parní protitlakové turbíny parní odběrové turbíny plynové turbíny s ...users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp-content/uploads/2015/... · vysokotlaké kotle > 2,5 MPa

1/79

Teplárenské zdroje

parní protitlakové turbíny

parní odběrové turbíny

plynové turbíny s rekuperací

paroplynový cyklus

2/79


parní protitlaké turbíny parní odběrové turbíny

plynové turbíny plynové motory

3/79

Parní teplárny

teplárny s parními turbínami

nejstarší typ zařízení pro KVET

i dnes konkurenceschopné

vysokotlaký parní kotel + protitlaková parní turbína

parametry admisní přehřáté páry:

tlak: 3 až 10 MPa

teplota: 400 až 500 °C, vyšší teploty = vyšší podíl E

parametry emisní páry:

snaha o nízké tlaky 0,1 MPa

nízké teploty: vychlazování vratné vody z CZT = vyšší podíl E

4/79

Parní teplárenské kotle

paliva

méně hodnotné uhlí – popel, síra

plynná – zemní plyn

kapalná – mazut, topné oleje

5/79

Zdroje tepla na uhlí

teplárenství závislé primárně na uhlí

2 : 1 k ušlechtilým palivům

problémy s dodávkou viz přenáška o palivech

snahy o energetickou soběstačnost

efektivní využití uhlí, spalování, emise

méně jakostní uhlí

6/79


doprava a skladování

zatěžování okolí, hluk, prašnost

vytěsnění dopravy a skladování mimo městská a obytná centra

minimalizace úletu tuhých částic

cyklónové odlučovače

tkaninové odlučovače

elektrostatické odlučovače

úspěšné aplikace především u velkých zdrojů

7/79


snižování emisí SOx, NOx, CO

vhodná spalovací technologie (fluidní kotle)

čištění spalin (odsiřování)

optimalizace spalovacího procesu (NOx)

dávkování aditiv

úspěšné použití u velkých výkonů

tuhé zbytky

ukládání (skládky)

využívání (stavebnictví)

8/79


roštové kotle

spalování paliva v klidné vrstvě

granulační práškové kotle

pro drcené hnědé uhlí, prášek je vháněn se vzduchem do hořáků,

spaluje se v letu v prostoru ohniště

fluidní kotle

s cirkulující atmosférickou fluidní vrstvou, se stacionární (bublinkující)

fluidní vrstvou

spalování méně hodnotných paliv, spalování biomasy

snížení teploty spalin, snížení komínové ztráty, zvýšení účinnosti 90%

9/79


vysokotlaké kotle > 2,5 MPa

průtočné trubkové kotle

voda vháněna do trubek,

mění se na sytou páru,

přehřátou páru

1 – vstup napájecí vody,

2 – ohřívák vody,

3 – výparník,

4 – přechodník,

5 – přehřívák,

6 – vstřikovací regulátor tp,

7 – přehřívák,

8 – výstup páry,

9 – hořáky

10/79


vysokotlaké kotle > 2,5 MPa

bubnové

s nuceným oběhem

1 – buben,

2 – oběhové čerpadlo,

3 – výparník,

4,5 – přehřívák

6 – ohřívák vody,

7 – ohřívák vzduchu,

11/79


I ohniště

II výpust

III sopouch

IV odlučovače a ventilátory

V komín

1 hořáky

2 výparník

3 kotlový buben

4 přehříváky

5 vývod páry

6 ohřívák vody

7 čerpadlo

8 ohříváky vzduchu

12/79

Parní teplárenské turbíny

popis funkce

točivý stroj – přeměna energie admisní (vstupní) páry na mechanickou

energii

stator s rozváděcími koly pro usměrnění toku páry na lopatky rotoru

pára expanduje, transformace tlakové energie, klesá tlak, teplota,

zvětšuje se objem

emisní pára (na výstupu)

expanze na turbíně se ukončí při vyšším tlaku a teplotě 90 až 150 °C

využitelná pro zásobování teplem

dlouhá doba nájezdu ze studeného stavu

postupné prohřívání pro omezení mechanických deformací

nelze denně najíždět, předpoklad kontinuálního provozu

13/79

Parní teplárenské urbíny

14/79

Parní protitlakové turbíny

emisní sytá pára

protitlak: 0,1 až 0,5 MPa

95 až 150 °C

15/79


veškerá emisní pára využívána pro topné účely

přímo jako teplonosná látka v parních CZT

jako pára do zdrojových předávacích stanic pro horkovodní CZT

(+) vysoká účinnost zdroje, absence ztrát kondenzačních

(-) přímá závislost výroby elektrické energie na dodávce tepla

vynucená výroba elektrické energie

dispečink elektrizační soustavy nemůže manipulovat s instalovaným

výkonem

pouze akceptuje okamžité hodnoty dodávky

zvýšením protitlaku (emisních parametrů páry) klesá výroba elektřiny E a

zvyšuje se Q

16/79


parametry

výkony od 10 kW do 100 MW

elektrický výkon roste s tlakem / teplotou admisní páry

roste teplárenský modul

17/79


18/79


Protitlaková turbína 38 MW ŠKODA MTD30B

výkon 20 až 55 MW

otáčky 5500 / 6000

tlak 3 až 14 MPa

teplota 300 až 450 °C

19/79


parametry

účinnosti výroby elektřiny a tepla určeny:

účinností kotlů (výroby páry)

termodynamickou účinností turbíny

tepelné a mechanické ztráty ve strojovnách

elektrická účinnost roste s tlakem / teplotou admisní páry

tepelná zůstává stejná, roste celková účinnost

20/79


přímá závislost elektrického výkonu na dodávaném tepelném

výkonu

na průtočném množství turbínou

rozsah běžně 40 až 100 %, max. 20 až 100 % (požadavek od 5 %)

21/79


podíl protitlaké páry na

vykrývání diagramu doby trvání

potřeb tepla

roční průběh výroby el. energie

na protitlakém turbosoustrojí

22/79


navrhování

vždy s ohledem na průběh potřeb tepla

podle minimálního požadavku na dodávku tepla = minimální

průtočné množství páry

podle letní potřeby tepla = celoroční provoz

podle potřeb na začátku / konci otopného období = snížení doby

využití, sezónní provoz

nedokáže vykrýt celoročně potřeby tepla odběratelů = špičkové

zimní zdroje a doplňkové (letní) zdroje

při předimenzování – nutná instalace dodatečné kondenzace nebo

akumulace tepla

23/79


kam ?

základní zdroje ve velkých teplárnách pro rozsáhlé sítě CZT

provoz v základním zatížení odběrového diagramu

v podnikových teplárnách se stálou potřebou tepla i elektrické

energie

pro dodávky páry o různých tlakových úrovních

24/79


25/79


26/79


uspořádání zdroje pro horkovodní CZT, záloha horkovodní kotel

27/79


provozní ukazatele

28/79


výhody

vysoká celková energetická účinnost

dlouhá doba životnosti

možnost dodávat páru i horkou vodu

i pro méně hodnotná paliva

nevýhody

menší podíl výroby elektrické energie

závislost výroby elektřiny na výroba tepla

požadavek na kontinuální provoz bez odstávek

29/79

Parní odběrové turbíny

30/79


odběry

jsou i u protitlakových nebo čistě kondenzačních turbín

pouze pro praktické důvody:

odplynění napájecí vody

předehřev napájecí vody

zvýšení účinnosti cyklu

u odběrové turbíny je odběr záměrně konstruován pro dodávku

tepla vně strojovny – pro CZT

31/79


funkce

shodná s protitlakovou, axiální turbína s jedním a více odběry

veškeré množství páry 1. stupněm

odběr pro zásobování teplem (pára, horkovod) – dostatečná

teplota, tlak

zbylá pára do expanze, kondenzační část turbíny

zbytková energie se využije pro výrobu el. energie

32/79


rozdělení páry pro topné účely a pro kondenzační výrobu

elektřiny

zvýšení regulační schopnosti vůči CZT

regulace množstvím odebírané páry:

od nuly (čistě kondenzační režim) do max. výkonu odběru

částečná eliminace závislosti výroby elektřiny na dodávce tepla

odběry mohou dodávat teplo v různých tlakových úrovních:

vysoký tlak pro technologickou páru

nižší tlak pro dodávku tepla pro vytápění a ohřev

33/79

Parní odběrové turbíny – parametry

výkon

menší vyráběný výkonový rozsah – vyšší vyráběné výkony

výkony od několika MW do 100 MW

elektrický výkon roste s tlakem / teplotou admisní páry

roste teplárenský modul

34/79


Turbina 11.5 MW typu ŠKODA MTD20CE

výkon 15 až 30 MW

otáčky 8000

tlak 3 až 14 MPa

teplota 300 až 450 °C

35/79


výkonový rozsah

měrný pokles elektrického výkonu vůči čistě kondenzačnímu režimu při

odběru tepelného výkonu

q

ee

P

Pp

36/79


účinnost

celková účinnost závisí na množství odebíraného tepla

minimální účinnost – čistě kondenzační režim

maximální účinnost – maximální odběr tepla

nižší účinnost oproti protitlakovým – kondenzační ztráty

vyšší spotřeba paliva – spalování levných paliv (uhlí, odpady, ...)

37/79


částečná nezávislost el. výkonu na odebíraném teple

část el. výkonu je vázána na dodávku tepla do CZT – vynucený výkon

dány průtokem odběrem

část el. výkonu je nezávislá na dodávce do CZT – volný výkon daný

průtokem páry turbínou nad množství pro odběr

38/79


částečná nezávislost el. výkonu na odebíraném teple

rozsah el. výkonu je dán:

horní hranicí – instalovaný elektrický výkon

dolní hranicí – výkon při max. odběru páry pro topné účely

využití rozsahu volné výroby el. energie je dáno:

technickými podmínkami – počet jednotek, výkony, pružnost soustrojí

ekonomickými podmínkami – cena paliva, smlouvy

menší turbosoustrojí v průmyslových podnicích pro vykrývání

odběrového diagramu el. energie

velké teplárny - poskytování systémových služeb elektrizační

soustavě

39/79

Parní odběrové turbíny - dimenzování

podíl odběrové páry na

vykrývání diagramu doby trvání

potřeb tepla

roční průběh možných dodávek

el. energie z odběrových

turbosoustrojí

40/79

Parní odběrové turbíny - dimenzování

volnější dimenzování výkonu – možnost regulace

41/79


PK – parní kotel

POT – parní odběrová turbína

RS – redukční stanice

ZO – základní odběr

ŠO – špičkový odběr

42/79


teplárna Strakonice

43/79


provozní ukazatele

44/79


výhody

výroba elektřiny nezávisle na dodávce tepla, možnost vykrývání

diagramů potřeb el. energie

dlouhá doba životnosti


možnost využití méně hodnotných paliv

nevýhody

nižší celková energetická účinnost

požadavek na chladicí systém – odvod kondenzačního tepla

požadavek na kontinuální provoz bez odstávek

45/79


použití

velké veřejné teplárny pro rozsáhlé soustavy CZT

podnikové teplárny s velkou potřebou elektrické energie

elektrárny s blízkým a koncentrovaným odbytem tepla

46/79


parní protitlaké turbíny parní odběrové turbíny

plynové turbíny plynové motory

47/79

Plynové turbíny s rekuperací tepla

plynová turbína

točivý stroj složený ze tří částí

axiální kompresor – nasávání a stlačování vzduchu, kompresní

poměr 10 až 20

spalovací komora – hoření paliva 900 až 1300 °C

expanzní část turbíny – energie stlačeného ohřátého vzduchu

(spalin) na mechanickou práci

v principu jde o proudový motor (letadla)

transformace mechanické práce na elektřinu a teplo

rekuperace tepla = využití tepla pro další potřeby (CZT)

48/79


49/79


plynová turbína – jedna hřídel

část mechanické práce slouží pro pohon kompresoru, zbytek

generátor – výroba elektřiny

generátor poháněn

rotorem přes spojku (větší turbíny)

přes převodovku (menší vysokootáčkové stroje)

spaliny na výstupu z expanze 450 až 550 °C – využití pro dodávku

tepla

přímo – technologie

nepřímo – výměník (pára, horká voda)

50/79

Plynové turbíny – parametry

výkon

široký vyráběný výkonový rozsah

výkony od 30 kW (mikroturbíny) do 200 MW

elektrický výkon a účinnost závisí na teplotě a tlaku nasávaného

vzduchu

roste se snižující s teplotou a rostoucím tlakem

51/79


elektrický výkon

elektrický výkon a účinnost závisí na:

teplotě nasávaného vzduchu

tlaku nasávaného vzduchu

roste se snižující s teplotou a rostoucím tlakem

tepelný výkon

tepelný výkon závisí na:

množství a teplotě spalin

vychlazení spalin (pára, horká voda, teplá voda)

52/79


celková účinnost závisí na:

technologických prvcích turbíny:

max. přípustná teplota spalin na prvním stupni expanze

konstrukčním uspořádání

počet lopatkových řad

s převodovkou x bez převodovky

s rekuperací x bez

nástřik páry do spalovací komory (snížení NOx)

úrovni vychlazení

53/79


účinnost

plynové turbíny s rekuperací tepla: menší výkony

plynové turbíny větších výkonů jako součást paroplynového cyklu

54/79

Plynové turbíny - provoz

trvalý provoz

analogie s protitlakovou turbínou

výroba elektrické energie vázána na výrobu tepla

omezený regulační rozsah – snížení výkonu pod 70 % vede k

výraznému snížení účinnosti turbíny

55/79


spalinový by-pass

při sníženém odběru tepla se část spalin vypouští komínem

nezávislost výroby elektřiny a dodávky tepla

snížení celkové účinnosti

neklesá elektrický výkon

málo časté – spalování kvalitních drahých paliv

pouze u velkých turbín ve funkci poskytovatele systémových služeb

elektrizační soustavě

56/79


rychlý start

krátké časy odstavení, najetí

zkracuje se doba životnosti mezi opravami

zvyšují se ztráty

zvláště při rychlém najíždění ze studeného stavu

pomalejší starty jsou příznivější

vhodný je trvalý provoz na jmenovitý výkon

denní provoz (odstávka na noc)

týdenní provoz (odstávka na víkend)

57/79


dimenzování

s ohledem na letní období s menším zatížením

použití

průmyslové podniky s nepřetržitým, nebo týdenním, minimálně však s

dvousměnným provozem

s potřebou elektřiny a tepla

s potřebou technologické páry

s potřebou horkého vzduchu

papírenství, potravinářství, těžké strojírenství, chemická výroba

58/79

Plynové turbíny - dimenzování

roční diagram dodávky tepla

59/79

Plynové turbíny - dimenzování

denní diagram dodávky tepla

60/79

Plynové turbíny - palivo

ušlechtilá paliva

zemní plyn, bioplyn, dřevoplyn, skládkový plyn

lehký topný olej

dostatečný tlak plynu v přípojce – plynový kompresor, odběr části

elektrického výkonu

nepotřebuje vodu (!)

vhodné pro suché pouštní oblasti

USA, Afrika, arabské země (těžba ropných produktů)

ropné plošiny

61/79

Plynové turbíny - schéma

plynová

turbína

spalinový

kotel

parní

kotel

62/79


provozní ukazatele

63/79


výhody

možnost rychlého najetí a odstávky

malé nároky na prostorovou a stavební připravenost pro turbínu

(vysoká pro spalinový kotel)


nevýhody

spalování pouze ušlechtilých paliv

omezený regulační rozsah provozních výkonů

vysoké nároky na kvalitu obsluhy a údržby

vysoká hlučnost (kontejnerové odhlučněné provedení)

64/79


65/79

Paroplynový cyklus

kombinace plynové turbíny se spalinovým kotlem pro

produkci páry pro parní turbínu

teplem ze spalin plynové turbíny se ve spalinovém kotli vyrábí pára

pro parní (protitlakovou, odběrovou) turbínu

část vyrobené páry se vstřikuje do spalovací komory spalovací

turbíny (Chengův cyklus)

snaha o maximální podíl výroby elektrické energie z paliva

účinnost výroby tepla 25 až 40 %

účinnost výroby el. energie 38 až 46 %

66/79

Paroplynový cyklus

kombinace výhod a nevýhod obou zařízení

protitlaké turbíny – vysoká celková účinnost, vynucená výroba

odběrové turbíny – nižší celková účinnost, volný elektrický výkon

vyšší podíl výroby elektřiny vůči teplu

plynová turbína jako záložní zdroj v el. soustavě v době bez odběru

tepla, nájezd do 15 min

nutnost použití ušlechtilých paliv (plyny, lehké topné oleje)

malý regulační rozsah

67/79

Paroplynový cyklus

68/79

Paroplynový cyklus

69/79

Paroplynový cyklus

samostatný hořák ve spalinovém kotli

využití přebytku kyslíku ve spalinách z plynové turbíny

zvýšení výkonu kotle pro dosažení vyšších parametrů páry (účinnost

parní turbíny)

nezávislost parního cyklu na plynové turbíně

plynová turbína zůstává jako záložní zdroj v el. soustavě v době bez

odběru tepla, nájezd do 15 min

70/79

Paroplynový cyklus – parametry

výkon

výkony od x0 MW do x00 MW

el. výkon plynové turbíny závisí na teplotě a tlaku nasávaného vzduchu

el. výkon parní turbíny závisí na množství a parametrech odběru tepla

71/79

Paroplynový cyklus – parametry

účinnost

z hlediska schopnosti regulace výkonu je limitním prvkem plynová turbína –

strmý pokles účinnosti

z hlediska četnosti a rychlosti najíždění je limitním prvkem parní turbína –

strmý pokles účinnosti

72/79

Paroplynový cyklus – provoz

špičkový provoz

odběrové a kondenzační turbíny

elektrárenský provoz

vysoká výroba elektřiny

nízká energetická účinnost, kondenzační ztráty energie v drahém

palivu

dodávka systémových služeb pro elektrizační soustavu, podle

aktuálních podmínek na trhu s elektrickou energií

73/79

Paroplynový cyklus – provoz

teplárenský provoz

protitlakové turbíny

maximální účinnost

menší výroba elektřiny

omezený rozsah systémových služeb

ideálně - návrh pro základní zatížení s maximální dobou využití

instalovaných výkonů

prakticky - návrh na průměrné zatížení se stabilizací provozu PPC

využitím akumulace tepla (beztlaké akumulátory)

velké výkony PPC + trvalý provoz = největší sítě CZT, tj. soustavy s

více zdroji, v létě v provozu levné palivo (odpad, biomasa)

74/79

Paroplynový cyklus – dimenzování

roční diagram dodávky tepla

75/79

Paroplynový cyklus – dimenzování

denní diagram dodávky tepla

76/79

Paroplynový cyklus – schéma

plynová

turbína

spalinový

parní kotel

parní

turbína

77/79

Paroplynový cyklus

provozní ukazatele

78/79

Paroplynový cyklus

výhody

vysoký podíl vyráběné elektrické energie

vysoká účinnost výroby elektřiny i celého cyklu v případě provedení

bez kondenzace

možnosti dodávky tepla v páře i v horké vodě

možnost modulového uspořádání a různých modifikací konfigurace

variabilita použití – od špičkových služeb po trvalé zatížení

79/79

Paroplynový cyklus

nevýhody

možnost spalování pouze ušlechtilých paliv

technologická komplikovanost, vysoké nároky na kvalitu obsluhy a

údržby

vysoká hlučnost plynové turbíny

sice malé prostorové nároky pro instalaci plynové turbíny, ale velké

pro kotel a parní okruh

Documents

parní protitlakové turbíny parní odběrové turbíny plynové turbíny s ...users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp-content/uploads/2015/... · vysokotlaké kotle > 2,5 MPa