMA U takvim termoelektranama pogonski strojevi generatora su plinske turbine. Isprva su se plinske turbine gradile kao turbine s otvorenim procesom. Osnovni su elementi postrojenja s plinskim turbinama, koje rade s otvorenim procesom: kompresor, komora za izgaranje i plinska turbina (slika 5.59).
Slika 5.59: Osnovna shema postrojenja s plinskom turbinom K - kompresor, KI - komora za izgaranje, T -plinska turbina Kompresor K upija zrak iz atmosfere i tiska ga u komoru za izgaranje KI, u koju se dovodi gorivo (u tekućem ili plinovitom stanju). Izgaranje se događa uz konstantni tlak, a izlazni plinovi struje kroz turbinu T i ekspandiraju u njoj do atmosferskog tlaka. Kao gorivo za plinske turbine dolaze u obzir derivati nafte, zemni plin, grotleni plin i plinovi iz rafinerija nafte. ćnim izvorom Postrojenje s plinskom turbinom može se staviti u pogon samo s pomo energije. U tu svrhu služi asinkroni motor (slika 5.59). Postrojenja s plinskim turbinama s višestrukom kompresijom i višestrukom ekspanzijom imaju stupanj djelovanja i specifične investicije usporedive sa stupnjem djelovanja i specifičnim investicijama modernih termoelektrana. Nasuprot tome najjednostavnija postrojenja s plinskim turbinama rade sa znatno nižim stupnjem djelovanja (17 – 20 %), a specifične investicije iznose samo polovinu od specifičnih investicija za postrojenja s visokim stupnjem djelovanja.
55
5.4.7.1
Stupanj djelovanja elektrana s plin skim turb inama
Proces u postrojenju s plinskom turbinom bez gubitaka može se prikazati u p − v dijagramu (slika 5.60-a) ili uT − s dijagramu (slika 5.60-b).
Slika 5.60: Osnovni proces u plinskoj turbini Od 1 do 2 zrak se adijabatski komprimira u kompresoru, a toplina se dovodi u komoru za izgaranje uz konstantni tlak p2 . Plin u turbini adijabatski ekspandira (od 3 do 4 ), a odvodi iz nje uz konstantni tlak p1 , koji je jednak tlaku okoline. Dovedena toplina proporcionalna je površini 23ba u T − s dijagramu (slika 5.60-b) odnosno: Q1 = c p ⋅ (T3 − T2 )
(5.29)
a odvedena toplina proporcionalna je površini14ba , odnosno: Q 2 = c p ⋅ (T4 − T1 ) (5.30) Korisna toplina je razlika tih toplina, atermički stupanj djelovanja je omjer te razlike i dovedene topline, pa je: η ter =
Q1 − Q2 Q1
=1−
Q2 Q1
=1−
T4 − T1
(5.31)
T3 − T2
Stupanj djelovanja postrojenja prikazanog na slici 5.59 nizak je zbog velike koli čine topline koju odvode plinovi na izlazu iz turbine i zbog znatne energije koju treba utrošiti za kompresiju zraka; kre će se između 12 i 26 %. Plinovi koji su ekspandirali u turbini imaju temperaturu T(4 na slici 5.60) višu od temperature komprimiranog zraka (T2 ), pa je moguće izlaznim plinovima predgrijavati komprimirani zrak za izgaranje. To se postiže postavljanjem zagrija ča zraka (slika 5.61).
56
čem zraka Slika 5.61: Shema postrojenja s plinskom turbinom i zagrija K - kompresor, KI - komora za izgaranje, T -plinska turbina, Z – zagrija č zraka
Međutim, nije moguće iskoristiti svu toplinu izlaznih plinova, jer se izlazni plinovi mogu koristiti za zagrijavanje zraka samo do temperatureT2 komprimiranog zraka. S činu goriva druge strane, stoga što je zagrijan zrak, potrebno je dovesti samo onu koli koja je potrebna za zagrijavanje zraka od temperatureT4 do T3 (slika 5.62).
3
ϑ3
2
`
ϑ4
4
2
ϑ2
ϑ1
4
`
1
a
c
d
b
s
Slika 5.62: Proces u plinskoj turbini sa zagrijačem zraka 14' da - odvedena toplina, 2'3bc - dovedena toplina čki To dovodi do smanjenja dovedene i smanjenja odvedene topline, pa je termi
stupanj djelovanja: ηter = 1 −
T2 − T1
(5.32)
T3 − T4
57
Termički stupanj djelovanja postrojenja sa zagrijačem zraka veći je od termičkog stupnja djelovanja bez toga zagrijača u svim slučajevima kada je T4 > T2 . Poboljšanje stupnja djelovanja može se postići kompresijom u više stupnjeva s hlađenjem između pojedinih stupnjeva. Sniženjem temperature zraka smanjuje se specifični volumen zraka ν , što dovodi do smanjenja potrebnog rada kompresije koji je proporcionalan ∫ νdp . Shema postrojenja sa tri stupnja kompresije prikazana je na slici 5.63, a prikaz procesa u p − v dijagramu i T − s dijagramu nacrtan je na slici 5.64.
Slika 5.63: Shema postrojenja s plinskom turbinom s trostupanjskom kompresijom i sa zagrijavanjem zraka K1, K2, K3 - kompresori, KI - komora za izgaranje, T -plinska turbina, H1, H2 - hladionici zraka, Z – zagrijač zraka
Slika 5.64: Proces u postrojenju s plinskom turbinom s trostupanjskom kompresijom đenjem goriva Kod ekspanzije u više stupnjeva plinovi se ponovo zagrijavaju dovo nakon djelomične ekspanzije. Ponovno zagrijavanje se vrši do najviše temperature procesa (T3 ). Shema postrojenja sa tri stupnja ekspanzije prikazana je na slici 5.65, a na slici 5.66 prikazan je proces u p − v dijagramu i T − s dijagramu.
58
Slika 5.65: Shema postrojenja s plinskom turbinom s trostupanjskom kompresijom i s trostupanjskom ekspanzijom te sa zagrijavanjem zraka K1, K2, K3 - kompresori, KI1, KI2, KI3 - komore za izgaranje, T1, T2, T3 plinske turbine, Z – zagrijač zraka
Slika 5.66: Proces u postrojenju s plinskom turbinom s trostupanjskom kompresijom i trostupanjskom ekspanzijom Dispozicija prikazana na slici 5.65, sa tri kompresora i tri turbine na istom vratilu, zahtijeva vrlo dugo vratilo i dovodi do konstruktivnih poteško ća. Osim toga izvedba s jednim vratilom nameće potrebu da svi kompresori i sve turbine rade s konstantnim brojem okretaja, što otežava prilago đavanje promjenama opterećenja i povećava potrošnju goriva pri djelomičnom opterećenju. Podjela kompresije i ekspanzije u dva ili više stupnjeva omogućava da se izbjegnu navedene poteškoće. U tom slučaju postrojenje ima dva ili tri vratila: na jednom od njih je generator s jednom turbinom i jednim kompresorom, a na ostalima po jedna turbina i po jedan ili dva kompresora. Na taj način samo se na jednom od vratila mora održavati konstantni broj okretaja, a na ostalima se broj okretaja može mijenjati s promjenom optere ćenja kako bi se postigao što bolji stupanj djelovanja.
59
5.4.7.2
Zatvoreni proces u postrojenju s plinskom turbinom
U dosad razmatranim postrojenjima u plinskim je turbinama ekspandirala smjesa plinova izgaranja i zraka. Zbog toga za pogon ne može poslužiti kruto gorivo jer bi krute čestice pepela plinskoj turbini vrlo brzo uništile lopatice. Izvedbom zatvorenog procesa, međutim, to postaje moguće jer u kompresoru i turbini stalno kruži isti zrak, koji ne sudjeluje u izgaranju (slika 5.67).
Slika 5.67: Shema najjednostavnijeg postrojenja splinskom turbinom sa zatvorenim procesom K – kompresor, KI – komora izgaranja, T – turbina, H – hladnjak, G – generator, M – motor za stavljanje u pogon Taj zrak preuzima toplinu u izmjenjiva ču topline, koji je ujedno i komora izgaranja. Zatvoreni proces potpuno je analogan parnom postrojenju: komora za izgaranje s č
izmjenjiva em topline odgovara parnom kondenzatoru, a kompresor pojnoj pumpi.kotlu, plinska turbina parnoj turbini, hladnjak U zatvorenom procesu mogu se primijeniti već opisani postupci kojima se poboljšava stupanj djelovanja (zagrijavanje zraka, višestruka kompresija i ekspanzija). čena nego u U zatvorenom procesu maksimalna je temperatura više ograni otvorenom procesu. Cijevi u komori za izgaranje moraju se, naime, zagrijati više nego što iznosi maksimalna temperatura zraka na ulazu u turbinu. Zbog toga je maksimalna temperatura koja je mjerodavna za stupanj djelovanja niža od čena s obzirom na maksimalne temperature u postrojenju, a ona je ograni upotrijebljeni konstrukcijski materijal. Stoga i cijevi u komori izgaranja moraju biti izvedene od termički otpornog materijala, a u postrojenju s otvorenim ciklusom njegova je upotreba ograničena samo na turbinske lopatice. U današnje vrijeme ne izvode se postrojenja sa zatvorenim procesom jer su znatno ći složenija od onih s otvorenim, a i stoga što se u parnim procesima mogu posti povoljni stupnjevi djelovanja.
5.4.8 PREDNOSTI I NEDOSTACI ELEK TRANA S PLINSKIM TU RBINAMA Priprema vode za napajanje kotlova u postrojenjima s parnim turbinama zahtijeva znatne uređaje, koji potpuno otpadaju u postrojenjima s plinskim turbinama ili su zamijenjeni filtrima za zrak u područjima u kojima u zraku ima znatnih količina 60
prašine. Uzdržavanje tog filtera neusporedivo je jednostavnije od pripreme vode za kotlove. đena količina Za pogon postrojenja s višestrukom kompresijom potrebna je odre vode za hlađenje zraka, ali potrebna količina vode znatno je manja (u odnosu 5:1) od količine vode potrebne za hlađenje kondenzatora parne turbine iste snage. Postrojenje s plinskom turbinom smješta se u jednoj prostoriji, što olakšava nadzor nad postrojenjem i ima za posljedicu da je površina potrebna za izgradnju postrojenja s plinskom turbinom manja od površine potrebne za postrojenje s parnom turbinom iste snage. Vrijeme potrebno za stavljanje u pogon iz hladnog stanja postrojenja s parnom turbinom iznosi i nekoliko sati, a za postrojenje s plinskom turbinom otvorenog sistema 5.68) . to vrijeme nije dulje od 20 – 30 minuta, pa i za postrojenje s dva vratila (slika 1 / min 6000
A
B
5000
inevi etajaturb Brojokr
sokogtla
20
ka
4000
3000
16
Broj okretajaturbineniskogtlaka
12
η 2000
8
1000
4
0
MW
24
C
5
15
10
P
20
Slika 5.68: Dijagram stavljanja u pogon postrojenja s plinskom turbinom (Livorno) snage 25 MW Glavni je nedostatak plinskih turbina nemogućnost upotrebe ugljena kao goriva.Čak je i upotreba teških ulja kao goriva ograničena na temperature koje nisu znatno više ćem stanju, od 600 °C. U pepelu teških ulja ima naime soli, koje ulaze u turbine u teku tamo se talože i izazivaju koroziju lopatica turbine. Vanadij-pentoksid je glavni predstavnik uzročnika korozije. Kao drugi nedostatak mogu se navesti poteško će pri izgradnji jedinica većih od 15 MW (na jednom vratilu), odnosno od približno 40 MW (na dva vratila), što predstavlja nekoliko puta (i desetak puta) manje jedinice od onih koje se mogu postići parnim turbinama. čenje kad se radi o Navedeni nedostaci plinskih turbina imaju svoje puno zna izgradnji elektranaelektrane koje trebaju proizvoditi temeljnu energiju. kadviše treba izgraditi rezervne ili vršne elektrane za manje područMe je,đutim, dolaze do izražaja prednosti plinskih turbina nego njihovi nedostaci. Zbog malog trajanja iskorištenja rezervne ili vršne elektrane, troškovi za gorivo nemaju presudni utjecaj, pa se može upotrijebiti postrojenje s plinskom turbinom jednostavnije izvedbe koja 61
radi s relativno niskom maksimalnom temperaturom. Postrojenje jednostavne izvedbe (bez zagrijavanja komprimiranog zraka, s jednostrukom kompresijom i ekspanzijom) traži niske investicije, omogućava vrlo brzo stavljanje u pogon i lako održavanje postrojenja, te praktički ne traži vode za hla đenje (osim za hlađenje ulja za regulaciju i za mazanje). Postrojenje s plinskom turbinom vrlo je pogodno za energetsko korištenje otpadnih ći, plinova iz rafinerija nafte i kemijskih plinova u industriji (grotlenih plinova visokih pe industrija). čne energije i Plinska turbina može se upotrijebiti i za kombiniranu proizvodnju elektri topline, bilo u obliku tople vode ili bilo u obliku pare.
62
SADRŽAJ 6.
NUKLEARNE TERMOELEKTRANE .......................................... 2
6.1 6.4 6.5 6.6 6.7 6.7.1 6.7.1.1 6.7.1.2
UVOD ............................................................................................................ 2 NUKLEARNI REAKTOR................................................................................ 6 FAKTOR MULTIPLIKACIJE .......................................................................... 8 REAKTIVNOST REAKTORA ........................................................................ 9 TERMIČKI REAKTORI ................................................................................ 10 GRAFITNI REAKTORI ................................................................................ 10 Reaktor hlađen ugljičnim dioksidom (GCR – Gas Cooled React or) ........... 10 Usavršeni reaktor hlađen ugljičnim dioksidom (AGCR – Advanced Gas Cooled Reactor)........................................................................................... 11 6.7.1.3 Visokotemperaturni plinom hlađen reaktor (HTGR – High Temperature Gas Cooled Reactor)........................................................................................... 11 6.7.2 LAKOVODNI REAKTORI ............................................................................ 11 6.7.2.1 Lakovodni reaktor s vodom pod tlakom (PWR – Pressurized Water Reactor) ..................................................................................................................... 11 6.7.2.2 Lakovodni reaktor s kipućom vodom (BWR – Boiling Water Reactor) ....... 12 6.7.3 TEŠKOVODNI REAKTORI.......................................................................... 13 6.8 OPLODNI REAKTORI ................................................................................. 13 6.9 DEPONIRANJE ISTROŠENOG GORIVA................................................... 14
1
6. NUKL EARNE TERMOELEK TRANE 6.1 UVOD Nuklearne termoelektrane su postrojenja u kojima se toplinska energija koja se oslobađa u nuklearnim reaktorima prilikom raspada atoma «nuklearnih goriva» iskorištava za proizvodnju električne energije. Na taj način dobivena toplinska energija upotrebljava se, pri današnjem stanju razvoja tehnike, samo za stvaranje vodene pare kojom se tjeraju turboagregati. U nuklearnoj termoelektrani termički proces u principu je isti kao u parnoj kondenzacijskoj termoelektrani. Novi je element reaktor, koji s obzirom na funkciju zamjenjuje ložište kotla (ako u krugu postoji izmjenjiva č topline), odnosno parni kotao (ako se para iz reaktora dovodi neposredno u turbinu). Na slici 6.1 prikazane su osnovne sheme spoja za proizvodnju pare u nuklearnoj termoelektrani.
Slika 6.1: Osnovne sheme spoja za proizvodnju pare u nuklearnoj termoelektrani
2
6.2 LAN ČANA REAKCIJA Samostalno održavanje raspada jezgara zasniva se na pojavi da se nakon raspada jedne jezgre pojavi najmanje jedan neutron sposoban izazvati raspad jezgre. U prosjeku, međutim, raspadom jezgre U-235 nastaje 2,5 neutrona. U daljnjem izlaganju govorit će se o U-235, ali uz napomenu da se Pu-239 u principu vlada slično izotopu urana U-235. Broj raspadnutih jezgara rast će po zakonu 2 , gdje je n broj sukcesivnih raspada, ili – kako se često naziva - broj generacija neutrona. Lančana reakcija je ispunjena u atomskoj bombi, koja je u prvoj izvedbi bila izgrađena od čistog U-235. U reaktoru s prirodnim uranom (99,282 % U-238, 0,712 % U-235 i 0,006 % U-234) kao gorivom ili s obogaćenim uranom (smjesa U-238 i Un
235, s većim postotkom U-235 nego u prirodnom uranu) prilike su sasvim drugaali čije. Potrebne su, naime, posebne tehni čke mjere da najmanje jedan neutron proizveden raspadom jedne jezgre izazove raspad druge jezgre (slika 6.2).
Slika 6.2: Shematski prikaz lan čane reakcije Ako sa n2 označimo broj neutrona u nekoj generaciji, a sa n1 njihov broj u prethodnoj generaciji, za vrijeme stavljanja u pogon mora biti n2 > n1 . Pomoću broja neutrona iz dvije sukcesivne generacije definira se faktor multiplikacije k , određen izrazom: k
=
n2
(6.1)
n1
Pri stavljanju u pogon mora biti k > 1 . Kad je dostignut broj neutrona u jedinici vremena nužan za potrebnu snagu, mora se održavati konstantnost broja neutrona, pa je tada n2 = n1 (srednji dio slike 6.3 – pogon).
3
Slika 6.3: Shema povećanja i smanjenja broja neutrona za vrijeme stavljanja reaktora u pogon, u toku njegova rada i obustavljanja Kad se želiopada obustaviti reaktora, valjadastvoriti da iz generacije u n2 < n1 prilike generaciju broj rad neutrona, dakle bude takve i da faktor multiplikacije postane manji od 1 ( k < 1 ).
6.3 UDARNI PRESJEK Prodor čestica koje nose električni naboj, kao što su alfa-čestice ili protoni, relativno je slab zbog djelovanja elektrostatičkih sila između čestice i elektrona u atomima. Nasuprot tome, neutroni, koji nemaju električnog naboja, mogu znatno lakše prodirati kroz materiju i prijeći relativno duge putove. Samo pri sudaru s jezgrama, koje imaju vrlo male dimenzije, neutroni mogu u sudaru izgubiti od svoje kineti čke energije ili biti apsorbirani. Vanjska magnetska i električna polja ne utječu na njihovo kretanje. Utjecaj gravitacijskog polja, iako postoji, toliko je malen da se može zanemariti. Omjer između promjera jezgre i atoma iznosi od 10 −8 do 10 −12 , pa za kretanje neutrona ima vrlo mnogo slobodnog prostora. Ali unato č tome postoji stanovita vjerojatnost da neki neutron na svom putu naiđe na neku jezgru. Ta vjerojatnost mogla bi se odrediti kao omjer površine jezgre i slobodne površine, pa bi ona imala red veličine 10 −24 . Eksperimenti, međutim, pokazuju da je ta vjerojatnost višestruko veća, što je posljedica djelovanja jezgara koje se nalaze na putu neutrona. Takvu površinu koja stvarno djeluje na neutron nazivamo udarni presjek, a označavamo je sa σ.
4
Udarni presjek nije neka konstanta, jer ovisi o vrsti jezgre, o energiji neutrona i o vrsti reakcije između neutrona i jezgre. Jedan te isti neutron s jednom te istom energijom (brzinom) ima različite vrijednosti udarnog presjeka ovisno o tome je li rije č o raspadu pogođene jezgre, o jezgrinoj apsorpciji neutrona, ali bez raspada, ili o srazu neutrona i pogođene jezgre. Za definiranje udarnog presjeka neka posluži slika 6.4.
Slika 6.4: Skica za definiciju udarnog presjeka Pretpostavimo da s lijeve strane struji Φ 0 neutrona po cm 2 i sekundi okomito na graničnu površinu. Na toj površini ima N atoma po cm 2 . Jedan dio neutrona izazvat će u sudaru s jezgrama atoma u graničnom sloju nuklearnu reakciju, npr. raspad jezgre. Broj tako pogođenih jezgara C po cm 2 i u sekundi ( cm −2 s −1 ) ovisi o udarnom presjeku σ, o gustoći atoma N u graničnom sloju ( cm−2 ) i gustoći neutrona Φ 0 ( cm −2 s −1 ), pa se može postaviti da je: C
=σ
N
Φ0
(6.2)
Prema (6.2) udarni presjek dobivamo iz relacije: σ =
C N
Φ0
⎡ cms ⎢ cm−2 ⎣
−2 −1 −2 −1
cm s
⎤ = cm 2 ⎥ ⎦
(6.3)
Tako definirani udarni presjek naziva se mikroskopski udarni presjeki ima dimenziju 2 −24 cm . Ta je jedinica za prakti čne račune prevelika, pa se upotrebljava jedinica 10 , koja je nazvana 1 barn. Ako se mjeri gustoća neutrona Φ 0 prije ulaska u sloj materijala debljine x , te gustoća neutrona na izlasku iz sloja, dolazi se do podataka pomoću kojih se određuje udarni presjek σ. Promatramo li cm 2 površine, u sloju debljine dx nalazi se N dx jezgara, V
5
gdje je N broj jezgara u dx iznosi: V
− dΦ = σ
NV
cm
3
, a smanjenje gustoće neutrona pri prolasku kroz sloj
Φ dx
(6.4)
Nakon integriranja u granicama od 0 do neutrona Φ 0 , dobiva se: ln
Φ0 =σ Φ
x,
a uzevši u obzir da je za
x
= 0 gustoća
(6.5)
NV x
odakle se lako izra čunava udarni presjek σ. Valja naglasiti da udarni presjek znatno ovisi o energiji neutrona, pa uz podatak o udarnom presjeku treba uvijek navesti i energiju neutrona za koju on vrijedi. Osim mikroskopskoga udarnog presjeka σ upotrebljava se i makroskopski ( Σ ), definiran kao produkt broja jezgara u cm3 ( N ) i mikroskopskog udarnog presjeka σ , pa je: V
Σ =σ
NV
cm
−1
(6.6)
Makroskopski udarni presjek uzima u obzir, čega nema kod mikroskopskoga udarnog presjeka, i makroskopska stanja, npr. tlak i temperaturu, o kojima npr. broj atoma plinova u cm 3 znatno ovisi. Pomoću makroskopskoga udarnog presjeka može se odrediti prosje čna duljina slobodnog puta neutrona, koja je jednaka prosje čnom putu što ga prije đe neutron prije nego izazove neku od nuklearnih reakcija. Prosječna duljina slobodnog puta l prema tome je jednaka recipro čnoj vrijednosti makroskopskoga udarnog presjeka: s
ls
=
1
(6.7)
Σ
I udarni presjeci i duljina slobodnog puta ovise o tipu nuklearnih reakcija. Za pojave u reaktoru važna su tri tipa reakcija: a) apsorpcija neutrona, b) sraz neutrona s jezgrama atoma i c) raspad jezgre djelovanjem neutrona. Te reakcije nazivaju se neutronskim reakcijama.
6.4 NUKLEA RNI REAKTOR Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se fisioni materijal izvrgnut bombardiranju neutronima raspada, a pri tom raspadu oslobađaju se novi neutroni koji su po broju i Č
č
po brzini sposobni održavati raspadanje. su komponente od posebnog ajai za nuklearnu proizvodnju topline u reaktoru:etiri đenje gorivo, moderator, sredstvo za hlazna pogonsko sredstvo.
Toplinska energija dobiva se fisijom jezgara odgovarajućih goriva. Kao gorivo koriste se uran U-235 i plutonij Pu-239. U reaktoru se, međutim, samo izotop urana U-235 6
raspada, dok mnogo češći U-238 ne. Prirodni uran sadrži samo 0,7 % raspadljivog urana U-235, dok je 99,3 % neraspadljiv U-238. Ve ćina tipova reaktora - posebno tzv. lakovodni reaktori - zahtijevaju obogaćeni uran s 2 – 4 % U-235. To se postiže obradom prirodnog urana u specijalnim postrojenjima za obogaćivanje. I Pu-239 se može koristiti kao gorivo, a nastaje između ostalog i ozračenjem U-238 neutronima određene brzine. Gorivo se - prešano u tablete - ulaže u cijevi koje se sastavljaju u gorive elemente. Veliki broj tih elemenata stvara jezgru reaktora. Da bi se sprije čio bijeg neutrona iz jezgre, ona je opkoljena reflektorom, a da bi se onemogućio prodor radioaktivnog zračenja u okolinu, oko reflektora je biološki štit (to je betonski zid debljine i nekoliko metara). Regulacija snage reaktora postiže se kontrolnim sustavom. To su štapovi za regulaciju koji se uvode u jezgru reaktora. Oni č
č
neutrone,topline, uslijed smanjuje. ega se broj raspada jezgara u sklopu lanodre ane reakcije, aapsorbiraju time i proizvodnja Položaj štapova za reguliranje đuje dakle snagu reaktora. Kod isključenja reaktora štapovi se potpuno uvlače u jezgru i time se obustavlja lančana reakcija. Kao sigurnosni sustav koriste se rezervni istovrsni štapovi. Da bi se pri fisiji dobio kontrolirani tok lan čane reakcije, potrebno je usporiti novonastale neutrone, jer su oni u stanju izazvati nove raspade jezgara samo pri malim brzinama. Takvi usporeni neutroni nazivaju se termičkim neutronima, a reaktori termičkim reaktorima. Funkciju usporavanja neutrona preuzima moderator. Kao moderator koristi se voda, grafit, teška voda, organski spojevi i rastaljene soli. Rashladno sredstvo struji kroz gorive elemente u jezgri reaktora te preuzima direktnim dodirom toplinu proizvedenu u njima. Pri isklju čenju reaktora mora se osigurati da se toplina koja nastaje naknadnom fisijom može odvesti daljnjim održavanjem toka rashladnog sredstva, jer bi ina če došlo do pregrijanja jezgre. Kao rashladno sredstvo koriste se: obična voda, plin, teška voda, organski spojevi i rastaljene soli. Odvođenje topline običnom vodom ima znatne prednosti (mogućnost i iskustvo pripreme vode, visoki koeficijent prijelaza topline), ali i nedostataka. Ako se kao rashladni medij upotrebljava voda, ne može se kao fisioni materijal upotrijebiti prirodni uran, a za postizanje visokih temperatura potrebno je raditi pod visokim tlakovima. Posebnu pažnju treba posvetiti pripremi vode, jer ne čistoće u vodi mogu postati znatno radioaktivne. Ugljični dioksid je pogodan za odvo đenje topline iz reaktora zbog njegovih povoljnih nuklearnih karakteristika, relativno velikog koeficijenta prijelaza topline i zbog njegove kemijske stabilnosti. Ugljični dioksid ne postaje radioaktivan prilikom prolaza kroz reaktor što pojednostavljuje izvedbu. Osim toga ne postoje problemi korozije. Mogu ćnost rada s visokim temperaturama uz male tlakove, kao i visoki koeficijent prijelaza topline, doveli su do upotrebe rastaljenih lakih metala kao medija za odvo đenje topline iz reaktora. Može se upotrijebiti natrij ili legura natrija i kalija. Za pogon turbine služi pogonsko sredstvo. Kod rektorskih kružnih tokova bez izmjenjivača topline (reaktori s kipu ćom vodom i visokotemperaturni plinom hlađeni reaktori) pogonsko i rashladno sredstvo su identi čni. Na slici 6.5 je dan shematski prikaz nuklearnog reaktora.
7
Slika 6.5: Shematski prikaz nuklearnog reaktora: 1 – jezgra reaktora, 2 – reflektor, 3 – sigurnosni (biološki) štit, 4 – kontrolni sustav, 5 – sigurnosni sustav, 6 – korisnik toplinske energije
6.5 FAKTOR MULTIPLIKA CIJE Kao što je ve ć spomenuto, faktor multiplikacije definiran je omjerom broja neutrona u dvije sukcesivne generacije (izraz 6.1). Svi raspadom jezgre nuklearnog goriva oslobođeni neutroni neće izazvati nove raspade jezgara. Dio njih će se izgubiti apsorpcijom neutrona - bilo neutrona u nuklearnom gorivu, bilo u ostalim materijalima koji se nalaze u reaktoru, i bijegom iz jezgre reaktora. S obzirom na to da se neutroni u reaktoru gube na dva na čina (apsorpcijom u jezgri reaktora i bijegom iz reaktora), definiraju se dva različita faktora multiplikacije. Prvi se odnosi na umnožavanje neutrona u reaktoru beskona čnih dimenzija ( k ∞ ), u kojem nema bijega neutrona. Drugi, efektivni faktor multiplikacije ( k ) uzima u obzir i gubitak neutrona nastao bijegom neutrona iz reaktora kona čnih dimenzija. Ako s λ označimo vjerojatnost da će oslobođeni neutron ostati u reaktoru, odnosno da neće iz njega pobjeći, odnos faktora multiplikacije k ∞ i efektivnog faktora multiplikacije k možemo prikazati izrazom λ=
k
(6.8)
k∞
Kad je riječ o reaktoru u kojem se za raspad jezgara upotrebljavaju termički neutroni (termički reaktor), faktor bijega iz reaktora λ definira se kao produkt faktora bijega brzih neutrona ( λ ) i faktora bijega termičkih neutrona ( λ ) pa je: b
k
t
= k ∞ λb λt
(6.9)
8
Da bi se održala lančana reakcija, mora biti k ∞ > 1 jer su λ i λ manji od jedinice. Tip reaktora kojim se postiže k ∞ > 1 može osigurati lančanu reakciju ako mu jezgra ima dovoljno velike dimenzije. Pretpostavimo li približno da je bijeg neutrona razmjeran površini A jezgre reaktora i da je osloba đanje neutrona razmjerno volumenu V jezgre, zatim, ako računamo da je površina razmjerna kvadratu linearne dimenzije l 2 , a volumen proporcionalan l 3 , dobiva se: b
A
l
V
l
2
1 − λ= = ⋅ K= ⋅ 3
K
t
1
(6.10)
l
Dakle, vjerojatnost bijega neutrona obrnuto je bijeg proporcionalna reaktora, pa će s pove ćanjem dimenzija reaktora neutrona bitilinearnoj manji. dimenziji
6.6 REAKTIVNOST REAKTORA Faktor multiplikacije k definira stanje reaktora. Budući da je k vrlo blizu jedinici, često se upotrebljava višak faktora multiplikacije definiran izrazom: ∆k = k − 1
(6.11)
Nekad je pogodno ra čunati s reaktivnošću reaktora, koja se dobiva iz relacije: ρ=
k
−1 k
=
∆k
≈ ∆k
(6.12)
k
jer je faktor multiplikacije obično vrlo blizu jedinice. Razlikujemo u osnovi tri stanja reaktora: potkritično, kritično i nadkritično stanje. Ta su stanja određena vrijednostima faktora multiplikacije, njegova viška ili reaktivnošću reaktora, pa je: -reaktor potkritičan kad je k < 1, ∆k < 0, ρ < 0 -reaktor kritičan kad je k = 1, ∆k = 0, ρ = 0 -reaktor nadkritičan kad je k > 1, ∆k > 0, ρ > 0 Reaktor se mora izgraditi tako da ima stanovitu pozitivnu reaktivnost. To je prijeko potrebno da bi se reaktor mogao staviti u pogon i da bi se kompenzirale promjene reaktivnosti koje se pojavljuju za vrijeme pogona (utrošak goriva i dr.). Prema tome, reaktor treba imati «ugrađenu reaktivnost». Također je potrebno omogućiti promjenu reaktivnosti, i to: ∆k > 0 za stavljanje u pogon i pove ćanje snage, ∆k = 0 za stacionarno stanje i ∆k < 0 pri zaustavljanju reaktora i smanjenju snage. Mora, dakle, biti moguće kompenzirati dio ugrađene reaktivnosti kako bi se postigla željena reaktivnost. To se postiže uvla čenjem u reaktor štapova od materijala velikog udarnog presjeka (bor,višak kadmij). Uobičajeno je da apsorpcije se ugra đeni faktora multiplikacije ili ugrađena reaktivnost definira za «hladni» i «svježi» reaktor.
9
Pod pojmom «hladni reaktor» podrazumijeva se reaktor pri temperaturi od 20 °C. Kad, naime, reaktor radi, povećava se njegova temperatura, što ima utjecaja na reaktivnost reaktora, pa će ona biti različita od one pri 20 °C. Pod pojmom «svježi reaktor» podrazumijeva se reaktor u kojem se nalazi svježe gorivo, bez produkata raspada. Manja količina goriva i produkti raspada, naime, smanjuju ugrađenu reaktivnost reaktora. Za vrijeme rada faktor multiplikacije se mijenja zbog utjecaja: a) zatrovanja reaktora, b) utroška goriva, c) proizvodnje novog goriva (konverzije) i d) temperature. Neki od tih utjecaja pove ćavaju faktor multiplikacije, ali je ipak kona čni njihov efekt, osobito poslije duljeg pogona reaktora, negativan, jer smanjuju faktor multiplikacije. Svi utjecaji, međutim, ne pojavljuju se istodobno. Utjecaj temperature o čituje se odmah toga. nakonTek optere ćenja a mjeseci zatrovanje opaža se više sati ili danai poslije nakon višereaktora, tjedana ili bit reaktora će zapaženi utjecaj utroška goriva proizvodnje novog goriva. Da bi se mogli kompenzirati spomenuti utjecaji, reaktor mora imati ugrađeni višak reaktivnosti, koji će u po četku rada svježeg reaktora - biti kompenziran sustavom regulacije (kontrolnim štapovima od bora ili kadmija). U toku rada sustavom regulacije bit će potrebno sve manje kompenzirati višak faktora multiplikacije kako bi reaktor stalno bio kritičan. Takva kompenzacija bit će mogu ća samo dok se ne utroši sav višak ugra đene reaktivnosti, nakon čega valja u reaktor staviti svježe gorivo, odnosno zamijeniti dio gorivih elemenata novim elementima.
6.7 TERMIČKI REAKTORI Termičke reaktore možemo klasificirati prema nuklearnom gorivu, moderatoru i prema rashladnom sredstvu. S obzirom na nuklearno gorivo dva su osnovna tipa termičkih reaktora: reaktori s prirodnim uranom i reaktori s malo oboga ćenim uranom (između 1 i 10%). Građeni su, međutim, reaktori s prirodnim uranom, i to u razli čitim kombinacijama moderatora i rashladnog sredstva: grafit-obična voda, grafit-ugljični dioksid, teška voda-teška voda, teška voda-ugljični dioksid. Osnovni tipovi termičkih reaktora: grafitni reaktor, lakovodni reaktor i teškovodni reaktor.
6.7.1 GRAFITNI REAK TORI 6.7.1.1 Reaktor hla đen uglji čnim diok sido m (GCR – Gas Cooled Rea ctor ) Kod ovog reaktora (slika 6.6), koji se u prvom redu razvio kao proizvođač plutonija, a tek sekundarno kao energetski reaktor, jezgra je sastavljena od gorivih elemenata i grafitnih blokova u funkciji moderatora. Gorivo je metalni uran i zbog toga je maksimalna temperatura goriva ograničena na 662 °C da bi se spriječile deformacije gorivih elemenata. Toplina se iz reaktora odvodi ugljičnim dioksidom. Takav način odvođenja smatra se sigurnim i minimalno opasnim za okolinu.
10
Slika 6.6: Shematski prikaz reaktora hla đenoga ugljičnim dioksidom (GCR) 6.7.1.2 Usavršeni reaktor hla đen uglji čnim di oksi dom (AGCR – Advanced Ga s Cooled Reactor) Usavršenje u odnosu na GCR postignuto je na taj način da se kao gorivo koristi uranov dioksid (UO2), čime je pomaknuta gornja granica dopuštene temperature, što omogućuje proizvodnju pare pregrijane do temperature izme đu 500 i 600 °C, kakva se dobiva iz današnjih parnih kotlova. Osim toga, umjesto prirodnog upotrebljava se obogaćeni uran. 6.7.1.3 Visokotemperaturni plinom hla
đen reaktor (HTGR – High Temperature
Gas Cooled Reactor) U ovom reaktoru rashladno sredstvo je helij. On se zagrijan može upotrjebljavati za isparavanje vode ili neposredno za pogon plinske turbine. Kao moderator služi grafit, koji se u obliku kuglica ulaže u reaktor. Mogu će je ostvariti temperature do 870 °C s uranovim dioksidom kao gorivom. Helij ima bolja svojstva s obzirom na prijelaz topline nego ugljični dioksid, ali manju specifičnu toplinu, pa se ta dva rashladna sredstva izjednačuju s obzirom na termička svojstva. Posebno je ovaj tip reaktora povoljan pri kombiniranoj proizvodnji električne energije i topline.
6.7.2 LA KOVODNI REAK TORI 6.7.2.1 Lakovodni reaktor s vodom pod tlakom (PWR – Pressurized Water Reactor) Zbog razmjerno jednostavne konstrukcije, to su najviše korišteni reaktori. U ovim reaktorima voda pod tlakom služi kao rashladno sredstvo, ali ona pri tome ne isparava. Zbog toga su potrebna dva odvojena kruga (slika 6.7).
11
Slika 6.7: Shematski prikaz reaktora s vodom pod tlakom (PWR) Kroz prvi krug struji pod tlakom voda ugrijana u reaktoru i toplinu predaje vodi u generatoru pare. U drugom krugu voda se dovodi u generator pare, gdje isparava, a odatle se vodi u parnu turbinu. Gorivi elementi smješteni su u reaktorsku posudu, a voda pod tlakom istovremeno je i rashladno sredstvo i moderator. To omogu ćava jednostavnu izvedbu reaktora. Gorivo mora biti obogaćeni uran u obliku uranovog dioksida (UO2 ). 6.7.2.2 Lakovod ni reaktor s kipu ćom vo dom (BWR – Boiling Water Rea ctor ) Kod reaktora ovog tipa kipuća voda je moderator i rashladno sredstvo, ali ona isparava u samom reaktoru, pa se tako proizvedena para neposredno upotrebljava za pogon turbine (slika 6.8).
Slika 6.8: Shematski prikaz reaktora s kipu ćom vodom (BWR) Ovaj tip reaktora ima neke prednosti u usporedbi s reaktorom s vodom pod tlakom (PWR). Za jednaki tlak pare na ulazu u turbinu, tlak u reaktorskoj posudi reaktora s kipućom vodom znatno je manji nego u reaktorskoj posudi reaktora s vodom pod tlakom, što generatori utječe na pare. konstrukciju reaktorske posude. Osim toga postaju nepotrebni Kako bii cijenu se postigla što bolja raspodjela neutronskog toka, gorivi štapovi izvode se od razli čito obogaćenog urana.
12
6.7.3 TEŠKOVODNI REAK TORI U njima kao moderator služi teška voda, a kao gorivo prirodni uran. Neovisnost o dobavljačima obogaćenog urana čini ovaj reaktor konkurentnim lakovodnima. Obzirom na rashladno sredstvo mogu se podijeliti u tri skupine: - teškovodni reaktori s teškom vodom pod tlakom kao rashladnim sredstvom (PHWR - Pressurized Heavy Water Reactor) - teškovodni reaktori s običnom vodom kao rashladnim sredstvom (BWHWR – Boiling Water Heavy Water Reactor ili SGHWR – Steam Generating Heavy Water Reactor) - teškovodni reaktor s ugljičnim dioksidom kao rashladnim sredstvom (GCHWR – Gas Cooled Heavy Water Reactor)
6.8 OPLODNI REAKTORI Posebnu vrst reaktora čine u novije vrijeme tzv. oplodni reaktori u kojima se korištenje urana može povećati čak na cca 60-orostruko. Oplodni reaktori rade s brzim, neusporenim neutronima, te stoga im moderator nije potreban. Veliki dio U238, koji se ina če ne raspada, djelovanjem brzih neutrona pretvara se u Pu-239, koji se u termičkim reaktorima ponovno može iskoristiti kao gorivo. Ovaj proces oplođivanja odvija se paralelno s raspadom U-235 koji i ovdje služi za proizvodnju topline. Na taj se način postiže da se više goriva stvara nego što se potroši na izravnu proizvodnju topline. Kako se u jezgrama oplodnih reaktora s brzim neutronima pojavljuje znatna gusto ća snage, potrebno je kao rashladno sredstvo koristiti teku ći metal i to natrij. Pri tome se između primarnog natrijevog i sekundarnog kružnog toka voda-para - iz razloga sigurnosti - dodaje još jedan s tekućim natrijem (slika 6.9). Para
natrij
natrij
Voda
Slika 6.9: Principijelna shema spoja reaktora s teku ćim natrijem Ovim tipom reaktora postiže se znatno proširenje korištenja ina če ograničenih količina urana.
13
6.9 DEPONIRANJE ISTROŠENOG GORIVA Veliki problem pri pogonu nuklearnih elektrana predstavlja odstranjivanje radioaktivnih otpadaka, odnosno ponovna obrada izgorjelog goriva. Dok se kod termoelektrana loženih ugljenom otpadci u obliku pepela spremaju u deponije, kod nuklearnih goriva to nije mogu će, jer ostaci goriva sadrže produkte raspadanja koji jako zrače. Osim toga ostaci goriva ponovno se mogu koristiti. Tako npr., kod jednog 1000 MW–nog lakovodnog reaktora kod kojeg se prilikom godišnje promjene goriva oko 30 t urana odstranjuje, 96 % od toga se ponovno može iskoristiti. O čito ovaj «otpadak» ne treba konačno deponirati, nego se ponovnom obradom osposobljava za daljnje korištenje. Istrošeni gorivi elementi se najprije privremeno, u trajanju od cca. spreme u bazenetransportirati s vodom doku se zračenje ne togagdje se mogu5 ugodina, specijalnim posudama postrojenja za smanji. ponovnuNakon obradu, se uran i plutonij odvajaju od produkata raspadanja. Ti se ne daju iskoristiti pa se zatvaraju u rastopljeno staklo i konačno deponiraju na način koji omogućuje otpornost na kemijske, temperaturne i mehaničke utjecaje, obično duboko pod zemljom. Ponovno dobiveni uran i plutonij opet se iskorištavaju za proizvodnju gorivih elemenata, čime se zatvara kružni tok nuklearnog goriva.
14
SADRŽAJ
7. ALTERNATIVNI IZVORI ENERGIJE ....................................................................2 7.1 KORIŠTENJE SOLARNE ENERGIJE ...............................................................2 7.1.1 SOLARNO-ELEKTRIČNA PRETVORBA.......................................................2 7.1.2 SOLARNO-TERMIČKA PRETVORBA..........................................................4 7.2 KORIŠTENJE GEOTERMIČKE ENERGIJE......................................................5 7.3 KORIŠTENJE ENERGIJE VJETRA...................................................................7
1
7.
ALTERNATIVNI IZVORI ENERGIJE
7.1 KORIŠTENJE SOLA RNE ENERGIJE ćnosti) bit će dobivanje topline u Glavna primjena solarne energije (bar u bližoj budu niskotemperaturnom području (ispod 200 ºC) u svrhu grijanja. Ovo ne predstavlja veći tehnički problem jer čak i uskladištenje topline za dane bez Sunca daje se razmjerno lako, iako skupo, riješiti. Povezana s toplinskom pumpom, solarna energija obećava alternativu za grijanje stambenih ku ća. Sunčevom energijom može se dakako i električna energija proizvoditi, i to primjenom dvaju u osnovi različitih postupaka: solarno-električnom pretvorbom posredstvom solarnih ćelija i solarno-termičkom pretvorbom posredstvom procesa voda - vodena para. Sunce zrači snagu od 60 MW/m2, a od toga na Zemlju doseže 1,37 kW/m 2 (solarna čita i konstanta). Stvarno je raspoloživa snaga na Zemlji prostorno i vremenski razli podliježe osim toga utjecajima trenutačnog meteorološkog stanja (naoblačenje). Pod najpovoljnijim uvjetima (Sunce na najvišoj točki, vedro nebo) snaga zračenja na površini Zemlje ima najveću vrijednost od 1 kW/m2. Srednja godišnja vrijednost zračenja oscilira između 250 W/m2 u ekvatorijalnom području i 120 W/m2 u blizini 60º geografske širine.
7.1.1
SOLARNO- ELEKTRI ČNA PRETVORBA
Pretvorba energije Sunca na solarno-električni način (nazvana i fotovoltnom pretvorbom) odvija se uz pomoć solarnih ćelija. One su obično pravljene od monokristala silicija, ali se također upotrebljavaju i polikristalni silicij, kao i kadmijev sulfid i galijev arsenid. Sastav solarnećelije, koja je prikazana na slici 7.1, sli čan je poluvodičkoj diodi (doniranje onečišćenjem, p-n prijelaz), samo što se solarne ćelije čje p-n prijelaza. izvode s velikom površinom, s tim da svjetlost može dospjeti u podru Tamo fotoni nailaze na elektrone i srazom im predaju dio svoje energije, zbogčega oni postaju slobodnim, stvarajući tok, odnosno struju elektrona. Nosioci se naboja razdvajaju u zoni električnog polja p-n prijelaza.
Slika 7.1: Struktura solarne ćelije 1 - češljasti kontakt, 2 - n-poluvodič, 3 - zona električnog polja, 4 - p-poluvodič, 5 - kontakt na stražnjoj strani, 6 - proizvedeni parovi elektronskih šupljina, 7 - otpor za opterećenje 2
Bez upadajuće svjetlosti, solarna se ćelija ponaša kao dioda s poznatom strujno – naponskom karakteristikom prema slici 7.2. I
ID
I0
I
=
IL
−
ID
IL
Slika 7.2: U – I karakteristika solarne ćelije Prilikom ozračenja sa svjetlošću teče dodatna foto - struja I L , tako da se ukupna struja I dobiva kao razlika foto - struje I L i diodne struje I D . Električno ponašanje solarne ćelije ovisi o intenzitetu svjetlosti, upadnom kutu svjetlosti i temperaturi. Gubici nastaju zbog refleksije na površini ćelije, zbog apsorbcije fotona bez da proizvedu nosioce naboja, zbog difuzijskih gubitaka nastalih nosilaca naboja, kao i zbog gubitaka napona u zoni električnog polja ćelije. Radi toga mogu silicijevećelije teoretski samo 22 % upadajućeg solarnog zračenja pretvoriti u električnu energiju. Trenutačno dostupne izvedbe, koje imaju aktivnu debljinu od 0,1 mm, dosežu stupanj djelovanja između 12 % i 18 %. Gusto ća struje je oko 25 mA/cm 2, a pogonski napon iznosi 0,5 V po ćeliji. Serijskim se spajanjem mogu izgraditi generatorski moduli s naponom između 20 i 50 V, čije površine mogu biti od nekoliko cm2 pa do oko 100 2
cm . Paralelnim spajanjem takvih modula mogu se postići snage do nekoliko kW, za primjenu u astronautici, dok postrojenja na zemlji postižu i do 100 kW (napajanje boja, radio odašiljača, vodnih pumpi itd.). Slika 7.3. prikazuje shemu spoja postrojenja sa solarnim generatorom i istosmjernim tercijarnim strujnim krugom, spojenim preko baterije koja služi kao spremnik energije.
Slika 7.3: Elektrana sa solarnom ćelijom SG – solarni generator, WR – istosmjerno - izmjenični pretvarač, GU – istosmjerno-istosmjerni pretvarač, BA – baterija Istosmjerni se strujni krug nadovezuje na izmjenično – istosmjerni i istosmjerno istosmjerni pretvarač.
3
7.1.2
SOLARNO-TERMIČKA PRETVORBA
će Solarna se energija pretvara u toplinsku, njome se grije radni fluid koji zatim pokre turbine i električne generatore. Toplinska energija potrebna za rad takvih elektrana dobiva se fokusirajućim kolektorima (sustavima zrcala odnosno le ća) jer se ravnim kolektorima ne mogu postići dovoljno visoke temperature za proizvodnju pare. Obično se pregrijana vodena para, dobivena solarnom energijom, uvodi u turbine i nakon obavljenog rada vraća u kondenzator gdje se pretvara u vodu predajući latentnu toplinu i zatim kao voda vraća u isparivač gdje ciklus počinje ponovno. Glavni su dijelovi solarne elektrane (slika 7.4) dakle: kolektori (koncentrirajući, obično cilindrično parabolični ili heliostati), prijemnik (apsorber), spremnik topline i turbina s generatorom za proizvodnju električne energije.
Slika 7.4: Blok shema solarne termoelektrane Zbog intermitentnosti Sunčeve energije takve elektrane moraju imati dobro riješeno toplinsko uskladištenje energije ili pomo ćni izvor topline kad Sunčevog zračenja nema ili nije dovoljno. Vjerojatno bi najpovoljniji bio tzv. hibridni sustav koji bi imao konvencionalni izvor topline i relativno maleni toplinski spremnik. Postoje uglavnom dva načina kako se može dobiti potrebna solarna toplina za pogon takve elektrane: sustav s raspoređenim kolektorima (DCS - Distributed Collector System) i sustav sa središnjim prijemnikom (CRS - Central Receiver System). U sustavu s raspoređenim kolektorima (slika 7.5) s pomoću niza koncentrirajućih cilindrično - paraboličnih zrcala (omjera koncentracije 10 - 100) raspoređenih na većoj površini skuplja se Sunčeva energija i fokusira na apsorberske cijevi koje se če fluid za prijenos topline. Tako se nalaze u žarišnoj liniji kolektora i kroz koje protje dobiva para potrebna za pokretanje turbine povezane s elektri čnim generatorom. Ta je sustav pogodan za manje elektrane. Njegove su mane veliki broj zrcala koja če fluid itd. moraju pratiti Sunce, kompliciran sustav cijevi kroz koje te
Slika 7.5: Sustav s raspore đenim kolektorima 4
U elektranama sa središnjim prijemnikom (slika 7.6) izravno Sun čevo zračenje s pomoću velikog broja heliostata reflektira se u prijemnik koji se nalazi na vrhu visokog tornja. Heliostati su ravna (točnije – malo zakrivljena) zrcala koja stalno prate Sunce i usmjeravaju njegovu energiju na vrh tornja gdje se zagrijava odgovaraju ći fluid. Tako dobivena toplinska energija koristi se za pogon termoelektrane. Omjer koncentriranja takvog sustava reda je veličine 500. Sustav je pogodan za elektrane veće snage.
Slika 7.6. Sustav s centralnim prijemnikom Za električnu centralu snage 100 MW bilo bi npr. potrebno 20 000 zrcala (heliostata) - svaki površine od 40 m2 - poredanih na oko 3,5 km 2. Izrada takve solarne centrale vrlo je skupa i složena. Jedan od problema jest izrada heliostata. Svaki heliostat mora sadržavati precizan mehanizam s pomoću kojeg prati Sunce. Zrcala se moraju tako razmjestiti da sjenom nesmetaju jedan drugom. Cijena je polja heliostata oko 50 % ukupnog troška čitavog postrojenja. Heliostati su danas vrlo skupi i takvo postrojenje postat će ekonomično tek kad im cijena bude oko deset puta manja od današnje. Istraživanjima se želi smanjiti cijena heliostata i eventualno poboljšati njihova svojstva. 7.2 KORIŠTENJE GEOTERMIČKE ENERGIJE
Prema procjeni, temperatura u unutrašnjosti Zemlje iznosi između 3000 ºC – 10 000 ºC. Ovom toplinskom potencijalu treba dodati i toplinu koja nastaje radioaktivnim raspadom izotopa u slojevima Zemljine kore, bliskim površini. Zbog razlike temperatura u odnosu na površinu Zemlje, nastaje stalno strujanje, koje iznosi oko 0,06 W/m2, od kojeg oko 70 % potje če od radioaktivnosti, a oko 30 % od Zemljine topline. Usporedba sa srednjom energijom Sunčevog zračenja od oko 110W/m2 (što ći energije. vrijedi za srednju Europu), pokazuje da se ovdje radi o niskoj gusto Znatno veći potencijal za iskorištavanje predstavlja, međutim, sama Zemljina toplina. Naime, temperatura od Zemljine površine prema unutrašnjosti raste u prosjeku za 30 K/km. Prema tome, bušotina do dubine od 6 km dala bi temperaturu od 200 ºC. Korištenjem te topline uz ohlađivanje na 130 ºC dalo bi količinu energije od 8 ⋅ 10 6 TWh/god. Jednu mogućnost za iskorištenje te toplinske energije pruža metoda Hot-Dry-Rock prema slici 7.7. 5
Slika 7.7: Geotermička elektrana (Hot-Dry-Rock metoda): 1 – Elektrana, 2 – Pumpa, 3 – Izmjenjivač topline, 4 – Turbina, 5 – Generator, 6 – Sedimentne stjene, 7 – Granit, 8 – Hidraulički razbijene stijene Kod ovoga postupka prave se dvije bušotine do dubine od oko 4,5 km, gdje vladaju temperature između 150 i 200 ºC. Hidrauličkim se razbijanjem stijena između krajnjih točaka dviju bušotina učini vodopropusnom. Zatim se kroz jednu od bušotinu tlači voda u vruću stijenu, gdje ona isparava i kroz drugu bušotinu dospijevaponovno na površinu, a na tom se mjestu nadovezuje konvencionalni proces vodene pare. Primjer pojednostavljene sheme takve elektrane prikazuje slika 7.8. IT
Rashladna voda
Voda / Para
Slika 7.8: Shema geotermičke elektrane Izmjenjivač topline ( IT ) razdvaja dva kružna toka: geotermički kružni tok 1 i kružni tok elektrane U oba kružna toka zbog po jedna pumpa ( pumpanja ) održava biti cirkulaciju. čkom2.kružnom geotermi toku mora velike visineP posebnoPumpa snažna.u Zbog vrlo niske temperature pare (130 ºC - 180 ºC) u usporedbi s konvencionalnom parnom termoelektranom, kao i zbog potrebne velike pumpne snage, stupanj djelovanja ovakve geotermičke termoelektrane veoma je nizak i leži između 5 i 10 %. Kao posljedica toga mjere geotermičkog postrojenja su u odnosu na njegovu snagu 6
velike. Osim toga troškovi proizvodnje električne energije su oko četverostruko veći u odnosu na današnje moderne termoelektrane. ći od predane Kako je međutim sadržaj topline u rashladnoj vodi oko deset puta ve električne energije, pruža se mogućnost za korištenjem rashladne vode za grijanje, što bi znatno povećalo stupanj djelovanja. čku elektranu Treba napomenuti da za sada se nije uspjelo izvesti ovakvu geotermi za tehničko korištenje. Geotermička se energija međutim jednim drugim postupkom i danas iskorištava u više postrojenja širom svijeta. Ovakve elektrane smještene su na mjestima geotermičkih anomalija, gdje temperaturni gradijent postiže oko četverostruku vrijednost u odnosu na normalnu vrijednost, a osim toga na raspolaganju stoje dovoljne količina vode na dubinama do oko 1500 m. Na tim mjestima u stijene se č
ć
uvodi bušotina, pri emu geotermi izbija vru a para kojaistisečekoristi u parnoj turbini.ću, Iakoima se čke ovakav način korištenja energije velikom jednostavnoš nedostatak u jakom onečišćenju okoline stranim materijama, kao što su sumporovodici i različite rastaljene soli sadržane u pari. One osim toga prouzrokuju jaku koroziju cjevovoda i drugih dijelova postrojenja koji dolaze u dodir s parom. To je, dakle, jedina vrst korištenja regenerativnih izvora energije koja rezultira znatnim ispuštanjem štetnih materija. 7.3 KORIŠTENJE ENERGIJE VJETRA
Pomjeranja Zemljine atmosfere odražavaju se energijom zra čenja Sunca, dakle energija vjetra je sekundarni oblik energije Sunca. Ona se može u postrojenjima za korištenje snage vjetra, nazvanim i konverterima energije vjetra, pretvoriti u mehaničku ili električnu energiju. Važni element takvih postrojenja, koji se vjekovima koristi u obliku mlinova, je vjetrenjača ili elisa (rotor). Oko 20 % energije zra čenja Sunca pretvara se u energiju strujanja atmosfere, što za 7
čitavu
Zemljinu kuglu iznosi približno 3 ⋅ 10 TWh/god. Od toga je međutim stvarno iskoristivo samo oko 3 %, dakle 9 ⋅ 10 5 TWh/god., jer postrojenja za korištenje energije vjetra ne mogu prijeći određenu visinu (oko 300 m), te moraju imati odre đeni međusobni razmak (10 do 40-struki promjer rotora). Brzina vjetra je veoma promjenljiva od mjesta do mjesta. Kao donja granica ekonomičnog korištenja smatra se godišnja srednja brzina vjetra na visini od 10 m; v = 4m / s . Dakle samo su mjesta, gdje brzina vjetra prekora čuje tu vrijednost, pogodna za instaliranje vjetroelektrana. Zbog neznatnog trenja strujanja zraka iznad vodenih površina, snažni vjetrovi s mora dolaze do morskih obala velikom brzinom, međutim, na udaljenosti od oko 200 km iznadkopna znatno izgube svoju energiju zbog trenja sa zemljinom površinom. Za korištenje je važna visinska razdioba brzine vjetra koja se prema izrazu: ⎛ H ⎞ ⎟ ⎝ 10m ⎠
a
v H = v10 ⎜
(7.1)
da procijeniti. Pri tome je vH brzina vjetra na visini H , a v10 brzina vjetra mjerena na visini od 10 m. Utjecaj trenja tla uzima se u obzir putem eksponenta a , čija je vrijednost između 0,14 i 0,45. Nadalje pri izboru mjesta instaliranja konvertera energije vjetra je od značaja funkcija razdiobe brzine vjetra, dakle podatak kakočesto i kada se u godini određena donja 7
granica prekoračuje. Tako npr. na obali Sjevernog mora (St. Peter) na visini 150 m brzina vjetra u tijeku od 5 % trajanja godine iznosi manje od 4 m/s, a u tijeku od 45 % trajanja godine više od 12 m/s. Iz toga slijedi da postrojenja za korištenje energije vjetra treba da dosežu veće visine, prije svega zato, jer je tamo vjetar ravnomjerniji nego blizu tla. Nastupi li strujanje zraka okomito kroz jednu površinu, njegova snaga po jedinici površine iznosi: Pv =
gdje
ρ
2 ρ
v
(7.2)
3
ovisi o atmosferskom tlaku, visini i temperaturi, te se u prosjeku može uzeti
srednja vrijednost od ρ = 1, 2 kg / m3 . Dakle snaga raspoloživa za korištenje energije vjetra raste s trećom potencijom brzine vjetra. Pri v =1 m/s to daje specifičnu raspoloživu snagu Pv = 0, 6 W / m2 , a pri v =10 m/s raspoloživu snagu od Pv =600 W/m2. Od te raspoložive snage konverter za energiju vjetra zbog trenja i drugih gubitaka koristi samo jedan dio, koji se, kao obično, može zadati ukupnim stupnjem djelovanja η. Stoga se efektivna snaga uz vrtnjom rotora preberisanu površinu A da izraziti kao Pef =
ρ
2
(7.3)
3
v Aη
Promatra li se postrojenje s horizontalnom osovinom, iz ovog se odnosa može odrediti potrebna korisna površina vjetrenjače pri okomitom nailasku zraka na nju i pri danoj snazi. Tako se npr. uz v = 10 m / s i ukupni stupanj djelovanja η = 0, 3 dobije površina rotora A = 5,6 ⋅103 m2 za odanu snagu od 1 MW. Kako lopatice rotora prebrišu kružnu površinu, slijedi promjer rotora od d = 84 m. Oduzimanje energije iz strujanja zraka ispoljava se u smanjenju brzine vjetra. Razlika u brzini ispred i iza vjetrenja če je mjera za oduzetu snagu. Pokusi i proračuni su pokazali da se optimalno korištenje odgovarajuće formirane vjetrenjače postiže ako je brzina vjetra pri strujanju kroz nju smanjena na trećinu. S obzirom na konstrukciju, vjetroelektrane se mogu graditi s horizontalnom (na slici 7.10 -a) i s vertikalnom osovinom (na slici 7.10 -b).
8
Slika 7.10: Konstrukcije konvertera energije vjetra čnu snagu od nekoliko MW, dok se Postrojenja s horizontalnom osovinom daju elektri snaga postrojenja s vertikalnom osovinom kre će u kW-nom području. U slučaju vertikalne osovine potrebna je pomoćna energija pri zaletu. Kod postrojenja većih snaga kao generator u obzir dolazi asinkroni, a kod postrojenja manjih snaga sinkroni sa stalnim magnetima na rotoru. Slično kao kod korištenja energije Sunca i kod korištenja energije vjetra postoji problem nejednoličnosti raspoložive snage. Oscilacije se mogu izjednačiti
povezivanjem vjetroelektrana sustavom ili akumuliranjem njihove proizvedene energije. sZa elektroenergetskim akumuliranje proizvedene energije postoji više mogućnosti, pri čemu uskladištenje električne energije koje je praktički moguće samo uz pomoć baterija, ima razmjerno malu ulogu. Značajnim se čini akumuliranje topline (uskladištenje pare ili vode) kao i vodika koji se može proizvoditi iz regenerativnih izvora. S obzirom na aspekte očuvanja okoliša ovog prirodnog načina korištenja energije može se ustanoviti da optičko opterećenje krajolika odgovara približno onom s visokonaponskim stupovima. Nadalje, u okolini vjetroelektrana brzina je vjetra manja od one koja bi na tome mjestu vladala bez takvog postrojenja. Ovo eventualno može spriječiti potrebnu izmjenu zraka. S druge strane me đutim može biti i poželjno, npr. za smanjenje erozije tla. Potrebna je površina i ovdje veoma velika, računa se s prosječnom površinom od 0,2 km2 po vjetrenjači i s jednim postrojenjem po km2 u područjima gdje se energija vjetra koristi. Opterećenje bukom nije nedozvoljeno visoko, ali ipak postoji. Što se troškova tiče vjetroelektrane su u području troškova za konvencionalne elektrane, međutim, što se snaga tiče, mogu se samo koristiti kao dodatni izvori energije ili u specijalne svrhe.
9
SADRŽAJ 8. ELEKTRIČNA SHEMA ELEKTRANE .................................................................. 2 8.1 GLAVNI STRUJNI KRUGOVI............................................................................ 2 8.2 STRUJNI KRUGOVI VLASTITOG POTROŠKA ............................................... 4 8.3 POMOĆNI STRUJNI KRUGOVI........................................................................ 5
1
8. ELEKTRI ČNA SHEMA ELEKTRANE Da bi se omogućilo napajanje električne mreže, opskrba vlastitog potroška elektrane i opskrba uređaja za zaštitu, regulaciju i upravljanje, u elektrani je izveden razvod električne energije. S obzirom na svrhu razvoda razlikuju se glavni strujni krugovi, strujni krugovi vlastitog potroška i pomo ćni strujni krugovi.
8.1 GLAVNI STRUJNI KRUGOVI Glavni strujni krugovi povezuju priključnice generatora s rasklopnim postrojenjem za vezu s elektroenergetskim sustavom i s rasklopnim postrojenjem za opskrbu vlastitog potroška. Elektrane manje snage obično neposredno napajanju mreže napona 0,4, 3, 5, 6 ili 10 kV, pa je tada mogu će upotrijebiti i najjednostavniju shemu: shemu sa sabirnicama generatorskog napona (slika 8.1)
Slika 8.1: Shema elektrane sa sabirnicama generatorskog napona; a) s jednim sabirnicama, b) s dvostrukim sabirnicama Jednostruke sabirnice dolaze u obzir kad se radi o elektranama male snage i male važnosti za opskrbu potrošača, jer se tada neće postaviti u pogonu zahtjev za odvojenim pogonom agregata i jer se radi o elektranama koje neće dovesti u pitanje redovitu opskrbu potrošača. Kad postoji mogućnost da dođe do potrebe odvojenog pogona generatora ili kad se sa sabirnica elektrane opskrbljuju potroša či osjetljivi na prekid dobave električne energije (npr. kemijska industrija), imaju opravdanje dvostruke sabirnice. Kad se radi o vezi s mrežom višeg napona nego što je napon generatora, u principu su moguće dvije sheme spoja: shema spoja s generatorskim sabirnicama (slika 8.2a) i shema u blok-spoju (slika 8.2-b).
2
Slika 8.2: Spoj elektrana na mrežu napona višeg od napona generatora. a) Shema spoja s generatorskim sabirnicama, b) Shema blok-spoja U prvom slučaju postoji rasklopno postrojenje generatorskog napona; u drugom slučaju takvo rasklopno postrojenje nije potrebno, pa je to glavna prednost sheme u blok-spoju. U slučaju jednog kvara obje su sheme spoja jednako vrijedne. Samo kad se radi o istodobnom kvaru generatora i transformatora razli čitih blokova, elektrana u blok-spoju ima manju mogu ćnost proizvodnje nego elektrana s generatorskim sabirnicama. Kvarovi na generatorima i transformatorima su rijetki, pa su pogotovo rijetki istodobni kvarovi na generatoru i transformatoru razli čitih blokova. Stoga se danas sve veće elektrane izvode u blok-spoju; sigurnost je prakti čki jednaka kao za elektranu s generatorskim sabirnicama, a investicije su manje. Ako je potrebna veza elektrane s mrežom generatorskog napona i s mrežom višeg napona, u principu su mogu će dvije sheme spoja: shema s generatorskim sabirnicama (slika 8.3-a) i shema u blok-spoju (slika 8.3-b).
Slika 8.3: Spoj elektrana s mrežom generatorskog i mrežom višeg napona. a) Shema s generatorskim sabirnicama, b) Shema u blok spoju Kad je potrebno elektrane priključiti na dvije mreže višeg napona nego što je generatorski, po pravilu se na jedan napon priključuje blok generator-transformator, a veze s drugom mrežom ostvaruju se preko transformatora (slika 8.4).
3
Slika 8.4: Spoj elektrane s dvije mreže razli čitog napona. Blok-spoj na napon mreže većeg opterećenja.
8.2 STRUJNI KRUGOVI VLASTITOG POTROŠKA Strujni krugovi vlastitog potroška služe za napajanje pomo ćnih uređaja u elektranama. Među pomoćne uređaje mogu se ubrojiti: ure đaji za transport goriva i pepela, uređaji na kotlu (mlinovi ugljena, poje pumpe, ventilatori, filtri dimnih plinova), uređaji na turbini (kondenzatne pumpe, pumpe za ulje), rasvjeta, dizalice, punjenje akumulatorske baterije, upravljanje zapornim organima u hidroelektranama. Kad postoje u elektrani sabirnice generatorskog napona, obi čno je najpovoljnije priključiti vlastiti potrošak na same generatorske sabirnice. Nepostojanje generatorskih sabirnica znači da je upotrebljena shema u blok-spoju, pa je i tada moguće vlastiti potrošak priključiti na sabirnice elektrane, iako je na sabirnicama napon viši od generatorskog napona (slika 8.5).
Slika 8.5: Shema spoja elektrane s priklju čkom vlastitog potroška na sabirnice napona višeg od generatorskog napona Ako u elektrani postoje sabirnice 110 kV ili sabirnice još višeg napona, opravdanost priključka vlastitog potroška na takve sabirnice ovisi o potrebnoj snazi za vlastiti potrošak.
4
Zbog toga se često upotrebljava priključak vlastitog potroška na odcjep izme đu generatora i transformatora (slika 8.6).
Slika 8.6: Priključak vlastitog potroška na odcjep izme đu generatora i transformatora Normalno se ne izvodi direktan priklju čak sabirnica vlastitog potroška na generator zbog prevelikih struja kratkog spoja i zbog nemogućnosti reguliranja napona na sabirnicama vlastitog potroška nezavisno od napona na sabirnicama elektrane. Postavljanjem prigušnice u odvod za vlastiti potrošak smanjuju se struje kratkog spoja u rasklopnom postrojenju vlastitog potroška, a regulacija napona omogu ćuje se postavljanjem regulacijskog transformatora u štednom spoju u seriji s prigušnicom. Međutim, postavljanjem dvonamotnog regulacijskog transformatora postiže se isto što i u slučaju prigušnica + transformator u štednom spoju, ali obično uz manje investicije. Kad se želi vlastiti potrošak potpuno odijeliti od mreže, kako bi se normalni rad pomoćnih pogona bolje osigurao od kvarova i ispada mreže, postavljaju se dva kućna agregata (jedan agregat kao rezerva), koji napajaju sabirnice vlastitog potroška bez ikakve veze s mrežom.
8.3 POMOĆNI STRUJNI KRUGOVI Pomoćni strujni krugovi služe za to da se opskrbe elektri čnom energijom uređaji za mjerenje, upravljanje i regulaciju, te ure đaji za zaštitu i signalizaciju. Strujni krugovi za mjerenje, upravljanje i regulaciju. Da bi se mogao voditi pogon elektrane s dovoljno sigurnosti i maksimalnom ekonomičnošću, potrebno je predvidjeti mogućnost mjerenja veličina koje mogu na to utjecati (npr. na kotlu, turbini, generatoru i transformatorima). Strujni krugovi za upravljanje služe za pokretanje i obustavljanje motora, otvaranje i zatvaranje zapornih organa, uklapanje i isklapanje sklopki i sl. U elektrani postoje dva osnovna regulatora: regulator pogonskog stroja i regulator napona generatora. Regulator pogonskog stroja (koji se obično naziva i regulator č
broja okretaja) služi jezapogonski regulacijustroj) koli koje ine pogonskog sredstva vode, plinana– prema tome kakav ulazi u turbinu. Taj (pare, regulator djeluje promjenu broja okretaja, odnosno na promjenu frekvencije mreže, jer su u mreži svi generatori spojeni paralelno. Regulator napona služi za regulaciju uzbude generatora, kako bi se održao određeni napon na priključnicama generatora. Na 5
njega djeluje promjena napona na priklju čnicama. Osim toga u termoelektranama se upotrebljava regulacija na kotlu i to: regulacija napajanja, regulacija dovoda goriva i regulacija izgaranja. U hidroelektranama se upotrebljava regulacija koli čine vode u ovisnosti o nivou gornje vode, gdje to može imati utjecaja na pogon. U novije vrijeme nastoji se pogon elektrana automatizirati. Automatizacija se ostvaruje pomoću elektroničkih računala. Elektroničko računalo može automatski staviti u pogon i obuhvatiti cijelu elektranu ili dio elektrane uz najve ću moguću brzinu i sigurnost. Osim toga elektroničko računalo nadzire pogon i daje impulse za potrebne pogonske zahvate, te registrira sve pojave i vrši potrebna izračunavanja (npr. stupnjeva djelovanja). Ure đaji za zaštitu treba da ili spriječe nastanak kvara ili, ako kvar nastane, da ć
ć
đ
ošte enja svedu na najmanji i opseg. Takvih ure aja ima kotlovima, turbinama, generatorima, elektrimogu čnim motorima, transformatorima itd.naSignalizacija služi za javljanje stanja pojedinih ure đaja i aparata (u pogonu ili izvan pogona, uklopljeno ili isklopljeno, i sl.) i za javljanje da li je neka mjerena veličina postigla granično stanje (nivo vode, temperatura, tlak ulja i sl.) Svi uređaji i organi za daljinsko mjerenje, daljinsko upravljanje i signalizaciju smješteni su zajedno u komandnom mjestu elektrane, gdje su montirani na pregledne zidne i stolne panoe.
6
