Hladjenje kondenzatorakod termoelektrana

Dr.sc Sandira Eljšan

Mašinski fakultet

Univerziteta u Tuzli

Kao uvod u danasnje izlaganje prije svega podsjetio bih sve na Renkineov idealni ciklus za jedno jednostavno energetsko postrojenje na vodenu paru. Ovaj ciklus sastoji se iz sljedecih procesa:3-4: Povratna adijabatska kompresija vode u napojnoj pumpi4-1: Dovodjenje toplote u parnom kotlu pri konstantnom pritisku1-2: Povratna adijabatska ekspanzija pare u parnoj turbini2-3: Odvodjenje toplote u kondenzatoru pri konstantnom pritisku

Tema danasnjeg seminarskog rada prakticno se odnosi na posljednji od gore pomenutih procesa, a to je hladjenje kondenzata u kondenzatoru, s osvrtom na termoelektrane.Para koja je izvrsila rad u turbinskom postrojenju, tacnije ekspandirala, nastavlja svoj put do kondenzatorau kojem se kondenzuje, te kao kondenzat pumpama vraca u kotlovsko postrojenje. Dolaskom pare u kondenzator u koji ustrcavamao rashladnu vodu nastaje kondenzacija ove pare, a usljed togai pad temperature i pritiska, tj dobiva se vakuum, koga na poseban nacin odrzavamo na stalnoj visini.Vakum koji smo postigli, moramo drzati na konstantnoj visini, a radi toga moramo upijati iz kondenzata kondenziranu paru i rashladnu vodu, kao i vazduh koji dolazi u kondenzator na razlicite nacine.Vecim vakumom dobijamo vec indiciranu snagu, ali utrosimo jedan dio energije, za pogone kondenzatorskihpumpi. Osim toga imamo i druge gubitke koji su vezani kondenzacijom, a odnose se na hladjenje ispod temperature zasicenja tecnosti na izlazu iz kondenzatora, koju treba dodatno zagrijati do temp. zasicenja.Za ekonomicnost pogona je od osobitog znacaja, sto vece povecanje pada toplote, tj. stvaranje sto veceg vakuuma u kondenzatoru. Primjenom kondenzacije, ostvarena je prednost u tome, sto su manji toplotni gubici,tako sto se iskoristi toplota izlazne pare na zagrijevanje napojne vode za parni kotao, zatim imamo cistu vodu, bez vapnenca, jer je nastala hladjenjem od pare.

Razlikujemo dvije vrste kondenzacije: kondenzacija mjesanjem koja nalazi svoju primjenu kod klipnih parnih masina i povrsinsku ili cijevnu kondenzaciju koja se iskljucivo koristi kod parnih turbina.

Prednost povrsinske kondenzacije lezi u tome, sto se kod nje lakse postize visoki vakum a osim toga dobivamo iz kondenzatora cistu napojnu vodu, sto je od osobite vaznosti obzirom na turbinske lopatice.Losa strana povrsinske kondenzacije je veoma skupa izvedba, zauzimaju veliki prostor. U danasnje vrijeme se radi na tome da se sto vise umanje lose strane i to boljim prelazom toplote na rashladnu vodu.

Obicno svaka turbina ima svoj vlastiti kondenzator. Centralna kondenzacija ne dolazi u obzir kod parnih turbina,zbog teskog odrzavanja visokog vakuuma.

Da se odrzi vakuum na konstantnoj visini, mora se upijati iz kondenzatora kondenzirana para i vazduh.Naucnik Stodola je nasao da na svakih 1000 kW snage turbine, ulazi u kondenzator 3-5 kg vazduha u satu.Prema novijim pokusima, mozemo uzeti da na svakih 1000 kg kondenzirane pare dolazi oko 0.5 kg vazduha za vece turbine, a oko 1 kg za manje turbine.Kondenzator ima zadatak da odrzava sto nizi pritisak na izlazu i da skupi kondenzat radi vracanja u kotao.

Povrsinski (cijevni) KondenzatorPovrsinski kondenzator izvodi se tako, da rashladna voda struji cijevima za hladjenje a para struji okolo cijevi.Para struji poprijeko na snopove cijevi, koji su obicno razdijeljeni u vise pregrada, da bi para sto lakse prodrla u kondenzator. Da se pri ulazu pare ne stvara previse mrtvih zona, sa slabim prelazom toplote, mora se ulaz iste prostirati duz veceg dijela kondenzatora. Povrsinski kondenzator se upotrebljava tamo gdje nemamo na raspoloaganju dovoljno vode, gdje je teska voda i gdje zelimo postici nizi vakuum. Ulazna brzina u kondenzator ne smije biti prevelika po mogucnosti do 100 m/s, jer moze doci do titranja i loma kondenzatorskih cijevi. Brzina vode u cijevima treba da je sto veca i do 2.5 m/s. Kondenzat se na dnu kondenzatora odvodi kroz poseban otvor. Posto para sadrzi i vazduh, mora se i on posebno odvoditi.Kod cijevnih kondenzatora potrebno je da para, cim udje, tj dok je jos vruca, dodje u dodir sa sto vecom povrsinom. Kod normalne povrsinske kondenzacije postoje pomocne pumpe za rashladnu vodu, kondenzat i vazdusna pumpa.

Tornjevi za hladjenje vodeTornjevi za hladjenje su takvi uredjaji, koji omogucuju rashladjivanje kondenzatora. Kondenzat koji izlazi iz turbinesadrzi jos uvijek izvjesnu kolicinu pare, koju treba ohladiti i pretvoriti u vodu. Kondenzat moze takodje biti i prilicnovruc a njega takodje treba ohladiti. Hladjenje se izvodi na taj nacin da se kondenzat rasprsuje u sitne cestice, udarajuci o elemente hladnjaka. Kondenzat se ne treba previse ohladiti, nego do izvjesne temperature 50-60˚C.

Za izvedbu rashladnih tornjeva moraju se ispoštovati zakoni i propisi za mjesto ugradnje kao i usvojene smjernice i preporuke, kao npr:- zakon o emisijama- zakon o zaštiti voda- zakon o bezbjednosti uređaja- zakon o prostornom uređenju- zakon o zaštiti prirode itd.

Prema vrsti hladjenja razlikujemo:- Protocno hladjenje kondenzatora - Povratno hladjenje kondenzatora - Kruzno i kombinovano

Protocno hladjenje kondenzatora parne turbine sigurno je najpovoljnije, kako s obzirom na potrebne investicije, tako i u odnosu na stepen djelovanja. Voda samo jednom prolazi kroz kondenzator i zagrijana se vraca u vodotok, jezero ili more. Mogucnosti hladjenja vodom iz rijeka vrlo su ogranicena ili zbog nedovoljnih protoka ili zbog ogranicenja dopustenim porastom temperature. Takva se ogranicenja pojavljujupri upotrebi jezerske vode.

Prednost ove vrste hlađenja kod primjene površinskih voda odlikuje se kroz:- mala potrošnja energije glavnih rashladnih pumpi-nema dodatnih uređaja za hlađenje (rashladni tornjevi)- nema obrazovanja otparka- nema dodatnog razvoja buke

Nedostaci su:- zavisnost od sabirnog kanala i različite struje vode u godišnjim periodima- ograničeni potencijal zagrijavanja sabirnog kanala- smanjenje sadržaja kisika u odilazećoj rasladnoj vodi- čišćenje i pripadajuće pripreme rashladne vode

Povratno hladjenje kondenzatora U sistemu za povratno hladjenje voda se ponovo vraca u kondenzator nakon sto se ohladila u rashladnom tornju ili u posebnom izmjenjivacu toplote. Danas se izvode vlazni rashladni tornjevi sa prirodnim i prinudnimstrujanjem vazduha, te vazdusni kondenzatori. U vlaznom tornju sa prirodnim strujanjem vazduha zagrijana voda se dovodi u toranj nekoliko metara iznad osnovice, tu se rasprsava u sitne kapljice, sto padaju na prepreke koje omogucavaju bolju izmjenu toplote izmedju vode i vazduha sto zbog uzgona struji prema vrhu tornja. Voda se hladi ishlapljivanjem od 1 do 2% vode koja kruzi u rashladnom sistemu, i prelazom toplote od vode na vazduh. Smjesa vazduha i vodene pare izlazi na vrh tornja i dize se uvis jer joj je temperatura visa nego u okolnog vazduha, ali postaje vidljiva zbog rosenja vodene pare. Opazene su povecane padavine u smjeru vjetra, oblaci vodene pare iz rashladnih tornejva mogu pridonjeti nastanku magle, a zimi i leda na cestama i dalekovodima u blizini tornjeva. Ipak oni su vrlo povoljni s obzirom na sigurnost u pogonu. Za termoelektranu snage 800-1300 MW potreban je rashladni toranj visok od 130-170 m, sa dijametrom u osnovici od 100-130 m.

Ovaj postupak hladjenja odlikuje se sa:- smanjenjem toplotnog uticaja u sabirnom kanalu-obogaćenjem vode sa kiseonikom do blizu temperturno zavisne koncentracije zasićenja

Nedostaci su:- dodatne investicije za izgradnju rashladnog tornja kao i povećani zahtjevi za prostorom- dodatni utrošak energije- obrazovanje otparka- povećani nivo buke

Kružno hlađenje

Kod ove vrste hlađenja rashladna voda se vodi kružno preko rashladnih uređaja (mokri rashladni toranj,

kombinovani rashladni toranj i suhi rashladni toranj).Ovaj postupak se primjenjuje:

- kod suviše malog potencijala sabirnog kanala za preuzimanja topline

- ukoliko se bazen rashladnog tornja koristi kao sabirni uređaj za prodor materijala (posebno u hemijskoj industriji)

Prednosti ove metode su:

- potreba za dodavanjem vode je samo za izjednačenje gubitaka vode usljed isparenja, rasipanja i prskanja,

- mali udio topline u sabirnom kanalu,

- korištenje bazena rashladnog tornja kao rezervoara za gašenje.

- kod suhog hlađenja zbog zatvorenog sistema ne nastaju gubici vode.

Nedostaci se ogledaju kroz:

- dodatna voda se mora po pravilu pripremati i kondicionirati,

- kao i kod povratnog hladjenja

Prema metode hlađenja razlikujemo: - Mokro hlađenje- Suho Hlađenje - Kombinovano hlađenje

1. Mokro hlađenjeKod hlađenja sa mokrim hladnjacima prijelaz topline na zrak se vrši isparivanjem i u manjoj mjeri konvekcijom.Rashladna voda se ravnomjerno raspodjeljuje preko kanala, korita i/ili cijevi preko rashladnog tornja poprečno i razljeva se preko prskališnih agregata na rashladne komponente kao npr. ploče , folije, rešetke i sličnoi dolazi u dodir sa podižućim zrakom.

(1) Odvajač kapljica

(2) Raspodjela vode

(3) Rashladni elementi

(4) Bazen

(5) Dovod tople vode

(6) Usponski kanal

(7) Izlaz

(8) Kišni prostor

2. Suho Hlađenje

Kod suhog rashladnog tornja voda teče u zatvorenom sistemu kroz rashladne elemente. Odvođenje topline

vrši se isključivo konvekcijom. Isparenje koje ovdje izostaje vodi značajnom povećanju temperature rashladne

vode i time smanjuje stepen djelovanja nasuprot mokrom rashladnom tornju.

Kod suhog hlađenja moguće su dvije vrste uključivanja rashladne vode:

- kružno hlađenje sa suhim rashladnim tornjem kao neposredno hlađenje u vezi sa površinskim kondenzatorom

- kružno hlađenje sa suhim rashladnim tornjem kao neposredno hlađenje u vezi sa ubrizgavajućim kondenzatorom

Prednosti suhog hlađenja se izražavaju kao:

- nema vidljivih obrazovanja otparka

- jednostavno podešavanje i kontrola hemijskih parametara rashladne vode

- nema potrebe za dodatnom vodom za vrijeme pogona, samo dopuna određenih gubitaka

Nedostaci u poređenju sa mokrim hlađenjem:

- značajno veći troškovi investicija i pogona

- jača zavisnost vanjske temperature zraka na učinak hlađenja (ljeto/zima)

- zimski uslovi zahtjevaju posebne mjere protiv smrzavanja za vrijeme stajanja

- sklonost zaprljanju rashladnih elemenata zahtjeva sposobne stacionarne uređaje za čišćenje

(1) Izmjenjivač topline (Delta elementi)

(2) Dovod tople vode

(3) Povrat hladne vode

3. Kombinovano hlađenjeKod kombinovanog hlađenja tj. kombinovano mokro-/suho hlađenje prelaz topline na zrak vrši se u jednom suhom i jednom mokrom dijelu. Od strane rashladne vode moguća su slijedeća ukapčanja:- rashladna voda struji paralelno preko suhog-mokrog dijela ili- rashladna voda struji jedno iza drugog preko suhog-mokrog dijelaOd strane zraka paralelno ukapčanje se pokazalo kao povoljnije. Preko zračnih regulacionih uređaja (npr. žaluzine, rolo-vrata) može se u okviru zadatih granica stanja vanjskog zraka smanjiti vidljivo stvaranje otparka.

Kombinovani rashladni toranj se odlikuje:- manje dimenzije nego kod suhog rashladnog tornja,- smanjenje vidljivog otparka i- manji zahtjevi za dodatnom vodom nasuprot mokrom rashladnom tornjuNedostaci su:- veći investicioni troškovi nasuprot suhom rashladnom tornju,- već navedeni nedostaci kod suhog hladjanja

Izvedbe rashladnih tornjeva

Načini transporta zraka

Podjela rashladnih tornjeva može se izvršiti i prema odgovarajućem transportu zraka:- sa prirodnim uzgonom- ventilatorski rashladni tornjevi sa usisnim ili potisnim ventilatorima.

Rashladni toranj sa prirodnim uzgonomKod rashladnog tornja sa prirodnim uzgonom protok zraka zavisi od prirodnog uzgona, t.j značajno odvisine rashladnog tornja i razlike gustina ulaznog i izlaznog zraka. Visina građevine se može smanjiti ugradnjom ventilatora.

Rashladni toranj sa prirodnim uzgonom odlikuje se slijedećim :- mali pogonski troškovi- ekonomičnost kod velikog broja sati eksploatacije- mali troškovi održavanja- nastanak otparka u većoj mjeri nego kod ventilatorskih rashladnih tornjeva

Nedostaci u odnosu na ventilatorske rashladne tornjeve:- veći investicioni troškovi - veće dimenzije - veća zavisnost od vremenskih uticaja

Rashladni toranj sa prirodnim uzgonomRashladni tornjevi sa prirodnim uzgonompotpomognuti ventilatorima, tlačni ventilatori

Ventilatorski rashladni tornjeviKod ventilatorskih rashladnih tornjeva (slike 10 i 11) protok zraka ostvaruje se ventilatorima.Ventilatori se mogu ugrađivati ili kao potisni na ulaznom dijelu ili kao usisni na izlaznom dijelu zraka.Ventilatorski rashladni tornjevi se mogu graditi u krug ili u red (ćelije).

Ventilatorski rashladni tornjevi se odlikuju u slijedećem:- nezavisnost protoka zraka od vremenskih prilika- manje visine gradnje- manja razlika granica hlađenja - prilagođavanje pogonskim prilikama promjenom protoka zraka, npr. motorima sa polnim prekapčanjem, stepenastim prenosnikom, regulacijom broja obrtaja ili isključivanjemn segmenata odnosno ćelija.- Ekonomičnost kod srednjih i velikih elektrana

Nedostaci nasuprot hladnjacima sa prirodnim uzgonom:- visoki dodatni troškovi pogona i održavanja pogonskih organa- dodatno povećana buka usljed rada ventilatora i pogonskih organa sa dodatnim troškovima za eventualno smanjenje nastale buke- sklonost smetnjama zbog mašinske opreme

Kombinacijom kombinovanog hlađenja i ventilatorskog moguće je graditi niže hladnjake pri istovremenom smanjenju nastanka otparka.

Ventilatorski rashladni toranj sa usisnimventilatorom (ćelijski način gradnje)

Ventilatorski rashladni toranj sa usisnimventilatorom (ćelijski način gradnje)

Uzimanje rashladne vode, priprema i transportU zavisnosti od kvaliteta vode i vrste hlađenja za obradu rashladne vode koriste se različite tehnike i metode.One su dovoljne kako za mehanička prečišćavanja tako i za mehaničko/hemijsku pripremu vode.

UzimanjeRashladna voda se uglavnom izuzima iz rijeka, kanala i jezera koji su uvijek izloženi prirodnim nečistoćama.Ovdje još dolaze u obzir sagorjeli ostaci, djelimično veliki udjeli plivajućih materija, koloida i organskih supstanci.Rasteretni vodovi i pražnjenja takođe mogu imati značajnog udjela u zaprljanju. Građevine za uzorkovanje se zbog toga moraju graditi tako da što manje nečistoća dospije u ulazni dio. Ovo se postiže slijedećim mjerama:- Rasporedom i oblikom ulaza- Sprovodnim zidovima, potopljenim zidovima i uljnim pregradama- Postavljanjem jedne usisne cijevi, npr. u pravcu sredine toka rijeke

Potrebno je za pojedine slučajeve na osnovu više pokušaja dostaviti optimalni oblik i dimenzije. Ukoliko su propisane određene mjere od nadležnih ustanova za očuvanje ribe i vode, zahtjeva se ugradnja električnog uređaja za otjerivanje riba.

Mehanička priprema vodeMehanički uređaji za pripremu u zavisnosti od kvaliteta vode i zahtjeva dijele se na uređaje za predčišćenje(grablje i sita), sedimantaciju i filtraciju. Navedeni uređaji se mogu primjenjivati pojedinačno ili u kombinaciji.

Hemijska priprema rashladne vodeObzirom da većina prirodnih voda pored ostalih soli sadrže hidrogen karbonate, može doći do poremećaja ravnoteže Kreč-Ugljična kiselina usljed zagrijavanja, odzračivanja i zgušnjavanja vode kao i izdvajanja kalcijumkarbonata (vodeni ili kotlovski kamenac). Naslage teško razgradivih karbonata spriječavaju prelaz topline i prouzrokuju koroziju, koji mogu nastati i u prisustvu ugljen dioksida.Iz navedenih razloga u pravilu je uobičajeno kod kružno cirkulacionog hlađenja primjenjivati hemijski pripremljenu rashladnu vodu. Najviše rašireni način pripreme je dekarbonizacija mehanički prečišćene sirove vode a koriste se slijedeće mogućnosti:- dekarbonizacija ubrizgavanjem mineralnih kiselina- dekarbonizacija jonskim izmjenjivačima-dekarbonizacija sa krečom sa brzom dekarbonizacijom ili metoda “padanja pahuljica” (spora ili dugotrajna dekarbonizacija)

Zaštitne mjereOpšte mjereMjere zaštite služe za nesmetanu i dugotrajnu eksploataciju rashladnog tornja. U rashladnom tornju su uglavnom ugrađeni materijali kao:- Beton- Drvo- vještački materijali- čelik- nemetalikoji su podvrgnuti različitim štetnim uticajimai te zbog toga moraju biti odgovarajuće izabrani i dovoljno zaštićeni. Najbolje mjere zaštite su pravilan izbor materijala i izrada pojedinih konstrukcionih elemenata poredbrige o očuvanju povoljnog kvaliteta vode. Dodatno se može za pojedine dijelove, koji su podvrgnuti uticaju atmosferlija izvesti antikoroziona zaštita. Osim toga se komponente moraju zaštititi posebno od požara i udaragroma, te kao smetnja vazduhoplovnom saobraćaju moraju se predvidjeti uređaji za upozorenje.