ENERGETSKA POSTROJENJAOvisno o vrsti radnog fluida, vrsti te načinu transformacije energije, energetska postrojenja u procesnoj industriji mogu se uglavnom svrstati u:

• energetska postrojenja sa parnim procesom,• energetska postrojenja sa plinskim procesom,• energetska postrojenja sa kombinovanim procesom.

Dijagram razgraničenja vode, vlažne i pregrijane pareKao radni fluid kod toplotnih radnih ciklusa koristi se vodena para. T-S dijagram razgraničenja vode, vlažne i pregrijane pare prikazan je na sljedećoj slici.

T-s dijagram razgraničenja vode, vlage I pregrijane pareKriva označena sax=0, koja se završava u tački K, naziva se donja granična kriva.

Gornja granična kriva (x=1), koja počinje u tački K, razdvaja područje vlažne pare od područja pregrijane pare.Kad sva voda pretvori u paru radi se o pregrijanoj (suhoj ili suhozasićenoj) pari. Suha para nije postojana, a njena temperatura "temperatura zasićenja" jednaka je temperaturi vrenja.Hlađenjem se jedan dio suhe pare pretvara u tečnost, koja lebdi u pari u obliku sitnih kapljica; takvapara naziva se vlažna para. Veličina x čijim vrijednostima su označene pojedine krive na prethodnoj slici predstavlja relativni sadržaj pare u vodi,što se može iskazati relacijom:

Sa povećanjem temperature i pritiska gornja i donja granična kriva se sve više približavaju i spajaju se u tački K koja se naziva kritična tačka.Kritična tačka K ima parametre:

- kritični pritisak pk=221,29bar,- kritična temperatura .Tk=647,30K,- kritična specifična zapremina vk=0,00326 m3/kg

Na prethodnoj slici prikazane su i dvije izobare, krive konstantnog pritiska.Gornja od pomenute dvije izobare ima jednačinu p=pk i iznad nje nema razgraničenja između vode i pare.Energetska postrojenja sa parnim procesomRadni medij – vodena para.Parna energetska postrojenja rade po Clausius – Rankineovom kružnom procesu.

Toplotna šema radnog ciklusa sa vodenom parom

T-s dijagram toplotnog ciklusa sa vodenom paromRazlika u odnosu na Karnoov ciklus je u položaju tačke 3 u ciklusu. U kondenzatoru se pari odvodi toplota u toj mjeri da se sva pretvara u vodu (x=0),

tako da se tačka 3 pomera na lijevu graničnu krivu, što omogućava nesmetan rad pumpe.Kako postoji razlika u pritiscima u kondenzatoru i u kotlu, potrebno je vodu adijabatski komprimovati od pritiska p2na pritisak p1pri čemu dođe do neznatnog porasta temperature (tačka 5).Naziv ciklusa "sa vlažnom parom" potiče od položaja tačke 2, koja se nalazi duboko u zoni vlažne pare, što znači da je para pomješana sa kapljicama vode. Ove kapljice udaranjem mehanički naprežu lopatice turbine (kavitacija).Toplotni radni ciklus s pregrijanom paromKada se po izlasku iz kotla, a prije ulaska u turbinu para podvrgne dodatnom zagrijavanju u posebnim uređajima - pregrijačima pare dobija se toplotni radni ciklus sa pregrijanom parom, čiji je T-S dijagram prikazan na slici.

T-s dijagram ciklusa sa pregrijanom paromPostupkom pregrijavanja pare postiže se poboljšanje položaja tačke 2 tako da se ona sada nalazi bliže zoni suhe pare.Takođe je povećana i temperatura T1srčime je dobijen nešto bolji stepen iskorištenja.

Razmotrimo sada mogućnosti povećanja stepena iskorištenja toplotnog radnog ciklusa sa pregrijanom parom promjenama parametara pare. Smanjivanjem pritiska p2postiže se smanjenje temperature T2pa i temperature T2sr

Radi se o pritiscima koji se mjere stotim dijelovima bara, što predstavlja izuzetno niske pritiske i zahtjeva dobru zaptivenost opreme da vazduh ne bi prodreo u paru.Sa druge strane pritisak p2i temperatura T2ne mogu da budu ni previsoki. Kako razlika između temperature rashladne vode i temperature T2 obično iznosi 10 do 15°C, značajnopovećanje temperature T2(na primjer, iznad 28°C) izazvalo bi i visoku temperaturu rashladne vode na izlazu iz kondenzatora. Pošto se rashladna voda uglavnom vraća u rijeku iz koje je i dovedena previsoka temperatura na izlazu iz kondenzatora značila bi toplotno zagađenje rijeke.Povećanje temperature T 1uticalo bi na povećanje temperature T1sri stepena iskorištenja. Temperatura T1je ograničena osobinama materijala turbine i cjevovoda i ne prelazi 300°C.Povećanje pritiska p1uz zadržavanje temperature T1na istom nivou izazivalo bi pomjeranje tačke 2 u nepovoljnom smjeru, u zonu vlažne pare. Posmatra se idealan proces koji je reverzibilan, te za njega vrijedi sljedeće:

• ne uzimaju se u obzir gubici pritiska zbog strujanja kroz generator pare, cjevovod i kondenzator;

• ne uzimaju se u obzir gubici unutar parne turbine i napojne pumpe (ekspanzija radnog fluida u turbini, kao i tlačenje u napojnoj pumpi su adijabatski- izentropski procesi);

• ne uzimaju se u obzir nikakvi gubici topline u okolinu kroz pojedinačne dijelove sistema kružnog procesa.

• Pregrijavanjem pare povećava se srednja temperatura dijela procesa na koji se dovodi toplota

T-s dijagram idealnog parnog kružnog ciklusaPovršina s3-3-4-5-6-1-2-s1-s3 - količina toplote q1, koja se dovodi radnom fluidu Površina izmedju s3-3-2-s1-s3 - toplota q2, koja se oduzima, Površina 1-2-3-4-5-6-1 - dobijeni korisni rad q1= h1 – h4, q2= h2 – h3.Toplotno iskorištenje idealnog Rankinevog procesa:

Ili Razlika h1 – h2 predstavlja raspoloživi toplotni pad koji se unutar turbine pretvara u kinetičku energiju, a h4 – h3 je mehanički rad utrošen za tlačenje radnog medija od pritiska na kojem se vrši kondenzacija do radnog pritiska generatora pare.

ηt=(q1−q2)q1

=(h1−h4 )−(h2−h3 )

h1−h4

ηt=(h1−h2)−(h4−h3 )(h1−h3)−(h4−h3)

p-v dijagram idealnog kružnog ciklusa h1-h2-odgovara površini 1-2-m-n-1, a h4-h3 površini 4-3-m-n-4razlika ordinata među tačkama 1 i 2 odgovara radu dobijenom u turbini, razlika između tačaka 4 i 3 odgovara radu utrošenom za pogon pumpe,razlika između tačaka 1 i 4 odgovara toploti dovedenoj u procesu, a između tačaka 2 i 3 toploti odvedenoj iz procesa.

h-s dijagram idealnog parnog kružnog procesaKada se rad h4 – h3 utrošen za pumpu, može zanemariti u odnosu na znatno veći toplotni pad h1 – h2, koji se u turbini pretvara u koristan rad, jednačina za toplotno iskorištenje procesa je :

ηt=(h1−h2)(h1−h3)

Faktori koji utiču na efikasnost parnog procesaTemperatura ulazne pare u turbinu

Uticaj temperature pare na Rankinov ciklusp1=80 barp2=0.04 bar

Zavisnost temperaturne iskoristivosti idealnog renkinovog ciklusa odtemperature ulazne pare

Pritisak ulazne pare u turbinu t1=500oC, p2=0.04 bar

Uticaj pritiska ulazne pare na Rankinov ciklus

Izlazni pritisak pare iz turbine

Zavisnost toplotne iskoristivosti Rankinovog ciklusa o pritisku vodene pare iz turbineDonja granična vrijednost temperature kondenzacije ograničena je ulaznom temperaturom rashladne vode te veličinom kondenzatora. Razlika temperature kondenzacije i rashladne vode može se smanjiti povećanjem rashladne površine i povećanjem protoka rashladne vode kroz kondenzator; prvi način povećava investicijske troškove, a drugim načinom se povećavaju pogonski troškovi. Pritisak kondenzacije u parnom ciklusu najviše je predodređen temperaturom rashladne vode. Njegova uobičajena veličina je 0.04 bar, čemu odgovara temperatura kondenzacije od 28.6oC. Daljnje snižavanje najčešće nije ekonomično jer znatno raste specifični obim izlazne pare, što zahtijeva veće dimenzije kondenzatora te veće dužine lopatica zadnjih stepeni turbine. Povećava se i vlažnost izlazne pare sa propratnim štetnim učincima koji su prethodno navedeni.

Načini poboljšanja iskoristivostiRegenerativno zagrijavanje napojne vode

Shema regenerativnog zagrijavanja napojne vode: 1-generator pare, 2-parna turbina, 3-kondenzator, 4-niskotlačni površinski zagrijač vode, 5-zagrijač vode sa direktnim miješanjem, 6-visokotlačni površinski zagrijač vode

T-s dijagram ciklusa sa regenerativnim zagrijavanjem

Optimalni uslovi regenerativnog zagrijavanja Učinkovitost regenerativnog zagrijavanja ovisi o:

• raspodjeli toplotnog opterećenja između pojedinih zagrijača,• konačnoj temperaturi napojne vode (na ulazu u generator pare), i

• broju regenerativnih zagrijača.Optimalna raspodjela toplotnog opterećenjanajdjelotvornije regenerativno zagrijavanje vode, u ciklusu bez medjupregrijavanja pare, postiže kada je porast entalpije vode u svim zagrijačima jednak,zbog konstruktivnih razloga na turbini ne mogu se uvijek osigurati pozicije za oduzimanje pare koje bi posve udovoljile tom zahtjevu,iskoristivost ciklusa ne ovisi bitno o odstupanju od ovog uslova.Uz navedene termodinamske uticaje, u definisanju i projektovanju ciklusa sa regenerativnim zagrijavanjem treba voditi računa i o sljedećim propratnim konstrukcijskim efektima:

• za turbinu odredjene snage protok pare se na ulazu u turbinu povećava, a na izlazu smanjuje, što zahtijeva povećanje dužine lopatica tamo gdje su i inače duže;

• povećanje protoka pare kroz prve stepene turbine i smanjenje kroz posljednje djeluje na povećanje iskoristivosti same turbine;

• smanjenje protoka pare u kondenzator djeluje na smanjenje njegovih dimenzija, a time se smanjuje i potrebna količina rashladne vode;

• regenerativnim zagrijavanjem povisuje se ulazna temperatura napojne vode u generator pare.

Parni proces sa međupregrijavanjem

T-s dijagram parnog procesa sa međupregrijavanjem

Međupregrijavanjem pare u parnim energetskim postrojenjima postiže se dvojako koristan učinak:

• povećava se toplotna iskoristivost,• smanjuje se vlažnost pare na izlazu iz turbine,• toplotna iskoristivost parnog kružnog procesa sa međupregrijavanjem pare

Ako je toplotna iskoristivost dodatnog procesa međupregrijavanja (7-8-9-2), veća od toplotne iskoristivosti osnovnog kružnog procesa, tj. kada je

tada je ηt,MP> ηt

T-s dijagram parnog procesa sa međupregrijavanjem

ηt , MP=(h1−h7 )+(h8−h9 )−(h5−h3 )

(h1−h5)+(h8−h7 )

(h8−h9)−(h7−h2)(h8−h7 )

≻(h1−h2)−(h5−h3)

(h1−h5 )

h-s dijagram parnog procesa sa međupregrijavanjemMeđupregrijavanjem pare smanjuje se njena vlažnost u posljednjim stepenima turbine što, osim direktnog uticaja na povećanje unutarnje iskoristivosti turbine takodjer povoljno djeluje na mehaničko ponašanje turbine u toku pogona Međupregrijavanje pare ima i neke nedostatke :

• međupregrijač i dodatni spojni cjevovodi povećavaju troškove ulaganja u gradnju postrojenja;

• strujanjem pare kroz međupregrijač i dodatne spojne cjevovode nastaju gubici zbog pada pritiska, što donekle umanjuje koristan učinak međupregrijavanja;

Ugradnja međupregrijača unutar generatora pare otežava regulaciju, a posebno se treba brinuti o njegovoj zaštiti pri pokretanju i zaustavljanju pogona kada se međupregrijač može oštetiti zbog slabog strujanja pare kroz njega. Toplotni radni ciklusi sa međupregrijavanjem i regeneracijom pareU cilju daljeg poboljšanja stepena iskorištenja toplotnih radnih ciklusa uvode se i postupci međupregrijavanja i regeneracije pare. Toplotna šema jednog takvog ciklusa prikazana je na sljedećoj slici kao i T-sdijagram

Toplotna šema ciklusa sa međupregrijavanjem i regeneracijom pareU ovakvom postrojenju postoji turbina niskog i turbina visokog pritiska, koje se nalaze na istoj osovini sa generatorom.Para se sa izlaza iz turbine visokog pritiska vodi u međupregrijač pare, dogrijava se i vodi uturbinu niskog pritiska.Pri postupku regeneracije dio pare se prije nego što prođe kompletan proces u turbini vodi u regenerativni pregrijač pare. Time se neiskorištena toplotna energija pare vraća u proces na dalje korištenje (a ne predaje se rashladnoj vodi u kondenzatoru).Postupkom regeneracije pare postiže se povećanje stepena iskorištenja do 0,1. Nije opravdano koristiti više od 3 regenerativna pregrijača, jer se daljim povećavanjem broja regenerativnih pregrejača stepen iskorištenja značajno ne povećava, a znatno rastu investicioni troškovi.

• T-s dijagram sa međupregrijavanjem

I regeneracijom pare

Toplotni ciklusi sa namjenskim odvođenjem toplote (toplifikacioni ciklusi)Toplifikacioni ciklusi se koriste u kombinovanim elektranama za proizvodnju električne i toplotne energije (termoelektrane-toplane). Toplifikacioni ciklusi se realizuju kao ciklusi sa pregrijavanjem pare, samo što se para izvodi iz turbine sa znatno višim pritiskom i temperaturom ( p 2i T 2).Temperatura T2ima vrijednosti oko 450K (180°C). Pritisak p2se za korištenje toplote u industriji kreće između 2,5 i 30 bara, a za grijanje između 1,5 i 2,5 bara. Stepen iskorištenja toplifikacionog ciklusamože se računati po izrazu:

gdje je:• A- mehanički rad • Q2'- toplota odvedena potrošačima toplotne energije.

Toplota Q2' je zbog gubitaka manja od ukupne odvedene toplote Q2,pa je stepen iskorištenja manji od 1 i iznosi od 0,7 do 0,8, što predstavlja znatno poboljšanje u odnosu na ostale cikluse, a nepovoljna osobina ovakvog ciklusa je vezanost proizvodnje dva oblika energije - toplotnu ielektričnu.

T-s dijagram toplifikacionog radnog ciklusa

Na sljedećoj slici je prikazana toplotna šema postrojenja sa pogoršanim vakumom, za koje je karakteristično potpuno odvajanje fluida za potrošača od radnog fluida.

Toplotna šema postrojenja sa pogoršanim vakuumoPomenuto razdvajanje fluida ne postoji kod postrojenja sa sljedeće slikegdje se para direktno iz turbine vodi potrošačutoplotne energije, a voda vraća u isti rezervoar odakle se napaja kotao.Radni fluid je tako podložan zagađenjima koja se stvaraju u fluidu kod potrošača toplotne energije.

Toplotna šema postrojenja sa rezervoarom za prikupljanje fluida

• Energetski sistemi sa plinskim procesom• radni medij - plin• rad plinske turbine se temelji na Joul-ovom kružnom procesu koji se u

literaturi naziva još i Braytonov proces.- Osnovni princip rada plinskih turbina• plinske turbine mogu raditi sa otvorenim ili zatvorenim plinskim procesom• U otvorenom procesu te se promjene dešavaju izmjenom toplote sa

okolinom u koju se ispušta plin iz tubine, a u zatvorenom procesu u posebnom izmjenjivaču toplote.

• Zbog gubitaka • stvarni proces ≠ teoretski proces

Karakteristike otvorenog plinskog procesa su:• jednostavnost i relativno mali investicijski troškovi,• iskoristivost je niža, • znatna osjetljivost na kvalitet goriva zbog erozivnog i korozivnog djelovanja

dimnih plinova koji nastaju pri izgaranju.Prednosti zatvorenog plinskog procesa su:

- Radni medij u zatvorenom krugu je odgovarajući plin (zrak, N2, CO2, He) koji u procesu ostaje hemijski nepromjenjiv te ne djeluje štetno na materijal sa kojim dolazi u dodir;

- Indirektno zagrijavanje radnog medija omogućuje korištenje više vrsta goriva slabijeg kvaliteta, bez štetnih posljedica na radne dijelove turbine i kompresora.

- Mogućnost bolje regulacije snage turbine u širem rasponu te zbog toga veća iskoristivost postrojenja pri djelomičnom opterećenju.

Glavni nedostatak zatvorenog plinskog procesa su veliki investicijski troškovi zbog potrebe za velikim izmjenjivačem toplote, što proizilazi iz relativno lošeg prenosa toplote u sistemu plin/plin.

Shema otvorenog plinskog procesa

Shema zatvorenog plinskog procesa

• Teoretski Joul – Braytonov kružni proces sastoji se od sljedećih promjena stanja:

p-v dijagram Joule-Braytonova procesa• Od 1-2, izentropska kompresija do pritiska na kojem započinje davanje

toplote. Ova promjena stanja dešava se u kompresoru.• Od 2 – 3, dodavanjem toplote uz konstantan pritisak. U otvorenom procesu

to se dešava u komori izgaranja, a u zatvorenom u izmejnivaču toplote.

• Od 3- 4, izentropska ekspanzija plina u turbini do početnog pritiska.• Od 4 – 1, hlađenje plina uz konstantan pritisak.

T-s dijagram Joule – Braytonova procesa• Glavne veličine koje utiču na učinkovitost plinske turbine su radne

temperature na kojima se odvija kružni proces.Što je temperatura predaje toplote viša i što je temperatura oduzimanja toplote niža, iskoristivost plinske turbine je veća.Ograničavajući faktor najviše radne temerature procesa je kvalitet materijala od kojeg su izradjene lopatice koje su najopterećeniji dijelovi plinske turbine. Ulazna temperatura se kreće obično oko 700 do 800oC, dok se za turbine namijenjene povremenom radu dozvoljavaju temperature do 1000oC. Cilj je tehnloškim razvojem, a osobito primjenom specijalnih keramičkih materijala, dostići temperature do 1500oC.

Ostale uticajne karakteristike energetskih sistemaDa bi analiza, radi određivanja najpovoljnijeg rješenja, bila što cjelovitija, a prema tome i što realnija, potrebno je uzeti u obzir još neke karakteristične specifičnosti pojedinih energetskih sistema:

- Energetski sistem sa parnim ciklusom• mogu se koristiti gotovo sve vrste goriva;• troškovi održavanja su relativno mali;• vrlo dobre karakteristike u uslovima djelimičnog i promjenjivog

opterećenja;

• relativno mala buka;• pogonske karakteristike vrlo malo ovise o okolnoj temperaturi;• veliki dio postrojenja prikladan za vanjsku montažu;• potreban je relativno veliki prostor za ugradnju.

Energetski sistem sa plinskom turbinom• kompaktna izvedba i mali prostor za ugradnju;• brzo puštanje u rad;• dobro prilagodjavanje naglim promjenama opterećenja;• mali vlastiti utrošak pogonske energije;• kratko vrijeme za izvedbu montažnih radova;• osjetljivost na kvalitet pogonskog goriva.

Energetski sistem sa dizel motorom• prikladan za autonomne energetske sisteme manje i srednje snage;• veći investicioni troškovi po jedinici ugrađene snage u odnosu na sisteme sa

parnom protutlačnom i plinskom turbinom;• vrlo dobro prilagođavanje uslovima djelimičnog opterećenja, te mogućnost

održavanja optimalnih režima uz uključenje ili isključenje iz pogona pojedinih jedinica, ovisno o opterećenju;

• kompaktna izvedba i mali prostor za ugradnju;• veća emisija azotnih oksida (NOx);• veće vibracije i buka;• mogućnost ugradnje u neposrednoj blizini potrošača, čime se smanjuju

prenosni gubici;• brzo puštanje u pogon i preuzimanje punog opterećenja;• prikladnost za fazno proširenje kapaciteta dogradnjom novih jedinica, čime

se omogućava uskladjivanje pogona sa optimalnim uslovima opterećenja.

• Parni kotao je uređaj koji prilikom sagorijevanja goriva vodu pretvara u vodenu paru.Da bi služio namjeni pritisak pare u kotlu mora biti veći od atmosferskog.Tako dobijena para predstavlja potencijalnu energiju,čija je veličina određena pritiskom i temperaturom,te sluzi za pokretanje parnih strojeva,za zagrijavanje i sl. Konstrukcija parnog kotla dosta je jednostavna.U osnovi,parni kotao se sastoji od ložišta,u kojem se vrši sagorijevanje i parnog kotla (zatvorene posude) u kojem se vrši isparavanje. U kotlovima su zastupljena sva tri vida prenosa topline: provođenje (kondukcija) toplote, prelaz (konvekcija) toplote i zračenje.

• Vrste parnih kotlovaPrema veličini pritiska vodene pare razlikujemo:

• parne kotlove niskog pritiska do 16 bar• parne kotlove srednjeg pritiska do 60 bar• parne kotlove visokog pritiska do 225 bar

Prema vrsti vodene pare koju proizvode,kotlovi se dijele na:• kotlove sa zasićenom parom• kotlove sa pregrijanom parom• Prema konstrukciji parni kotlovi se mogu podijeliti na :• kotlove sa velikim sadržajem vode,u kojima se po jednom kvadratnom

metru površine kotla na jedan sat proizvodi 15-20 kg vodene pare (vertikalni kotlovi,kotlovi sa plamenikom i vodogrejnim cijevima,kombinovani kotlovi,lokomotivski i brodski kotlovi).

• Kotlovi sa malim sadržajem vode-sekcioni kotlovi, u kojima se po jednom metru kvadratnom površine kotla za 1 sat proizvodi 15-100 kg vodene pare (kotlovi sa nagnutim vodogrejnim cijevima,kotlovi sa strmim vodogrejnim cijevima i kotlovi specijalne konstrukcije u kojima proizvodnja vodene pare dostiže čak i do 250kg po kvadratnom metru površine kotla.

• Parni kotao karakterišu tri veličine i to:• -toplotno opterećenje grejne površine (kolicina vodene pare koja se dobije

sa 1 kvadratnog metra grejne povrsine.)

• -opterecenje resetke gorivom (kolicina cvrstog goriva u kg koja na 1 metar povrsine resetke sagori potpuno za 1 sat.)

• -toplotno opterecenje lozisnog prostora (broj kilogram kalorija koji se dobija po 1 metru kubnom lozisnog prostora u vremenu od 1 sata prilikom sagorijevanja nekog goriva.

Osnovna oprema termoelektraneTo su glavni pogonski strojevi za proizvodnju električne energije, a, prije svega, tu su:parne turbine, plinske turbinei parni kotlovi. • U manjim elektranama ponegdje se primjenjuju motori SUS (dizel), naročito

kao lokalni rezervni agregati koji se stavljaju automatski u pogon kod nestašice struje u javnoj mreži.Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira isključivo parna turbina. Njene su prednosti: velika jedinična snaga, uz visoke parametre svježe pare (170 bar i 565°C), te visoka sigurnost pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom u trajanju od nekoliko hiljada sati. U nedostatke termoelektrane sa parnom turbinom spada relativno dugo trajanje stavljanja turbine u pogon (nakon stajanja zbog remonta ili sl.), te velike količine vode potrebne za hlađenje kondenzatora.

• U termoelektranama se kao pogonski stroj susreće i plinska turbina. Takve su naročito pogodne za pogon vršnih i rezervnih elektrana, jer mogu biti stavljene u pogon za 15 ÷ 20 min. Maksimalna jedinična snaga GT kod ulazne temperature gasova od 650°C iznosi 27 [MW], a kod ulazne temperature gasova od 750°C oko 15 [MW].

• Pri povećanju temperature spoljnog vazduha i rashladne vode, smanjuje se i stepen iskorištenja i snaga turbine, a smanjenje opterećenja turbine smanjuje i stepen iskorištenja i povećava potrošnju toplote. Iz tih razloga se da zaključiti da je plinske turbine preporučljivo upotrebljavati samo kao dopunske i vršne agregate i to s konstantnim, pretežno maksimalnim opterećenjem.

• U prvom slučaju iskorištenje otpadne toplote gasnih turbina vrši se odvodom izlaznih vrelih gasova plinske turbine u kotao utilizator. Para proizvedena u ovom kotlu, eventualno uz njeno dopunsko pregrijavanje,

može služiti za pogon parne turbine, koja se u tom slučaju postavlja uz plinsku turbinu.

• Uz parnu turbinu važnu ulogu igra parni kotao koji sa turbinom predstavlja jedan zajednički blok. Parni kotao sastoji se od sljedećih osnovnih elemenata: isparivača ili kotla u užem smislu, u kojem prijemnik toplote (voda) isparava,pregrijača pare u kojem se para isparena u isparivaču pregrijava,zagrijača vode u kojem se prijemnik toplote zagrijava do temperature bliske temperaturi zasićenja i zagrijača zraka u kojem se zrak zagrijava prije ulaska u ložište.Gledajući sa strane predajnika toplote, dimnih plinova, svi se osnovni elementi nalaze u dva osnovna prostora:ložištu i dimnim kanalima.U ložištu, u kojem je dominantan prenos topline zračenjem, smješteni su obično isparivač i ozračeni pregrijač, a u dimnim kanalima smješteni su konvektivni pregrijači pare, zagrijač vode i zagrijač zraka.

• U pregrijačima pare isparena voda iz isparivača pregrijava se do temperature pregrijanja pri konstantanom pritisku – uz gubitke strujanja koji nisu veliki. Pri porastu temperature gustoća pare opada zbog čega brzina pare u pregrijaču raste od ulaza ka izlazu pare. Prema dominantnom vidu izmjene topline pregrijače pare možemo podijeliti na:konvektivne,poluozračene iozračene.

1-napojna pumpa 7-pregrijači pare2-zagrijač vode 8-ložišni prostor3-kotlovski bubanj 9-gorionici4-spusne (hladne) cijevi 10-zagrijač zraka za ložište5-donji sabirnici radne vode 11-elektro-filter6-podizne (ekranske) cijevi 12-ventilator

• Termoelektrane su energetska postrojenja čija je osnovna namjena proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju električne energije (slika 1) u kojima se vrši pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak različitim procesima predaje nekom radnom mediju.

• Ideja kogeneracije je da se otpadna toplotna energija koja izlazi iz dimnjaka TE iskoristi, recimo za grijanje tople vode i pare (daljinska toplota), koja će se koristiti ili u industriji ili u sistemima daljinskog (centralnog) grejanja. Time se iskoristivost povećava s 30-35% uobičajenog Rankineovog procesa na 60-70%.

prednosti nedostaci

korišćenjem istog goriva za proizvodnju električne i toplotne energije moguće je prepoloviti emisiju CO2

proizvodnja toplotne energije mora biti na mestu (ili blizu) potrošnje

proizvodnja električne energije mora biti blizu mesta hlađenja (reke, more)

proizvodnja električne energije nije preporučljiva blizu velikih koncentracija stanovništva zbog zagađenja

potrebna gradnja toplovoda

• U energetskim sistemima, pod kogeneracijom podrazumijeva se istovremena proizvodnja toplinske ielektricne energije.(Vrlo cesta oznaka u literaturi za sisteme kogeneracije je “CHP”-Combined

heat andpower production)

• Prema II zakonu termodinamike, da bi u jednom tehnickom sistemu dobilimehanicki rad (Lm), potrebno je tom sistemu i dovesti toplinsku energiju (Qd) i od njega odvesti toplinskuenergiju (Qod).

Energija koja se gubi u kondenzatoru predstavlja najveći dio ukupne izgubljene energije.• Da bismo nekako iskoristili tu energiju, odnosno eksergiju goriva,

primjenjujemo takozvana kogeneracijska postrojenja. Kogeneracijska postrojenja najčešće služe kao toplane.

• Dakle dio topline se šalje vrelovodima u razna industrijska postrojenja ili kućanstvima kao centralno grijanje. Parametri pare koji se koriste za grijanja, naravno, nisu na razini onih koji su prisutni kod pare koja se koristi za pokretanje turbine.

• Temperatura se kreće od oko 80-200 0C dok su parametri pare na ulazu u turbinu na razini od oko 600 0C.

• Imamo tri osnovna tipa elektrana koje proizvode električnu energiju i toplinsku energiju: -postrojenje protutlačne turbine,-postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare,-postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova.

Postrojenje kondenzacijske turbine s reguliranim oduzimanjem pare• Za ovakav sistem potrebno je imati na raspolaganju turbinu s dva stupnja:

visoko i niskotlačni. Nakon ekspanzije u visokotlačnom dijelu turbine vrši se ekspanzija nakon koje dolazi do oduzimanja pare. Sve se to odvija na konstantnom tlaku. Ovaj pogon je povoljniji pošto imamo dva stupnja rada: -čisti kondenzatorski-čisti protutlačni

• Čisti kondenzatorski pogon znači da ne postoji potreba za toplinom pa se proizvodi samo električna energija. U suprotnom primjeru kogd čistog protutlačnog slučaja potreba za toplinskom energijom je toliko velika da uopće nema proizvodnje u niskotlačnom dijelu turbine. Realno protutlačni (čisti) režim se ne može voziti. Niskotlačni dio turbine ne može ostati bez pare (hlađenje).

Postrojenje plinske turbine s korištenjem otpadne topline dimnih plinova• Princip rada postrojenja s plinskom turbinom s korištenjem otpadne topline

je sljedeći. • Na ispuh plinske turbine dodaje se kotao koje služi za proizvodnju pare koja

pak služi li u industrijske svrhe ili za grijanje. Temperature na izlazu iz

plinske turbine su izuzetno visoke (do 600 st.C) tako da mogu poslužiti u daljnjoj proizvodnji pare.

• Tu vidimo povezanost kombiniranog i kogeneracijskog procesa – proizvodnja pare za grijanje, ali i ponovnu proizvodnju električne energije. Dodatna proizvodnja i električne energije još dodatno povećava iskoristivost procesa. Eventualno dodatno izgaranje struja ispušnih plinova, s obzirom na visoki udio kisika, objašnjeno je u poglavlju o kombiniranim procesima.

•Šta su mali sistemi kogeneracije?

• Mali sistemi kogeneracije imaju snage od 5kWe do nekoliko megavata (najcešce 8-10MW). Medjutim,mali sistemi kogeneracije mogu imati snagu i do 15 MW, kada se radi o malim toplifikacionimsistemima. U pravilu, za snage do 1 MWe, kao pogonske mašine koriste se klipne mašine sa unutrašnjimsagorijevanjem, a preko 1 MWe koriste se gasne turbine, zbog energetske efikasnosti i troškovneprihvatljivosti.

• Šta su decentralizirane mali sistemi kogeneracije?• Kogeneracija može biti centralizirana, kada je kogenerativno postrojenje

udaljeno od korisnikatoplinske i elektricne energije. Zbog smanjenja transportnih gubitaka

toplinskog i elektricnog dalekovoda,potrebno je vršiti transformaciju energije sa nižeg na viši potencijal i obrnuto, što izaziva dodatne gubitke energije.• Decentralizirani, mali sistemi kogeneracije podrazumijevaju kogenerativno

postrojenje na istoj ili bliskoj lokaciji sa korisnicima toplinske i elektricne energije, bez transformacije i daljinskog transporta. Ovo je samo jedna od prednosti decentraliziranih malih sistema kogeneracije.

• Koji su razlozi primjene malih sistema kogeneracije?• a.energetska efikasnost• b. niži troškovi goriva• Direktna posljedica energetske efikasnosti kogeneracije, jeste manji utrošak

goriva.

• c. ekonomska efikasnost• Manji utrošak energije znaci i manje utrošenog novca, jer globalno

gledajuci štednja energije se gledakroz štednju novca.

• d. smanjenje okolinskog opterecenjaZbog manje spaljenog fosilnog goriva u malimsistemima kogeneracije, direktna je posljedica manja emisija globalnih zagadjivaca.• Sistemi kogeneracije imaju niz prednosti u odnosu na konvencionalna

postrojenja za proizvodnju električne i toplotne energije:• Investicioni troškovi po 1 MW instalisane snage su dvostruko niži od

hidroelektrana i trostruko niži od konvencionalnih termoelektrana,• Bilans energije je sljedeći: električna energija (35 – 40%), toplotna energija

(51 – 53%), gubici u prenosu (1 – 2%) što na kraju daje podatak o stepenu iskorišćenja celog postrojenja od 88 do 92%

• Sistemi kogeneracije se izvode kao jedinice snage do 5 MVA koje se montiraju pored potrošača, tako da imamo male gubitke u prenosu i na ovaj način se znatno poboljšava stabilnost elektroenergetskog sistema.

• Postoji nekoliko razloga za sadašnju relativno nisku zastupljenost kogeneracije. Monopoli nacionalnih proizvođača električne energije, koji postoje u mnogim zemljama, stvorili su nekonkurentne tržišne uslove za alternativne izvore energije. Osim toga, značajan problem u mnogim evropskim zemljama je i snažno uvrežena birokratija.

• Kogeneracija, kao mjera povecanja energetske efikasnosti je vrlo znacajna mjera, posebno za zemlje orjentirane na uvoz energije. Primjenom malih decentraliziranih sistema kogeneracije postiže se sljedece:

• - manji utrošak primarnog goriva, cak oko 40% primarnog goriva se uštedi primjenom malih

• sistema CHP, uz zadržavanje istog komfora života,• - kroz smanjenje utrošenog primarnog goriva, smanjuje se emisija CO2,

NOx, CO, SO2, cvrstih• cestica,

• - veca energetska efikasnost malih sistema CHP smanjuje termalno zagadjenje okoline

• - decentralizirani, mali sistemi CHP nemaju dalekovoda za transport elektricne i toplinske

• enrgije, te su transportni gubici jednaki nuli, a rasterecen je životni prostor od transportnih

• sistema• - kao kontinuirani potrošaci gasa, mali CHP sistemi su prihvatljivi za

distributere gasa, jer• smanjuju nepovoljan odnos potrošnje gasa ljeti i zimi,• - mali sistemi CHP su vrlo pouzdani, operativni i okolinski ugodni.• Mali sistemi kogeneracije su vrlo zastupljeni u zemljama Zapadne i Srednje

Evrope, dok je stanje sazemljama u tranziciji, po pitanju kogeneracije veoma loše, pa tako i u B&H. Postoji citav niz barijera zaprimjenu kogeneracije u B&H, a osnove su sljedece:

• - ne postojanje energetske politike države, regije, kantona,• - nestabilan odnos cijena energenata,• - nepostojanje tržišta energenata• - nedovoljna motiviranost firmi• - nedovoljna educiranost kadrova• - ne postojanje dugorocnijih energetskih planova• - nedostatak kapitala• - nepostojanje zakonske regulative za prodaju elektricne energije iz

malih sistema kogeneracije• - neadekvatni odnosi cijena energenata• - zatecenost postojecih tehnickih sistema i tehnologija

• Tip i vrstu termoelektrane na fosilno gorivo određuju sljedeći faktori:• Vrsta proizvodnje energije: Razlikuju se termoelektrane koje odaju samo

električnu energiju i termoelektrane-toplane, koje pored električne odaju i toplotnu energiju putem nosilaca toplote (pare ili vrele vode).

• Vrsta korištenog goriva: Razlikuju se termoelektrane na čvrsto, tečno i plinovito gorivo i na kombinaciju dva ili tri goriva.

• Tip osnovne turbine: Razlikuju se termoelektrane sa parnim ili plinskim turbinama, odnosno kombinovani proces kada su primenjene i parna i plinska turbina.

• Nivo parametara pare: U zavisnosti od nivoa početnog pritiska svježe pare razlikuju se termoelektrane sa dokritičnim (obično niže od 160 ÷ 170 bar) i natkritičnim pritiskom (više od 220 bar).

• Instalisana snaga: Uslovno se termoelektrane dijele na termoelektrane velike snage (preko 1000 MW), srednje (100 do 1000 MW) i male (manje od 100 MW) snage.

• Šema veza termičkog dijela elektrane: Po tipu primijenjene osnovne tehnološke šeme termoelektrane se dele na blok i neblok šemu (šema sa sabirnicama pare).

• Stepen opterećenja i korištenja snage: U zavisnosti od vremena rada termoelektrane se dijele na bazne (više od 6000 sati rada godišnje u elektroenergetskom sistemu), polubazične (od 4000 do 6000 sati rada), poluvršne (2000 do 4000 sati rada) i vršne (manje od 2000 sati rada).

• Vrsta hlađenja: Protočno i povratno hlađenje. Kod protočnog hlađenja voda za hlađenje kondenzatora uzima se iz prirodnog izvora (rijeke, jezera) propušta kroz kondenzator i vraća natrag. Kad ne postoji prirodni izvor vode za hlađenje ista voda se stalno propušta kroz kondenzator i stalno se hladi u posebnim hladnjacima što predstavlja protočno ili vještačko hlađenje. Izbor sistema hlađenja vezan je za osnovnu dilemu oko izbora lokacije termoelektrane - blizu rijeke ili blizu rudnika uglja.

• Osnovna karakteristika svake elektranejeinstalisana snaga i ona se definiše kao aritmetički zbir nominalnih snaga generatora (MVA), odnosno kao

aritmetički zbir snaga turbina mjerenih na priključcima generatora (MW). Instalisana snaga je istovremeno i nominalna snaga elektrane.

• Maksimalna snagaje najveća snaga koju elektrana kao cjelina može proizvesti, uz pretpostavku da su svi dijelovi elektrane sposobni za pogon. Za temoelektranu se pri tome pretpostavlja da na raspolaganju stoji dovoljna količina goriva zadovoljavajućeg kvaliteta i dovoljna količina vode zadovoljavajuće temperature i čistoće za hla|enje kondenzatora. Razlikuje sa maksimalna snaga na priključcima generatora i maksimalna snaga na pragu elektrane (izlazu iz elektrane prema elektroenergetskom sistemu).

• Raspoloživa snaga elektraneje najveća snaga koju elektrana može da proizvede u nekom trenutku, uvažavajući stvarno stanje u elektrani (kvarovi, remonti i sl.) i uz pretpostavku da nema ograničenja zbog proizvodnje reaktivne energije. Pri određivanju raspoložive snage kod termoelektrana treba uzeti u obzir kvalitet goriva, količinu i temperaturu vode.Osnovna oprema termoelektrane

• To su glavni pogonski strojevi za proizvodnju električne energije, a, prije svega, tu su: parne turbine, plinske turbinei parni kotlovi. U manjim elektranama ponegdje se primjenjuju motori SUS (dizel), naročito kao lokalni rezervni agregati koji se stavljaju automatski u pogon kod nestašice struje u javnoj mreži.

• Danas u javnim termoelektranama kao pogonski agregat dominira isključivo parna turbina. Njene su prednosti: velika jedinična snaga, uz visoke parametre svježe pare (170 bar i 565°C), te visoka sigurnost pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom u trajanju od nekoliko hiljada sati.

• Veliki broj obrtaja turbine omogućava njen direktan spoj sa električnim generatorom odgovarajuće snage, a čitav agregat radi sa visokom ravnomjernošću hoda, čime se osigurava besprekoran paralelni pogon ovog turboagregata sa drugim sličnim agregatima na zajedničku mrežu dotičnog energetskog područja. Za pogon termoelektrane sa parnim turbinama

mogu se koristiti čvrsta goriva i nižih toplotnih moći, ili koje drugo raspoloživo energetsko gorivo za sagorijevanje u parnim kotlovima.

Na osnovu podataka o instalisanoj snazi elektrane i njenoj godišnjoj proizvodnji, određuju se satne, dnevne i godišnje količine potrebnog goriva.• Satna potrošnja goriva u kondenzacionoj elektrani je:

gdje su:

• Ng [kW] - instalisana snaga elektrane, • qt [kJ/kWh] - specifična potrošnja topline, • Hd [kJ/kg] - donja toplinska moć goriva.• Potrebna satna količina goriva u jednoj toplani određuje se kao: • gdje su:

[kg/h] - instalisani učinak svih kotlova (ukupna potrošnja pare),• il [kJ/kg] - srednja entalpija svježe pare svih kotlova,• i4 [kJ/kg ] - srednja entalpija napojne vode svih kotlova, • hh i hc - stepeni iskorištenja kotla i cjevovoda,• Hd [kJ/kg] - donja toplinska moć goriva.

• Odgovarajuća dnevna potrošnja goriva u kondenzacionoj termoelektrani, odnosno toplani, biće:

• maksimalno:

• normalno:

• Godišnja potrošnja goriva kondenzacione elektrane se određuje na osnovu planiranog broja sati godišnjeg iskorištenja instalisane snage, a koji iznosi:

mgor k=N g¿ q tH d

mgorT=m puk ¿( i1−i4)ηk ¿ηc¿H d

(mgor k )max=24⋅mgork

(mgorT )max=24⋅mgorT

(mgor k )max=24⋅mgork

(mgorT )max=24⋅mgorT

• kod temeljnih elektrana nisk = oko 6000 [h/god],• kod dopunskih elektrana nisk = 3000 ÷ 6000 [h/god],• kod vršnih elektrana nisk = 1000 ÷ 2000 [h/god],

•Kondenzacione termoelektran

Postavljaju se pretežno na izvorima toplotne energije, ali je poseban uslov pri odabiru lokacije termoelektrane blizina znatnih količina protočne vode, potrebne za hlađenje kondenzatora turbina. Prednost ovakvih termoelektrana sastoji se u mogućnosti koncentracije proizvodnje velikih količina električne energije na izvorima fosilnih goriva, uz jednoznačan tehnološki ciklus i uz veliku snagu pojedinih pogonskih jedinica, koje dostižu 600, pa i 900 [MW] i više.Nedostatak kondenzacionih elektrana je relativno nizak stepen iskorištenja toplote (oko 41%). Naime, oko 40% toplote predate turbini gubi se obično u kondenzatoru, a sve to utiče na termički stepen iskorištenja ciklusa termoelektrane Za njegov tretman poslužiće šematski i dijagramski prikazi, dati na slikama 4.5 i 4.6.

Slika 4.5 Radna šema jednostavne kondezacione elektrane

(mgor k )god=nisk ¿ mgork

Slika 4.6 Radni ciklus parne kondenzacione turbine u i-s dijagramu

Termički stepen iskorištenja ovog idealnog ciklusa predstavlja odnos izmedu teoretske korisne proizvedene energije i energije koja je predata pari još u parnom kotlu:

Takođe je:

Međutim, u stvarnosti dolazi u toku ekspanzije u turbini do gubitaka zbog prigušivanja pare na ulaznim i regulacionim djelovima turbine, zatim usljed trenja, sudara čestica, skretanja i vrtloženja u međulopatičnim prostorima, prostrujavanja pare kroz raspore među stepenima, te usljed trenja rotora i odvijanja ventilacije. Zbog toga se gubi dio raspoloživog toplotnog pada, pa je u stvarnom ciklusu aktuelan adijabatski stvarni proces (1 ÷ 2). Upravo odnos iskorištenog stvarnog toplotnog pada i raspoloživog ioinazivamo unutarnji ili indicirani stepen iskorištenjaparne turbine:

Unutrašnji stepen iskorištenja savremenih parnih turbina većih snaga pri nominalnom opterećenju iznosi 85 ÷ 90% i zavisi od parametara pare, konstruktive izvedbe i stanja površina pojedinih elemenata turbine. Pri djelimičnom opterećenju turbine, kao i pri preopterećenju, hi se smanjuje, jer se gubici povećavaju. Sve dimenzije turbina i njenih organa (dužine mlaznica, dužine i uglovi lopatica) proračunavaju se za nominalno opterećenje.

ηt=lkq

=q−q0

q=

(i1−i4 )−|i3−i20|i1−i4

=1−|i3−i20|i1−i4

=1−i20−i3i1−i4

ηt=(i1−i20)−( i4−i3 )

i1−i4=ioi−inpq

ηi=N 0

N i=i0i0i

=i1−i2i1−i20

• Apsolutni unutarnji stepen iskorištenjaturbinskog ciklusa je:

• Osim unutrašnjih gubitaka turbine, koji nastaju pri prostrujavanju pare kroz turbinu, postoje i vanjski gubici u koje uključujemo mehaničke gubitke usljed trenja u ležajevima i utroška energije za pogon regulacionih uređaja i uređaja za podmazivanje. Te gubitke obuhvata mehanički stepen iskorištenja turbine, a on predstavlja odnos efektivne snage na spojnici (Ne) i unutrašnje snage turbine (N0):

•• Pri nominalnom opterećenju iznosi 97 ÷ 99% (za snage 1 ÷ 10 MW),

odnosno 99% (iznad 10 MW).• Odnos efektivne snage turbine i teoretske snage predstavlja efektivni

stepen iskorištenjaturbine:

• Apsolutni efektivni stepen iskorištenja toplotnog ciklusa iznosi (uz zanemarenje energije utrošene za pogon pumpi i ostalih pomoćnih uređaja):

• Električni i mehanički gubici električnog generatora izraženi su stepenom iskorištenjageneratora:

• gdje je: • Ng - snaga izmjerena na stezaljkama generatora. • Stepen iskorištenja savremenih generatora, pri jediničnoj snazi 25 ÷ 150

[MW] je:• pri hlađenju generatora vazduhom 96 ÷ 98%,

η0 i=ηt⋅ηi=i0 iq⋅i0i0 i

=i0q

ηm=N eN0

ηe=N eN i

=ηi⋅ηm

ηe '=N eq

=η0 i⋅ηm=ηt⋅ηi⋅ηm=ηt⋅ηe

ηg=N gNe

• pri hlađenju generatora vodikom 98 ÷ 99%.Električni stepen iskorištenja turboagregata (komplet turbina i generator) predstavlja odnos električne snage na stezaljkama generatora i teoretske snage:

Ovaj izraz se koristi i pri određivanju potrošnje pare turboagregata.Apsolutni električni stepen iskorištenja ciklusa turboagregata je:

Tako dobijena vrijednost je osnovni energetski pokazatelj turboagregata, a koji daje uvid u korisnost njegovog rada u realnim uslovima pogona elektrane.Odnos dovedene topline pari u kotlu i raspoložive topline goriva predstavlja stepen iskorištenja kotla:

• stepen iskorištenja cjevovoda

• stepen iskorištenja pomoćne potrošnje električne energije

• Obuhvatajući tako i ostale gubitke u ciklusu, nastale kroz pretvaranje energije, može se uvesti stepen iskorištenja transformacije(pretvaranja)energije:

može se definisati ukupni stepen iskorištenja termoelektrane (nazivan još apsolutni električni stepen iskorištenja termoelektrane):

ηel=N eN i

=ηe⋅ηg=η i⋅ηm⋅ηg

η0 el=N gq

=η0i⋅ηg=η0i⋅ηm⋅ηg=ηt⋅ηi⋅ηm⋅ηg=η t⋅ηel

ηk=QpQgor

=mp⋅Δipmgor⋅H d

ηc=i0ti0k

=i1t−i20 t

i1 k−i20 k

ηpe=NuNg; ηpp=

mptmpk

ηpr=ηk⋅ηc⋅ηi⋅ηm⋅ηg⋅ηpp⋅η pe

ηu=η t⋅ηpr=ηt⋅ηk⋅ηc⋅ηi⋅ηm⋅ηg⋅ηpp⋅η pe

• U zavisnosti od karakteristika goriva i raspoložive snage Nu na pragu termoelektrane može se takođe napisati

• tj. on predstavlja odnos korisno proizvedene električne energije na pragu termoelektrane (izražen u toplotnim jedinicama) i toplotne energije dovedene gorivom.

• Specifična potrošnja pare (svedena na jediničnu električnu energiju) se određuje (po konačnom izrazu - bez izvođenja) kao:

• a specifična potrošnja topline turboagregata za proizvedeni kWh električne energije iznosi:

• ukupna specifična potrošnja toplote termoelektrane:

• ukupnu potrošnju goriva:

ηu=Nu

mgor⋅Hd

msp=1

( i1−i2 )⋅ηm⋅ηg

q t=QtN g

=mp⋅( i1−i3 )

qu=QgNu

=q t

ηc⋅ηk⋅ηpp⋅ηpe

mgor=QgorHd

=Qkηk⋅H d

=Qt

ηk⋅ηc⋅Hd=mpt⋅( i1−i3 )ηk⋅ηc⋅Hd