11 Energetska postrojenja - plinske elektraneold.riteh.hr/zav_katd_sluz/zvd_teh_term_energ/katedra4/energetska... · Prof. dr. sc. Z. Prelec ENERGETSKA POSTROJENJA Poglavlje: 11 (Plinske

Prof. dr. sc. Z. Prelec ENERGETSKA POSTROJENJA Poglavlje: 11 (Plinske elektrane) List: 1 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

PLINSKE ELEKTRANE

Plinske elektrane su termoenergetska postrojenja u kojemu se proces pretvorbe toplinske energije u mehaničku (električnu) odvija prema Joule-Braytonovu kružnom procesu, odnosno teoretski između dviju izentropa i dviju izobara. U elektranama se najčešće koristi tzv. otvoreni kružni proces u kojemu kao radni fluid služi zrak odnosno smjesa zraka i dimnih plinova izgaranja. U otvorenome kružnom procesu kompresor usisava zrak iz okoline i tlači ga (izentropski) na određeni tlak u komoru izgaranja, gdje se dovođenjem goriva (plinovita ili tekućega) zbiva izgaranje (izobarno). Smjesa zraka i plinova izgaranja nakon toga ekspandira (izentropski) u plinskoj turbini gdje se generira mehanička energija od koje se jedan dio koristi za pogon kompresora, a preostali dio za pogon generatora električne energije. Nakon ekspanzije u plinskoj turbini, plinovi izgaranja ispuštaju se (izobarno) u okolinu. U realnim uvjetima, zbog unutrašnjih nepovratnih gubitaka u kompresoru i turbini, kompresija odnosno ekspanzija ne odvijaju se izentropski već po nekoj politropi, ovisno o veličini u unutarnjih gubitaka. Time se dodatno umanjuje toplinska iskoristivost plinsko-turbinskoga kružnog procesa, koji je u uspoređenju s parnim (Clausius-Rankineovim) znatno niži, prvenstveno zbog relativno visoke temperature ispušnih plinova (450 do 580 0C).


OSNOVNI PLINSKO-TURBINSKI PROCES

Shema osnovnoga plinsko-turbinskog procesa

T-s dijagram osnovnoga plinsko-turbinskog procesa

s

3 T

1

22' 4

4'

p2

p1

qd

qo

Gorivo

K T G

1

2' 3

4'

KI

Zrak Ispušni plinovi

Električna energija


Idealni osnovni plinsko-turbinski proces

U idealnome procesu, kompresija i ekspanzija su izentropske, a dovođenje i odvođenje topline su izobarne promjene stanja. Projektni parametri određeni su početnim stanjem odnosno stanjem okoline (p1=po, T1=To), te maksimalnim tlakom i maksimalnom temperaturom (p3=p2, T3). Temperatura nakon kompresije = ( )/ = ( )/ [K]

gdje je − kompresijski pomjer, =

k - eksponent izentropske ekspanzije / kompresije zraka; k=1,4. Temperatura nakon ekspanzije = ( )/ = ( )/

[K]

Jedinični rad plinsko-turbinskoga sklopa u idealnome procesu = − = ( − ) − ( − ) [kJ/kg] Budući je ℎ = , slijedi:

w= ( − ) − ( − ) [kJ/kg]

Jedinična toplina dovedena u idealni proces = ( − ) = ( − ) [kJ/kg]

Toplinska iskoristivost idealna procesa = = − −−


Protočna masa (mzr) radna fluida (zraka) za zadanu izlaznu

snagu idealna procesa (N) = [kg/s] Dovedena toplinska snaga (Qd) za zadanu izlaznu snagu

idealna procesa (N) = [kW]

Realni plinsko-turbinski proces

Kod realna plinsko-turbinskoga procesa treba u obzir uzeti nepovratne gubitke koji nastaju u kompresoru i turbini, a zbog kojih se povisuje temperatura nakon kompresije i ekspanzije, odnosno T2'>T2 te T4'>T4. Također, u realnome procesu treba računati s različitim srednjim specifičnim toplinama fluida koji se tlači (zrak) cp,k u odnosu na fluid koji ekspandira (smjesa zraka i plinova izgaranja) cp,e. U skladu s navedenim slijedi: Temperatura nakon kompresije = ( )/ = ( )/ [K]

Temperatura nakon ekspanzije = ( )/ = ( )/

[K]

gdje je: − kompresijski pomjer, =

nk – eksponent politropske kompresije; nk>k ne – eksponent politropske ekspanzije; ne


Temperatura nakon kompresije i nakon ekspanzije može se odrediti također uz poznatu unutrašnju iskoristivost kompresora ηi,K i turbine ηi,T.

= + ( − )/ηi,K

= − ( − ) ηi,T

Unutrašnja iskoristivost kompresora

, = ( − )( − )

Unutrašnja iskoristivost kompresora ηi,K kreće se od 0,82 do 0,89. Unutrašnja iskoristivost plinske turbine

, = ( − )( − )

Unutrašnja iskoristivost plinske turbine ηi,T kreće se od 0,84 do 0,92. Jedinični rad realna plinsko-turbinskog procesa = − = ( − ) − ( − ) [kJ/kg] = , ( − ) − , ( − ) [kJ/kg]

Jedinična toplina dovedena u realnom plinsko-turbinskom

procesu , = ( − ) = ( − ) [kJ/kg]

Toplinska iskoristivost realna plinsko-turbinskoga procesa

, = , = − ( − )( − ) = , ( − ) − , ( − ) ( − )

Ako se zanemari utjecaj razlika specifičnih toplina, odnosno ako se uzme da je cp,e= cp,k= cp, slijedi:

, = − ( − )( − )


Iz analize izvedenih jednadžbi proizlazi sljedeće: - Toplinska iskoristivost idealna plinsko-turbinskog procesa zavisi samo o kompresijskome omjeru K. Kompresijski omjer plinsko-turbinskih procesa kreće se od 8 do 20. - Toplinska iskoristivost realna plinsko-turbinskog procesa zavisi, osim o kompresijskome omjeru K, također o unutrašnjoj iskoristivosti kompresora ηi,K i turbine ηi,T te o vršnoj temperaturi procesa T3 (temperaturi plinova na ulazu u turbinu). Vršna temperatura procesa T3 ograničena je čvrstoćom materijala koji treba izdržati naprezanja u prisutnim pogonskim uvjetima. Vršne temperature modernih plinsko-turbinskih procesa kreću se od 1100 do 1400 0C. Protočna masa radna fluida (zraka) za zadanu snagu (N)

realna plinsko-turbinskog procesa , = [kg/s] Dovedena toplinska snaga za zadanu snagu (N) plinsko-

turbinskog procesa , = , , [kW]


Efektivna iskoristivost plinsko-turbinskoga postrojenja Za efektivnu (ukupnu) iskoristivost plinsko-turbinskoga postrojenja u obzir treba uzeti i ostale gubitke koji nastaju u takvom postrojenju, a oni su: - Mehanički gubici zbog otpora trenja u ležajevima, koji se uzimaju u obzir s mehaničkim stupnjem djelovanja; ηm=0,93 do 0,99. - Gubici u komori izgaranja zbog toplinskih gubitaka u komori izgaranja, koji se uzimaju u obzir sa stupnjem iskoristivost komore izgaranja; ηki=0,96 do 0,99. - Gubici u generatoru el. energije, koji se uzimaju u obzir sa stupnjem iskoristivosti generatora el. energije; ηeg=0,95 do 0,99. Uz navedene gubitke, efektivna (ukupna) iskoristivost plinsko-turbinskoga postrojenja iznosi: = , Potrošnja goriva (B) za zadanu izlaznu električnu snagu (NE)

plinsko-turbinskoga postrojenja = = ,

= , [kg/s]

gdje je Hd – donja toplinska vrijednost goriva, [kJ/kg].


PLINSKO-TURBINSKI PROCES S REKUPERACIJOM TOPLINE IZLAZNIH PLINOVA

Shema plinsko-turbinskoga procesa s rekuperativnim grijanjem zraka

T-s dijagram plinsko-turbinskoga procesa s rekuperativnim grijanjem zraka

s

4 T

1

22' 5

5'

p2

p1

qd

qo

3

6 6'

3'

qR'

GorivoIspušni plinovi

K T G

1

2' 4

5'

KI

Zrak


R 3'

6'


Jedan od načina poboljšanja iskoristivosti plinsko-turbinskoga procesa je rekuperacija izlazne osjetne topline dimnih plinova te njeno korištenje za zagrijavanje zraka prije ulaza u komoru izgaranja. Time se smanjuje toplina koja se ispušta u okolinu, a ujedno se smanjuje toplina koju se u proces dovodi gorivom u komori izgaranja. Rekuperirana toplina

U idealnome slučaju, uz neizmjerno veliku površinu izmjenjivača topline, rekuperirana toplina iznosila bi: = ( − ) = ( − ) pri čemu je = i = . U realnoj izvedbi, uz ekonomski opravdane dimenzije izmjenjivača topline, te uz odgovarajuću razliku temperature fluida koji predaje (izlaznih plinova) i fluida koji preuzima toplinu (zraka), rekuperirana toplina iznosi: = ( − ) = ( − ) pri čemu je = i = . Omjer topline koja se realno izmjenjuje rekuperacijom, te topline koja bi se teoretski mogla izmijeniti, naziva se stupanj rekuperacije te iznosi: = = ( − )( − ) = ( − )( − )

U idealnome slučaju = 1, a u realnome je 1. Jedinična toplina dovedena gorivom u komoru izgaranja u

realnome plinsko-turbinskom procesu s rekuperacijom topline , = ( − ) = ( − ) [kJ/kg]


Jedinična toplina koja se u realnome plinsko-turbinskom procesu s rekuperacijom topline odvodi u okolinu , = ( − ) = ( − ) [kJ/kg]

Jedinični rad realna plinsko-turbinskog procesa s rekuperacijom topline , = − = ( − ) − ( − ) [kJ/kg] , = , ( − ) − , ( − ) [kJ/kg]

Toplinska iskoristivost realna plinsko-turbinskog procesa s rekuperacijom topline

, , = ,, = , ( − ) − , ( − ) ( − )

Ako se zanemari utjecaj razlika specifičnih toplina, odnosno ako se uzme da je cp,e= cp,k= cp, slijedi:

, , = ( − ) − ( − ) ( − )

Efektivna iskoristivost plinsko-turbinskoga postrojenja s

rekuperacijom topline , = , ,

Potrošnja goriva (B) za zadanu izlaznu električnu snagu (NE) plinsko-turbinskoga postrojenja s rekuperacijom topline = , = , ,

= , , [kg/s] gdje je Hd – donja toplinska vrijednost goriva [kJ/kg].


PLINSKO-TURBINSKI PROCES S 2-STUPANJSKOM KOMPRESIJOM I 2-STUPANJSKOM EKSPANZIJOM

Shema plinsko-turbinskoga procesa s 2-stupanjskom kompresijom i 2-stupanjskom ekspanzijom uz rekuperaciju topline

T-s dijagram plinsko-turbinskoga procesa s 2-stupanjskom kompresijom i 2-stupanjskom ekspanzijom uz rekuperaciju topline

s

5

T

1

p4

p1

qo'

10

qR

qd'

qo''

2

3

4

7

qd'' 6 8

9 5'

10'


Gorivo

K-2 T-1 G

1

4 6

9

KI-1

Zrak

Ispušni plinovi

R 5

10

KI-2

Gorivo

K-1 T-2

2 3

7 8

H


Više-stupanjskom kompresijom i više-stupanjskom ekspanzijom postiže se daljnje poboljšanje toplinske iskoristivosti plinsko-turbinskoga procesa. Međutim, u praksi se kod većih postrojenja najčešće koristi sustav s 2-stupanjskom kompresijom i 2-stupanjskom ekspanzijom, jer daljnje povećanje broja stupnjeva ne utječe značajnije na daljnje povećanje iskoristivosti, a uz to povećava se složenost postrojenja i investicijski troškovi. Okolni zrak komprimira se u prvo-stupanjskome kompresoru K-1 od stanja 1 do 2 koje odgovara među-tlaku p2. Nakon toga, od stanja 2 do 3, vrši se među-hlađenje zraka do početne temperature T3=T1. Komprimiranjem u drugo-stupanjskome kompresoru K-2 postiže se konačni tlak p4 koji je ujedno maksimalni tlak procesa. Stlačeni zrak zatim ulazi u rekuperativni izmjenjivač topline R gdje se izmjenom topline s ispušnim plinovima iz plinske turbine zagrijava do temperature T5. Iza toga, zrak ulazi u prvu komoru izgaranja K-1 gdje se izgaranjem goriva, uz konstantan tlak, predaje toplina i postiže maksimalna temperatura procesa T6. Slijedi ekspanzija smjese zraka i plinova izgaranja i prvom (visoko-tlačnom) dijelu plinske turbine T-1 od maksimalna tlaka p4=p6 na među-tlak p7, zatim ponovno zagrijavanje u drugoj komori izgaranja K-2 do maksimalne temperature procesa T8=T6, nakon čega opet ekspanzija u drugom (nisko-tlačnom) dijelu turbine T-2 do tlaka okoline p9=p1. Prije izlaska u okolinu, ispušni dimni plinovi prolaze kroz dimnu stranu rekuperativna izmjenjivača topline u kojemu se toplina ispušnih plinova predaje zraku prije njegova ulaza u komoru izgaranja. U rekuperativnome izmjenjivaču topline dimni se plinovi ohlade do temperature T10 koja je zbog konačnih dimenzija izmjenjivača topline veća od T10'=T4. Isto tako, zbog realnih dimenzija izmjenjivača topline, ulazna temperatura dimnih plinova T9 veća je od izlazne temperature zraka T5.


Jedinični rad procesa s 2-stupanjskom ekspanzijom i 2-stupanjskom kompresijom uz rekuperaciju topline = −

Optimalni parametri za 2-stupanjsku kompresiju postižu se uz uvjete:

= , odnosno = Optimalni parametri za 2-stupanjsku ekspanziju postižu se uz uvjete: = , odnosno = Dobiveni jedinični rad procesa: = , [( − ) + ( − )] − , [( − ) + ( − )]

Jedinična toplina dovedena u dvije komore izgaranja uz

rekuperaciju topline = , ( − ) + , ( − )

Jedinična toplina odvedena u okolinu = , ( − ) + , ( − ) Jedinična toplina predana zraku u rekuperatoru topline = , , ( − ) = , , ( − )

Topl. iskoristivost procesa s 2-stupanjskom ekspanzijom i

2-stupanjskom kompresijom uz rekuperaciju topline (Ako se zanemari utjecaj različitih specifičnih toplina)

, , , = = ( − ) + ( − ) − ( − ) − ( − )( − ) + ( − )


Efektivna iskoristivost plinsko-turbinskoga postrojenja s 2-stupanjskom ekspanzijom i 2-stupanjskom kompresijom uz rekuperaciju topline , , = , , ,

Potrošnja goriva (B) za zadanu izlaznu električnu snagu (NE) plinsko-turbinskoga postrojenja s 2-stupanjskom ekspanzijom i 2-stupanjskom kompresijom uz rekuperaciju topline

= , , = , , ,

= , , , [kg/s]

gdje je Hd – donja toplinska vrijednost goriva [kJ/kg].


KOMBINIRANI PLINSKO-PARNI PROCES T-s dijagram kombinirana plinsko-parnog kružnog procesa

Shema kombinirana plinsko-parnog energetskoga postrojenja

Gorivo

Zrak

El. energija

K T G

KI-1

KI-2

T G

Ko

P

P

PP

ISP

ZV

Gorivo

El. energija

Izlazni plinovi1

2 3

4

5

6

11

12

13

14

15

16

3 T

s

1

2

4

5

6

11 12

13 14

15

16

wpl

wp

ΔTp

ΔTw

qdov, pl

qdov,p

qodv, pl

qodv, p


T-Q dijagram rekuperacije topline izlaznih dimnih plinova u utilizatoru

Povezivanjem plinskoga i parnog procesa, na način da se energija izlaznih plinova iz plinskoga procesa koristi kao ulazna energija u parni proces, nastaje kombinirani plinsko–parni proces s kojim se znatno povećava iskoristivost procesa na račun smanjenja osjetne topline koju dimni plinovi iznose u okolinu. Iskoristivost modernih energetskih postrojenja s kombiniranim plinsko-parnim procesom doseže preko 55 %. Dogradnjom parnoga dijela procesa znatno povećava složenost i investicijski trošak postrojenja. Tako u ukupnoj investiciji parni dio procesa učestvuje s približno 65%, dok u ukupnoj snazi tek s oko 35%. Da bi se povećala pogonska fleksibilnost i snaga parnoga dijela procesa, u sustav se može uključiti dodatno izgaranje u struji dimnih plinova, čime se povećava temperatura dimnih plinova prije ulaza u utilizator (u T-s dijagramu od stanja 4 do 5) i ukupni kapacitet sustava. Da bi se dodatno povećala iskoristivost kombiniranih procesa, kod velikih modernih postrojenja ugrađuju se 2-tlačni ili 3-tlačni utilizatori.

ΔTp

Toplina iskorištena za proizvodnju vodene pare u utilizatoru, Q

ΔTw

ΔTmin

Dimni plinovi

13

12

14

15

5

6

T


Shema kombinirane plinsko-parne elektrane s 2-tlačnim utilizatorom

T-Q dijagram 2-tlačna utilizatora

NTZV

NTI

NTPPVTZV

VTI

VTPP Dimni plinovi

T

Toplina iskorištena za proizvodnju vodene pare u 2-tlačnome utilizatoru, Q

K T

VT NT KI

KI

G

G

Ko

VTU NTU

ONV

Izlazni plinovi

Gorivo

Gorivo

Zrak

P

P

P P

P

El. energija

El. energija

Rashladna voda

NTZV NTI VTZV VTI VTPP NTPP


Legenda: K – kompresor, T- turbina, G – generator, Ko – kondenzator, P – pumpa, VT – visokotlačna turbina, NT – niskotlačna turbina, ONV – otplinjivač napojne vode, NTZV – niskotlačni zagrijač napojne vode, NTI – niskotlačni isparivač, NTPP – niskotlačni pregrijač pare, VTZV – visokotlačni zagrijač napojne vode, VTI – visokotlačni isparivač, VTPP – visokotlačni pregrijač pare, NTU – niskotlačni utilizator, VTU – visokotlačni utilizator, KI- komora izgaranja.

Iskoristivost kombinirana plinsko-parnog procesa Toplinska iskoristivost kombinirana procesa - općenito

, = +

Toplinska iskoristivost kombinirana procesa s dodatnim

izgaranjem u struji dimnih plinova (ispred utilizatora)

, = +, + ,

Za plinski dio kombinirana procesa važi:

, = , → = , ,

Za parni dio kombinirana procesa s dodatnim izgaranjem važi:

, = , − , + , → = [ , − , + , ] ,

Uvrštenjem proizlazi toplinska iskoristivost kombinirana procesa s dodatnim izgaranjem u struji dimnih plinova

, = , , + [ , − , + , ] ,, + ,


Toplinska iskoristivost kombinirana procesa bez dodatna izgaranja u struji dimnih plinova ( , = )

, = +,

Za plinski dio kombinirana procesa važi:

, = , → = , ,

Za parni dio kombinirana procesa bez dodatna izgaranja važi:

, = , − , → = , − , ,

Uvrštenjem proizlazi toplinska iskoristivost kombinirana procesa bez dodatna izgaranja

, = , , + , − , ,,

Izvedeni izrazi odnose se na idealni proces bez nepovratnih gubitaka koji nastaju u realnome sustavu. Za ukupnu iskoristivost kombinirana plinsko-parnog postrojenja treba u obzir uzeti nepovratne gubitke koji nastaju u turbini, kompresoru, komori izgaranja, utilizatoru, generatoru te mehaničke gubitke u ležajevima.

Prof. dr. sc. Z. Prelec ENERGETSKA POSTROJENJA Poglavlje: 11 (Plinske elektrane) List: 20 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- PLINSKO-TURBINSKO KOGENERACIJSKO POSTROJENJE

Shema plinsko-turbinskoga kogeneracijskoga postrojenja

T-Q dijagram utilizatora u plinsko-turbinskome kogeneracijskom sustavu

ΔTp

Toplina iskorištena za proizvodnju vodene pare u utilizatoru, Q

ΔTw

ΔTmin

Dimni plinovi

13

12

14

15

5

8

T

6

7

Pregrijač pare Isparivač Zagrijač vode

Gorivo

Zrak

El. energija

K T G

KI-1

KI-2

T G

P

P

PP

ISP

ZV

Gorivo

El. energija

Izlazni plinovi1

2 3

4

5

812

13

14

15

RS

Trošila topline

U T

I L

I Z

A T

O R

ONV

11

6

7


Proračun rekuperacije topline u utilizatoru Ukupna toplina koju u utilizatoru predaju dimni plinovi = , , , − , = , , ( − ) [kJ/h]

gdje je: - mpl [kg/h], protočna količina dimnih plinova kroz utilizator; - cp,pl,sr [kJ/kgK], srednja specifična toplina dimnih plinova kod p=konst.; Ukupna toplina koju voda/para preuzima u utilizatoru

Uzimajući u obzir gubitke topline kroz izolaciju utilizatora (2- 4%), odnosno iskoristivost ogrjevnih površina ηop (0,96- 0,98), proizlazi: = = + + = [( − ) + ( − ) + ( − )] = [( − ) + ( − ) + ( − )] [kJ/h] gdje je: - D [kg/h], protočna količina vode /pare kroz utilizator; - hnv [kJ/kg], entalpija napojne vode na ulazu u utilizator; - h' [kJ/kg], entalpija vrele vode; - h'' [kJ/kg], entalpija suho-zasićene pare; - hpp [kJ/kg], entalpija izlazne pregrijane pare;

Dimenzioniranje ogrjevnih površina utilizatora Dimenzioniranje ogrjevnih površina utilizatora vrši se na temelju osnovne bilancne jednadžbe = , → = , = [ ]

gdje je: - Q [J/s=W], toplinska snaga promatrane ogrjevne površine; - k [W/m2K], koeficijent prolaza topline; - Δt,log [0C], srednja logaritamska razlika temperature.


GLAVNI DIJELOVI PLINSKO-TURBINSKOGA POSTROJENJA

Kompresori

Za plinsko–turbinske sustave koriste se dva glavna tipa rotacijskih kompresora:

- aksijalni - radijalni (centrifugalni).

Radijalni (centrifugalni) kompresori prikladni su za primjenu kod relativno malih protočnih količina, odnosno za plinsko-turbinske sustave manjih snaga (do 1,5 MW), dok se za veće snage koriste uglavnom više-stupanjski aksijalni kompresori. Budući da u kompresoru nastaju relativno veliki unutrašnji nepovratni gubici, pravci razvoja usmjeravaju se njihovom smanjenju. U skladu s time, glavni razvoj je usmjeren smanjenju dimenzija i broja stupnjeva kompresora, odnosno povećanju protočne količine i kompresijskoga omjera po pojedinom stupnju. Moderne izvedbe kompresora: - Izvedene su za rad u uvjetima s nad-kritičnim relativnim Mach- onim brojem (supersoničnim) u ulaznim stupnjevima; - Imaju prostorno oblikovane lopatice; - Imaju mogućnost podešavanja kuta nagiba privodnih lopatica za regulaciju protočne količine zraka. Princip rada, odnosno pretvorba energije u kompresorskom stupnju, temelji se na zakonu o održanju energije i obrtna momenta.


Princip rada kompresorskoga stupnja

- Apsolutna brzina na ulazu u rotor, c1 - Tangencijalna komponenta apsolutne brzine na ulazu u rotor, c1x

- Apsolutna brzina na izlazu iz rotora, c2

- Tangencijalna komponenta apsolutne brzine na izlazu iz rotora, c2x

- Obrtni moment koji djeluje na rotor, = ( − ) [Nm] gdje je: mzr [kg/s], protočna masa fluida (zraka) u jedinici vremena, r [m], radijus rotora na kojemu su smještene lopatice, - Snaga koja djeluje na rotor odgovara umnošku obrtna momenta τ i kutne brzine ω, odnosno: = ( − ) [W] - Radnja po jedinici mase fluida (zraka) w=P/mzr, pri čemu je u=rω, odgovara porastu entalpije radnoga fluida u promatranome stupnju kompresora, odnosno: =u( − ) = = − [ J/kg]

c1

w1

w2 c2

c2,iz

u=rΩ

c1

u

w1

α1

β1

β2

α1

β1

x

y

w2

u

c2

α2

β2

Plan brzina na ulazu u rotor

Plan brzina na izlazu iz rotora

ROTOR

STATOR

α2


Princip regulacije s ulaznim podesivim privodnim lopaticama

Za regulaciju protočne količine zraka, a time i snage plinske turbine, koriste se regulacijske (podesive) privodne lopatice. Promjenom položaja privodnih lopatica (kao na slici) mijenja se aksijalna komponenta apsolutne ulazne brzine od c1y na c1'y, pri čemu je c1y>c1'y. Budući da protočna količina zavisi o aksijalnoj komponenti brzine (u smjeru osi „y“), kod promijenjena položaja privodnih lopatica smanjuje se protočna količina fluida (zraka). Ujedno, iz plana brzina je vidljivo da se prikazanom promjenom položaja privodnih lopatica povećava obodna komponenta apsolutne brzine od c1x na c1'x, zbog čega pada obrtni moment na rotoru i snaga za pogon kompresora. Unutarnja iskoristivost kompresora suvremenih plinsko-turbinskih postrojenja većih snaga kreće se od 0,88 do 0,92.

c1y

w1 u=rΩ

β1

β2

y

ROTOR

x

c1 c1

,

w2

c2

PRIVODNE LOPATICE

w1 c1

u

c1,

w1'

c1'x

c1'y

c1x


Plinske turbine

Dinamika fluida kod turbine plinsko-turbinskoga sustava vrlo je slična onome kod kompresora uz sljedeće napomene: 1) Plinovi kroz turbinu struje u smjeru padajućega tlaka, pa gradijent

tlaka pomaže strujanju i ubrzavanju fluida, što omogućuje rad turbinskoga stupnja sa znatno većim kompresijskim omjerom u odnosu na kompresor. Tako npr., tipična plinska turbina srednje snage, s kompresijskim omjerom 16:1, može imati 18-stupanjski kompresor dok je istovremeno plinska turbina izvedena sa samo 3 do 4 stupnjeva.

2) Zbog znatno viših ulaznih temperatura radnoga fluida u plinskoj turbini, brzina zvuka, koja je proporcionalna korijenu apsolutne temperature (T1/2), u takvim uvjetima znatno je veća, pa turbine mogu učinkovito raditi u uvjetima pod-kritična (pod-zvučna) strujanja iako s velikim brzinama plinova i obodne brzine vrha lopatica. Bez obzira na tu činjenicu, današnje moderne izvedbe plinskih turina izvode se često s nadzvučnim strujanjem da bi se smanjio broj stupnjeva i dimenzije turbine.

Regulacija plinske turbine

Snaga plinsko-turbinskoga postrojenja s otvorenim kružnim procesom može se regulirati na dva osnovna načina: - Temperaturna regulacija s promjenom ulazne temperature u turbinu; Ova regulacija provodi se promjenom količine goriva, dok maseni protok zraka ostaje nepromijenjen uz konstantnu snagu kompresora. Ovakva regulacija je prihvatljiva kod manjih i kratkotrajnih promjena, a ne-ekonomična je kod većih promjena snage, budući da snaga kompresora ostaje nepromijenjena uz smanjenje snage turbine.


Princip temperaturne regulacije plinske turbine

- Kombinirana temperaturna i količinska regulacija s istovremenom promjenom količine i temperature plinova na ulazu u turbinu; Ova regulacija provodi se promjenom položaja podesivih privodnih lopatica na ulazu u kompresor, čime se mijenja protočna masa zraka uz istovremenu regulaciju količine goriva. Do cca 40% opterećenja plinske turbine, regulacija se vrši promjenom protočne količine fluida uz istovremenu promjenu količine goriva, odnosno temperature plinova na ulazu u turbinu. Daljnje smanjenje količine fluida nije moguće zbog ulaska kompresora u područje nestabilna rad (tzv. pumpanje), te je daljnje smanjenje snage moguće samo promjenom količine goriva odnosno promjenom temperature ulaznih plinova u turbinu. Unutarnja iskoristivost turbina suvremenih plinsko-turbinskih postrojenja većih snaga kreće se od 0,89 do 0,94.

T3

T2

T1

T4

T3''

T3'

T4'

T4''

100%

75%

50%

T

s


Princip rada turbinskoga stupnja

- Apsolutna brzina na ulazu u rotor turbine, C1; - Tangencijalna komponenta apsolutne ulazne brzine u rotor, C1x; - Relativna brzina na ulazu u rotor, w1; - Apsolutna brzina na izlazu iz rotora turbine, C2; - Tangencijalna komponenta apsolutne izlazne brzine iz rotora, C2x; - Relativna brzina na izlazu iz rotora, w2;

- Obrtni moment koji nastaje u rotoru, τ = [ − (− )] = ( + ) [Nm] gdje je: mpl [kg/s], protočna masa radnoga fluida u jedinici vremena, r [m], radijus rotora turbine na kojemu su smještene lopatice, - Snaga koja nastaje u rotoru odgovara umnošku obrtna momenta τ i kutne brzine ω, odnosno: = ( + ) [W] - Radnja po jedinici mase fluida w=P/mpl, pri čemu je u=rω, odgovara padu entalpije u promatranome stupnju turbine, odnosno: =u( + ) = = − [ J/kg]

Stator

Rotor

c1

w1 u

w2 c2

u

w1 c1

u

w2 c2

x

y

Plan brzina na ulazu u rotor

Plan brzina na izlazu iz rotora


Komore izgaranja U otvorenome plinskom procesu komora izgaranja ima funkciju dijela postrojenja gdje se kemijska energija goriva oslobađa i pretvara u toplinsku koja se dovodi u kružni proces. Prema konstrukcijskome obliku razlikuju se dvije glavne izvedbe komora izgaranja: - Komora izgaranja koja se ustvari sastoji iz više manjih komora smještenih po obodu ulaznoga dijela plinske turbine; - Jedinstvena komora izgaranja, vertikalno smještena na ulaznome dijelu plinske turbine. Vrste komora za izgaranje kod plinskih turbina

Legenda: A – dovod goriva, B – dovod zraka, C – uređaj za paljenje, Č – mlaznica za gorivo, D – unutarnji plašt, E – vanjsko kućište, F – otvori za sekundarni zrak, G – izlaz plinova izgaranja


Maseni omjer protoka zrak / gorivo u komori izgaranja tipične plinske turbine iznosi oko 50:1. To je omjer koji je preko tri puta veći od stehiometrijskoga, te kada bi se gorivo odjednom miješalo sa cjelokupnom zračnom strujom, ne bi se moglo održati stabilno izgaranje. Pored toga, brzina s kojom zrak napušta zadnji stupanj aksijalna kompresora iznosi oko 150 m/s, što je također prevelika za stabilno izgaranje. Stoga se na ulaznome dijelu komore izgaranja mora postaviti difuzor u kojemu se brzina zraka smanjuje na oko 25 m/s. Privod zraka unutar komore izgaranja izveden je na način da u zoni izgaranja (tzv. primarna zona) višak zraka bude oko 20% iznad stehiometrijskoga, te da se izgaranje gotovo kompletno dovrši u toj zoni uz temperaturu jezgre plamena oko 1950 0C. U sekundarnoj zoni komore dovodi se izgaranje do kompletne faze, a u posljednjoj tzv. zoni homogenizacije, miješanjem s preostalim zrakom spušta se temperatura dimnih plinova na ulaznu temperaturu u plinsku turbinu. Principijelna shema komore izgaranja

Dovod goriva

Zrak

Difuzor

Kućište

Otvori za hlađenje

Vrtložnik

Primarna zona

Sekund. zona

Zona homogemizacije


Bočni smještaj komore za izgaranje

Kružni smještaj komora za izgaranje

Komora za izgaranje

Komore za izgaranje


Utilizatori

Utilizatori su posebno konstruirani izmjenjivači topline koji imaju namjenu da što učinkovitije rekuperiraju izlaznu osjetnu toplinu dimnih plinova iz plinskih turbina, proizvodeći paru koja se može koristiti u kombiniranim plinsko-parnim ili kogeneracijskim energetskim procesima. Podjela utilizatora

1) Prema vrsti cirkulacije: - Utilizatori s prirodnom cirkulacijom vode u isparivaču, - Utilizatori s prisilnom cirkulacijom vode u isparivaču.

2) Prema smjeru strujanja dimnih plinova: - Horizontalni, - Vertikalni. 3) Prema radnome tlaku: - Jednotlačni, - Dvotlačni, - Trotlačni. 4) Prema načinu dovođenja topline:

- Bez dodatna loženja, - S dodatnim loženjem u struji dimnih plinova.


Presjek kroz tipični dvo-tlačni utilizator s dodatnim loženjem

Izgled tipična dvo-tlačna utilizatora s dodatnim loženjem


Budući je razlika temperature predajnika topline (dimnih plinova) i prijemnika topline (vode/pare) relativno mala, potrebno je ugraditi velike ogrjevne površine izmjenjivača topline. To zahtijeva vrlo pažljiv pristup pri proračunu i projektiranju kako bi se postigla optimalna izvedba. Cijevne ogrjevne površine su najčešće s rebrastim ili igličastim izvedbama radi povećanja efektivne površine u raspoloživom prostoru. Tipična ulazna brzina dimnih plinova je oko 15-20 m/s, a sniženjem temperature ona se na izlaznome dijelu smanjuje na oko 6-10 m/s. Koeficijent prijelaza topline na vodenoj strani zagrijača vode (ekonomajzera) je 3500-6800 W/m2K, što je oko 50-100 puta više od koeficijenta prijelaza topline na dimnoj strani. Isparivačke cijevi imaju na vodenoj strani vrlo velik koeficijent prijelaza topline (14000 do 57000 W/m2K), ovisno prvenstveno o radnome tlaku. Pregrijačke cijevi imaju na unutrašnjoj (parnoj) strani koeficijent prijelaza topline 230-4500 W/m2K, što opet najviše ovisi o radnome tlaku. Te su veličine cca 4-8 puta veće od koeficijenta izmjene topline na dimnoj strani.


Shema plinsko-turbinskoga jedno-tlačnog utilizacijskoga sustava s dodatnim loženjem i prirodnom cirkulacijom vode

Presjek plinsko-turbinskoga jedno-tlačnog utilizacijskoga sustava s dodatnim loženjem i prirodnom cirkulacijom vode

Legenda: 1-zagrijač vode, 2-parni bubanj, 3-ložište za dodatno izgaranje, 4-isparivač, 5-pregrijač pare, 6-kompresor, 7-plinska turbina, 8-dimni kanal, 9-dovod dodatnoga goriva, 10-plamenici za dodatno gorivo


Shema plinsko-turbinskoga jedno-tlačnog utilizacijskoga sustava bez dodatna loženja, s prisilnom cirkulacijom vode

Presjek plinsko-turbinskoga jedno-tlačnog utilizacijskoga sustava bez dodatna loženja, s prisilnom cirkulacijom vode

Legenda: 1-ulaz napojne vode, 2-zagrijač vode (ekonomajzer), 3-parni bubanj, 4-isparivač, 5-cirkulacijska pumpa, 6-pregrijač pare, 7-cijevna ovješenja, 8-sigurnosni ventili, 9-kompresor, 10-plinska turbina, 11-dimni kanal, 12-dimne zaporne klapne, 13-obilazni izlaz dimnih plinova (by-pass), 14-dimne zaporne klapne, 15-slijepa prirubnica.


Shema plinsko-turbinskoga dvo-tlačnog utilizacijskoga sustava bez dodatna loženja, s prisilnom cirkulacijom vode

Shema plinsko-turbinskoga dvo-tlačnog utilizacijskoga sustava bez dodatna loženja, s prisilnom cirkulacijom vode

Legenda: 1-NT ulaz napojne vode, 2-NT zagrijač vode (ekonomajzer), 3-NT parni bubanj, 4-NT cirkulacijske pumpe, 5-NT isparivač, 6-NT pregrijač pare, 7-VT napojne pumpe, 8-VT zagrijač vode, 9-VT bubanj, 10-VT cirkulacijske pumpe, 11-VT isparivač, 12-VT pregrijač pare, 14-plinska turbina.

Documents

11 Energetska postrojenja - plinske elektraneold.riteh.hr/zav_katd_sluz/zvd_teh_term_energ/katedra4/energetska... · Prof. dr. sc. Z. Prelec ENERGETSKA POSTROJENJA Poglavlje: 11 (Plinske