1

UNIVERZITET U TUZLI MAŠINSKI FAKULTET ENERGETSKO MAŠINSTVO

Adil Bašić

DIPLOMSKI RAD TEMA: Analiza rada parnih turbina u kondenzacionom i

toplifikacionom režimu

U Tuzli, decembar 2007.godine

2

Ø Mentor rada:dr.sci. Sead Delalić, van.prof.

Ø Rad ima stranica

Ø Redni broj diplomskog rada ________

3

Zahvaljujem se mentoru dr. sci.Seadu Delaliću, van.prof. na nesebično pruženoj pomoći, kako u toku studija, tako i pri izradi diplomskog rada. Također se zahvaljujem i mr. Indiri Buljubašić na svesrdnoj pomoći i korisnim savjetima prilikom izrade diplomskog rada.

4

Sadržaj:

Rezime...........................................................................................................................2 Summary.......................................................................................................................3 1. UVOD.........................................................................................................................4 1.1. Princip rada............................................................................................................5 1.2. Podjela....................................................................................................................8 1.3. Stepen korisnosti...................................................................................................8 1.4. Regulacija broja obrtaja........................................................................................8 1.5. Kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije..................................9 1.6. Perspektiva.............................................................................................................9 2. PODJELA TERMOELEKTRANA I NJIHOVA REKONSTRUKCIJA.........................9 2.1. Kondenzacijske termoelektrane (KE)..................................................................12 2.2. Toplifikacijske elektrane (TE)...............................................................................13 2.3. Rekonstrukcija kondenzacioni termoelektrana za potrebe toplifikacije..........15 3. KLASIFIKACIJA PARNIH TURBINA........................................................................18 3.1. Jednostepena akciona turbina............................................................................21 3.1.1. Akciona turbina sa stupnjevanjem brzine.............................................................22 3.1.2. Akciona turbina sa stupnjevanjem tlaka...............................................................24 3.2. Jednostepena reakciona turbina........................................................................26 3.2.1. Usporedba reakcione turbine i akcione turbine....................................................29 3.3. Mješovite izvedbe................................................................................................30 3.4. Radijalne parne turbine.......................................................................................30 3.5. Kondenzacijske parne turbine............................................................................31 3.6. Protutlačne parne turbine...................................................................................33 3.7. Turbine sa reguliranim oduzimanjem pare.......................................................34 3.8. Turbine s neregularnim oduzimanjem pare.......................................................35 3.9. Turbine s međupregrijanjem...............................................................................36 3.10. Gubici energije pare u turbini...........................................................................36 4. ANALIZA STEPENA KORISNOSTI CILINDRA NISKOG PRITISKA PRI KONDENZACIONOM I TOPLIFIKACIONOM REŽIMU RADA....................................38 4.1. Termoenegretsko postrojenje bloka 100MW.....................................................38 4.1.1. Rekonstrukcija kondenzacione turbine snage 100MW......................................43 4.2. Tehnoekonomski pokazatelji iskorištenja cilindra niskog pritiska (CNP)......45 5. ZAKLJUČAK.............................................................................................................53 6. POPIS SLIKA............................................................................................................54 7. LITERATURA............................................................................................................55

5

REZIME

Eksploatacija termoenergetskih postrojenja zahtijeva velika finansijska sredstva, čije racionalno i efikasno korištenje ima značajan uticaj na ekonomiju šire društvene zajdnice. Kod dijela već razrađenih termoenergetskih ciklusa postoji mogućnost usavršavanja karakteristika termoenergetskih postrojenja putem integracije agregata, primjenjujući svrsishodnije parametre radnog procesa, racijonalnije materijale i konstruktivna poboljšanja. U termoelektranama sa kondenzacijskim parnim turbinama općenito se od 34 % do 44% topline sadržane u gorivu pretvara u električnu energiju.

Gubici pretvorbe energije koji pri tome iznose 56% do 66% se mogu smanjiti za 20%do 44% ako se termoelektrana rekonstruira za mogućnost kombinirane proizvodnje toplinske i električne energije na bazi tzv. spoljnjeg procesa, dok se primjenom proizvodnje bloka sa toplotnom pumpom postiže gotovo dvostruko povećanje stepena korisnosti, odnosno iskorištenja primarne energije goriva. Prednosti ovakvih termoelektrana sastoje se u mogućnosti koncentracije proizvodnje velikih količina električne energije na izvorima fosilnih goriva, uz jednoznačan tehnološki ciklus i uz veliku snagu pojedinih pogonskih jedinica koji dostižu 600 MW, pa i 900 MW. Osnovni nedostatak kondenzacione termoelektrane je relativno nizak stepen iskorištenja toplote. Oko 40% toplote predate turbini gubi se obično u kondenzatoru, a sve to utiče na termički stepen korisnosti ciklusa termoelektrane. Iz razloga povećanja stepena iskorištenja kao i povećanja pouzdanosti ovih sistema vrši se modeliranje i praćenje performansi parnih turbina kako bi se na taj način odgovarajući nedostaci sveli na što manju moguću mjeru.

Usavršavanjem već instalisanih termoenergetskih postrojenja u pravcu povećanja njihove ekonomićnosti, manevarskih sposobnosti i pouzdanosti ostaje važan zadatak tehničkog progresa u oblasti termoenergetike za naredni period.

6

SUMMERY

Exploitation of the thermo – energetic enterprises requires huge financial means, which rational and effective use has an important influence to the economy of the wider social community. Part of the already developed thermo­energetic cycles has possibility to improve characteristics of the thermo­energetic enterprises through integration of aggregates, by applying more useful parameters of the working process, more rational materials and constructive improvements. In the thermal stations with condensation steam turbines generally 34% to 44% of the heat from the fuel transforms into energy.

Losses from the transformation of energy in that case are 56% to 66% and can be reduced by 20% to 44% if the thermal station is reconstructed for the purpose of producing thermal and electrical energy based on so called outside process, while production of the block with thermal pump can provide achievement of almost double increase of degree of usefulness, means use of the primary energy of the fuel. Advantages of such thermal stations are for providing possibility for concentration of production of enormous quantities of electrical energy on the sources of fossil fuels, with an important technological cycle and with enormous power of the separate power units that can achieve 600 MW, and up 900 MW. Main lack of the condensation thermal station is relatively low degree of exploration of the heat. Around 40% of the heat going into turbine is usually lost in the condenser, and all that influence the thermal degree of the usefulness of the thermal station cycle. To increase the degree of usefulness and to increase reliability of those systems one does modulation and follow up of the performances of steam turbine to reduce possible lack to minimal possible degree.

Improvement of already existing thermal – energetic enterprises through increase of their rationalization, manipulation abilities and reliability remains an important task of the technical progress in the sphere of thermal­ energetic in the following period.

7

1. UVOD

Turbomašine su energetske mašine koje imaju rotaciono radno kolo u čijem radnom prostoru se vrši transformacija jednog oblika energije u drugi. Ako se u lopatičnom radnom kolu strujna energija radnog fluida (pare), transformiše u mehaničku energiju radnog kola, tj. ako se obrtanje radnog kola ostvaruje na račun strujne energije pare, onda takve turbomašine zovemo parne turbine. S obzirom da se mehanička energija dobivena u turbinama (obrtanje radnog kola), koristi za pokretanje drugih mašina, tj. vršenje rada, hidraulične turbine se zovu još i hidraulični motori. Parne turbine se najčešće koriste za pogon generatora u termoelektranama, a u posljednje vrijeme sa pojavom energetske krize sve više dobijaju na značaju.

U parnoj turbini proces započinje dovođenjem vode u pumpu, koja je sabija i diže njen pritisak na željeniu vrijednost. Zatim se dovodi toplota tako da voda u cijevima postrojenja počinje da ključa, i najzad potpuno isparava, čime se dobija suhozasićena para. Ako se nakon toga para još zagrjava, kaže se da turbina radi sa pregrijanom parom. Para se zatim uvodi u turbinu i tu predaje dio svoje energije rotoru turbine, pri čemu joj pada pritisak i širi se. Način na koji ona predaje energiju rotoru će biti objašnjen kasnije, ali za sad je dovoljno dati primjer vezan za klipne motore: sa jedne strane cilindra imamo zatvoren, zagrijan gas pod visokim pritiskom (produkti sagorevanja), dok je sa druge strane klipa normalan, atmosferski pritisak. Gas pod visokim pritiskom gura klip pri čemu se povećava zapremina u kojoj je on zarobljen, i time se gas širi i hladi. Klip je povezan sa klipnjačom, ova opet sa koljenastim vratilom.. i tako sve do točkova, čije okretanje stavlja vozilo u pokret. Znači u ovom slučaju gas u cilindru, preko klipa motora daje koristan rad koji se suprotstavlja otporu kretanja vozila.

Mokra para

Kotao

Turbina

Pregrijač pare

Pumpa

Kondenzator

Rashladna voda

Vrela kapljevina

Pregrijana para

∼ ∼ ∼ Generator

1

1

2

3

3

4 2

Slika 1.1 Šematski prikaz termoelektrane

8

Tako para koja je obavila rad izlazi iz turbine raširena i ohlađena (i već djelimično kondenzovana), i sada je potrebno dodatno je ohladiti kako bi se vratila u početno stanje i kružni proces mogao krenuti iznova.

Dakle, potreban je ranije spomenuti toplotni ponor, da preuzme ovaj višak energije. U praksi to će najčešće biti okolina, pogotovo za velika postrojenja. Koristeći okolni vazduh ili vodu iz rijeke hladimo paru sa izlaska iz turbine dok se potpuno ne kondenzuje. Zatim voda može ponovo otići u pumpu. To znači da para na izlasku iz turbine mora biti nešto više temperature od okoline, da bi mogla biti hlađena tjelima uzetim iz okoline. Ovo direktno određuje veličinu odvedene, "neophodno bačene" toplote. Dio postrojenja gdje se radno tjelo hladi i kondenzuje uz pomoć rashladne vode naziva se kondenzator.U kondenzatoru vlada pritisak dosta ispod atmosferskog, da bi se kondenzovanje pare moglo odvijati na temperaturama jedva nešto višim od okolne.

Turbine spadaju u protočne mašine koje kontinualno daju rad, za razliku od klipnih motora koji daju rad u "naletima". Radni fluid kod parnih turbina (PT) prima toplotu od spoljneg izvora za razliku od, recimo, dizel i benzinskih motora, gdje se toplota dovodi iznutra ­ sagorjevanjem goriva u samom radnom tjelu (vazduhu), tako da PT nije motor sa unutrašnjim sagorjevanjem. Takođe parna turbina ima (najčešće) zatvoren ciklus, gdje se radno tjelo iznova vraća u proces po njegovom završetku. Bitno je napomenuti da se pod parom ne misli na vodenu paru i ako je ona najviše u primjeni zbog praktičnih razloga dostupnosti i cjene. Parne turbine rade sa živinim parama, sa parama freona i drugih rashladnih tečnosti. Teoretski gledano, ciklus se može ostvariti sa parom bilo koje supstance ako bi on bio u granici temperatura izvora i ponora. Ipak, velike industrijske i energetske mašine su projektovane i građene isključivo za rad sa vodom i vodenom parom iz praktičnih razloga.

1.1. Princip rada

Već je napomenuto da se para u turbini prerađuje u jednom ili više koraka i pri tome se u svakom koraku iskoristi jedan dio njene energije. Ovo se obavlja u stupnjevima turbine.

Slika 1.2 Lopatice turbine

9

Stupanj turbine čine nepokretna rešetka pretkola, pričvršćena za kućište i pokretna rešetka radnog kola, spojena sa vratilom. Pod rešetkom se podrazumjeva veći broj identičnih aeroprofila postavljenih na istom međusobnom odstojanju. Kod turbomašina se misli na kružne rešetke, gdje su lopatice (aeroprofilna tjela) postavljene osnosimetrično. Lopatice radnog kola zajedno sa vratilom čine rotor koji se oslanja na ležišta.

Slika 1.3 Pritisak koji djeluje na lopatice turbine

Para pod visokim pritiskom nailazi prvo na nepokretne lopatice pretkola. One skreću struju pare i usmeravaju je pod određenim uglom. Pri tome se kanali između lopatica sužavaju i time se vrši ubrzavanje struje. Tako je para skrenuta i primjetno ubrzana. Ukupna energija pare ostaje ista, ali se njena kinetička energija povećala na račun energije usljed pritiska i temperature. Tako je para sada raširena, na nižem pritisku i temperaturi nego prije početka procesa. Ovako ubrzana para sada struji preko pokretnih lopatica radnog kola koje je samo skreću. Ova promjena smjera strujanja pare dovodi do stvaranja sile koja gura lopatice suprotno od pravca promjene brzine pare, a pošto se one mogu slobodno okretati sa vratilom, to uzrokuje obrtanje rotora. Para sada izlazi sa istim pritiskom i temperaturom kao i prije radnog kola, ali sa smanjenom brzinom, što znači da je jedan dio energije predat rotoru kao mehanički rad. Zatim para odlazi u naredni stupanj gdje se proces odvija iz početka, i tako sve do posljednjeg stupnja i ulaska u kondenzator.

10

Slika 1.4 Akcioni stupanj

Prethodno opisan proces se odnosi na akcioni stupanj. Reakcioni stupanj je onaj kod kog se para u radnom kolu ne samo skreće, nego i dodatno ubrzava.

Slika 1.5 Reakcioni stupanj

Svaki od ove dvije vrste stupnjeva ima svoje mane i prednosti. Akcioni stupnjevi mogu preraditi veću količinu energije pri dobrom stepenu korisnosti, ali se mora pribjegavati specijalnim konstrukcijskim rješenjima da bi se smanjio neželjeni prolazak pare kroz zazore između pokretnih i nepokretnih djelova, što ga čini i skupljim. Reakcioni stupanj je jednostavniji za izradu ali daje manju količinu rada, pa reakciona turbina mora imati veći broj stupnjeva. Svrha postojanja više stupnjeva je u sljedećem: stupanj se može izraditi da ubrzava paru do enormnih brzina i da jedan stupanj prerađuje ogromnu količinu energije; međutim, gubici usljed trenja pri ovako velikim

11

brzinama bi bili jako veliki ­ toliki da bi stupanj radio sa izuzetno niskim stepenom korisnosti.

1.2. Podjela

Po načinu strujanja turbine se djele na aksijalne i radijalne, prema smjeru strujanja pare u odnosu na osu obrtanja rotora. Kod radijalnih turbina para struji upravno na osu obrtanja. Sve što je već rečeno se odnosi i na ovaj tip turbine osim što ovdje centrifugalna sila igra ulogu i u pojednostavljenom procesu. Samo manje mašine se izvode kao radijalne, dok su velike, energetske, isključivo aksijalnog tipa. Prema broju stupnjeva, turbomašine se djele na jednostupne i višestupne. Turbine velikih snaga imaju oko 30 stupnjeva.

Kod većih snaga, turbine se grade sa većim brojem oklopa, tako da kod velikih mašina imamo turbinu niskog pritiska, srednjeg pritiska i niskog pritiska sa sopstvenim kućištima i otvorima za zajedničko vratilo. Najveće turbine se grade sa dva vratila i zasebnim generatorima.

Parne turbine, osim što mogu biti kondenzacione (o kakvim smo već govorili), gdje para odlazi u kondenzator, mogu biti i protivpritisne. Kod protivpritisnih turbina para na izlasku iz turbine ima dosta višu temperaturu od okoline i koristi se za industrijske procese i grijanje sanitarne vode.

1.3. Stepen korisnosti

Stepen korisnosti toplotnih motora pretstavlja odnos dobijenog rada i uložene toplote po jednom ciklusu. Kod konvencionalnih postrojenja on se kreće u rasponu 0.3 ­ 0.4. Povećanje stepena korisnosti nam pruža mogućnost većeg iskorištenja polazne energije. Stepen korisnosti se može povećavati dovođenjem toplote pri višim temperaturama i pritiscima, što je uslovljeno razvojem novih konstrukcionih materijala. Isto tako, povišenje stepena korisnosti se postiže oduzimanjem jednog djela pare iz turbine za potrebe zagrijavanja vode pred ulazak u kotao, u šta se ovdje neće dublje ulaziti. Kod konvencijalnih blokova velike snage para na ulazu u turbinu je temperature oko 500 ­ 550 stepena celzijusa, sa pritiskom od oko 180 bara.

1.4. Regulacija broja obrtaja

Regulacija broja obrtaja je ključna kod turbina uopšte. Kod puštanja turbine u pogon, nagla promjena broja obrtaja može biti fatalna i uzrokovati trajna oštećenja. Pri naglom smanjenju opterećenja bez učešća regulacije dolazi do naglog povećavanja broja obrtaja, sve do razaranja rotora.

Turbine korištene u energetici su direktno povezane sa generatorima električne energije, što znači da moraju imati tačan broj obrtaja od 50Hz (3000 obrt/min) i moraju biti sinhronizovane sa električnom mrežom. Ovo se odnosi na turbine sa dvopolnim

12

generatorima. Turbine najvećih snaga imaju četvoropolne generatore i moraju se obrtati sa učestalosti od 25Hz.

1.5. Kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije

Parne turbine se u energetici često koriste i za proizvodnju toplote, na primer za daljinsko grijanje. Ovo se radi zbog toga što ovakvo postrojenje ima veći ukupan stepen korisnosti proizvodnje toplote i el. energije nego kod slučaja odvojene proizvodnje. Već smo spomenuli protivpritisne turbine kod kojih se sva para uzima iz turbine pri višim temperaturama i koristi se za grijanje i industrijske procese. Često i kondenzaciona postrojenja imaju oduzimanje jednog djela pare za potrebe grijanja prije izlaska iz turbine.

1.6. Perspektiva

Iako parna turbina predstavlja relativno zastario koncept mehaničke naprave i pri ne tako futurističkim razmatranjima, ona neće biti skoro potisnuta iz energetike. Mnogi napredniji principi dobijanja el. energije imaju ipak niži stepen korisnosti i dosta veću cjenu. Čak i kada bude potisnuta u drugi plan, parna turbina će se primjenjivati za iskorištenje otpadne toplote budućih postrojenja. Ovo se odnosi prevashodno na gorive ćelije koje se smatraju izvorom energije budućnosti. Za sada, korištenjem boljih procesa i razvojem novih tipova nuklearnih reaktora parne turbine ostaju na vodećoj poziciji.

Takođe je sve češća njihova upotreba u okviru kombinovanog postrojenja parne i gasne turbine, gdje se izduhni gasovi iz gasne turbine, koji su visoke temperature, koriste za zagrijavanje radnog tjela u parnom postrojenju. Ovakvo postrojenje ima stepen korisnosti oko 0.6 i predstavlja toplotni motor sa najvećim stepenom korisnosti.

2. PODJELA TERMOELEKTRANA I NJIHOVA REKONSTRUKCIJA

Termoelektranama se nazivaju postrojenja u kojima se toplina pretvara u mehanicku energiju, a ova u elektricnu, bez obzira na to da li se koristi toplina dobivena izgaranjem fosilnih i drugih goriva, toplina geotermickih izvora ili toplina dobivena nuklearnom fisijom.

Termoelektrane mogu se podijeliti: ­ prema vrsti pogonskih strojeva, ­ prema nacinu korištenja pare, ­ prema upotrijebljenom gorivu i ­ prema nacinu hladenja kondenzatora.

Prema vrsti upotrijebljenih strojeva, razlikujemo: 1. Parne termoelektrane u kojima gorivo izgara u parnim kotlovima, a pogonski je stroj parna turbina;

13

2.Termoelektrane s plinskim turbinama u kojima je pogonski stroj plinska turbina; 3. Dizelske termoelektrane s dizelskim motorom kao pogonskim strojem; 4. Nuklearne termoelektrane u kojima nuklearni reaktor (s izmjenjivacem topline ili bez njega preuzima ulogu parnog kotla, a pogonski je stroj takoder parna turbina; 5. Geotermicke termoelektrane u njima se para iz zemlje neposredno ili posredno (preko izmjenjivaca topline) upotrebljava za pogon parne turbine.

Prema nacinu korištenja pare, termoelektrane u kojima se kao pogonski stroj upotrebljavaju parne turbine, možemo podijeliti na: 1. Kondenzacijske termoelektrane za proizvodnju samo elektricne energije i 2. Toplane i industrijske termoelektrane za kombiniranu proizvodnju elektricne energije i pare koja se upotrebljava za tehnološke procese i grijanje (kombinirana proizvodnja el. energije i pare može se ostvariti i s plinskim turbinama).

Što se vrste goriva tice: ­ u parnim TE mogu se koristiti cvrsta, tekuca i plinovita goriva, ­ u TE s plinskim turbinama tekuca i plinovita, ­ u dizelskim TE samo tekuca goriva.

S obzirom na hladenje (u kondenzatoru parne turbine, u hladionicima postrojenja s plinskim turbinama i dizelskim motorima) razlikuju se: ­ TE s protocnim hladenjem i ­ TE s povratnim hladenjem

Svi glavni dijelovi parne termoelektrane smješteni su u glavnoj pogonskoj zgradi: 1. Bunkeri ugljena, 2. Kotlovi, turboagregati, 3. Priprema vode (zagrijaci, isparivaci, otplinjaci rezervoari pojne vode) i pumpe za napajanje, 4. Rasklopno postrojenje vlastitog potroška i 5. Toplinska i elektricna komanda.

U neposrednoj blizini glavne pogonske zgrade smješteni su 1. Uredaji za transport goriva i pepela i 2. Deponij pepela.

Nacin istovara i transporta, te izvedba uredaja ovisni su: ­ o vrsti goriva, ­ o nacinu dopreme goriva i ­ o svojstvima goriva

U postrojenja termoelektrane spadaju i ­ postrojenja za dobavu vode (pumpne stanice), te ­ dovod i odvod vode.

14

Ako je predvideno povratno hladenje, uz glavnu pogonsku zgradu smješteni su hladnjaci (tornjevi za hladenje).

Rasklopno postrojenje može se smjestiti: 1. U glavnu pogonsku zgradu ako se radi o TE manje snage iz koje se energija može razvesti vodovima napona do 35 kV, 2. Na otvorenom, obicno tik uz glavnu pogonsku zgradu ako je za prijenos potreban napon110 kV ili viši.

Uz glavnu pogonsku zgradu postoje takoder: ­ radionice za održavanje i sitnije popravke, ­ upravna zgrada.

U parnoj termoelektrani ista se voda isparava u kotlu, nakon ekspanzije u turbini kondenzira u kondenzatoru i vraca u kotao gdje se ponovo ispari voda, dakle, prolazi kroz zatvoreni proces

Slika 2.1 Termoelektrana na ugalj

Proces se može smatrati zatvorenim i kada se kondenzirana voda ne vraca u kotao, ili se ne vraca sva, jer se izgubljena voda ohladuje na temperaturu okoline, a tu istu temperaturu ima i voda kojom se nadoknaduje gubitak.

15

2.1. Kondenzacijske termoelektrane (KE)

Principijelna toplinska shema kondenzacijske termoelektrane (KE) prikazana je na sl. 2.2.

Slika 2.2 Principijalna toplinska shema kondenzacijske termoelektrane (a) i prikaz procesa ekspanzije pare u turbini u h­s dijagramu (b):

16

1­ generator pare GP; 2­ pregrijač pare; 3­ turbina; 4­ kondenzator; 5­ regenarativni zagrijači niskog tlaka; 6­ spremnik napojne vode s deaeratorom; 7­ regenarativni zagrijači visokog tlaka; 8­pumpa kondenzata; 9­ drenažna pumpa; 10­ pumpa napojne vode; 11­ električni generator; Dk,D1, ..., Dn ­ protoci pare u kondenzator i na oduzimanjima; p0, p1, p2, ..., pn, pk – tlakovi svježe pare, na oduzimanjima i kondenzatoru; ho, h1, h2, ..., hn, h ­ entalpije svježe pare, na oduzimanjima i kondenzatoru; hn.v , h'k­ entalpija napojne vode i kondenzata iza kondenzatora

Para iz generatora pare 1 odlazi u parnu turbinu 3 i nakon obavljenog korisnog mehaničkog rada u parnoj turbini odlazi u kondenzator 4, gdje u potpunosti kondenzira predajući toplinu kondenzacije rashladnoj vodi. Para se iz protočnog dijela turbine oduzima na različitim mjestima za potrebe regenerativnog zagrijavanja osnovnog turbinskog kondenzata u zagrijačima niskog tlaka 5 (ZNT), kao i za zagrijavanje napojne vode prije ulaska u generator pare u zagrijačima visokog tlaka 7 (ZVT). Na taj način para kondenzirajući predaje svoju toplinu kondenzacije osnovnom kondenzatu i napojnoj vodi, a nastali kondenzat se vraća u osnovni turbinski ciklus kondenzata ili napojne vode.

Regenerativno zagrijavanje napojne vode dovodi do bitnog povećanja toplinske ekonomičnosti (tj. termodinamičke iskoristivosti) termoelektrane. Na sl. 2.2 prikazana je principijelna toplinska shema KE s jednim međupregrijanjem pare. Para, nakon što je ekspandirala kroz kućište visokog tlaka (KVT) i obavila korisni mehanički rad, odlazi na međupregrijanje u međupregrijač pare (MP) smješten u generatoru pare, gdje se ponovno pregrijava na početnu temperaturu pomoću topline dimnih plinova. Potom para ekspandira kroz kućište srednjeg tlaka (KST) i kućište niskog tlaka (KNT) do konačnog tlaka u kondenzatoru obavljajući pri tome korisni mehanički rad.

Međupregrijanje pare povisuje termodinamičku iskoristivost termoelektrane, kao i unutarnju iskoristivost turbine pošto lopatice zadnjih stupnjeva u KNT rade u uvjetima smanjene vlažnosti pare (niži gubici zbog vlažne pare, a smanjena je i erozija površine lopatica).

2.2. Toplifikacijske elektrane (TE)

Toplifikacijske elektrane (TE), kao što je ranije rečeno, su elektrane u kojima se ostvaruje istovremena, spojna (kogeneracijska) proizvodnja električne i toplinske energije: para se nakon ekspanzije u turbini (obavljenog korisnog rada) oduzima kod potrebnih parametara na reguliranom oduzimanju ili iza protutlačne turbine i odvodi vanjskim potrošačima gdje predaje ostatak svoje toplinske energije. Kod takvog ciklusa proizvodnja električne energije na toplifikacijskom toku pare odvija se bez gubitaka topline u kondenzatoru ili se ti gubici svode na minimum. To dovodi do povećanja ekonomičnosti na potrošnji goriva, što je osnovna prednost toplifikacije.

17

a)

b)

Slika 2.3 a) Principijalna shema toplifikacijske elektrane s međupregrijanjem; b) proces ekspanzije pare u turbini u h­s dijagram

18

MP­ međupregrijač pare; p′mp , pm′′p , hm′ p , hm′′p ­ tlak i entalpija pare prije i nakon međupregrijanja; ZVV1, ZVV2 ­ zagrijači mrežne vode vrelovoda; ostale oznake iste su kao na sl. 2.2

2.3. Rekonstrukcija kondenzacionih termoelektrana za potrebe toplifikacije

Jedan način (sl. 2.4a) je da se kondenzator turbine zamijeni sa tzv. Grijućim kondenzatorom i poveća izlazni pritisak turbine uklanjanjem zadnjih stepeni ili cijelog niskog pritiska. U grijućem kondenzatoru se grije mrežna voda za potrebe toplifikacije. Ovime je obezbijeđen direktni protutlačni način rada turbine, koji rezultira sa značajnim gubitkom proizvodnje električne energije. Međutim ovakvim načinom rekonstrukcije postiže se najveća efikasnost rada turbinskog postrojenja, jer gubitak izlazne topline je znatno smanjen pa se čak potpuno eliminiše (kod kondenzacionih turbinskih postrojenja ogroman gubitak topline sadržan je u ispušnoj pari, koji se odvodi rashladnom vodom u kondenzatoru). U protlačnim turbinskim postrojenjima proizvedena električna energija ovisi o potrebnoj količini toplinske energije. Rekonstrukcija sa ugradnjom grijućeg kondenzatora je primjenjiva ako postoji potreba za mrežnom vodom tokom cijele godine. Ovakav način rekonstrukcije se rijetko primjenjuje , najčešće za turbine manjih snaga.

Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer a)

19

Drugi način rekonstrukcije (sl. 2.4b) je da se u prestrujnoj cijevi iz srednjeg u niski pritisak ugradi priključak za oduzimanje pare za toplifikacione potrebe. Za regulaciju pritiska oduzimne pare ugradi se iza oduzimanja u prestrujni cjevovod regulirajuća klapna – ventil. Ovakav način rekonstrukcije omogućava visok stepen radne fleksibilnosti, što je veoma poželjno, jer toplinsko opterećenje znatno varira tokom godine.

Kod ovakvog načina rekonstrukcije toplinsko opterećenje i proizvodnja električne energije moraju biti unutar dozvoljenog područja rada. Regulaciona klapna u prestrujnom cjevovodu ispred ulaza u niski pritisak turbine se pomoću servomotora zatvara kada treba više pare za potrebe toplifikacije i obratno. Blokada od potpunog zatvaranja klapne obezbijeđuje određeni minimum protoka pare potrebne za hlađenje niskog pritiska turbine. Minimalni protok pare za hlađenje zadnjeg stepena turbine obično iznosi 10% od računskog protoka pare kroz NT dio.

Pri određivanju količine oduzimanja i količine minimalnog protoka pare kroz NT dio rekonstruisane turbine potrebno je voditi računa da zbog smanjenja protoka pare ne dođe do vrtložnog i natražnog strujanja vlažne pare koja može uzrokovati eroziju izlaznih bridova rotorskih lopatica zadnjeg stepena turbine. Također, većim smanjenjem prostornog protoka pare značajno se povećavaju dinamička naprezanja zadnjeg stepena što može smanjiti pouzdanost rada turbine. U ljetnim mjesecima kada nema grijanja i ukoliko nema potrebe za pripremom tople vode može se zatvoriti oduzimanje pare i regulaciona klapna se potpuno otvoriti pa će turbina raditi kao kondenzaciona.

Kod kondenzacijskih turbina sa jednim ili dva regulisana oduzimanja pare za toplinske potrebe izlazni gubitak je direktno proporcionalan protoku pare kroz NT dio turbine. U ovakvim postrojenjima se može dobiti potrebna količina toplinske energije jedne ili dvije energetske razine i željena količina električne eneregije.

Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer b)

20

Treći mogući način rekonstrukcije je isti kao i drugi samo da nema ugrađene regulacione klapne u prestrujnoj cijevi ispred niskog pritiska. Na ovaj način se ne može smanjiti protok pare u niski pritisak turbine pri većem toplotnom opterećenju. Z bog toga se može oduzeti samo ograničena količina pare bez značajnijih poremećaja projektnih parametara pare u turbini. Ovakva rekonstrukcija se u principu vrlo malo koristi i to samo u slučaju kada iz bilo kojeg razloga nije moguće ugraditi regulacionu klapnu. Slična rekonstrukcija u principu se može izvesti oduzimanjem pare iz visokog pritiska na cjevovodu prije međupregrijanja pare. Međutim, tada je gubitak proizvodnje električne energije znatno veći, jer se gubi mogući dio električne energije iz ST i NT dijela turbine.

Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer c)

Četvrti mogući način rekonstrukcije (sl 2.4c) predtpostavlja da se umjesto prvih dijafragmi sa statorskim lopaticama lijevog i desnog toka pare niskog pritiska turbine ugradi regulirajuća zakretna dijafragma. Pomoću zakretne dijafragme pokretane servomotorom reguliše se slično kao i sa regulacionom klapnom protok pare kroz NT dio turbine, u zavisnosti od toplotnog opterećenja. I ovaj način rekonstrukcije omogućava također kao i kod ugradnje regulacione klapne, veliku elastičnost u radu. Rekonstrukcijom kondenzacijske turbine nastaje gubitak mogućnosti proizvodnje električne energije, jer se javlja proizvodnja toplinske snage. Taj gubitak se može odrediti pomoću slijedećeg izraza:

ΔP = PK­PT = God (hod­hk) ηel (2.1)

21

gdje je:

PK, PT (kW) – električna snaga kondenzacijskog i toplifikacijskog turboagregata God (kg/s) – količina oduzete pare za toplifikaciju Hod, hk (kJ/kg) – entalpija oduzete pare i entalpija pare na ulazu u kondenzator pri

nultom oduzimanju ηel – električni stepen korisnosti turboagregata

S druge strane ušteda energije izvedenom rekonstrukcijom za KO proizvodnju uzimajući u obzir smanjenje proizvedene električne energije može se dobiti u procentima pomoću izraza :

ΔE = 100 Q

q P 1 T

e

∆ −

K η (2.2)

gdje je : e q (kJ/kWs) – specifična potrošnja toplote

T Q (kJ/s) ­ toplina oduzimne pare

K η (%) ­ stepen korisnosti kotla

Analizom gore navedenih izraza (2.1) i (2.2) može se zaključiti da je gubitak električne energije za određenu količinu oduzimne pare manji što je manja njena entalpija i prema tome za smanjenje gubitaka električne energije neophodno je paru oduzimati pri što nižem pritisku naravno koji još uvijek zadovoljava potrebe toplifikacije.

Iz izraza (2.2) se vidi da je ušteda energije dobivena rekonstrukcijom manja zbog gubitka proizvodnje električne energije. Ušteda će varirati ovisno o entalpiji oduzimne pare. Minimalni protok pare kroz NT dio je drugi faktor koji utiče na uštedu, jer se manje pare može oduzeti iz turbine pri većem potrebnom minimalnom protoku pare za hlađenje NT dijela.

Ušteda je veća što se veća količina pare oduzima za potrebe toplifikacije. Tipične uštede energije rekonstrukcijom na račun smanjenja gubitaka topline u kondenzatoru se postižu u dijapazonu od 30 do 40%. Međutim stvarne uštede goriva su veće kada se uzme u obzir odvojena proizvodnja topline za zagrijavanje stanova i iznose 4

Ekonomičnost rekonstrukcije zavisi od:

• Tipa i snage rekonstruisane turbine • Količine i energetskog nivoa potrebne toplinske eneregije • Režima rada • Temperaturnih dijagrama mreže • Vrsti i cijeni goriva.

Veće povećanje ekonomičnosti se postiže rekonstrukcijom turbina većih snaga i većih toplinskih opterećenja sa nižim energetskim nivoom.

22

3. KLASIFIKACIJA PARNIH TURBINA

Turbomašine su energetske mašine koje imaju rotaciono radno kolo u čijem radnom prostoru se vrši transformacija jednog oblika energije u drugi. Ako se u lopatičnom radnom kolu strujna energija radnog fluida (pare), transformiše u mehaničku energiju radnog kola, tj. ako se obrtanje radnog kola ostvaruje na račun strujne energije pare, onda takve turbomašine zovemo parne turbine. S obzirom da se mehanička energija dobivena u turbinama (obrtanje radnog kola), koristi za pokretanje drugih mašina, tj. vršenje rada, hidraulične turbine se zovu još i hidraulični motori.

Parne turbine se najčešće koriste za pogon generatora u termoelektranama, a u poslednje vrijeme sa pojavom energetske krize sve više dobijaju na značaju.

U parnim turbinama pojavljuje se dvostruka energetska transformacija: ­unutrašnje energije u kinetičku ­kinetičke energije pare u mehaničku energiju

Prva je transformacija posljedica ekspanzije pare visokog tlaka i temperature u nepomičnim kanalima ili sapnicama, odnosno u statoru. U statoru se para skreće s prvobitnog smjera strujanja da bi se dovela okretnom kolu ili rotoru. Druga transformacija se obavlja u rotoru.

Na slici je prikazan princip rada parne turbine. Para ulazi u parnu komoru (1) prolazi kroz mlaznicu (2). Više mlaznica čine stator (dio koji stoji – omogućuje prolaz pari). Iz statora para ide na obod kola na kome se nalaze lopatice (3). Ovaj dio zove se rotor, jer uslijed udaranja pare u lopatice okreće se kolo. Kada je para predala energiju i izvršila rad, odlazi kroz otvor (4) van turbine. Turbina je smještena u svoj oklop (5) čiji je zadatak da zaštiti turbinu. Osovina (6) turbine je smještena na dva ležaja (7) koji nose turbinu. Kroz oklop turbina prolazi na dva mjesta. Da para ne bi prolazila na tim mjestima iz turbine u atmosferu, nalaze se specijalna brtvila (8). Turbine najviše pogone električne generatore.

Slika 3.1 Izgled parne turbine

23

Statorski i rotorski dio turbine čine stepen turbine.Parne turbine se dijele prema smjeru strujanja pare na aksijalne i radijalne turbine. U prvima para struji paralelno sa osovinom, a u radijalnim okomito na nju. Za veće snage izvode se samo aksijalne.

Prema djelovanju rotora s obzirom na ekspanziju pare, razlikuju se akcione i reakcione parne turbine. U akcioni parnim turbinama (turbine jednakog tlaka) para ekspandira samo među lopaticama statora gdje postiže na izlazu najveću brzinu. Mlazovi pare, prolazeći kroz rotor skreću i javlja se centrifugalna sila koja pokreće rotor. Na objema stranama okretnog kola tlak je jednak. U reakcionim turbinama para ekspandira i među lopaticama statora i među lopaticama rotora. Para djeluje i centrifugalnom silom i pritiskom. Zbog ekspanzije među lopaticama rotora, vladat će pred njim veći tlak nego iznad njega. Taj predtlak uzrokuje potisak u smjeru strujanja pare. Prema broju stepeni turbine se dijele na jednostepene i višestepene turbine.

U zavisnosti od konstruktivnih osobina, karaktera toplotnog procesa, parametara svježe i izrađene pare, i iskorištenja u industriji, parne turbine mogu se podijeliti na sledeće tipove:

1. Po broju stepeni: a) jednostepene turbine sa jednim ili nekoliko stepeni brzine. Ove turbine (obično male snage) primjenjuju se za pogon centrifugalnih pumpi, ventilatora i drugih sličnih mehanizama, b) višestepene turbine akcionog i reakcionog tipa male, srednje i velike snage,

2. Po pravcu strujanja pare: a) aksijalne turbine kod kojih se strujanje pare vrši uzduž ose turbine, b) radijalne turbine kod kojih je strujanje pare u ravni okomito na osu obrtanja turbine. Nekad se jedan ili nekoliko zadnjih stepeni velikih radijalnih kondenzacionih turibina izvodi kao aksijalni. Radijalne turbine se mogu podijeliti na one koje imaju pored rotorskih i nepokretne usmjeravajuće lopatice i na turbine koje imaju samo obrtne radne lopatice.

3. Po broju kućišta turbine: a) jednokućišne, b) dvokućišne, c) višekućišne turbine.

Višekućišne turbine, kod kojih se vratila (rotori) pojedinih kućišta nastavljaju u produžetku jedno na drugo i priključuju na jedan generator, nazivaju se jednoosovinske turbine. Turbine sa paralelno postavljenim vratilima nazivaju se višeosovinske i svaka ima svoj generator.

4. Po principu raspodjele pare: a) turbine sa raspodjelom pare prigušivanjem, kod kojih se svježa para uvodi u turbine kroz jedan ili više ventila koji se istovremeno otvaraju ili zatvaraju,

24

b) turbine sa raspodjelom pare u grupama mlaznica, kod kojih. svježa para ulazi kroz dva ili više regulacionih ventila, a isti se otvaraju ili zatvaraju u seriji jedan za drugim, c) turbine sa zaobilaznom raspodjelom

5. Po pincipu dejstva pare: a) akcione turbine b) reakcione turbine

6. Po karakteru toplotnog procesa: a) kondenzacione turbine sa regulacijom kondenzata, kod kojih se osnovna količina pare uvodi u kondenzator sa pritiskom nižim od atmosferskog. Na ovaj način se latentna toplota isparavanja pri kondenzaciji izrađene pare potpuno gubi. U cilju smanjenja ovih gubitaka vrši se neregulirano (po pritisku) oduzimanje pare iz pojedinih stepeni turbine i sa tom parom zagrijava napojna voda. Broj ovih oduzimanja kreće se od 2 do 9; b) kondenzacione turbine sa jednim ili dva regulisana ( po pritisku) oduzimanja pare iz međustepena turbine za industrijske i toplifikacione svrhe, uz djelimično propuštanje pare u kondenzator, c) turbine sa protivpritiskom, kod kojih se toplota izrađene pare koristi za toplifikacione i industrijske svrhe. Ove turbine nemaju kondenzator osim turbina sa pogoršanim vakumom koje imaju slične namjene.

3.1. Jednostepena akciona turbina

Jednostepena akciona turbina sastoji se od jedne sapnice ili grupe njih i od jednog okretnog lopatičnog kola. Pad entalpije pretvara se u sapnicama u kinetičku energiju, pa para velikom brzinom struji među lopatice okretnog kola. Zato se jednostepena akciona turbina izvodi za iskorištavanje malih padova entalpije jer bi za veće padove bio potreban vrlo visok broj okretaja. Naziva se De Lavalova turbina

25

Slika 3.2 Skica jednostepene akcione turbine

Danas se ove turbine grade do 500 kW, a služe za pogon pojnih i kondenzacijskih pumpa u elektranama. Ekspandirana para upotrebljava se za grijanje ili se vodi u odgovarajući stepen glavne parne turbine termoelektrani.

26

3.1.1. Akciona turbina sa stupnjevanjem brzine

Da se smanji broj okretaja i iskoriste veći padovi entalpije, upotrebljavaju se akcione turbine sa stupnjevanjem brzine. Takve turbine se nazivaju Curtisov stepen ili Curtisovo kolo.

Slika 3.3 Akciona turbina sa dva stepena stupnjevanja brzine

Para ekspandira do konačnog tlaka u sapnici ili u sapnicama i velikom brzinom struji među lopatice prvoga okretnoga kola. U njemu se zbog transformacije u mehaničku energiju brzina smanjuje na otprilike polovicu ulazne vrijednosti. Uz tu smanjenu brzinu para struji kroz statorsko lopatično kolo, gdje joj se mlaz skreće, uz stanovite gubitke, da bi se doveo među lopatice drugoga okretnoga kola. U njemu se preostala kinetička energija pare transformira u kinetičku energiju. Brzina pare naglo opada u smjeru strujanja, pa se svi presjeci moraju povećavati u tom smjeru. Posljednje kolo mora imati duge lopatice zbog male brzine pare, pa se stoga povećavaju gubici nastali ventilacijom. To je i razlog da se ne izvode takve turbine s više od četiri stepena stupnjevanja brzine.

27

Na slici su ucrtani trokutovi brzina za akcionu turbinu sa stupnjevanjem brzine. Dva gornja trokuta se odnose na prvo, a dva donja na drugo okretno kolo.

Slika 3.4 Trokuti brzina u akcionoj turbini sa dva stepena stepenovanja brzine

Na slici je prikazan i – s dijagram jednostepene akcione turbine sa dva stepena stupnjevanja turbine.

Slika 3.5 i – s dijagram akcione turbine sa dva stepena stupnjevanja brzine

28

3.1.2. Akciona turbina sa stupnjevanjem tlaka

Obodnu brzinu je potrebno smanjiti i stupnjevanjem tlaka. Takva turbina se sastoji od više jednostepenih akcionih turbina u kojima je ulazni tlak jednak izlaznome iz prethodne turbine.

Slika 3.6 Akciona turbina za stupnjevanje tlaka

Zbog razlike u tlakovima koji vladaju između ulaza i izlaza statorskog kola, jer se ukupna ekspanzija jednog stepena provodi među statorskim lopaticama, moraju između statora i osovine biti labirinte brtvi. To je izvedba sa komorama. Broj stepeni turbine određen je padovima entalpije u pojedinim stepenima i ukupnim padom entalpije. Obično se prvi stepen izvodi s većim padom entalpije, pogotovo kad je riječ o visokim tlakovima i temperaturama pare, jer tad para brže dolazi na nižu temperaturu i niži tlak, pa se smanjuje dio turbine koji je izvrgnut visokim mehaničkim i termičkim naprezanjima. Za srednje stepene se obično odabiru jednaki padovi entalpije, a

29

posljednji se stepen izvodi za nešto veći pad entalpije. Tada se u posljednjim stepenima postižu veće brzine pare i kraće lopatice, što smanjuje mehanička naprezanja.

Slika 3.7 p,v – dijagram procesa u turbini sa stupnjevanjem tlaka

Površina između dva tlaka je mehanička energija pojedinog stepena.

Slika 3.8 Proces u višestepenoj akcionoj turbini prikazan u i – s dijagramu

30

3.2. Jednostepena reakciona turbina

U reakcionoj turbini para ekspandira i u privodnom i u okretnom kolu. To se postiže prikladnim oblikom lopatica okretnog kola jer se lopatice na rotoru akcione turbine izvode s jednakom slobodnom površinom za prolazak pare na cijelome njezinom putu među lopaticama. Slobodna površina se među lopaticama na rotoru reakcione turbine smanjuje u smjeru strujanja pare jer je ono sve brže.

Slika 3.9 Oblik lopatica (a) akcione i (b) reakcione parne turbine

Slika 3.10 Višestepena reakciona turbina

31

Slika 3.11 i – s dijagram procesa u jednostepenoj reakcionoj turbini

Radi sigurnosti da ne bi došlo do dodira između rotora i statora, mora biti raspon između statorskih lopatica i bubnja na unutrašnjem obočju odnosno rotorskih lopatica i obočja na vanjskom obodu. Kroz te raspore struji dio pare nekorisno, što je uzrok dodatnim gubicima. U reakcionim turbinama mora se brtviti na punom promjeru lopatičnih kola brtvom većih raspora.

Slika 3.12 Stepen iskorištenja u zavisnosti od omjera u/c

32

3.2.1. Usporedba reakcione turbine i akcione turbine

Na slici je pokazana usporedba dužina stepena reakcione i akcione turbine.

Slika 3.13 Ovisnost iskoristivog pada entalpije u stepenima parne turbine

Iskoristivi pad u stepenu reakcione turbine uz istu obodnu brzinu samo je polovica onoga u stepenu akcione turbine. Za jednak adijabatski pad ho potrebno je dvostruko više stepena u reakcionoj nego u akcionoj turbini.

Slika 3.14 Usporedba dužina stepena reakcione i akcione turbine

33

3.3. Mješovite izvedbe

U akcionim turbinama nije potrebno da kroz cijelo okretno kolo struji para. Para samo struji kroz dio kanala među lopaticama okretnog kola jer se ona manjim brojem sapnica smještenim na dijelu oboda prvog okretnog kola. Nakon ekspanzije povećava se volumen pare, pa u idućim stepenima ona struji svim kanalima privodnih i okretnih kola. U reakcionom stepenu mora para strujati kroz sve kanale među lopaticama okretnog kola jer vlada razlika tlakova u prostoru ispred lopatica okretnog kola i iza njih. Zbog te razlike tlakova, a ako para struji samo kroz dio kanala među lopaticama, dio nje će strujati beskorisno kroz raspore između ruba lopatica i kućišta, što znatno smanjuje stepen iskorištenja. Takve pojave nema u akcionim stepenima jer je ispred okretnog kola i iza njega isti tlak.Zbog svega toga u reakcionim je turbinama prijeko potrebno da prvi stepen bude akcioni.

Tad se na prvom mjestu iskorištava dio pada entalpije između visokih tlakova i visokih temperatura, pa kroz ostale stepene struji para nižeg tlaka i niže temperature. To dopušta upotrebu tanjih stijenki kućišta, zbog nižeg tlaka i manjih raspora između statora i rotora, zbog manjih rastezanja kao posljedice temperaturnih promjena.

3.4. Radijalne parne turbine

U aksijalnoj turbini para struji paralelno sa osovinom, a u radijalnoj okomito na nju. Prvu je konstruirao Ljungstrom.

Slika 3.15 Radijalna parna turbina

Njegova radijalna turbina ima dva rotora koja se okreću u suprotnim smjerovima i vezana su za dvije mehanički neovisne osovine. Para struji od osovine prema obodu. Lopatično kolo jednog rotora djeluje istodobno i kao okretno kolo prethodnoga i kao privodno kolo idućeg rotora. Svaki od rotora tjera vlastiti generator koji su električki

34

paralelno spojeni. Para ekspandira u svakome lopatičnom luku. Budući da se oba kola gibaju u suprotnim smjerovima, može se u jednom stepenu uz istu obodnu brzinu iskoristiti četiri puta veći pad entalpije nego u aksijalnome akcionom stepenu, i dva puta veći nego u aksijalnome reakcionom stepenu. Zbog načina dovoda pare i malog promjera prvoga lopatičnog kola osigurano je dovođenje pare po cijelome obimu, pa u radijalnoj turbini ne mora prvi stepen biti akcioni. Budući da se u smjeru strujanja pare povećava promjer okretnih kola, nisu potrebne vrlo dugačke lopatice u posljednjim stepenima.

3.5. Kondenzacijske parne turbine

Da se postigne što veći pad entalpije između stanja na ulazu u turbinu i stanja na kraju ekspanzije, para se dovodi u kondenzator u kojem se kondenzira djelovanjem rashladne vode. Zbog toga u kondenzatoru vlada vrlo mali tlak koji ovisi o temperaturi rashladne vode, a koja djeluje kao hladni spremnik, odnosno kao okolina. U takvoj kondenzacijskoj turbini iskorištava se najveći mogući pad entalpije polazeći od zadanog stanja pare na ulazu u turbinu. Sve je to prikazano na dijagramu sa predočenima padovima entalpije.

Slika 3.16 Kondenzacijska parna turbina

Za kondenzacijsku turbinu potreban je kondenzator i relativno velika količina vode za hlađenje. Za vrijeme ekspanzije stanje pare prelazi gornju graničnu krivu, pa se dalje promjene dešavaju u području mokre pare. Pojavljuju se dodatni gubici zbog kapljica vode u pari. Zato su stepeni u području mokre pare poseban problem.

35

U području zasićenja trebalo bi da se odjeli vlaga u količini 1 – x gdje je x sadržaj pare u mokroj pari. To izlučivanje ne nastaje odmah nakon prijelaza granične krive jer u pari još nema kondenzacijske jezgre. Para dalje ekspandira kao i iznad granične krive te prelazi u pothlađeno stanje kad joj je temperatura niža od temperature zasićenja za odgovarajući tlak pare. Uspostavlja se neko labilno stanje, koje konačno uzrokuje naglu kondenzaciju pare u trenutku kad je postignuto stanovito pothlađenje. Nagloj kondenzaciji je uzrok spontani nastanak kondenzacijskih jezgri zbog gibanja molekula.

U trenutku nastanka kapljica u pari pojavljuju se dodatni gubici zbog kočenja u pojedinim stepenima turbine. Za to ima više uzroka: kapljice vode kreću se sporije od pare pa udaraju u stražnje strane lopatica; kapljice vode ubrzavaju se zbog trenja između čestica pare i vode, pa se na to ubrzavanje troši dio energije; otjecanje vode uzduž lopatica i stvaranje tankog sloja tekućine na njima utječe na strujanje pa i to izaziva dodatne gubitke.

Slika 3.17 Posljednji stepen turbine

Kapljice vode koje su se skupile na lopaticama tjerane su centrifugalnom silom prema kućištu i mogu se odvesti iz turbine pogodno smještenim rasporima.

36

3.6. Protutlačne parne turbine

U protutlačnoj turbini para ekspandira do tlaka znatno višega od onoga u kondenzatoru. Tad se para, koja je samo djelomično ekspandirala u turbini, iskorištava za tehnološke procese u industriji (grijanje, isparavanje, kuhanje, sušenje i sl.) ili za grijanje prostorija. Upotreba protutlačne turbine opravdana je samo ako ima potrošača koji mogu iskoristiti djelomično ekspandiranu paru. Najčešće se takva para dovodi u izmjenjivače topline kod potrošača ili u toplani koji djeluju kao kondenzatori, ali sa tim da se entalpija isparavanja iskorištava za tehnološke procese ili za grijanje prostorija. U kondenzacijskoj turbini entalpija isparavanja se odvodi beskorisno u okolinu.

Tlak na kraju ekspanzije određen je potrebnom temperaturom pare na izlazu iz turbine. Uz konstantan tlak pare na ulazu u turbinu, a porastom tlaka na kraju ekspanzije smanjuje se adijabatski pad entalpije za proizvodnju mehaničke energije, ali se povećava entalpija koju mogu iskoristiti toplinski potrošači. Zato sa povećanjem protutlaka opada termički stepen iskorištenja energije pare jednak jedinici

Slika 3.18 Protutlačna parna turbina

. Mora se istaknuti da mogućnost iskorištenja pare ovisi o njezinoj temperaturi. Pari koja je ekspandirala do tlaka kondenzatora temperatura je samo nekoliko stepeni viša od one rashladne vode, odnosno od temperature okoline. Dakle njezina se energija sastoji praktički samo od anergije, a ona se ne može transformirati u drugi oblik energije.Uz konstantne tlakove na ulazu i izlazu proizvodnja mehaničke aenergije proporcionalna je količini pare koju preuzimanju potrošači. Prema tome, za upotrebu takve turbine mora postojati ne samo istodobna potreba za mehaničkom i toplinskom energijom nego stalan i nepromijenjen odnos tih potreba.

37

3.7. Turbine sa reguliranim oduzimanjem pare

Da se ukloni čvrsta ovisnost mehaničke energije na osovini turbine o unutrašnjoj termičkoj energiji pare na izlazu iz turbine, grade se turbine s regularnim oduzimanjem pare. Takva turbina sastoji se od visokotlačnog i niskotlačnog dijela smještenih u odvojena kućišta, ali koji su na zajedničkoj osovini. U visokotlačnom dijelu ekspandira sva para koja se dovodi iz kotla, nakon ekspanzije dio nje se odvodi potrošačima, a ostatak ide u niskotlačni dio turbine. Pred ulazom u niskotlačni dio smješten je protočni ventil kojim se regulira količina pare za ekspanziju do kondenzacijskog tlaka. Budući da je tlak pare na izlazu iz visokotlačnog dijela ovisi o količini pare koja struji kroz taj dio turbine promijeni li se količina pare kroz niskotlačni dio mijenjat će se i njena količina kroz visokotlačni dio, a time i tlak pare za potrošače. Tako se može održavati konstantni tlak pare oduzimanja.

Slika 3.19 Parna turbina sa reguliranim oduzimanjem

Zbog postojanja niskotlačnog dijela iz kojega se para odvodi u kondenzator, nema čvrste ovisnosti između proizvedene mehaničke energije i količine pare koja se predaje potrošačima. Pogon je moguć između dva granična slučaja, a to su potpuno protutlačni i potpuno kondenzacijski pogon. U prvome sva para što s dovodi turbini ekspandira samo u visokotlačnome dijelu pa se nakon toga odvodi potrošačima, a u drugome sva para što se dovodi turbini ekspandira do kondenzacijskog tlaka i turbina radi bez oduzimanja pare. Između tih graničnih tih graničnih pogonskih slučajeva moguć je pogon uz različite omjere snage na osovini turbine i količine pare oduzimanja.

38

3.8. Turbine s neregularnim oduzimanjem pare

Danas se uglavnom sve turbine izvode s nereguliranim oduzimanjima pare između dva susjedna stepena. Broj nereguliranih oduzimanja ovisi u prvom redu o tlaku pare na ulazu u turbinu. Takom oduzetom parom zagrijava se kondenzat jer se time povećava termički stepen iskorištenja procesa, zato što se dio pare ne dovodi u kondenzator. Para kojom se zagrijava kondenzat obavlja protutlačni proces, pa sva energija tako oduzete pare ostaje u procesu. Količina pare iskoristiva za zagrijavanje kondenzata vrlo je ograničena jer je i toplina koju on može preuzeti ograničena. U turbinama s reguliranim oduzimanjem prvi stepen nakon oduzimanja mora biti izveden kao akcioni zbog privoda pare samo u dijelu oboda okretnog kola. Zato je svaki dio turbine izveden u posebnom kućištu. To nije potrebno u turbinama s nereguliranim oduzimanjem jer se od ukupne pare oduzima samo nekoliko postotaka, a neoduzeta para ne vodi se u idući stepen kroz posebni ventil. Takvo oduzimanje bitno ne remeti normalno strujanje kroz turbinu.

Slika 3.20 Parna turbina s dva neregularna oduzimanja pare

39

3.9. Turbine s međupregrijanjem

Slika 3.21 Parna turbina s međupregrijavanjem pare

Kada su tlakovi pare vrlo visoki (viši od 80 bara), redovito se izvodi parna turbina s međupregrijanjem pare prikazana na slici.Para koja je djelomično ekspandirala u visokotlačnoj turbini vraća se natrag u kotao, gdje se u posebnom pregrijaču ponovo pregrije (obično do temperature svježe pare) i tako pregrijana dovodi u niskotlačnu turbinu. Nekad se izvode i dva međupregrijanja.Pomoću međupregrijanja postiže se nešto bolji termički stepen iskorištenja (poboljšanje od 2 do 4%) ali je smanjenje postotka vlage u posljednjim stepenima glavni razlog za uvođenje međupregrijanja.

3.10. Gubici energije pare u turbini

Za vrijeme rada pare u turbini nastaju razni gubici. Zbog toga je potrošak toplote za proizvođenje mehaničkog rada veći od jedne idealne turbine bez gubitaka. Kod prolaza pare kroz turbinu nastaju sljedeći gubici:

­ gubici u mlaznicama i privodnim lopaticama Ovi gubici nastaju zbog međusobnog trenja čestica pare i trenja pare o stijene. Čime se smanjuje izlazna brzina, a povećava se sadržaj toplote izlazne pare iz mlaznice.

40

­ gubici u rotorskim lopaticama Ovi gubici nastaju od udaraca čestica pare o rubove lopatica, uslijed promjene smjera struje pare u lopaticama rotora također umanjuju brzinu pare i povisuju sadržaj toplote pare, jer se radnja trenja pretvara u toplotu koju preuzima para.

­ izlazni gubici Para kada izlazi iz turbine posjeduje brzinu, a prema tome i kinetičku energiju, koja se ne može iskoristiti. Taj gubitak iznosi 2 – 4% raspoloživog pada.

­ gubici uslijed trenja kola i ventilacije Ovi gubici su uzrokovani otporom, na koji nailazi rotor kad se okreće u parnom prostoru a sastoji se iz radnje trenja kola, vijenca, lopatica i ventilacije kola, vijenca i lopatica. Trenje se javlja uglavnom na kolu rotora, koje nosi sa sobom čestice pare, koje se taru sa česticama pare između njega i stijena oklopa. Gubitak na trenju kola potječe uslijed toga što se kolo rotora okreće velikim brojem okretaja u prostoru koji je napunjen parom, te između kola i pare nastaje trenje. Da se savlada ovo trenje potrebno je potrošiti energiju tj. troši se svježa para. Gubici ventilacije pojavljuju se kod kola djelomičnim privodom pare. Najvećim dijelom nastaju uslijed rasipanja u virovima, gdje se javlja tangencijalna struja, koja udara o mlaz pare iz sapnica i rasipa ga po obodu.

­ gubici na propuštanju Ovi gubici nastaju u rasporima između razdijeljenih stijena i glavčine kola, u rasporima između statorskih lopatica i rotorskih lopatica i pri prolazu osovine kroz oklop turbine. Kod svih turbina je važno da se spriječi propuštanje na spomenutim mjestima. Ovi gubici utječu na stepen djelovanja turbine, na sigurnost pogona i na ekonomičnost turbine. ­ gubici uslijed izbijanja toplote Ovi gubici se javljaju uglavnom tamo, gdje se stijena oklopa s jedne strane u doticaju sa svježom parom, a s druge strane sa vazduhom. Da bi se ovi gubici smanjili, stijena oklopa se izolira.

­ mehanički gubici Ovi gubici se sastoje od trenja u ležajevima, od utrošene snage za pogon uređaja za regulaciju i trenja zupčanika uljne pumpe. Ovi gubici su neovisni o opterećenju turbine, iznose oko 1% toplotnog pada.

41

4. ANALIZA STEPENA KORISNOSTI CNP PRI KONDENZACIONOM I TOPLIFIKACIONOM REŽIMU RADA

4.1. Termoenegretsko postrojenje bloka 100MW

Principijalna toplotna šema turbine 100MW se sastoji od: turbine, kondenzatora, pet regenerativnih zagrijača niskog pritiska, spremnika napojne vode sa otplinjačem, tri regenerativna zagrijača visokog pritiska, tri pumpe osnovnog kondenzata, dvije pumpe pomoćnog kondenzata, tri pumpe napojne vode, osnovnog ejektora, hladnjaka ejektorske pare, hladnjaka brtvene pare, jednog stop ventila i četiri regulaciona ventila. Turbina se snabdjeva parom iz dva kotla parovodima ø225 mm preko glavnih parnih zasuna i jednog stop ventila. Iz stop ventila para se usmjerava ka četiri regulaciona ventila posebnim parovodima. Regulacioni ventili su konstrukciono namješteni na gornjoj polovini kućišta turbine visokog pritiska. Turbina je prvobitno montirana kao kondenzaciona parna turbina K100­90/6 i kao takva je radila do 1983.g. kada je rekonstruisana u toplifikacionu turbinu VK100­90/6 sa jednim toplifikacionim oduzimanjem i jednim oduzimanjem pare za snabdijevanje tehnološkom parom lokalne industrije.

Parametri za nominalni režim rada turboagregata su dati u popisu kako slijedi:

§ Nominalna snaga u kondenzacionom režimu: 100 MW § Toplifikaciona snaga oduzimanja kod koje je moguće održati

električnu snagu turbine od 100 MW: 60 MWt § Maksimalna toplifikaciona snaga oduzimanja: 174 MWt § Eleketrična snaga turbine kod maksimalne toplifikacione snage

oduzimanja: 72 MW § Potrošnja pare u tehnološkom oduzimanju: 50 t/h § Specifično smanjenje električne snage turbine

za 1 t/h tehnološkog oduzimanja: 190 kWh/t § Broj obrtaja rotora turboagregata: 3000 o/min § Pritisak svježe pare ipsred stop ventila turbine: 90 bar § Temperatura svježe pare ipsred stop ventila turbine: 535 o C § Potrošnja svježe pare kod nominalnog električnog opterećenja: 363 t/h § Maksimalna potrošnja svježe pare kroz turbinu: 420 t/h § Maksimalna produkcija kotlova: 440 t/h § Broj kotlova: 2 § Pritisak određene pare u kondenzatoru pri proračunskoj temperaturi rashladne

vode od +10 o C i proračunskog protoka od 16000 m 3 /h: 0,036 bar § Broj kondenzatora: 2 § Potrošnja pare u kondenzatorima kod maksimalne

toplifikacione snage oduzimanja: 30 t/h § Broj neregulisanih regenerativnih oduzimanja: 8

42

§ Temperatura napojne vode: 217 o C § Ukupna dužina turbine: 14700 mm

Turbina je konstruisana kao dvokućišna toplifikaciona turbina sa 8 neregulisanih i dva regulisana oduzimanja pare, fabričke oznake VK100­90/6 od proizvođača LMZ Rusija (''Leningradski metaličeskij zavod''). Regulisano oduzimanje pare za tehnološke potrošače ugrađeno je sa parovoda drugog oduzimanja pare ka ZVP7. Regulacionim ventilom se reguliše pritisak pare ''iza sebe'', tj. Iza regulacionog ventila i održava zadana vrijednost od 13 bara, sa maksimalnim protokom od 50 t/h.

Drugo regulisano oduzimanje pare ugrađeno je na prestrujnom parovodu iz CVP ka CNP, ugradnjom regulacionih leptirasti zatvarača na parovodu ispred CNP. Para iz ovog oduzimanja namjenjena je zagrijavanje mrežne vode, to jest za toplifikaciju grada Tuzla, sa pritiskom pare 2,3­4 bara i maksimalnom toplifikacionom snagom 174 MWt. Regulacioni leptirasti zatvarači regulišu pritisak pare ''ispred sebe'' tj. u ispušnom dijelu turbine niskog pritiska i prestrujnom parovodu na koji je priključen parovod ka zagrijačima mrežne vode, na taj način zagrijači mrežne vode su snabdjeveni parom stalnih parametara bez obzira na režim rada turbine.Turbina je izvedena kao dvokućišna sa sva dva turbinska rotora. Rotori turbine visokog i niskog pritiska, kao i rotor niskog pritiska sa rotorom generatora su spojeni poluelastičnim spojnicama. Rotori turboagregata su uležišteni na radijalnim kliznim ležajevima i jednim aksijalnim kliznim ležajem tipa ''Mičel'', smještenim na prednjem ležajnom bloku turbine.

Turbina je akcionog tipa sa jednim regulacionim stepenom i 19 stepeni pritiska u turbini visokog pritiska, turbina niskog pritiska je izvedena sa simetričnim strujanjem pare u dva pravca sa po pet stepeni pritiska. Oduzimanja se nalaze iza 7.og. 10.og. 13.og. 18.og. 20.og stepena TVP i 22.og. 23.eg. 24.og stepena TNP.Turbina je opremljena sa dva kondenzatora ukupne površine 600m 2 , sa maksimalnim protokom rashladne vode od 16000m 3 /h, kada su u radu dvije rashladne pumpe. Pri sniženom protoku pare u kondenzator moguć je rad jedne rashladne pumpe. Kondenzatori su grlima zavareni za priključni nastavak TNP i oslanjaju se na opruge u temeljnim osloncima.

Odsisavanje vazduha iz kondenzatora vrši se sa dva glavna i jedni upusnim ejektorom, jedan od glavnih ejektora može obezbjediti normalno odsisavanje vazduha iz kondenzatora. Para za nominalni režim rada ejektora se uzima iz spremnika napojne vode sa parametrima p=3,5 b, t=150 o C, potrošnja pare po jednom ejektoru iznosi: 700kg/h. Prepumpavanje vode iz kondenzatora ka spremniku napojne vode se vrši sa tri kondenz pumpe od kojih su dvije u radu jedna u rezervi, u režimu rada sa jednim kotlom u radu je jedna pumpa osnovnog kondenzata. Parametri kondenzata iza pumpi su: protok=160m 3 /h, pritisak 12,3 b, snaga elektromotora 200kW.

43

Osnovni kondenzat na putu od kondenz pumpi do spremnika napojne vode se zagrijava u pet regenerativnih zagrijača niskog pritiska. Sliv kondenzata je kaskadni od ZNP 5 do ZNP 3 odakle se kondenzat pumpama upumpava u liniju osnovnog kondenzata iza ZNP3. U slučajevima kada su pumpe van pogona kondezat se može usmjeriti u kondenzator. Sliv kondenzata iz ZNP 1 i 2 je kaskadno, preko hidrozatvarača, usmjeren u kondenzator.Tehnološka šema bloka sadrži dva spremnika napojne vode sa otplinjačima. Spremnici napojne vode u svim režimima rada postrojenja u toplotnu šemu su uključeni paralelno, iz SNV se otplinjeni kondenzat sliva na usis napojnih pumpi. Napajenje kotlova napojnom vodom se vrši sa tri napojne pumpe, od kojih su dvije u radu jedna je rezervna. Kada je u radu jedan kotao tada radi samo jedna napojna pumpa. Napojna pumpa tlači vodu na pritisak od 150 b sa protokom od 220 t/h. Pumpe su sa konstantnim brojem obrtaja od 3000 o/min., dok se regulacija protoka napojne vode vrši regulaciono napojnim ventilima koji su smješteni u liniji napojne vode poslije regenerativnih zagrijača visokog pritiska, tj. ispred ekonomajzera kotlova.

Pumpe su opremljene ventilima minimalnog protoka koji obezbjeđuju minimalni protok napojne vode kroz pumpu u slučaju zatvorenog tlačnog ventila. Napojne pumpe tlače vodu u kotlove preko tri regenerativna zagrijača visokog pritiska. Zagrijači su površinskog tipa, vertikalne konstrukcije. Kaskadni sliv kondenzata iz zagrijača VP u osnovnoj šemi je usmjeren ka spremniku napojne vode, u slučaju potrebe kondenzat se može usmjeriti ka regenerativnim zagrijačima niskog pritiska ili u kondenzator.Para za brtvljenje turbinskih rotora, za osnovni ejektor i ejektor brtvene pare se uzima iz spremnika napojne vode.

Spremnik napojne vode se snabdijeva parom iz trećeg ili drugog oduzimanja zavisno od pritiska pare u trećem oduzimanju. Para iz tzv. ''Lencovih'' čaura stop i regulacionih ventila i prve brtvene komore CVP­a se usmjerava u spremnike napojne vode. Kondenzat ogrijevne pare iz zagrijača mrežne vode se prepumpava pumpama kondenzata ogrijevne pare u liniju osnovnog kondenzata iza zagrijača niskog pritiska.Toplotna šema termoenergetskog postrojenja bloka 100MW, sa svim elementima koji su obuhvaćeni toplotnim proračunom, je prikazana na slici: 4.1.

44

Elementi toplotne, značenje skraćenica:

K3 i K4 ­ kotao 3 i 4 GPZ ­ glavni parni zasun SV ­ stop ventil RV ­ regulacioni ventil TVP ­ turbina visokog pritiska TNP ­ turbina niskog pritiska GEN ­ generator KOND ­ kondenzator KP ­ kondenz pumpa OEJ ­ osnovni ejektor HEP ­ hladnjak ejektorske pare EBP ­ ejektor brtvene pare HBP ­ hladnjak brtvene pare PPK ­ pumpa pomoćnog kondenzata DEAER ­ deaerator SNV ­ spremnik napojne vode ENP ­ elektronapojna pumpa M5 ­ tačka dijeljenja toka D1 do D9 ­ protoci pare između oduzimanja ZNP1 do ZNP5 ­ zagrijači niskog pritiska 1,2,3,4 i 5 ZVP6 do ZVP8 ­ zagrijači visokog pritiska 6,7 i 8 Ntvp ­ snaga TVP Ntnp ­ snaga TNP Ngen ­ snaga na stezaljkama generatora M1,M2,M3,M4 ­ tačke miješanja tokova nosilaca energije

42

Slika 4.1 Toplotna šema bloka 100MW TE ''TUZLA''

43

4.1.1. Rekonstrukcija kondenzacione turbine snage 100MW

Turbina VK 100­90­6LMZ snage 100 MW instalisana u bloku 3 u TE Tuzla je turbina bez međupregrijanja pare a sastoji se od visokotlačnog i dvoprotočnog niskotlačnog dijela. Visoki i niski pritisak su spojeni prestrujnim cjevovodom. U VT dijelu turbina ima 20 stepeni, a u NT dijelu 5 stepeni u svakom protočnom dijelu. Pritisak pare pred turbinom je 8,82 MPa, a temperatura je 535 0 C. Na izlazu iz VT dijela turbine pritisak pare iznosi 0,22Mpa. Pritisak pare u kondenzatoru iznosi 3,9 kPa.Količina pare naulazu u turbinu iznosi 420t/h. Maksimalna snaga turbine je 110MW. Turbina ima 8 neregulisanih oduzimanja pare za regenerativno zagrijavanje napojne vode.

Rekonstrukcijom koja je izvršena 1983 godine ugradjeno je u VT dijelu turbine iza desetog stepena neregulisano oduzimanje pritiska 1,3 do 1,8 MPa., količine do 14,88 kg/s (50t/h) za tehnološke potrebe. Na izlazu iz VT dijela u prestrujnom cjevovodu ugrađeno je regulisano oduzimanje pare pritiska 0,22 do 0,39 MPa količine do 290 t/h za ogrijevne potrebe do toplinske snage 174 MWt. Regulacija pritiska oduzimne pare izvodi se pomoću klapne pokretane servomotorom, ugrađene u prestrujni cjevovod ispred ulaza pare u dvoprotočni niskotlačni dio turbine. Minimalni protok pare u dio niskog pritiska iznosi 8,33 kg/s (30t/h) pri računskom pritisku u kondenzatoru od 3,9kPa, a određen je na osnovu uslova da maksimalna temperatura izlaznog kućišta ne pređe 60 0 C pri trajnom toplifikacijskom režimu.

Grijanje mrežne vode količine 0,611m 3 /s (2200t/h) izvodi se parom regulisanog oduzimanja u četiri vertikalna izmjenjivača topline. U slučaju zaustavljanja turbine, izmjenjivačima topline se dovodi ogrijevna para pritiska 0,6MPa iz opšteg kolektora termoelektrane. Za maksimalno zadanu toplinsku snagu od 174MW pri spoljnoj temperaturi zraka od ­17 0 C polazna temperatura mrežne vode iznosi 135 0 C, a povratna 67 0 C, pri čemu je maksimalna električna snaga turbine ne veća od 72MW. Treba napomenuti da je ekonomičnost rada turbine u kondenzacionom režimu praktično ostala ista kao prije rekonstrukcije.

Slika 4.2 Dijagram režima rada rekonstruisane kondenzacijske turbine 100 MW u toplifikacijsku

44

Tabela 1. Osnovne energetske bilanse bloka rekonstruisane turbine bloka 100 MW i proračuna pokazatelja rada

Osnovne energetske bilanse bloka rekonstruisane turbine bloka 100 MW i proračuna pokazatelja rada

Protok svježe pare s kotlova t/h 388,8 321,6 260

Potrošak topline radnih medija bloka

MJ/s 267,7 224,7 183,9

Snaga na pragu elektrane bloka 3

MW 92,34 76,27 55,30

Utrošena toplina goriva MJ/s 316,8 266,4 223,4 Proizvedena energija bloka MW 92,34 76,27 55,30

Čisto

kond

enzacijski

režim ra

da

Stepen efikasnosti bloka % 29,15 28,63 24,75

Protok svježe pare sa kotlova t/h 388,8 319,8 265,3 392,8 Potrošak topline radnih medija bloka

MJ/s 267,6 223,4 188,8 269,8

Toplinska snaga za grijanje MJ/s 125,6 104,5 31,9 35,7 Snaga na pragu elektrane bloka 3

MW 68,97 54,90 49,30 82,69

Utrošena toplina goriva MJ/s 316,7 265,0 228,9 319,6 Proizvedena energija bloka MW 194,58 159,43 81,17 118,44

Kon

denzaciono

–

toplifikacion

i režim

rada

Stepen efikasnosti bloka (prag elektrane)

% 61,44 60,16 35,46 37,06

Protok svježe pare sa kotlova t/h 393,2 325,4 297,7 Potrošak topline radnih medija bloka

MJ/s 271,9 227,7 209,6

Protok tehnološke pare ka kolektoru

t/h 30,5 10,5 12,4

Toplinska snaga tehnološke pare MJ/s 23,71 7,92 9,29 Snaga na pragu elektrane blok 3 MW 85,13 72,26 64,90 Utrošena toplina goriva MJ/s 321,9 269,8 250,3 Proizvedena energija bloka MW 108,84 80,18 74,19

Kon

denzaciono

tehn

ološ

ki re

žim ra

da

Stepen efikasnosti bloka (prag elektrane)

% 33,81 29,72 29,64

Protok svježe pare sa kotlova t/h 387,7 Potrošak topline radnih medija sa kotlova

MJ/s 268,9

Toplinska snaga za grijanje MJ/s 68,8 Protok tehnološke pare za kolektor

t/h 45,09

Toplinska snaga tehnološke pare MJ/s 34,33 Snaga na pragu elektrane bloka 3

MW 70.91

Utrošena toplina goriva MJ/s 318,1 Proizvedena energija bloka MW 174,05

Kon

denzaciono

toplifikacijsko

tehn

ološki

režim ra

da

Stepen efikasnosti bloka % 54,71

45

4.2. Tehnoekonomski pokazatelji iskorištenja cilindra niskog pritiska (CNP)

Tehnoekonomski pokazatelji rada, za režime kombinovane proizvodnje električne i toplotne energije, prvenstveno zavise od protoka pare kroz cilindar niskog pritiska.

Na konkretnoj turbini (VK100 LMZ ''Tuzla'') regulisano oduzimanje pare, za potrebe toplifikacije se vrši ispred cilindra niskog pritiska turbine. Ovim se želi dokazati kako i u kolikoj mjeri ekspanzija pare u preostalom dijelu tutbine, poslije regulisanog oduzimanja, utiče na tehnoekonomske pokazatelje rada cjelokupnog postrojenja ili dijela postrojenja. Odnosno, želi se pokazati kolika je ''cijena'' toplotne energije izražena energetskim pokazateljima.

Cilindar niskog pritiska (CNP) inače ima niži stepen iskorištenja od cilindra visokog pritiska (CVP) prvenstveno zbog niskog relativnog unutrašnjeg stepena iskorištenja (ηo.i.CNP) protočnog dijela CNP. Takođe, ηo.i.CNP se bitno mjenja sa promjenom količine pare koja ekspandira kroz CNP i to tako da je pri kritično niskom protoku pare kroz CNP ηo.i.CNP poslednje i predposlednje turbinske rešetke negativan.

Zbog toga što blok 100MW često radi u režimima sa smanjenim protokom pare kroz CNP važno je pokazati kako se to odražava na tehnoekonomske pokazatelje rada ciklusa ili CNP, odnosno pokazati da cijena pare koja se oduzima u regulisanom oduzimanju nije ista u svim režimima rada postrojenja, te da se bitno mijenja zavisno od režima rada. Promjenjivi režimi rada, koji uzrokuju smanjenje protoka pare kroz CNP se mogu podijeliti u dvije grupe:

­ prvo, smanjenje protoka pare kroz CNP uzrokovan oduzimanjem pare u RO ­ drugo, smanjenjem protoka pare kroz CNP izazvan smanjenom produkcijom pare

iz kotlova, rad postrojenja sa jednim kotlom

Na Slici 4.3. (2) su predstavljene izračunate vrijednosti proizvedene električne energije u slučaju da para oduzeta u regulisanom oduzimanju nastvai ekspanziju u CNP turbine te na taj način proizvede dodatnu količinu električne energije. Iz karaktera pojedinih krivulja dijagrama je očigledno da dodatno proizvedena električna energija, kao ekvivalent toplotnoj energiji predatoj u regulisanom oduzimanju, zavisi od snage na stezaljkama generatora, to jest, bitno zavisi od režima rada postrojenja. Smanjenjem električne snage smanjuje se dopunski proizvedena električna energija parom preusmjerenom iz regulisanog oduzimanja, što je toplifikaciona snaga veća a električna snaga manja, to je smanjenje dopunski proizvedene električne energije izraženije.

Navedena konstatacija važi sve do trenutka kada dopunski proizvedena električna energija počinje iznova da raste sa smanjenom proizvodnjom električne energije, ova granična vrijednost je obilježena isprekidanom linijom ''x­x'' na dijagramu 4.3. Porast dopunski proizvedene električne energije u CNP parom iz RO za režime lijevo od granične linije označene sa ''x­x'' na dijagramu 4.3. se objašnjava na slijedeći način. Smanjenjem protoka pare kroz CNP do kritične veličine nastaje momenat kada se

46

u CNP ne proizvodi električna snaga (obrtni momenat), daljnim smanjenjem protoka pare, zbog izraženog trenja i ventilacije u CNP dolazi do utroška energije rotora na gubitke trenja i ventilacije, što se manifestuje porastom temperature CNP. Ako se u ovakvom režimu para iz RO usmjeri na ekspanziju u CNP nastaje situacija prikazana lijevo od linije ''x­x'' na dijagramu 4.3.

Praktično, to znači, za istu količinu toplotne energije, preusmjerene iz RO na ekspanziju u CNP, nije moguće proizvesti jednaku količinu električne energije u dijapazonu proizvodnje električne energije od 100 do 30 MW, to jest dopunski proizvedena električna energije parom iz RO zavisi od režima rad, to jest od električnog opterečenja turboagregata.

47

Slika 4.3 Dijagram dodatno proizvedene električne energije u slučaju da se para oduzeta u ''RO'' usmjeri na dalju ekspanziju u ''CNP''

48

Slika 4.4. (2) prikazuke kako se mjenja pokazatelj ''specifična potrošnja pare'' za električnu energiju proizvedenu u CNP [kgpare u CNP/kWhproizvedenom u CNP], za različite režime rada. Dijagram jasno pokazuje da se u svim režimima rada turbine CNP specifična potrošnja pare je dosta veća i značajno se mijenja sa promjenom režima rada.

Za ilustraciju se navode vrijednosti za karakteristične režime:

Primjer za CNP: pri N=90 MW i Q=0 do 80 MW specifična potrošnja pare se mijenja za 19,8 % pri N=40 MW i Q=0 do 80 MW specifična potrošnja pare se mijenja za 66,6 %

Karakter promjene linija na iste toplifikacione snage dijagramu 4.3., je takav da pri malim protocima pare kroz CNP pokazatelj ''specifična potrošnja pare za proizvodnju električne energije u CNP'' drastično poraste, što praktično znači da smanjenje protoka pare kroz CNP zahtijeva znatno veću količinu pare (istog energetskog sadržaja) za jedinicu proizvedene električne energije.

Slika 4.5. (2) prikazuje proizvedenu električnu energiju ekspanzijom pare u CNP u zavisnosti od ukupno proizvedene električne energije na stezaljkama generatora, za različite toplifikacione režime. Rezultati pokazuju da se udio proizvedene električne energije u CNP u ukupno proizvedenoj električnoj energiji, pri večim toplifikacionim snagama, bitno smanjuje. Dolazi se u područje gdje para struji kroz CNP a električna energija se ne proizvodi u CNP. Ovakvi režimi nastupaju npr. Q=80 MWt ispod ~N43 MW i Q=60 MWt ispod ~N=33 MW

49

Slika 4.4 Dijagram specifične potrošnje pare u CNP, kg/kWh

50

Slika 4.5 dijagram električne energije proizvedene u CNP turbine za različite toplifikacione rada

51

Slika4.6 dijagram snage na stezaljkama generatora koja se proizvede u turbini niskog pritiska, u funkciji protoka pare kroz CNP

52

Slika 4.6. (2) prikazuje proizvedenu električnu energiju ekspanzijom pare u CNP u zavisnosti od protoka pare kroz CNP. Sa dijagrama se vidi da pri protoku pare kroz CNP od~13 t/h u CNP se ne proizvodi električna energija. Ispod protoka od ~13 t/h je potrebno potrošiti dodatnu energiju na gubitke koji nastaju trenjem i ventilacijom u protočnom dijelu CNP, posebno u izlaznim stupnjevima. Minimalan protok pare kroz CNP, koji obezbjeđuje hlađenje rotora, obićno iznosi 5­10 % nominalnog protoka kroz CNP. U ovom slučaju 13 kg/s (46,8 t/h) iznosi~17,3 % nominalnog protoka kroz CNP na obje strane (odnosno 8,7 % po jednoj strani), što predstavlja najniži dopušteni protok pare kroz CNP za turbinu VK100. Pri protoku 13 kg/s već nastupa pregrijavanje CNP, što je nedopustivo sa stanovištva bezbjednosti rada turbine (problem slabljenja preklopa na diskovima, smanjenje zatezne čvrstoće lopatica, krivljenje kućišta CNP što narušava elastičnu liniju rotora i td). Ovaj režim je moguć pri N=40MW i Q=80MWt, ili N=30MW i Q=60MWt. Tokom eksplatacije postrojenja pokazalo se da grijanje rotora niskog pritiska nastupa pri režimu N=30MW i Q=40MWt.

53

ZAKLJUČAK

Iako je razvoj toplifikacijskih turbina započeo neposredno prije II. Svjetskog rata, njihova značajnija primjena je usljedila u godinama neposredno po završezku rata, posebice u bivšem Sovjetskom Savezu. Prve toplifikacijske turbine bile su snage 12 MW s parametrima svježe pare 29 bar i 400 o C. Od tada snaga kao i parametri svježe pare kontinuirano rastu. Uobičajne snage su: 25,40­100,135,175,250 MW. Danas je najveća snaga 300 MW uz parametre svježe pare, tlak 125 – 135 bar i temperature 545 – 570 o C. Prema konstrukcijskim karakteristikama i mogućim režimima rada mogu se podijeliti u dvije grupe: turbine s kondenzatorom i reguliranim oduzimanjima (kondenzacijske s reguliranim oduzimanjima) i turbine s protutlakom i reguliranim oduzimanjima (protutlačne turbine s reguliranim oduzimanjima). Pri tome se razlikuju dva tipa oduzimanja: tehnološka za procesnu industriju i toplifikacijska za grijanje grada. Karakteristično svojstvo koje razlikuje kondenzacijske toplifikacijske turbine od čisto kondenzacujskih turbina je djelimično ili potpuno iskorištenje topline pare koja je obavila korisni mehanički rad u turbini. Ovisno o tome radi li toplifikacijska turbina s uključenim toplifikacijskim oduzimanjima i iskorištava li se toplina pare u kondenzatoru ili ne, izvršena je podjela režima rada toplifikacijskih turbina na kondenzacijski režim rada i toplifikacijski režim rada. Bitno svojstvo toplifikacijskih turbina je mogućnost prelaska s jednog režima rada na drugi i obrnuto, bez zaustavljanja turboagregata.

U osnovnom termoelektrane se mogu podijeliti u čisto kondenzacijske koje su namijenjene samo za proizvodnju električne energije i toplifikacijske koje opskrbljuju potrošače električnom energijom ali istovremenom i toplinom. Svakako da su toplifikacijske termoelektrane učinkovitije od čisto kondenzacijskih: mogu postići termodinamičku iskoristivost i do 85% spram 30 – 40%. Glavni pokazatelj ekonomičnosti rada elektrane je specifična potrošnja topline koja je za toplifikacijske turbine 2 do 2,5 puta manja od kondenzacijskih. Vrlo je važno da postrojenje radi na nominalnim režimima, jer smanjivanje opterećenja nužno dovodi do porasta specifične potrošnje topline odnosno do smanjenja termodinamičke iskoristivosti elektrane.

Rezultati pokazuju da se tehnoekeonomski pokazatelji kombinovane proizvodnje električne i toplotne energije bitno mijenjaju sa promjenom režima rad, pokazatelj specifične potrošnje toplote za proizvodnju električne energije poraste za 17,5% u slučaju promjene režima sa 100% na 40% električnog opterečenja.

Tehnoekonomski pokazatelji rada, za režime kombinovane proizvodnje električne i toplotne enrgije, prvenstveno zavise od protoka pare kroz cilindar niskog pritiska. Tehnoekonomski pokazatelji proizvodnje električne i toplotne energije se bitni mijenjaju sa promjenom režima rada, potrebno je izbjegavati režime sa kritično niskim protokom pare kroz cilindar niskog pritiska turbine. Rezultati istraživanja pokazanih u radu dokazuju da rad CNP ima dominantan uticaj na termoekonomske pokazatelje rada postrojenja, posebno u režimima kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije pri niskim protocima pare kroz CNP, te da cijena bitno zavsisi od režima rada CNP, što kod formiranja stvarne cijene toplotne energije mora uzeti u obzir.

54

POPIS SLIKA

Slika 1.1 Šematski prikaz termoelektrane....................................................................................4 Slika 1.2 Lopatice turbine.............................................................................................................5 Slika 1.3 Pritisak koji djeluje na lopatice turbine..........................................................................6 Slika 1.4 Akcioni stupanj..............................................................................................................7 Slika 1.5 Reakcioni stupanj..........................................................................................................7 Slika 2.1 Termoelektrana na ugalj...............................................................................................11 Slika 2.2 Principijalna toplinska shema kondenzacijske termoelektrane (a) i prikaz procesa ekspanzije pare u turbini u h­s dijagramu (b): .............................................................................12 Slika 2.3 a) Principijalna shema toplifikacijske elektrane s međupregrijanjem; b) proces ekspanzije pare u turbini u h­s dijagramu....................................................................................14 Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer a)......15 Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer b)......16 Slika 2.4 Tipovi rekonstrukcije kondenzacionih termoelektrana u toplifikacione (primjer c)......17 Slika 3.1 Izgled parne turbine.......................................................................................................19 Slika 3.2 Skica jednostepene akcione turbine..............................................................................22 Slika 3.3 Akciona turbina sa dva stepena stupnjevanja brzine...................................................23 Slika 3.4 Trokuti brzina u akcionoj turbini sa dva stepena stepenovanja brzine..........................24 Slika 3.5 i – s dijagram akcione turbine sa dva stepena stupnjevanja brzine..............................24 Slika 3.6 Akciona turbina za stupnjevanje tlaka...........................................................................25 Slika 3.7 p,v – dijagram procesa u turbini sa stupnjevanjem tlaka...............................................26 Slika 3.8 Proces u višestepenoj akcionoj turbini prikazan u i – s dijagramu................................26 Slika 3.9 Oblik lopatica (a) akcione i (b) reakcione parne turbine................................................27 Slika 3.10 Višestepena reakciona turbina....................................................................................27 Slika 3.11 i – s dijagram procesa u jednostepenoj reakcionoj turbini...........................................28 Slika 3.12 Stepen iskorištenja u zavisnosti od omjera u/c............................................................28 Slika 3.13 Ovisnost iskoristivog pada entalpije u stepenima parne turbine..................................29 Slika 3.14 Usporedba dužina stepena reakcione i akcione turbine..............................................29 Slika 3.15 Radijalna parna turbina...............................................................................................30 Slika 3.16 Kondenzacijska parna turbina.....................................................................................31 Slika 3.17 Posljednji stepen turbine.............................................................................................32 Slika 3.18 Protutlačna parna turbina............................................................................................33 Slika 3.19 Parna turbina sa reguliranim oduzimanjem.................................................................34 Slika 3.20 Parna turbina s dva neregularna oduzimanja pare......................................................35 Slika 3.21 Parna turbina s međupregrijavanjem pare..................................................................36 Slika 4.1. Toplotna šema bloka 100MW TE ''TUZLA''...............................................................42 Slika 4.2 Dijagram režima rada rekonstruisane kondenzacijske turbine 100 MW u toplifikacijsku................................................................................................................................43 Slika 4.3 Dijagram dodatno proizvedene električne energije u slučaju da se para oduzeta u ''RO'' usmjeri na dalju ekspanziju u ''CNP''...............................................................................47 Slika 4.4 Dijagram specifične potrošnje pare u CNP, kg/kWh.....................................................49 Slika 4.5 dijagram električne energije proizvedene u CNP turbine za različite toplifikacione rada.............................................................................................................................................50 Slika 4.5 dijagram snage na stezaljkama generatora koja se proizvede u turbini niskog pritiska, u funkciji protoka pare krot CNP ....................................................................................51

55

LITERATURA

[1] V. Đurić ‘‘Kotlovi Građevinska knjiga‘‘, BEOGRAD 1989. god.

[2] I. Hatunić ‘‘Analiza termoenergetskih procesa u stacionarnim režimima rada‘‘, Magistarski rad

[3] P. Jurić ‘‘Poboljšanje režima rada toplifikacijske parne turbine‘‘, Magistarski rad

[4] N. Hadžiomerović ‘‘Turbomašine‘‘, Sarajevo 1971.

[5] Minenergo SSR ‘‘Rekonstrukcija turbine K­100­90­6 sa ciljem ugradnje toplifikacionog oduzimanja pare‘‘, Projekat

[6] I.I. Kirilov ‘‘Parovie turbini i paroturbinie ustanovki‘‘, Mašinostroenie, Leningrad 1978.god.