TEPPP

Univerzitet u TuzliMašinski fakultetEnergetsko mašinstvoAk. 2012/13

Programski zadatakTermoenergetska postrojenja

Naser KešetovićI-192/07

SadržajPopis slika

1. Uvod...................................................................................................................................................1

1.1. Kondenzacijske parne elektrane..................................................................................................2

1.2. Parne elektrane – toplane...........................................................................................................3

2. Parne turbine......................................................................................................................................5

2.1. Princip rada.................................................................................................................................5

2.2. Podjela turbina............................................................................................................................7

2.3. Stepen korisnog djelovanja.........................................................................................................7

2.4. Regulacija broja obrtaja...............................................................................................................7

3. Parni kotlovi........................................................................................................................................8

3.1. Podjela kotlova............................................................................................................................8

3.2. Plamenocijevni kotlovi.................................................................................................................8

3.3. Vodocijevni kotlovi......................................................................................................................9

3.4. Kotlovi prirodne cirkulacije..........................................................................................................9

3.5. Kotlovi prinudne cirkulacije.......................................................................................................10

3.6. Prijenos topline u kotlu..............................................................................................................10

3.7. Dijelovi parnog kotla..................................................................................................................11

4. Programski zadatak..........................................................................................................................13

4.1. Uvod..........................................................................................................................................14

4.2. Toplotni i maseni bilans izmjenjivača topline toplotnog potrošača...........................................15

4.3. Toplotni i maseni bilans zagrijâča vode.....................................................................................16

4.4. Toplotni i maseni bilans međupregrijača...................................................................................17

4.5. Toplotni i maseni bilans kondenzatora......................................................................................18

4.6. Napojna pumpa.........................................................................................................................18

4.7. Kondenzaciona pumpa..............................................................................................................19

4.8. Visokotlačna turbina..................................................................................................................19

4.9. Niskotlačna turbina...................................................................................................................20

Literatura..............................................................................................................................................22

Popis slikaBr. Naziv StranaSlika 1. – Osnovni ciklus svake parne turbine 3.Slika 2. – Shema kondenzacijskog postrojenja s T-s dijagramom 4.Slika 3. – Shema s međupregrijanjem 5.Slika 4. – Shema postrojenja s regenerativnim zagrijačima napojne vode 5.Slika 5. – Parna elektrana - toplana 6.Slika 6. – Shema parne elektrane – toplane 7.Slika 7. – Primjer parne turbine 7.Slika 8. – Pritisak koji djeluje na lopatice 8.Slika 9. – Akcioni i reakcioni stepen 9.Slika 10. – Dijagram pritiska i brzine 9.Slika 11. – Plamenovijevni kotao 11.Slika 12. – Vodocijevni kotao 11.Slika 13. – Shema prirodne cirkulacije 12.Slika 14. – Shema prisilne cirkulacije 12.Slika 15. – Usvojena tehnološka šema 16.Slika 16. – Izmjenjivač topline 18.Slika 17. – Shema međupregrijača 19.Slika 18. – Shema ZNV I 19.Slika 19. – Shema ZNV II 20.Slika 20. – Shema ZNV III 20.Slika 21. – Shema kondenzatora 21.Slika 22. – Termoenergetsko postrojenje 25.

1. UvodParna elektrana je energetsko postrojenje čija je osnovna namjena proizvodnja i

transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije iskorištava za proizvodnju električne energije. U osnovi čitavog ciklusa je modificirani Rankinov kružni ciklus i čitav proces pojednostavljeno prikazan izgleda kao na slici 1.

Slika 1. Osnovni ciklus svake parne termoelektrane

Ciklus započinje sagorijevanjem prikladnog goriva unutar ložišta parnog kotla (tačka 2 na slici). Parni kotao se u osnovi projektuje prema vrsti goriva koji koristimo, a gorivo može biti u čvrstom, tečnom ili gasovitom stanju. Toplota, dobivena sagorijevanjem, se prenosi na radni medij, tj. vodenu paru, koja se sistemom cijevi odvodi do ekspanzionog uređaja – turbine (3) gdje se vrši obrtno kretanje. Na istom vratilu na kojem je turbina se nalazi i generator (5), te obrtanjem turbine, obrće se i generator, što zauzvrat dovodi do pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju. S druge strane, voda nastavlja svoj ciklus tako što će se kondenzovati u tečnu fazu putem kondenzatora (4), a dalje će se napojnom pumpom (1-2) ponovno ubaciti u kotao, gdje se taj ciklus završava, a počinje novi.

U zavisnosti od nivoa početnog pritiska svježe pare razlikujemo termoelektrane s podkritičnim pritiskom, gdje se pritisak kreće u granicama od oko 160 do 170 bara, te nadkritičnim pritiskom, koji doseže vrijednosti i preko 220 bara.

Hlađenje može biti protočno i povratno. Razlika je u tome što se kod protočnog hlađenja, voda za hlađenje kondenzatora uzima iz prirodnog izvora, bilo rijeke ili jezera, propušta kroz kondenzator i vraća nazad u svoj prirodni tok. S druge strane, ako ne postoji prirodni izvor vode za hlađenje, ista voda stalno se propušta kroz kondenzator i stalno se hladi u posebnim instalacijama. Izbor sistema hlađenja vezan je za osnovnu dilemu oko izbora lokacije termoelektrane – blizu rijeke ili blizu rudnika uglja.

Prednost parnih termoelektrana je u tome što imamo velike jedinične snage, uz visoke parametre svježe pare (170 bar pri 565°C), te visokoj sigurnosti pogona, pa može biti u neprekidnom radu s maksimalnom snagom i po nekoliko hiljada radnih sati. Međutim, važno je napomenuti da prilikom svoga rada, termoelektrane ispuštaju stakleničke plinove koji se moraju filtrirati, što predstavlja dodatni trošak prilikom izrade postrojenja. Parne elektrane dijelimo na:

Termoenergetska postrojenja – Programski zadatak|4

- kondenzacijske parne elektrane- parne elektrane – toplane

1.1. Kondenzacijske parne elektrane

PK – parni kotao (generator pare) G – generator PP – pregrijač pare K – kondenzator T – turbina NP – napojna pumpa

Slika 2. Shema kondenzacijskog postrojenja s T-s dijagramom

Proces odlikuje činjenica da maseni protok napojne vode ostaje konstantan kroz čitav proces, i da je sam proces zatvoren. Napojna voda, najnižih parametara biva ubrizgana u parni kotao putem napojne pumpe, najčešće iz spremnika napojne vode. U kotlu se zagrijava preko tačke isparenja, te mijenja fazu, da bi dalje došla do pregrijača pare. U pregrijaču pare, vodenoj pari dodajemo još više toplote dobivene sagorijevanjem u kotlu, zbog čega ona postaje pregrijana - suhozasićena, što nam daje najbolje osobine za vršenje rada u turbini. Parametri pare tu mogu doseći vrijednosti pritiska i od 170 bar pri temperaturi do 560°C, te se kao takva pušta u turbinu. Turbina može se sastojati od samo jednog dijela, međutim, ako se radi o visokim parametrima, radi postizanja što boljeg toplotnog pada, u klasičnim termoelektranama imamo najčešće 2 cjeline, visokotlačni dio i niskotlačni dio, s tim da se između ta dva dijela vodena para odvodi nazad u parni kotao, tačnije u međupregrijač, gdje se ponovno zagrijava na vrijednosti svježe pare (slika 3.). Nakon izvršenog rada u turbini, vodena para se propušta u kondenzator, gdje se kondenzuje do početnih parametara, te, najčešće, prosljeđuje kondenz pumpom u spremnik napojne vode, gdje nastavlja svoj ciklus.


VT – visokotlačna turbina NT – niskotlačna turbina MP - međupregrijačSlika 3. Shema s međupregrijanjem

Radi daljnjeg poboljšanja i približenja idelanom ciklusu, postoje dodatni dijelovi svakog postrojenja koji povećaju stepen iskorištenja ovakvog postrojenja. Oni predstavljaju zagrijače napojne vode, gdje se toplina dobija oduzmanjem dijela pare s turbine. Zagrijača napojne vode može biti dva, tri ili više, u zavisnosti od ekonomske isplativosti takvih ugradbi. Shemu takvog postrojenja možemo viditi na slici 4.

ZNV I i II – zagrijač napojne vodeSlika 4. Shema postrojenja s regenerativnim zagrijačima napojne vode

I pored svih načina poboljšanja, treba napomenuti da efektivni stepen iskorištenja ovakvog postrojenja se kreće u rasponu od 25-35%. Pored toga, važno je napomenuti da su potrebne jako velike količine rashladne vode za kondenzator, što povećava cijenu postrojenja, pogotovo u slučaju da moramo pribjegavati rješenjima poput korištenja hiperboličkih rashladnih tornjeva.

Najveće postrojenje ovakvog tipa je izgrađeno u Sjedinjenim Američkim Državama – termoelektrana Cumberland, koja je u pogonu od 1973. godine, s instalisanom snagom od 1,3 GW.

1.2. Parne elektrane – toplane

Slika 5. Parna elektrana - toplana


Prva izvedba komercijalne termoelektrane – Pearl Street Station od Thomasa Edisona, izgrađena 1882. godine, je bila ovog tipa, gdje je distribuirala ujedno i električnu i toplotnu energiju, tako da možemo reći da je ovaj koncept prisutan dugi niz godina, koji, zajedno s skorjašnjim interesom oko korištenja zelenije energije, predstavlja interesantno područje za proučavanje.

Ova izvedba parne elektrane sadrži sve dijelove kao i kondenzacijska parna elektrana, s jednom važnom razlikom, a to je da postoji dodatno oduzimanje pare, čija bi se toplina potrošila u kondenzatoru, koja se koristi za zagrijavanje stambenih i poslovnih prostora ili za neku procesnu industriju – tipa sušenja materijala, isparavanja vlage, toplina za hemijske reakcije ili destilaciju. Ovim potezom, stepen iskorištenja čitavog postrojenja može da dosegne vrijednosti do 80%. To ujedno znači da je i manje goriva potrošeno za da se dobije ista količina korisne energije. Mogućnost oduzimanja pare se javlja ili nakon nekog stepena u turbini ili na izlazu iz turbine. Najbolji stepen iskorištenja se dobija kada odvedena toplina se koristi u samom postrojenju ili u blizini istog. Ukupno iskorištenje opada ako se ona mora transportovati na duže razmake. Ovo zahtijeva jako dobru izolaciju na cijevima, što je neefikasno i skupo, jer s druge strane, električnu energiju možemo transportovati putem žica i kablova, što je relativno prostije od cijevi, na jako duže razmake uz iste gubitke.

IT – izmjenjivač topline SNV – spremnik napojne vodeSlika 6. Shema parne elektrane – toplane

Kao cjelina, Evropska unija generira 11 procenata električne energije koristeći kogeneracijske termoelektrane, što zauzvrat čini uštedu od 35Mtoe dnevno. U budućnosti se cilja na još veću raširenost kogeneracijskih termoelektrana, sve zbog povećanja ukupne energetske efikasnosti.


2. Parne turbineParne turbine predstavljaju uređaje koje

koriste toplotnu energiju iz pare pod pritiskom i koriste je za mehanički rad na vratilu. Prvi uređaj koji možemo klasificirati kao reakcijska turbina je bila igračka – Aeolipile, opisana u prvom stoljeću od strane grčkog matematičara Herona. Izumitelj moderne manifestacije je Charles Parsons, a svoje djelo je predočio 1884. godine. Njegova turbina, u spregu s dinamom je generirala 7,5 kW električne energije. Pored njegove izvedbe, poznata je i izvedba Gustafa de Lavala, čija se turbina odlikuje time što paru znatno ubrzava sapnicama prije nego ih obruši na lopatice turbine.

Turbine se izrađuju u raznim veličinama, počevši od snage manje od 0,75kW koje pokreću pumpe i kompresore do izvedbi 1,5 GW za generiranje električne energije.

Kondenzacijske turbine su najčešće korištene u termoelektranama. Na izlazu iz ove turbine dobijamo paru u djelomično kondenzovanom obliku, obično do 90% pri pritisku puno manjem od atmosferskog.

Nekondenzacijske turbine se koriste u procesnoj industriji. Izlazni pritisak se reguliše ventilom čija vrijednost odgovara datim potrebama. Ove izvedbe najčešće pronalazimo u rafinerijama, toplanama, u drvnoj i papirnoj industriji i drugim postrojenjima gdje imamo potrebu za velikim količinama vodene pare na nižim pritiscima.

Turbine s međupregrijanjem se isključivo koriste za generiranje električne energije, gdje je turbina podijeljena u više cjelina, najčešće u dvije – visokotlačni dio i niskotlačni dio. Između ove dvije sekcije, cjelokupna količina pare se vraća nazad u postrojenje za zagrijavanje – generator pare, gdje se ponovno zagrijava na početne parametre, da bi se potom isporučila na drugi dio turbine, gdje nastavlja svoju ekspanziju.

U turbinama s oduzimanjem pare, dio pare se odvaja na raznim stepenima ekspanzije, te se kao takva koristi za razne industrijske procesne potrebe ili se transportuje do regenerativnih zagrijača napojne vode za povećanje ukupnog stepena iskorištenja čitavog postrojenja. Oduzimajući tok može biti kontroliran ventilom ili nekontroliran.

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


Slika 7. Primjer parne turbine

Para pod visokim pritiskom nailazi prvo na nepokretne lopatice pretkola. One skreću struju pare i usmjeravaju 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 uslijed 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 smijera strujanja pare dovodi do stvaranja sile koja gura lopatice suprotno od pravca promjene brzine pare, a pošto se one mogu slobodno okretati s vratilom, to uzrokuje obrtanje rotora. Para sada izlazi s 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 stepen gdje se proces odvija iz početka, i tako sve do posljednjeg stepena i ulaska u kondenzator.

Prethodno opisan proces se odnosi na akcioni stepen. Reakcioni stepen je onaj kod kog se para u radnom kolu ne samo skreće, nego i dodatno ubrzava. Svaki od ove dvije vrste stepena ima svoje mane i prednosti. Akcioni stepeni 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 stepen je jednostavniji za izradu ali daje manju količinu rada, pa reakciona turbina mora imati veći broj stepena. Svrha postojanja više stepena je u sljedećem: stepen se može izraditi da ubrzava paru do enormnih brzina i da jedan stepen prerađuje ogromnu količinu energije; međutim, gubici uslijed trenja pri ovako velikim brzinama bi bili jako veliki toliki da bi stepen radio sa izuzetno niskim stepenom korisnosti.


Slika 8. Pritisak koji djeluje na lopatice

Slika 10. Dijagram pritiska i brzine

2.2. Podjela turbinaPo načinu strujanja turbine se dijele 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 stepena, turbomašine se dijele na jednostepene i višestepene. Turbine velikih snaga imaju oko 30 stepeni. 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.

2.3. Stepen korisnog djelovanjaStepen korisnosti toplotnih motora predstavlja 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. Kod konvencijalnih blokova velike snage para na ulazu u turbinu je temperature oko 500÷550 °C, sa pritiskom od oko 180 bara.

2.4. Regulacija broja obrtajaRegulacija 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 četveropolne generatore i moraju se obrtati sa učestalosti od 25Hz.


3. Parni kotloviParni kotao je pronašao francuski fizičar Deni Papen, 1680. godine. Prvi parni kotao sposoban

za praktičnu proizvodnju vodene pare za rad parne mašine napravio je 1710. godine engleski mehaničar Newcommen. Radom ove parne mašine praktično je dokaza mogućnost pretvaranja toplotne energije u mehanički rad.

Parni kotao se može definisati kao hermetički zatvoren sud u kome voda isparavanjem prelazi u vodenu paru pritiska većeg od atmosferskog. Za isparavanje se koristi toplota nastala sagorijevanjem goriva u kotlovskom ložištu ili dovedena toplota sa strane. Može se reći da je parni kotao energetski transformator, koji hemijsku energiju sadržanu u gorivu, sagorijevanjem oslobađa i predaje vodi, prevodeći je u parno stanje određenog pritiska i temperature. Ovakva para sposobna je da izvrši mehanički rad. Pod kotlovskim postrojenjem se podrazumijeva parni kotao i svi njegovi pomoćni uređaji koji su potrebni da se bi se iz napojne vode, korištenjem toplote goriva ili otpadne toplote, proizvela vodena para odgovarajućeg kvaliteta.

3.1. Podjela kotlovaKotlove možemo podijeliti na osnovu većeg broja kriterija, i to:

- prema veličini pritiska u kotlu: kotlovi niskog pritiska (do 16 bar) kotlovi srednjeg pritiska (16÷25 bar) kotlovi visokog pritiska (25÷60 bar) kotlovi vrlo visokog pritiska (iznad 60 bar)

- prema načinu strujanja produkata sagorijevanja kroz kotao: plamenovijevni kotlovi vatrocijevni kotlovi

- prema načinu cirkulacije vode u kotlu kotlovi prirodne cirkulacije kotlovi prinudne cirkulacije protočni parni kotlovi

- prema načinu sagorijevanja čvrstog goriva kotlovi sa sagorijevanjem u letu kotlovi sa sagorijevanjem u sloju

3.2. Plamenocijevni kotloviKod ovih kotlova, produkti sagorijevanja struje kroz jednu ili više plamenih cijevi, tzv. plamenica, i dalje kroz dimovodne cijevi oko kojih struji prijemnik toplote, obično voda i vodena para. Ugradnjom plamene cijevi uronjene u vodeni prostor ekscentrično intenzivira se cirkulacija i predaja toplote u kotlu.


Slika 11. Plamenocijevni kotao

3.3. Vodocijevni kotloviU vodocijevnim kotlovima, osnovni oblik elementa pod pritiskom koji je u dodiru sa produktima sagorijevanja je cijev, a njihovi sabirnici i razdjelnici u obliku cijevi većeg prečnika obično su van dodira vrućih produkata sagorijevanja

3.4. Kotlovi prirodne cirkulacijeAko se cirkulacija prijemnika toplote u isparivaču kotla obavlja samo pod djelovanjem sila

uzgona, onda se u tom slučaju radi o kotlovima prirodne cirkulacije. Takav parni kotao predstavlja sistem spusnih (hladnih) i podiznih (toplih) cijevi, spojenih sa kotlovskim bubnjem u kojima se odvija proces isparavanja. U kotlovskom bubnju se vrši odvajanje pare od mješavine vode i pare. Cirkulacija se ostvaruje na račun razlike gustoće između stuba vode u spusnim cijevima i gustoće stuba mješavine vode i pare u podiznim cijevima. Cirkulaciju karakteriše cirkulacioni broj koji predstavlja odnos količine vode koja se dovodi u kolo (Dc) i količine pare koja se iz kotla odvodi (D), a istovremeno predstavlja i recipročnu vrijednost količine pare u mješavini na izlazu iz isparivača, tj.:

x=Dc

D= 1

X

Proračun cirkulacije u prostom cirkulacionom kolu izvodi se tako što se izjednače sile uzgona prirodne cirkulacije i ukupan pad pritiska u kotlu. Ako voda ulazi u kotao sa temperaturom nižom od temperature ključanja, onda se ona mora da prvo zagrije dok u tački C ne počne da ključa. Ho predstavlja dio cijevi u kome se vrši zagrijavanje kao u zagrijaču, dok se sam proces isparavanja vrši između tačaka C i D.


Slika 12. Vodocijevni kotao

Slika 13. Shema prirodne cirkulacije

3.5. Kotlovi prinudne cirkulacijePrinudna cirkulacija vode i pare kod parnih kotlova se ostvaruje pomoću pumpi. Kod kotlova specijalnih konstrukcija, koji rade sa vrlo visokim pritiscima, visokom temperaturom i velikom proizvodnjom pare, prirodna cirkulacija vode nije dovoljna za sigurni rad kotla. Porastom kotlovskog pritiska, razlika u specifičnim težinama vode i pare se smanjuje. Ovim se smanjuje i brzina cirkulacije vode, te je i zbog toga neophodna prinudna cirkulacija, koja ima dobru karakteristiku da vrši nezavisnost cirkulacije vode od slučajnih zastoja cirkulacije, što isključuje mogućnost

pregrijavanja kotla i njegovih dijelova, te je i sama konstrukcija kotla pogodnija za iskorištavanje toplote zračenjem, prečnici kotlovskih cijevi mogu biti manji i sa većim brojem krivina prilagođeni ozidu kotla.

3.6. Prijenos topline u kotluSagorijevanjem goriva u ložištu kotla oslobađa se potrebna količina toplote. Ova toplota

zagrijava vodu u vodogrejnom kotlu ili pretvara vodu u vodenu paru određenog pritiska u parnom kotlu, zatim u pregrijaču prevodi zasićenu paru u pregrijanu. Dio ove toplote služi i za zagrijavanje vode u ekonomajzeru, kao i za zagrijavanje vazduha potrebnog za sagorijevanje. Ukoliko se veći dio toplote oslobođene u ložištu prenese na vodu u kotlu, na vodu u zagrijaču vode i na vazduh u zagrijaču vazduha, utoliko će stepen iskorištenja kotla biti veći. Ovo postižemo održavanjem u što čistijem stanju grejnih i naknadno grejnih površina kotla.

Prenošenje toplote u kotlovima vrži se istovremeno zračenjem, kondukcijom i konvekcijom. Proces prenošenja toplote odvija se na idući način:

- zračenjem usijanog goriva i produkata sagorijevanja na zagrejvnu površinu kotla (ozračena površina kotla)

- provođenjem toplote kroz kotlovske limove i cijevi- dodirom vode i vodene pare sa unutrašnjim zidovima kotlovskih limova i cijevi- strujanjem kroz vodu i vodenu paru

Količina prenijete toplote na kotao zavisi od veličine ogrjevne površine kotla, razlike u temperaturi ložišnog prostora i vode u kotlu, koeficijenta prelaza toplote i vremena rada kotla. Prelaz toplote se povećava većom razlikom temperature produkata sagorijevanja i vode u kotlu, većom brzinom strujanja dimnih gasova i bržom cirkulacijom vode u kotlu.

Najveći dio toplote se prenosi zračenjem, naročito kod visokih temperatura ložišta, i to u samom ložišnom prostoru. Kod savremenih kotlova to iznosi od oko 80% ukupne oslobođene toplote. To je i razlog što se kod savremenih kotlova povećava ozračena površina. Količina prenijete toplote iz ložišta na limove i cijevi kotla računa se po obrascu:

Q=α1 ∙ A ∙ (t g−t z )∙ hKoličina toplote prenešene sa kotlovskih cijevi na vodu računa se kao:

Q=α2 ∙ A ∙ (t z−t v) ∙ h


Slika 14. Shema prisilne cirkulacije

http://hr.wikipedia.org/wiki/Datoteka:Forced_flow_boiler.gif

Količina toplote prenešene putem zračenja:

Q=A ∙C1∙[( Tg100 )

4

−( Tz100 )

4] ∙ hgdje je:

Q – količina toplote α – koeficijenti kondukcije i konvekcijeA – ogrjevna površina kotla C1 – koeficijent prelaza zračenjemh – vrijeme u satima tz – temperatura unutrašnje strane cijeviTg – temperatura plamena i dimnih gasova tv – temperatura vode u cijeviTz – temperatura ogrjevne površine kotla

3.7. Dijelovi parnog kotla- Kotlovski bubanj je zatvoren valjkasti čelični sud prečnika od 1÷2,5 metara ili više sudova

međusobno spojenih cijevima u kojima se voda pretvara u vodenu paru. Kotlovski doboš ima vodeni i parni prostor. Nivo vode u dobošu varira u određenim granicama. Najniži dopušteni nivo vode u dobošu se zove vodena ivica. Ako nivo vode opadne ispod ove ivice, smatra se da je kotao ostao bez vode, dijelovi kotlovskog lima i cijevi se pregrijavaju, pa može doći do deformacija ili eksplozije.

- Vatrena ivica je visina do koje je dopušteno dopiranje vrelih dimnih gasova. Vatrena ivica mora biti 10÷15cm ispod vodene ivice. Šamotnim ozidom sprečava se prodiranje vrelih dimnih gasova iznad vatrene ivice. Najviši nivo vode u bubnju može biti 10÷12cm iznad vodene ivice. Ovo zavisi od sistema i veličine kotla. Nivo vode u kotlu se obično održava na sredini, između vodene ivice i najvišeg dopuštenog nivoa u kotlu. Ako nivo vode u bubnju poraste iznad dopuštenog nivoa, smanjuje se parni prostor kotla što povećava vlažnost zasićene pare.

- Paroskupljač ili parni dom je sud koji služi za odvajanje zasićene vodene pare od vode. U njemu se vodene čestice iz pare donekle odvajaju i vraćaju u bubanj, a para postaje manje vlažna.

- Vodeni prostor parnog kotla je prostor ispunjen vodom. Ukoliko je vodeni prostor veći, utoliko je rad kotla elastičniji, tj. nagle promjene opterećenja odnosno proizvodnje pare blaže se održavaju na kolebanje pritiska u kotlu. Velika količina vode sa akumulisanom toplotom nadoknađuje neravnomjernu potrošnju vodene pare i ublažava pad pritiska u kotlu. Kotlovi s malim vodenim prostorom brzo se pripremaju za pogon, ali daju zasićenu paru sa većim stepenom vlažnosti i kod neravnomjernog opterećenja naglo mijenjaju pritisak.

- Isparavajuća površina kotla je površina nivoa vode u kotlu, vodeno ogledalo.- Napojni prostor je prostor između vodene ivice i najvišeg dopuštenog nivoa u kotlu.

Naizmjenično se prazni i puni vodom u zavisnosti od proizvodnje pare, odnosno napajanja.- Ložište je prostor u kome sagorijeva gorivo, na rešetki ako je komadastog oblika ili u

ložišnom prostoru ako je u prašinastom, tečnom ili gasovitom stanju. Ispod rešetke je pepeljara, a na kraju rešetke koš za šljaku. Sa strane rešetke kroz vazdušne kanala i ispod rešetke kroz procijepe dovodi se vazduh potreban za sagorijevanje. Ložište nema rešetku, ako se kotao loži ugljenom prašinom, tečnim ili gasovitim gorivom. U tom slučaju ima ugrađene gorionike. Neka ložišta za sagorijevanje ugljene prašine imaju malu rešetku za dogorijevanje krupnijih čestica koje ne sagore u letu, već padaju na dno ložišta.

- Dimni kanali služe za odvođenje dimnih gasova iz kotlovskog ložišta u dimnjak. Dimni kanali se grade tako što veća količina toplote bude predata grejnim površinama kotla. Kod projektovanja se,


pored navedenog, vodi računa da gasovi sa određenim temperaturama moraju napustiti kotao. Strujanje vode i pare u kotlu i dimnih plinova može biti u istom smijeru, suprotnom ili čak poprečno.

- Dimnjak služi da obezbijedi prirodnu promaju u kotlu i da izbaci dimne plinove u više slojeve atmosfere. Dimnjak mora da ima odgovarajuću visinu, poprečni presjek i da bude obložen termičkom izolacijom. Visinu dimnjaka određuju potrebna jačina promaje u kotlu i higijenski zahtjevi čistoće zraka. Koji će od ova dva biti uticajniji, to zavisi od mjesta izgradnje kotlarnice, naseljena ili nenaseljena mjesta.

- Armatura i apratura kotla služi za bezbijednost rada, kontrolu i eksploataciju kotla. Na kotlu postoji armatura koja je zakonom propisana. Ostala armatura se postavlja na kotao radi lakšeg i boljeg korištenja kotla, pouzdanijeg rada i povećanog stepena automatizacije. Kotlovsku armaturu dijelimo na grubu i fino. U finu armaturu spadaju:

- vodokazna stakla i probne slavine- automatski uređaji za napajanje kotla- manometri - termometri- napojne glave- svi ventili za paru i vodu i sigurnosni ventili- slavine za odmuljivanje

U grubu armaturu spadaju: vrata, zasuni, ventilatori, mlinovi za uglja, gorionici za ugljenu prašinu i tečna goriva. U aparaturu kotla spadaju svi instrumenti preko kojih se prati rad kotla i vrši ručna ili automatska regulacija njegovog rada.

- Pregrijači pare, zagrijači vode i zagrijači vazuha svi zajedno spadaju u naknadne ogrjevne površine kotla i služe za povećanje stepena iskorištenja istog, odnosno omogućavaju uštedu goriva. Pregrijači pare prevode zasićenu paru u pregrijanu, tj. u paru više temperature, ne mijenjajući joj pri tom pritisak. Temperatura pregrijavanja pare zavisi od namjene kotla. Zagrijači vode i vazduha su smješteni u izlazni kanal dimnih gasova. Zagrijavaju vodu za napajanje kotla i zrak za sagorijevanje, koristeći temperaturu izlaznih dimnih plinova.

- Ozid kotla ima za cilj da svede na najmanju moguću mjeru gubitak toplote u okolinu, spriječi prodiranje spoljašnjeg zraka u kotao, odnosno dimnih gasova u kotlarnicu, i da akumulira toplotu koja omogućava pravilno sagorijevanje kod nekih kotlova.


4. Programski zadatakUsvojiti tehnološku šemu i izvršiti toplotni proračun šeme kondenzacione termoelektrane čiji

su parametri:mp= 150 t/h – produkcija pare iz kotlap= 90 bar – pritisak ispred turbinet= 510 °C – temperatura ispred turbineQ = 2 MWt – potrebna količina toplote

Izvršiti izbor i opis opreme za usvojenu tehnološku šemu.

Slika 15. Usvojena tehnološka shema


4.1. UvodUsvojeni pad entalpije radnog kola za:

- akcioni stepen – 120 kJ/kg- reakcioni stepen – 60 kJ/kg

VTT

br. Pritisak na izlazu iz

radnog kola

Temperatura na ulazu u radno kolo

Temperatura na izlazu iz

radnog kola

Entalpija na izlazu iz radnog kola (adijabatska

promjena stanja)

Entalpija na izlazu iz radnog kola (politropska

promjena stanja)- [bar] [°C] [°C] [KJ/kg] [KJ/kg]- 150 550 3436 3634,46

I akc. 110 490 445 3316 3382,32II akc. 75 445 415 3196 3259,92III akc. 48 415 350 3076 3137,52IV akc. 30 350 285 2836 2888,64

STT

br. Pritisak na izlazu iz radnog

kola

Temperatura na ulazu

u radno kolo


radnog kola

Entalpija na izlazu iz radnog kola

(adijabatska promjena stanja)


promjena stanja)

- [bar] [°C] [°C] [KJ/kg] [KJ/kg]- 30 540 3550 3621

V akc. 22 485 425 3430 3498,6VI akc. 15 425 - 3310 3376,2

NTT

br. Pritisak na izlazu iz radnog

kola

Temperatura na ulazu

u radno kolo


radnog kola

Entalpija na izlazu iz radnog kola

(adijabatska promjena stanja)


promjena stanja)

- [bar] [°C] [°C] [KJ/kg] [KJ/kg]- 15 425 3310 3376,2

VIII akc. 10 365 295 3190 3253,8IX akc. 7 295 239 3060 3121,2X akc. 3,75 239 175 2940 2998,8XI akc. 2,2 175 115 2820 2876,4XII akc. 1,2 115 - 2700 2754XIII reakc. 0,9 2640 2692,8XIV reakc. 0,6 2580 2631,8XV reakc. 0,38 2520 2570,4XVI reakc. 0,28 2460 2509,2XVII reakc. 0,17 2400 2448XVIII reakc. 0,1 2340 2386,8XIX reakc. 0,07 2280 2325,6XX reakc. 0,04 2220 2264,4XXI reakc. 0,025 2160 2203,2


Vrijednost entalpije na izlazu iz radnog kola za adijabatsku promjenu stanja (tj. pri s=const), pri čemu se radi o zasićenom području (x<1) određujemo na idući način:Za pritisak od p=0,025 bar, iz termodinamskih tablica1 dobijamo vrijednosti:

i’=88,5 kJ/kg s’=0,3124 kJ/kgKi’’=2530 kJ/kg s’’=8,642 kJ/kgK

Kako je entropija na ulazu u niskotlačnu turbinu s=7,2715 [KJ/kgK] i konstantna je za cijelu promjenu stanja, to slijedi da je entropija za p=0,05 bara i zasićeno područje s=7,2715 KJ/kg, te mogu odrediti stepen zasićenja x:

s=s '+x (s ' '+s' ) →x= s−s 's' '−s '

=0,846

Iz ovog proračuna toplotnih padova usvajamo sljedeće:- VT turbina ima četiri akciona radna kola sa padovima od po 120 kJ/kg- ST turbina ima dva akciona radna kola sa padovima od po 120 kJ/kg- NT turbine ima pet akcionih radnih kola sa padovima do po 120 kJ/kg, i devet reakcionih

radnih kola sa padovima od po 60 kJ/kg.- odvajanje za toplotni potrošač vrši se sa I akcionog stepena srednjetlačne turbine pri pritisku

od 22 bar, pri čemu para odlazi iz izmjenjivača topline u zagrijač vode ZNV3- odvajanje za zagrijač vode ZNV1 vrši se s II akcionog stepena visokotlačne turbine, pri

pritisku od 75 bar i entalpiji od h=3259,92kJ/kg- odvajanje za zagrijač vode ZNV2 vrši se s III akcionog stepena visokotlačne turbine, pri

pritisku od 48 bar i entalpiji od h=3137,52 kJ/kg- odvajanje za zagrijač vode ZNV4 vrši se s III akcionog stepena niskotlačn turbine, pri pritisku

od p=3,75 bar I entalpiji od h=2998,8- odvajanje za kondenzator odvija se XIV reakcionom stepenu niskotlačne turbine, pri pritisku

od p=0,025 bar i entalpiji od h=2530 KJ/kgUsvajam da kondenz pumpa povećava pritisak kondenzata s p=0,025 bar na 8 bar, te šalje kondenzat kroz sistem. Zbog savladavanja otpora u cjevovodu kotla (zbog gubitaka), napojna pumpa podiže pritisak na 150 bar, što je za 5 bar više od pritiska u bubnju kotla. Kroz 4 zagrijača, zagrijavamo napojnu vodu na temperaturu 170 °C što je neznatno manje od temperature zasićenja. U kotlu je postavljen ekonomajzer gdje se voda dogrijava sa 170°C na temepraturu 8,3°C nižu od temperature zasićenja pri pritisku od 150bar (t z=342,11°C), tj. na temperaturu od 550°C.

1 Edin Huremović; Hajrudin Ibrahimović – Termodinamičke tablice i dijagrami (Sarajevo, 1998. godina)


4.2. Toplotni i maseni bilans izmjenjivača topline toplotnog potrošača

Qdov=mw ∙ c pw ∙∆ tw - dovedeno ogrjevnom fluiduQodv=m3 ∙ (h6−h17 ) - toplota odvedena od pare

Količina vode koja treba da protiče kroz izmjenjivač topline iznosi:

mw=Q

c pw (tw1−tw 2)=59,7 kg

s

Poznate vrijednosti:

- h14 = 3498,6 kJ/kg – entalpija pri izlasku iz datog stepena niskotlačne turbine- h15 = 936,4 kJ/kg – entalpija pri p=8,5 bar i temperaturi zasićenja- tw1 = 70°C – temperatura vode na ulazu u izmjenjivač topline- tw2 = 90°C – temperatura vode na izlazu iz izmjenjivača topline- cpw = 4,187 kJ/kgK – specifični toplotni kapacitet vode pri konstantnom pritisku

4.3. Toplotni i maseni bilans zagrijâča vodeUsvajam da zagrijač napojne vode br. 1 podiže temperaturu napojne vode s 100°C na 150°C, što je niže od temperature zasićenja pri radnom pritisku od 5bar.

Svi zagrijači su idealni.

h14 ∙ mp=h2 ∙m1+h13 ∙¿

⇒h13=m p ∙ h14−m1 ∙ h2

mp−m1=529,7 kJ /kg


- mp = 42,22 kg/s – produkcija pare iz kotla- m1 =2,9554 kg/s – produkcija pare na I izlazu iz VT turbine- h2 = 3259,92 kJ/kg – entalpija vodene pare oduzete sa VTT- h14 = 720,9 kJ/kg- entalpija za p=8 bar, na ulazu u SNV


Slika 16. Izmjenjivač topline

Slika 17. Bilansi ZNV 1

h13 ∙¿

⇒h12=h13 ∙¿¿

Poznate vrijednosti:- mp = 42,22 kg/s – produkcija pare iz kotla- m1 = 2,9554 kg/s – količina pare oduzeta za prvi zagrijač napojne vode- m2 = 2,749 kg/s - količina pare oduzeta za drugi zagrijač napojne vode- h3 = 3137,52 kJ/kg –entalpija radnog medija oduzetog na drugom stepenu iz VTT- h13 = 529,7 kJ/kg - entalpija na izlazu iz ZNV2

h12 ∙¿

⇒h11=h12 ∙¿¿



Slika 18. Bilansi ZNV2

Slika 19. Bilansi ZNV III

- mp = 42,22 kg/s – produkcija pare iz kotla- m1 = 2,9554 kg/s – količina pare oduzeta za prvi zagrijač napojne vode- m2 = 2,749 kg/s - količina pare oduzeta za drugi zagrijač napojne vode- m4 =2,55 kg/s – količina pare oduzete za toplotni potrošač- h12 = 333,52 kJ/kg – entalpija na izlazu iz ZNV3 - h17 = 930,9 KJ/kg – entalpija vode po izlasku iz IT za toplotni potrošač

h11 ∙¿⇒h10=h11 ∙¿¿

U posljednje dvije bilansne jednačine nepoznate vrijednosti su entalpija h 7 i količina oduzete pare s visokotlačne turbine m2. Rješavanjem datog sistema od dvije jednačine s dvije nepoznate dolazim do idućih vrijednosti:

h7,1 = 3632,13 KJ/kgh7,2 = 185,925 KJ/kg

Budući da nije moguće da entalpija u tački 7 bude 3632,13 KJ/kg, eliminiram taj rezultat, te uzimam da je entalpija u tački h7 = 185,925 KJ/kg. Na osnovu ovog podatka dobijam količinu oduzete pare s visokotlačne turbine:

m2 = 3,31 kg/sOvo znači da zagrijač napojne vode br. 3 podiže temperaturu napojne vode s 32,88°C na 44,1°C, te time je proračun regenerativnih zagrijača napojne vode završen.

4.4. Toplotni i maseni bilans međupregrijača


Slika 19. Bilansi ZNV III

Količina toplote dovedena u međupregrijaču:

Qodv=m3 ∙ (h5−h4 )=26,6MW


- m3 = 36,51 kg/s – maseni udio pare na izlazu iz VTT- h4 = 2892,72 kJ/kg – enalpija pare na izlazu iz VTT- h3 =3621 kJ/kg – enalpija pare na ulazu u STT

4.5. Toplotni i maseni bilans kondenzatora

Qdov=mwk ∙ c pwk ∙∆ twk+m7 ∙ h9

Qodv=m7 ∙ h10=2806,08 kW

˙mwk=Q odv−m7h9cpwk ∙ ∆ twk

=1527 kgs


- m7 = 31,6 kg/s – maseni udio pare na izlazu iz NTT- h9 = 2203 KJ/kg – entalpija v. pare na izlazu iz NTT- h10 = 88,8 KJ/kg – entalpija napojne vode iz izlaza iz kondenzatora- cpw = 4,187 KJ/kgK – specifični toplotni kapacitet vode pri konstantnom pritisku- ∆twk = 12°C – razlika temepratura na ulazu i izlazu iz kondenzatora


Slika 20. Shema međupregrijača

Slika 21. Shema kondenzatora

4.6. Napojna pumpa

Pumpu tražimo prema narednim podacima:- protok napojne pumpe: mp = 42,22 kg/s = 170 t/h- pritisak na ulazu u napojnu pumpu: p = 8 bar- temperatura na ulazu u napojnu pumpu: t = 170 °C- pritisak na izlazu iz napojne pumpe: p = 150 bar

Iz kataloga2 usvajamo pumpu: Boiler Feed Pump PE 150-63 idućih karakteristika:- kapacitet: mp = 150 t/h- maksimalna temperatura pumpanja: t = 165°C- snaga motora: N = 500 KW- broj obrtaja: n = 2980 min-1

4.7. Visokotlačna turbinaPodaci:

- pritisak svježe pare na ulazu u VTT: p = 150bar- temperatura svježe pare na ulazu u VTT: t = 550 °C- pritisak na izlazu iz VTT: p = 30bar- temperatura na izlazu iz VTT: t = 285 °C- broj radnih kola: N = 4- tip radnih kola: akciona turbina- toplotni pad po jednom stepenu: 120 KJ/kg- stepen iskorištenja VTT: ηiVT = 0,933- snaga VTT: N = 18,41 MW- termički stepen iskorištenja: ηt = 0,86- mehanički gubici u turbini: ηm =0,98

Proračun VTT:

- stepen iskorištenja:

ηiVT =(h1−h4) politropski(h1−h4)adijabatski

=0,86

- snaga VTT pri politropskoj ekspanziji:

NVT=m p (h1−h13 )+ ˙(mp¿−m1) (h13−h2 )=15,835MW ¿- adijabatska snaga turbine:

N adVT=NVT

ηiVT=18,41MW

- količina toplote dovedena kotlu: QdovKT=Qdov 10−1+Qdov 2−3=m p (h1−h10 )+QMP=98,38MW

2 http://www.pumpsland.com/en/power-feed-e.htm


- potrošnja goriva:

Bn=mp(i1−i10)

H d ∙ ηk=5,7 kg

s


- QMP – količina toplote dovedena u međupregrijaču- h10 = 1316 KJ/kg – entalpija na ulazu u kotao, tj. entalpija pri p=90bar i t=295°C- h1 = 3410 KJ/kg – entalpija na ulazu u turbinu, tj. entalpija pri p=90bar i t=510°C- Hd = 17000 KJ/kg – donja toplotna moć uglja- ηk =0,9 – stepen iskorištenja kotla

4.9. Niskotlačna turbinaPodaci:

- pritisak svježe pare na ulazu u NTT: p = 18 bar- temperatura svježe pare na ulazu u NTT: t = 430 °C- pritisak na izlazu iz NTT: p = 0,05 bar- temperatura na izlazu iz NTT: t = 32,88 °C- broj radnih kola: N = 15- tip radnih kola: 6x akcioni

9x reakcioni- toplotni pad po jednom stepenu: 110 KJ/kg – akcioni

50 KJ/kg – reakcioni- stepen iskorištenja NTT: ηiNT = 0,96- snaga NTT: N = 138,6 MW- termički stepen iskorištenja: ηt = 0,96- mehanički gubici u turbini: ηm =0,98

Proračun: NTT:- stepen iskorištenja:

ηiVT =(h3−h4) politropski(h3−h4)adijabatski

=0,96

- snaga NTT pri politropskoj ekspanziji:N NT=(m p−m1 ) (h3−h14 )+(m p− ˙m1−m2) ( h3−h15 )+¿

+(m p−m1−m2−m3)(h3−h4 )=133,065MW- adijabatska snaga turbine:

NadNT=NNT

η∫¿=138,6MW ¿

- termički stepen iskorištenja


ηt=NadVT +NadNT

QdovKT=0,846

- ukupan stepen iskorištenjaηuk=ηiVT ∙ η∫¿ ∙ηm ∙ ηg=0,77¿

Za ove karakteristike parne turbine, usvajamo jednoosovinsku, dvokućišnu, dvoizlaznu visokotlačnu turbinu SST-7003 proizvođača Siemens-a narednih karakteristika:

- nominalna snaga N = 175 MW- broj obrtaja n = 15 000 min-1

- parametri svježe pare pred stop ventilom p = 90 bart = 510 °C

- broj neregulisanih oduzimanja m = 3- broj regulisanih oduzimanja pare n = 1


- mp = 41,67 kg/s – ukupni maseni protok- m1 = 3,36 kg/s – količina oduzete vodene pare za ZNV I- m2 = 3,32 kg/s – količina oduzete vodene pare za ZNV II- m3 = 0,823 kg/s – količina oduzete vodene pare za ZNV III- h3 = 3320 KJ/kg – entalpija na ulazu NTT- h4 = 2254 KJ/kg – entalpija na izlazu iz NTT- h14 = 3162 KJ/kg – entalpija oduzete v. pare - h15 = 732 KJ/kg – entalpija oduzete v. pare - ηg =0,95 – stepen iskorištenja goriva

3 http://www.energy.siemens.com/co/pool/hq/power-generation/steam-turbines/Industrial_Steam_Turbines_en.pdf


Literatura[1] V. Đurić, “Parni kotlovi – Sveska 1 – Teorijske osnove”, [2] N. Stošić, “Kotlovi”[3] B. Vuković, S. Milić, “Kotlovi za mašiniste, rukovaoce i ložače”[4] I. Smajević, K. Hinjalić, “Toplotne turbomašine”[5] H. Požar, “Osnovi energetike – drugi svezak”[6] I. Buljubašić, Predavanja na Mašinskom fakultetu u Tuzli, ak. 2012/13[7] http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Condensation+Electric+Power+Plant[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Cogeneration[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_turbine


Documents

TEPPP