Fizika | Energetika » Dr. Gács Iván - Villamosenergia-termelés

VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS Dr. Gács Iván egyetemi docens BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Budapest, 2003. TARTALOMJEGYZÉK Villamosenergia-termelés. 1 1. Bevezetés . 3 2. Villamosenergia-rendszer. 4 2.1 Fogyasztói igények . 4 2.2 A rendszer teljesítménymérlege. 5 2.3 Az erőművek szerepe a rendszerben . 8 3. Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése . 9 3.1 Alapkérdések . 9 3.2 A villamosenergia-termelés költségei . 10 3.3 Állandó költségek . 11 3.4 Változó költségek . 12 3.5 A villamosenergia egységköltsége . 12 3.6 A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései . 14 4. A munkaközeg megválasztása . 15 5. Gőzkörfolyamatú erőművek . 16 5.1 Gőzerőmű rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai . 16 5.2 A gőzkörfolyamat kezdő- és végjellemzőinek meghatározása . 18 5.21 A frissgőz nyomásának növelése . 18 5.22 A frissgőz hőmérsékletének növelése . 19 5.23 Kondenzátor hőmérsékletének

(nyomásának) csökkentése . 20 5.3 Tápvízelőmelegítés. 20 5.4 Újrahevítés . 21 5.5 Hatásfoknövelő eljárások összefoglalása . 23 6. Gázturbinás erőművek. 24 6.1 Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina. 24 6.2 Gázturbina és kompresszor együttműködése, szabályozás . 26 6.3 A gázturbina karbantartása, élettartama . 28 7. Kombinált ciklusú erőművek . 29 7.1 Gázturbinához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű . 29 7.2 Cheng ciklus . 33 7.3 További lehetséges gáz-gőz körfolyamatok . 34 8. Kapcsolt energiatermelés . 37 9. Erőművi segédrendszerek . 41 9.1 Hűtőrendszerek. 41 9.11 Közvetlen léghűtés . 41 9.12 Frissvízhűtés . 41 9.13 Visszahűtéses rendszerek . 42 9.2 Füstgáztisztítás . 44 9.21 Szilárd szennyezőanyagok, pernye . 45 9.22 Kénoxidok . 46 9.23 Nitrogénoxidok. 47 10. Irodalom 49 2 1. Bevezetés Az ember teljesítőképessége igen csekély ahhoz képest, amennyit mai életmódunk igényel. Emiatt a

természetből vett energiákkal kell kiegészítenünk illetve kiváltanunk az izomerőt. A felhasználható energiaforrásokat számos szakkönyv ismerteti. Az elsődleges energiaforrások nagy része nem alkalmas közvetlenül a leggyakrabban felmerülő igények (világítás, fűtés, hajtás, helyváltoztatás) kielégítésére vagy felhasználása nem elég kényelmes, esetleg túl nagy környezetterheléssel jár. Ezért az elsődleges energiaforrásokból többnyire másodlagos (nemesített) energiahordozókat kell előállítanunk. A legsokoldalúbban és legkényelmesebben felhasználható nemesített energiahordozó a villamosenergia. Ez az oka széleskörű elterjedésének. Ma már a primer energiahordozók mintegy 35-40%-át villamosenergia-termelésre használjuk és ez arány egyre nő. A villamosenergia-termelés nem csak a kényelemnek, hanem a környezetvédelemnek is igen fontos eszköze. Evvel ugyanis a környezetszennyezéssel járó energiaátalakítás (pl.

tüzelés) jobban ellenőrizhető módon és a felhasználóktól távolabb valósítható meg, mintha a végfelhasználói helyen használnánk fel a primer energiahordozókat. Gondoljunk csak a villanyvilágítás és a petróleumlámpa közötti különbségre E kettős előny miatt nem az a kérdés, hogy termeljünk-e villamosenergiát, hanem az, hogy hogyan. Erre csak egy helyes válasz adható: a lehető legolcsóbban. A költség mellett még a környezeti hatás fontosságát is szokták emlegetni. De ha a költségek alatt nemcsak a belső (közvetlen) költségeket értjük, hanem külső (környezeti) költségeket is figyelembe vesszük, akkor az így képzett társadalmi szintű összköltségre már igaz, hogy ennek minimumát kell keresnünk. Sajnos a külső költségek értékelésének módja ma még nem kellően kialakult Ma már a világban alig találunk elszigetelten, más erőművekkel nem kooperáló módon működő erőműveket. Az erőműművek döntő

többsége valamely villamosenergia-rendszerben, más erőművekkel együttműködve termeli a villamosenergiát. Ezért a költségek értékelésénél nem elég egy vizsgált erőmű jellemzőit figyelembe venni, hanem azt is tudnunk kell, hogy milyen villamosenergia-rendszerben, milyen szerepet fog betölteni. Természetesen az is fontos, hogy milyen az energiaátalakítás hatásfoka. Nem szabad azonban a hatásfok szerepét túlértékelni. A jó hatásfok addig fontos, amíg a villamosenergia-termelés költségét – az energiahordozó költséget – csökkenti. Olcsó energiahordozó esetén könnyebben viseljük el a rosszabb hatásfokot is A villamosenergia-termelés módjai sok szempont szerint osztályozhatók. Válasszuk azt az osztályozást, hogy a villamosenergia-termelés hőkörfolyamattal történik-e. Hőkörfolyamathoz számos forrásból állíthatjuk elő a szükséges hőt. A legfontosabbak:      fosszilis tüzelőanyagok (szén, kőolaj

termékek, földgáz), hasadóanyagok, földhő (geotermikus energia), napenergia, égethető megújuló energiaforrások (tűzifa, energiaültetvény, hulladékok). Néhány példa a hőkörfolyamat nélküli villamosenergia-termelésre:     vízerőmű, fotovoltaikus (napelemes) átalakítás, szélerőmű, üzemanyagcella. Jelenleg a világ villamosenergia-termelésében több mint 60% a fosszilis tüzelőanyagot használó erőművek részaránya, kb. 20% a vízerőműveké és 17% az atomerőműveké A statisztikában még kimutatható a 0,3%-nyi geotermikus és a 0,1-0,2%-nyi (de napjainkban gyorsan növekvő arányú) szélerőművi termelés. Vagyis a villamosenergia kb. 80%-át állítják elő hőkörfolyamattal Magyarországon ez az arány még magasabb, több mint 99%. A vízerőműveink termelése – vízhozamoktól függően – 0,50,8% között mozog, a szélerőművi termelés 2003-ban még nem éri el a 0,01%-ot. Ennek megfelelően ebben a

segédanyagban elsősorban a hőkörfolyamattal megvalósított villamosenergia-termelést tárgyaljuk. 3 2. Villamosenergia-rendszer A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erőművek nem elszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el. Az együttműködő országos erőműrendszer létrehozását – amely hazánkban döntően az 1950-es években történt meg – a villamosenergiaellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Az együttműködésben rejlő előnyök kiszélesítése érdekében, valamint a villamosenergia-export vagy import lehetővé tétele szükségessé tette az országos villamosenergia-rendszerek összekapcsolását. Magyarország évtizedekig a KGST országok rendszeregyesüléséhez tartozott, 1996-ban a közép- és nyugateurópai országok többségét összefogó UCTE rendszeregyesüléséhez csatlakozott. Egy villamosenergia-rendszer három fő része a termelés (erőművek és részben az import), a

szállítás (alap- és elosztó hálózat) valamint a fogyasztók (beleértve az esetleges exportot is). Miután a villamosenergia nem tárolható, a termelésnek mindig egyensúlyban kell lennie a hálózati veszteségekkel növelt (un. bruttó) fogyasztással 2.1 Fogyasztói igények A fogyasztói igények az elmúlt időszakok tapasztalatai és tendenciái alapján tervezhetők. A fogyasztók villamosenergia-igénye időben jelentősen változik. Jellegzetes eltérést mutatnak a munkanapi ill. munkaszüneti napok vagy a nyári ill a téli napok igénylefutásai Példaként egy jellegzetes nyári és téli munkanapi menetet mutat be az 1. ábra Nyári nap 6000 Téli nap 6000 MW 4000 4000 2000 2000 0 6 12 18 h 24 0 6 12 18 24 1. ábra A fogyasztói igények jellegzetes munkanapi menete Az igénylefutás a különböző napokon (pl. hétfőn és pénteken) és a meteorológiai helyzettől függően jelentős eltéréseket mutathat. Emiatt az idő szerint rendezett

lefutás helyett kisebb eltéréseket és könnyebb kezelhetőséget eredményez, ha a terhelési diagram helyett az igények nagysága szerint rendezett tartamdiagramot használjuk. A tartamdiagram szerkesztését a 2 ábra mutatja be. A terhelési és tartamdiagram alatti terület mindkét esetben az adott időszak alatt igényelt villamos energiával egyenlő, azaz tn n 0 0 E   P  t dt   P  d , (1) 4 ahol n =24 h/nap. Szokás még a kihasználási óraszám definiálása is, amely az adott időszak alatt fogyasztott ill. szolgáltatott energia és a maximális teljesítmény aránya Aszerint, hogy milyen teljesítménnyel osztunk, beszélhetünk csúcskihasználási ill. beépített teljesítőképességre vonatkoztatott kihasználási tényezőről:  cs  E P  BT  E P ill. cs (2) BT 6000 Pcs τ1 MW τ2 τ1 + τ2 Pmin 4000 2000 0 6 12 18 idő 24 0 6 12 18 24 időt art am 2. ábra Tartamdiagram

szerkesztése terhelési diagram alapján A 3. ábra azt mutatja meg, hogyan változik a napi csúcsterhelések értéke az évszakok szerint Ennek kapcsán meg kell jegyezni, hogy napjainkban a légkondicionálás terjedésével kialakulóban van egy nyári csúcs is a legmelegebb időszakban. 6000 4000 J F M Á M J J A S O N D 3. ábra A csúcsterhelések évi változása 2.2 A rendszer teljesítménymérlege A teljesítménymérleg esetén meg kell különböztetni az előretervezési teljesítménymérleget és az utólag felállítható, tényadatokon alapuló teljesítménymérleget. Mindkét esetben azt kell biztosítani, hogy az erőművek összes beépített teljesítőképesség különböző kieső teljesítményekkel csökkentett értéke is elegendő legyen a fogyasztói igények kielégítésére. A teljesítménymérleg fogalmai: beépített teljesítőképesség (PBT): az erőművekbe gépegységek névleges teljesítményeinek összege, beépített

turbó-generátor állandó hiány (PÁH): tartósan fennálló teljesítmény csökkenés (pl. berendezés átépítése, elöregedése, tartósan fennálló rossz műszaki állapot miatti leértékelés), 5 változó hiány (PVH) rövid ideig fennálló, változó mértékű teljesítmény csökkenés (pl. környezeti jellemzők, hőszolgáltatás, alapenergia forrás vagy hűtővíz korlátozott rendelkezésre állása miatti hiány), rendelkezésre álló teljesítőképesség (PRT): PRT = PBT - PÁH - PVH , karbantartáson álló teljesítőképesség (PTMK): a rendszer TMK miatt leállított blokkjainak összes beépített teljesítőképessége, igénybevehető teljesítőképesség (PIT): PIT = PRT – PTMK , üzembiztonsági tartalék (PÜT): a rendszer biztonságos üzeme érdekében szükséges tartalék, a terven felüli hiányok (definícióját lásd később) fedezetét biztosítja, üzembiztosan igénybevehető teljesítőképesség (PÜIT): PÜIT = PIT –

PÜT , önfogyasztás (Pε): teljesítmény, Az előállított teljesítményből az erőművek által felhasznált üzembiztosan kiadható teljesítőképesség (PÜIT,ki): PÜIT,ki = PÜIT – Pε . E legutóbbit kell összehasonlítani a rendszer tervezett fogyasztói csúcsigényével és teljesül a PÜIT ,ki  Pcs ha (3) egyenlőtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. A teljes teljesítménymérleg pedig a következő: PBT  PÁH  PVH  PTMK  PÜT  P  Pcs  0 (4) A tervezési fázis teljesítménymérlegét a 4. ábra mutatja be P BT PÁH PBT PVH PTMK TMK PIT PÜT IT Pε ÜIT ÜIT,ki J F PRT PÜIT PÜIT,ki M Á M J J A S O N D idő, hó 4. ábra Az erőműrendszer előretervezett teljesítménymérlegének alakulása 6 Tervezési állapotban egy sor tényezőt csak becsülni tudunk, a tényértékek ezektől az értékektől eltérhetnek. Emiatt az utólag regisztrálható

tényadatokon alapuló teljesítménymérleg eltéréseket mutathat a tervezésihez képest. Az elszámolási teljesítménymérlegben egy sor teljesítményfogalom (beépítet, rendelkezésre álló, igénybevehető, karbantartáson álló teljesítmény, állandó és változó hiány, önfogyasztás, fogyasztói csúcsigény) azonos mint a tervezésiben, legfeljebb számértéke nem azonos. Megjelenik azonban néhány új fogalom is. Ezek: váratlan kiesés (PVK): az üzemzavar, meghibásodás miatt üzemképtelen blokkok összes beépített teljesítőképessége, ténylegesen igénybevehető teljesítőképesség (PTIT): PTIT = PIT – PVK , ténylegesen kiadható teljesítőképesség (PTIT,ki): PTIT,ki = PTIT – Pε . Ez utolsót kell összehasonlítani a rendszer tényleges fogyasztói csúcsigényével és ha teljesül a PTIT ,ki  Pcstény (5) egyenlőtlenség, akkor biztosítottnak látszik a villamosenergia-rendszer zavartalan üzeme. Az elszámolási

teljesítménymérleget az 5. ábra mutatja be Ahol az azonos fogalmak tervezési és tényértékei eltérhetnek, azt felső indexben jelezzük. P BT PBT PÁH t ény PVH TMK ∆PVH t ény PRT t ény PVK PIT P t ény TIT Pε PTIT, t ény PTM K ki POÜT t ény Pcsúcs ∆Pcsúcs J F M Á M J J A S O N D idõ, hó 5. ábra Az erőműrendszer tényleges teljesítménymérlegének alakulása A teljes teljesítménymérleg pedig a következő: tény tény PBT  PÁH  PVH  PTMK  PVK  Ptény  Pcstény  POÜT  0 , (6) ahol POÜT a csúcsidei operatív üzemi tartalék. A különböző teljesítményeket relatív értékekkel illetve arányokkal is szoktuk jellemezni. Ezek közül a karbantartási tartalék tényező: 7 rTMK  PRT PIT  PTMK P   1  TMK  1 , PIT PIT PIT (7) az üzembiztonsági tartalék tényező pedig rTMK  P  PÜT P PIT  ÜIT  1  ÜT  1 . PÜIT PÜIT PÜIT (8) Ugyancsak viszonyszámként

szokás az önfogyasztás jellemzése. Az önfogyasztási tényező azt mutatja meg, hogy a termelők a megtermelt villamosenergia mekkora hányadát fogyasztják el. Ez teljesítményekkel kifejezve:  P P Pε  ÜIT ÜIT,ki  1 . PÜIT PÜIT (9) Végül a változó hiány évi átlagos értékének jellemzésére használható tényező:  VH  PRT PBT  PVH  1 , PBT PBT (10) amely összefüggés olyan új erőműveknél érvényes, amelyeknél állandó hiánnyal még nem kell számolni. A (4) tervezési és (6) utólagos teljesítménymérleget különbségéből adódik: tény tény PVK  ( PVH  PVH )  ( PTMK  PTMK )  ( Ptény  P )  PÜT  ( Pcstény  Pcs )  0 , (11) amelyből definiálható a terven felüli hiány, amely a váratlan kiesés és a tervezési értékektől való kedvezőtlen irányú eltérések összege: PTFH  PVK  PVH  PTMK  P  Pcs  PÜT (12) A (12)

összefüggés egyenértékű avval az állítással, hogy az operatív üzemi tartaléknak mindig pozitívnak kell lennie. 2.3 Az erőművek szerepe a rendszerben A villamosenergia-rendszerben betöltött szerep szerint beszélhetünk alap-, menetrendtartó- és csúcserőművekről. Az erőművet alaperőműnek nevezzük, ha csúcskihasználási időtartama (definícióját lásd később!) igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperőművek általában a korszerű, jó hatásfokkal és/vagy olcsó tüzelőanyaggal üzemelő, rendszerint új erőművek (Magyarországon pl. a Paksi Atomerőmű) A menetrendtartó erőművek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra általában nem építünk új erőművet is, a régebbi alaperőművek válnak fokozatosan menetrendtartóvá (pl. a Tiszai, Dunamenti erőművek) A

csúcserőművek csak a villamos csúcsfogyasztás időszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500.2000 h/év alatt van Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségű) erőműveket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelőanyag és alacsony hatásfok is megengedhető (általában gázturbinás erőművek). Ennél is kevesebbet, legfeljebb évi 100200 órát üzemelnek a tartalék erőművek, amelyeknek csak jelentős mértékű terven felüli hiány esetén kell elindulniuk. 8 3. Villamosenergia-termelés gazdasági értékelése 3.1 Alapkérdések A továbbiak megértéséhez az általános gazdasági alapismereteken felül szükség lesz néhány alapelv rögzítésére. Az egyik az, hogy az erőművek szinte kivétel nélkül több terméket (villamosenergia, fűtési forróvíz, különböző nyomású ipari gőz) állít elő és értékesít. Ennek ellenére a következőkben a csak villamosenergiát termelő erőművek gazdasági modelljét

ismertetjük. Ez igen jó közelítés a közcélú nagy erőművek esetében, amelyeknél a költségek döntően a villamosenergia-termelést terheli, a hőkiadás értékének részaránya csekély. Az erőművek hosszú ciklusideje miatt igen fontos az infláció kezelése. Az infláció a pénz értékének (mint mértékegységnek) a csökkenése. Összegezni viszont csak azonos mértékegységre átszámított dolgokat lehet. Ennek megfelelően csak állandó pénzértéken számított költségekkel lehet számolni. Az infláció a következő összefüggéssel írható le: 1 Ftn 1  1  pi  Ftn , (13) ahol pi az évi inflációs ráta. Például a 2001 évi kb 10%/év inflációval: 1 Ft2000  1.1 Ft2001 (13.a) Ez többek közt azt is jelenti, hogy a gyakran szereplő kamatláb fogalom nem a nominál kamatlábat (pn), hanem reálkamatlábat (pr) jelenti. A kettő közötti kapcsolat: 1  pn   1  pi   1  pr  (14) A

gazdasági értékelésnél nagyon fontos a szemléletmód. A vállalati szemléletű vizsgálatnál a cél a nyereséges gazdálkodás. Ez szükséges valamely energetikai vállalat működésének megtervezéséhez, irányításához ill. a létesítés eldöntéséhez Figyelembe veszi a gazdasági szabályozók által közvetített országos gazdasági és környezeti célokat, kötelezettségeket, de nem feladata országos vagy ágazati célok megvalósítása. Az országos ágazati szemlélet használható az ország energia-ellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Figyelembe veszi a hazai készletek, import lehetőségek, fogyasztási prognózisok, környezeti hatások ismert vagy becsült adatait. Célja az energiafelhasználás, energia-hordozó struktúra, árpolitika, globális és hazai környezeti céloknak megfelelő energiapolitika kialakítása, import kockázatok csökkentése és a biztonságos energiaellátás megvalósítása. A gazdaság más ágazatának

szempontjait csak költségtényezőként veszi figyelembe. Az országos szemléletű értékelés az ország gazdasági és társadalmi életének ágazaton kívüli (pl. munkaerőpiaci, pénzpiaci, politikai) szempontjait is figyelembe veszi Ebben már nem minden hatás fejezhető ki egyértelműen a pénzügyi fogalmakkal. A globális szemlélet használható a világ energiaellátásával kapcsolatos vizsgálatokhoz. Eszközei a készletek, fogyasztási prognózisok, politikai kockázatok felmérése, a globális környezeti hatások értékelése. Célja a világ energiafelhasználásának, energiahordozó struktúrájának befolyásolása, politikai konfliktusok kezelése, kockázatok csökkentése, a hosszútávú fenntarthatóság biztosítása. E jegyzetben a továbbiakban az országos ágazati szemléletet alkalmazzuk. 9 3.2 A villamosenergia-termelés költségei A villamosenergia-előállítás költségeit feloszthatjuk a felmerülés helye szerint is:  belső

költségek: az erőművön belüli energiaátalakítási technológia (állandó és változó) költségei,  külső költségek: természetes és az épített környezetben bekövetkező különféle változások, károk, ill. a károk megelőzésének költségei Reális összehasonlítás érdekében a külső költségeket villamos energia árába be kellene építenünk. Ennek ellenére – a jelenlegi gyakorlatnak megfelelően – a továbbiakban költség alatt a belső költségeket értjük. Az erőmű életciklusát a 6. ábra mutatja be Ebben látható, hogy a költségek és bevételek nem ugyanabban az időintervallumban keletkeznek. Emiatt nagyon fontos a termeléssel (bevételekkel) azonos időszakban keletkező üzemköltségek és termelés megkezdése előtti létesítési költségek megkülönböztetése. A t ervek ismeret ében beruházási dönt és A gazdsági elöregedés időpont ja Üzemszerű működés kezdet e -4 0 Létesítési idő 5 10 15

20 25 év Leírási idő Tervezési élet tart am Üzemidő (műszaki élet t art am) Üzembehelyezés, próbaüzem Beruházási költségek Üzemeltetési költségek és bevételek (tervezési élettartamra) 6. ábra Az erőmű életciklusa A beruházási (létesítési) költség származhat a tulajdonos saját erőforrásaiból vagy bankhitelből. Az előbbi esetben elvárás a beruházási költség visszatérülése és megfelelő profit biztosítása. Bankkölcsön esetén a hitelt kamatostul kel törleszteni Ha a profitelvárást azonosnak tekintjük a reálkamatlábbal, akkor a két megoldás pénzügyi mérlege azonos formalizmussal írható le. A továbbiakban tekintsük úgy, hogy a leírási idő megegyezik a létesítmény tervezési élettartamával. Az üzemeltetési költségek közül a legfontosabbak az üzemanyag (tüzelőanyag), a felhasznált egyéb anyagok, a karbantartás, a bérek, az adók és biztosítások, igénybevett szolgáltatások költségei. A

teljes életciklushoz tartozik még a felszámolás költsége is. Ezt általában azért nem vesszük figyelembe, mert a tényleges élettartam bizonytalan hosszúságúra tolódhat ki (gondoljunk pl. a közel 100 éves Kelenföldi Erőműre) és a lebontás rekultiváció költségei (az atomerőművek 10 kivételével) nem jelentősek a létesítési és üzemeltetési költségekhez képest. Az időben távoli jelentkezés a lekamatozás (diszkontálás) miatt még ezt is jelentősen tovább csökkenti. A továbbiakban a gazdasági értékelést egy tipikus üzemév költségei alapján végezzük. Léteznek más módszerek is (legismertebb a diszkontált vagy aktualizált költségek módszere), ezekre azonban most nem térünk ki. A költségek csoportosításánál igen fontos az állandó és a változó költségek megkülönböztetése. Állandó költségeknek azokat nevezzük, amelyek értéke független az erőmű üzemmenetétől, azaz attól, hogy az erőmű az

adott időszakban (általában 1 évben) mennyi villamosenergiát termel. Ezzel szemben a változó költségek értéke függ a villamosenergia-termelés mértékétől, igen durva közelítésben avval arányosnak is tekinthető. 3.3 Állandó költségek Az állandó költségeket három csoportba foglaljuk össze. Az első és legnagyobb tétel a leírási vagy tőkeköltség. Ez az ágazati szemléletű modellben igen távol áll a számviteli törvény szerinti leírástól, amely sem inflációt, sem kamatot nem vesz figyelembe. Ha azt akarom, hogy az üzembe helyezés pillanatában befektetett B beruházási költség az erőmű n év élettartama alatt kamatostul visszatérüljön, akkor az évi visszatérítési kötelezettség (tőkeköltség) a következő formában írható fel: Cl   l  B   l  i  Bo [Ft/év], (15) ahol a leírási kulcs (leírási annuitás): l  pr 1  1  pr  n . (16) Az i interkaláris tényező, pedig az

építési idő alatti kamatok miatti költségnövekedést veszi figyelembe: 1 B  i Bo Bj  1  p  j  m j  0.5 1 B j  m , (17) j ahol Bj a j-edik évben ráfordított beruházási költség. A kitevőben szereplő 0,5 azt fejezi ki, hogy az év során felmerülő költségek súlypontjának az év közepét tekintjük, így az aktuális évre csak félévi kamatot számolunk. Az interkaláris tényező értéke gyorsan létesíthető erőműveknél (pl. gázturbinás erőmű, 11,5 év) 1,11,15, hosszú építési idejű erőműveknél (pl. atom- vagy ligniterőmű, 58 év) akár 1,5-et is elérheti A karbantartási költség állandó és változó (energiatermelés mértékétől függő) elemeket is tartalmaz. Karbantartásra mindenképpen szükség van, a költség csak kismértékben függ az üzemmenettől. Ha az erőmű nem folyamatos üzemű, hanem mondjuk az év felében dolgozik, az év felében áll, nyilván kisebb lesz a

karbantartás költsége. Azonban ha az 50%-os kihasználtság nem ezen a módon, hanem napi 12 óra üzemeltetésből adódik (ami erőművek esetében jellemzőbb), akkor lehet, hogy a karbantartás-igény a sok indítás-leállás miatt nagyobb is lesz, mint folyamatos üzem esetén. Emiatt a karbantartási költség változó elemétől általában eltekintünk, mert még az előjelét sem tudhatjuk biztosan. A tapasztalatok szerint a karbantartási költség arányos a berendezések értékével, azaz a beruházási költséggel: CTMK  TMK  Bo [Ft/év], (18) 11 ahol az αTMK karbantartási költség tényező értékére 2,5%/év-et szokás felvenni. Az egyéb állandó költségeket (bér-, adó-, biztosítási, stb. költségeket) is a beruházási költséggel arányosnak szokták tekinteni: Ce   e  Bo [Ft/év], (19) ahol az αe karbantartási költség tényező értéke általában 0,51%/év. Ez utóbbi két költségnél vonatkoztatási alapnak az

építési idő alatti kamattal nem növelt Bo beruházási költséget célszerű választani, mert az építési idő esetleges elhúzódása a tőketerhet növeli, de a karbantartási és egyéb költségeket nem. Az évi összes állandó költség a fenti három költségtag összege: Ca  Cl  CTMK  Ce   l  i  TMK   e   Bo    Bo 3.4 Változó költségek A változó költségek kiemelkedően legnagyobb tétele a tüzelőanyag (atomerőműveknél üzemanyag) költsége. Az évi tüzelőanyag felhasználás az évi villamosenergia-termelésből (E) az évi átlagos erőműhatásfok (évi ) segítségével határozható meg: Qü  E évi [GJ/év]. (20) Ennek évi költsége pü [Ft/GJ] fajlagos üzemanyagköltség figyelembevételével: Cü  Qü  pü  E évi  pü [Ft/év]. (21) További változó költséget jelent a különféle egyéb anyagok felhasználása, amely közvetlenül az

energiaátalakítási folyamathoz kapcsolódik, így a felhasználás a tüzelőhő felhasználással arányosnak tekinthető. Ilyen lehet a hűtővíz vízhasználati díja, a füstgáztisztításhoz használt reagensek (pl. mészkő, ammónia) beszerzési költsége Ez a költség Cv ,e  Qü   s j  p j (22) j formában írható fel, ahol sj [kg/GJ] a j-edik segédanyag fajlagos felhasználása, pj [Ft/kg] pedig az egységára. Evvel az évi összes változó költség:   Cv  Cü  Cv ,e  Qü   pü   s j  p j   pQ  Qü . j   (23) 3.5 A villamosenergia egységköltsége Az állandó és a változó költség összegeként képezhető a villamosenergia-termelés évi összes költsége: C  Cá  Cv . (24) A villamosenergia egységköltsége a évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés (E, kWh/év) hányadosa: k C Ca  Cv   ka  kv [Ft/kWh] E E (25) 12 A villamosenergia

egységköltség állandó költségekből származó része a következő alakra hozható, annak érdekében hogy kiküszöböljük az extenzív jellemzőket: ka  Ca   Bo   a  PBT   a  rTMK  rÜT ,    E E Pcs  cs  cs  VH  1    (26) ahol a az erőmű fajlagos beruházási költsége: Bo  Ft  . PBT  kW  a (27) Az átalakítás során felhasználtuk a (7)(10) összefüggéseket, amelyekből: 1 1 PBT PBT PRT PIT PÜIT       rTMK  rÜT  . 1  Pcs PRT PIT PÜIT PÜIT ,ki  VH (28) A villamosenergia egységköltség állandó költségekből származó része is az évi összköltség és az évi villamosenergia-termelés hányadosaként számítható: kv  pQ pQ   Cv pQ  QÜ .    E E évi  KE ,o (29) Az összefüggés bevezeti a δ rontótényezőt, amely azt mutatja meg, hogy az évi átlagos hatásfok milyen mértékben rosszabb a

névleges üzemállapotra meghatározott ηKE,o hatásfoknál. Ez a rontótényező három különböző hatást vesz figyelembe, ezért három rontótényező szorzataként írható fel:   KE ,o  1   2   3 . évi (30) Az első rontótényező (δ1) azt veszi figyelembe, hogy az erőművi blokk hatásfoka a terhelés függvényében változik és emiatt az év folyamán – az üzemmódtól függő gyakorisággal – a blokknak a méretezésinél rosszabb hatásfokú üzemállapotai is lesznek. Ezt a 7 ábra vastag vonallal jelzett jelleggörbéje mutatja. η névleges környezeti körülmények ηKE,o P Po Pmax 7. ábra Erőművi blokk jelleggörbéi Névlegestől eltérő környezeti jellemzők (pl. levegő vagy hűtővíz hőmérséklet) esetén a hatásfok jelleggörbe felfelé vagy lefelé elmozdul (7. ábrában a vékonyabb vonalak) Általában a romlás (pl. melegebb hűtővíz esetén) nagyobb mértékű, mint a kedvező irányú

változás, ezért ez évi átlagban rontó hatást jelent. Ezt veszi figyelembe a δ2 rontótényező 13 A δ3 rontótényező az instacioner állapotok – alapvetően az indítási folyamat – többlet tüzelőanyag felhasználását veszi figyelembe. Ez abból adódik, hogy az indítás előtt a berendezések hőmérséklete alacsonyabb az üzemi értéknél és ezt többlet tüzelőanyag bevezetésével kell pótolni, amely esetleg a hideg tűztérben még a szokásosnál is nagyobb égési veszteség mellett hasznosulhat. Ez a hő a leállítás után a környezet felé történő hőelvezetés során részlegesen vagy teljesen elvész. Az indítási hőigény ezért erősen függ az indítást megelőző állásidőtől is. Mindezekkel a villamosenergia-termelés egységköltsége: k p  C   a  rTMK  rÜT [Ft/kWh]   Q E  cs  VH  1     KE ,o (31) 3.6 A villamosenergia-rendszer gazdasági kérdései A villamosenergia

egységköltsége alkalmas lehet annak eldöntésére, hogy egy adott gazdasági helyzetben milyen típusú alaperőművet vagy milyen csúcserőművet érdemes építeni, de nem alkalmas annak eldöntésére, hogy a rendszert alap- vagy csúcserőművel érdemes bővíteni. Ennek eldöntésére csak a villamosenergia-rendszer egészére kiterjedő, a rendszer-kölcsönhatásokat is figyelembevevő hosszútávú vizsgálat alkalmas. Ennek során figyelembe kell venni az ellátásbiztonság kérdését is, amely elvezet az optimális vagy célszerű nagyságú üzemi tartalék meghatározásához is. Ez általában éves ciklusú értékelést igényel, de olyan előretekintéssel, amely még alkalmas az erőmű-létesítési kérdések eldöntésére. Ugyancsak rendszerszintű gazdasági vizsgálattal határozható meg a meglevő rendszer blokkjai közötti terheléselosztás is, amellyel a pillanatnyi változó költségek összegének minimumát lehet megkeresni. Ezekre a

kérdésekre jelen jegyzetben nem térünk ki, de az Irodalom c. fejezetben felsorolt források közöl több is foglalkozik velük. 14 4. A munkaközeg megválasztása Munkaközeg megválasztásánál figyelembe kell venni a munkaközeg árát, kémiai és fizikai összeférhetőségét a szerkezeti anyagokkal, egészségügyi és környezeti szempontokat, termodinamikai alkalmasságot. Ezeknek a szempontoknak a két legközönségesebb anyag, a víz és a levegő felel meg leginkább. Ettől eltérő (pl ammónia, higany, szerves anyag, hélium) munkaközegű berendezéseket csak kisebb teljesítménnyel, kísérleti célra létesítettek, mert valamely szempontnak jobban megfeleltek, mint a víz vagy a levegő. Ugyanakkor más szempontok – elsősorban az ár vagy a környezetbiztonság – azonban oly mértékben sérültek, hogy ezek a megoldások nem terjedtek el. A vízgőz ciklus fontosabb jellemzői: zárt ciklus, halmazállapot változással; magas kezdőnyomás,

alacsony végnyomás, nagyméretű, robosztus berendezések, bonyolult kapcsolás; hőbevezetés maximális hőmérséklete viszonylag alacsony, hőbevezetés átlagos és maximális hőmérséklete eléggé eltérő, igen alacsony hőelvezetési középhőmérséklet. A levegő-égéstermék ciklusok jellemzői: nyitott ciklus, halmazállapot változás nélkül; kezdőés végnyomás kedvezőbb értékű, kisebb berendezések, jóval alacsonyabb fajlagos beruházási költség; hőbevezetés maximális hőmérséklete magas lehet, hőbevezetés átlagos és maximális hőmérséklete eléggé eltérő, igen magas hőelvezetési középhőmérséklet. A kombinált ciklusok a gáz- és a gőzkörfolyamat előnyeit egyesíti; alacsony kezdőnyomás, egyszerűbb berendezések és kapcsolás, magas hőbevezetési és alacsony hőelvezetési hőmérséklet. Kritikus eleme a két körfolyamatot összekapcsoló gáz-vízgőz hőcserélő 15 5. Gőzkörfolyamatú erőművek Gőzközegű

kondenzációs villamosenergia-termelés hőforrása lehet hagyományos (fosszilis) tüzelőanyagot használó kazán vagy magenergiát hasznosító reaktor. Az atomerőműveknek számos típusa van, amikor ebben a fejezetben atomerőműről beszélünk, akkor kizárólag a nyomottvizes reaktorral épített atomerőművekre – mint legelterjedtebb típusra – gondolunk. A hagyományos hőerőművek és az atomerőművek között elsősorban a termelt gőz paramétereiben van eltérés. Amikor ez lényeges, akkor külön kitérünk az atomerőművek viszonyaira, egyébként a folyamatokat a hagyományos hőerőművek példáján mutatjuk be. 5.1 Gőzerőmű rendszerstruktúrája és energetikai folyamatai Az erőművi rendszert alrendszerekre bonthatjuk és az alrendszerek jellemzőit külön vizsgálhatjuk. A legszokásosabb felbontást a 8 ábra mutatja be a fontosabb energiaáramok irányának jelölésével. P v,E P  ,H P ki P t . Q P  ,T . Q tü E P g 1 P  ,Q

T . Q . ~Q 2 Q H . . Q 2 v,H . (Q ) v,T (Q ) v,Q 8. ábra Gőzerőmű rendszerstruktúrája A H (hőközlési) alrendszer a kazánt és segédrendszereit, továbbá a kazánt a turbinaüzemmel összekötő csővezetékeket foglalja magába. Atomerőműben kazán helyett a reaktor, a teljes primerkör és a gőzfejlesztő értendő. Ebben játszódik le a kémiai vagy magenergia hővé alakítása. A T (turbina) alrendszer a hőt mechanikai munkává alakítja. Fő berendezése a turbina, de emellett ide tartozik annak legtöbb segédrendszere is (pl. tápvízelőmelegítők, szivattyúk, gáztalanítás). Ezt az alrendszert belső alrendszernek is nevezzük, mert – egy igen csekély hőveszteségektől eltekintve – nincs energiacseréje a környezettel, csak a többi (külső) alrendszerrel. Az E (elektromos) alrendszer végzi a mechanikai munka villamosenergiává alakítását és az erőművi önfogyasztások villamosenergia-ellátását. Fő berendezései a

generátor, a fő- és segédüzemi transzformátorok, a hozzájuk kapcsolódó villamos segédberendezések. 16 Nem tartozik az energiaátalakítási lánc fő vonulatához a Q (hőelvonási) alrendszer, de fontos szerepet tölt be: itt történik a körfolyamatokban elkerülhetetlen maradék hő elvezetése a környezetbe. Fő berendezései a kondenzátor, a hűtővízellátás és ezek segédrendszerei A teljes gőzerőmű (KE, kondenzációs erőmű) energiafolyam-ábrája a következő: E P,H P,Q P ,T H P T Pi Pt Pg Pki . Q1 . Qtü . Q2 Q . Qv,H . . (Qv,T ) Qv,Q . Pv,E ~Q2 9. ábra Gőzerőmű energiafolyam-ábrája Az egyes alrendszerek hatásfokait valamennyi bevezetett és hasznos teljesítmény figyelembe vételével és a kisebb teljesítményáramok elhanyagolásával képzett közelítő módon az 1. táblázat adja meg. A táblázat utolsó oszlopában adjuk meg az egyes alrendszerek és a kondenzációs erőmű hatásfokát

berendezések szerinti bontásban is. A H alrendszerben a kazán és a csővezetékek hatásfokát, a T alrendszerben a körfolyamat és a turbina belső hatásfokát, az E alrendszerben a mechanikai, a generátor, a transzformátor hatásfokot és az erőművi önfogyasztást figyelembe vevő hatásfokot találjuk. 1. táblázat Az alrendszerek és az erőmű hatásfokai: Alrendszer hatásfok közelítő hatásfok H Hőközlés H   1 Qü  P H Q T Turbina (belső) T   t Q1  P T E Villamos E  P Pki  P H  P T Pt KE  KE   H T  E Kondenzációs erőmű Q H  1 Q hatásfok berendezések szerint  H  k cs ü P T  t Q T  o i 1 E  Pki Pt  KE   H T  E  E  m  g tr   KE  k cs o i  m  g tr  Figyelemre méltó, hogy a H és az E (külső)

alrendszerekben olyan hatásfokokat találunk, amelyek a környezetbe távozó energiaáramokat vesznek figyelembe, míg a T (belső) alrendszerben szereplő két hatásfok esetén nincs környezetbe távozó energiaáram, ezek a veszteségek csak azt az arányt változtatják meg, hogy az alrendszerbe érkező Q1 hőteljesítmény milyen arányban oszlik meg a hasznos Pt tengelyteljesítmény és a Q 17 alrendszeren keresztül elvezetendő Q 2 hőteljesítmény között. Miután e veszteségek során teljesítmény nem távozik közvetlenül a környezetbe, csak a hasznosítható rész csökken, ezeket minőségi veszteségeknek, míg a többit mennyiségi veszteségnek nevezzük. Az összes mennyiségi veszteséget figyelembevevő hatásfok: menny  o  i  m   g  tr    (32) Minőségi veszteségeknél a hőmennyiség nem vész el, csak a hő alacsonyabb értékűvé válik (hőmérsékletszintje csökken, entrópiája nő), pl.

fojtás, hőcsere hőfokréssel Ekkor a hőelvonás szintjén az entrópia-különbség nagyobb lesz, mint a hőközlésnél: s2  s1 , a körfolyamat hatásfoka pedig: o  1  ahol  q2 T  s 2 T  1 2  1 2   , q1 T1  s1 T1 (33) s2  1 , az entrópia növekedés aránya. s1 5.2 A gőzkörfolyamat kezdő- és végjellemzőinek meghatározása A hatásfok javításának eszköze lehet a kezdőjellemzők (frissgőz nyomásának ill. hőmérsékletének) növelése vagy a kondenzátor nyomásának csökkentése. A következőkben állandó hasznos teljesítmény mellett vizsgáljuk meg hogyan hatnak ezek a változások a különböző részhatásfokokra és a beruházási költségekre. 5.21 A frissgőz nyomásának növelése A gőz tömegárama jó közelítéssel állandó, mert a körülzárt terület a T-s diagrammban alig változik (10. ábra), így azonos teljesítményhez nem kell a gőzáramot lényegesen változtatni

A legfontosabb hatás, hogy a körfolyamat hatásfoka javul, mert a hőbevezetési középhőmérséklet nő. A turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen romolhat, mert a gőz fajtérfogata csökken  gőz térfogatárama csökken  rövid lapátok esetén a résveszteség nőhet. A turbina kisnyomású részén biztosan romlik a belső hatásfok, mert az expanzióvonal mélyebben megy be a nedves mezőbe, a gőz nedvességtartalma megnő. T T 1 1 p1 p1 T 1s 3 T 2 2o 2` s 10. ábra A frissgőznyomás növelésének hatása 18 Az önfogyasztást figyelembevevő hatásfok: romlik, mert a tápszivattyúnál nő az előállítandó nyomáskülönbség. A többi hatásfok nem vagy csak lényegtelen mértékben változik, Ugyanakkor a beruházási költség lényegesen nő a nagyobb nyomás miatt szükséges vastagabb falú berendezések következtében. A kezdőnyomás termikus optimuma (a legjobb hatásfok, legalacsonyabb változó költség) rendkívül nagy

nyomásnál (5001000 bar) található. Ugyanakkor a növekvő állandó költségek miatt a gazdasági optimum a kritikus nyomás (221 bar) körül adódik. Kritikus nyomás közvetlen közelében nem lehet megoldani az üzembiztos gőztermelést, ezért szubkritikus (jelenleg 150180 bar körüli) vagy szuperkritikus (240300 bar) nyomást kell választani. 5.22 A frissgőz hőmérsékletének növelése A frissgőz hőmérsékletének növelésekor csökken a gőz tömegárama: csökken, mert a körfolyamat vonala által körülzárt terület a T-s diagrammban nő (11. ábra) T T 1 T1 1 p1 T 1s 3 T 2 2` 2o s 11. ábra A frissgőz hőmérséklet növelésének hatása A körfolyamat hatásfoka nagymértékben javul, mert a hőbevezetés átlagos hőmérséklete jelentősen nő. A turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gőz fajtérfogata nő, tömegárama csökkent, vagyis a gőz térfogatárama és a résveszteség alig változik. A turbina

belső hatásfoka a kisnyomású részen javul, mert a gőz nedvességtartalma csökken, Ugyancsak javul az önfogyasztást figyelembevevő hatásfok is, mert a szivattyúnál állandó az előállítandó nyomáskülönbség, de a tömegáram csökken. A többi hatásfok: nem vagy csak lényegtelen mértékben változik. A frissgőz hőmérséklet növelésének nincs hatásfok optimuma, a növeléssel a hatásfok mindig javul, a változó költség viszont folyamatosan csökken. Ugyanakkor a beruházási költség és vele az állandó költség az alkalmazandó jobb anyagminőségek miatt igen erőteljesen nő. Szubkritikus körfolyamatoknál a gazdasági optimum 520550 ºC, újabban szuperkritikus nyomásnál, új, nagy hőmérséklettűrésű anyagok alkalmazásával 600650 ºC frissgőz hőmérsékletet is elérnek. 19 5.23 Kondenzátor hőmérsékletének (nyomásának) csökkentése Kondenzátor hőmérsékletének (nyomásának) csökkentésekor a körülzárt terület a

T-s diagrammban nő, így a gőz tömegárama kissé csökken (12. ábra) T T 1 1 p1 T 1s 3 T 2 2o 2` s 12. ábra A kondenzátorhőmérséklet csökkentésének hatása A körfolyamat hatásfoka javul, mert a hőelvezetés átlagos hőmérséklete csökken, a turbina belső hatásfoka a nagynyomású részen alig változik, mert a gőz térfogatárama alig változik; kisnyomású részen romlik, mert a gőz nedvességtartalma kissé, a kilépési veszteség jelentősen nő. Az önfogyasztást figyelembevevő hatásfok romlik. A körfolyamat önfogyasztása alig változik (nő), a hűtővízellátás teljesítményigénye általában jelentősen nő. A többi hatásfok: nem vagy lényegtelen mértékben változik. A beruházási költség a hőelvonási alrendszerben, esetleg a turbinánál nő. Termikus optimum: nincs, korlát a környezet hőmérséklete, a gazdasági optimum: frissvízhűtésnél 15-20 ºC-kal, visszahűtéses rendszereknél 20-30 ºC-kal a környezeti

hőmérséklet felett adódik. 5.3 Tápvízelőmelegítés A hatásfok javításának leghatékonyabb eszköze a tápvízelőmelegítés. Lényege az alacsony hőmérsékletű hőbevezetés kiváltása belső hőátcsoportosítással. A T1 hőbevezetési átlaghőmérséklet megnő, de a hőcserék miatt a (33) összefüggésben bevezetett  tényező is. Egyfokozatú előmelegítés kapcsolását, T-s diagrammját és hatásfokra gyakorolt javító hatását a 13. ábra mutatja be 1 T  1 2 n n e 2 e 2  2 s 13. ábra Egyfokozatú tápvízelőmelegítés 20 0 T2 T1s Tn hatásfok 8 A gőzkörfolyamatokban mindig többfokozatú tápvízelőmelegítés alkalmaznak. Ez lehetővé teszi a hőbevezetés átlaghőmérsékletének növelését a hőcserék hőfokrésének és a hőcsere okozta entrópia-növekedésnek a korlátok közt tartásával. Az erőművi hatásfokra gyakorolt javító hatását a 14. ábra mutatja be 10 7 5 3 2 1 Tn T1s T2 14. ábra

Egyfokozatú tápvízelőmelegítés A hatásfok javulása lényegesen nagyobb, mint egyfokozatú tápvízelőmelegítés esetén, de a fokozatszám növelésével a növekmény-haszon csökken, különösen nem ideális (véges felületű, egynél kisebb kihasználási tényezőjű) előmelegítőknél. A gyakorlatban általában 68 fokozatú tápvízelőmelegítést alkalmaznak. Egy jó távízelőmelegítő rendszer tervezésénél gazdasági optimalizálással kell meghatározni a tápvízelőmelegítés véghőmérsékletét, fokozatszámát, fokozatbeosztását és az előmelegítők felületét. Ennek részleteit itt nem ismertetjük, a szakirodalomban megtalálható Fontos kérdés még az előmelegítők fűtőgőz kondenzátumainak elvezetési megoldása. A kondenzátum-elvezetés lehetőségeit a 15. ábra mutatja be Az ábrában ballról jobbra a következő megoldásokat használják:     keverő előmelegítő, a kondenzátum bekeveredik a tápvízáramba,

szivattyús előrekeverés, kaszkád, csapadékhűtő nélkül kaszkád, csapadékhűtővel. A jósági sorrend termikus szempontból a következő: keverő - szivattyús - csapadékhűtős – egyszerű kaszkád. Ugyanakkor üzemviteli szempontból a sorrend fordított 15. ábra A kondenzátum-elvezetés lehetőségei 5.4 Újrahevítés A hagyományos tüzelőanyagú erőmű hatásfoknövelésének egy további hatékony lehetősége az újrahevítés. Ez azt jelenti, hogy egy rövid expanzió után a részben munkát végzett gőzt visszavezetik a kazánba és ott újrahevítik, általában a kezdő hőmérsékletig. E megoldásnak a kapcsolását és T-s diagrammját a 16. ábra mutatja 21 T 1 T T 1u Tuo T no T 2 s 16. ábra Hagyományos újrahevítéses erőmű kapcsolása és T-s diagrammja Az újrahevítés hatására a hőbevezetés átlagos hőmérséklete jelentősen nő, a végnedvesség, szivattyúzási munka aránya csökken. Lehetővé teszi a kezdőnyomás

további növelését is Ugyanakkor a nagynyomású turbinaszakasz belső hatásfoka romolhat a csökkenő tömegáram és az esetlegesen növekvő frissgőznyomás miatti térfogatáram csökkenés és lapátrövidülés következtében. Emiatt alkalmazása csak nagy teljesítményű, általában 200 MW feletti blokkoknál kifizetődő. Ettől alapvetően eltérő az újrahevítés célja és megoldása atomerőművekben (17. ábra) Nyomottvizes reaktorral épített atomerőművekben a gőzfejlesztő telített gőzt termel, amely az expanzió során nedves gőzzé válik. Ahhoz, hogy az expanzió végnedvesség tartalma ne haladja meg a azt a 1214%-os határt, amely felett a turbinalapátok igen gyorsan tönkremennek, vagy újrahevítést, vagy rendkívül alacsony frissgőz nyomást kell alkalmazni. T s 17. ábra Atomerőművi újrahevítés kapcsolása és T-s diagrammja Az ábrában bemutatott kapcsolásban a nagynyomású házból kilépő gőzt először egy szeparátorba

vezetjük, amely szétválasztja a nedves gőz víz- ill. gőztartalmát, majd a telített gőzt két – egy turbina megcsapolásról és egy frissgőzről táplált – hőcserélőben újrahevítjük. Ebben a megoldásban a gőzszárítás nem hőbevezetéssel történik, ezért a körfolyamat hatásfokát lényegében nem befolyásolja. Az ezt követő túlhevítés azonban csökkenti a hőbevezetési középhőmérsékletet, így a körfolyamat hatásfokát csökkenti egy ugyanilyen kezdőnyomású, de újrahevítés nélküli körfolyamathoz képest. Csakhogy ez a körfolyamat a végnedvesség miatt nem megvalósítható. Ha viszont a megvalósítható, alacsony kezdőnyomású körfolyamathoz hasonlítom, akkor az újrahevítéses körfolyamat hatásfoka a jobb. Tehát végső soron itt is a hatásfok javítását szolgálja az újrahevítés 22 5.5 Hatásfoknövelő eljárások összefoglalása A 2. táblázatban foglaltuk össze az 5254 alfejezetekben részletezett

hatásfoknövelő eljárások következményeit a hagyományos erőművekre vonatkozóan. Atomerőművek esetén csak az előző alfejezetben ismertetett újrahevítésnél van ehhez képest eltérés. 2. táblázat A hatásfoknövelő eljárások hatásai: változás k cs o i m g tr  B p1  ~Ø ~Ø   ~Ø Ø Ø   T1  ~Ø ()   ~Ø Ø Ø   T2  ~Ø ~Ø  () ~Ø Ø Ø   tápvízelőmelegítés. () ()   ~Ø Ø Ø   újrahevítés ()   () ~Ø Ø Ø   A táblázatban a felfelé mutató nyíl növekedést, a lefelé mutató csökkenést jelent. Ugyanezek zárójelben esetleges vagy nem lényeges hatást jelölnek. A Ø jel azt jelenti, hogy a módosítás egészen biztosan, a ~Ø jel pedig azt, hogy valószínűleg nem hat a jelölt hatásfokra. 23 6. Gázturbinás erőművek A gőzerőművi energiafejlesztés mellett

napjainkban egyre nagyobb teret hódítanak a gázturbinás egységek. Legfőbb előnye a berendezések kis mérete, ami lehetővé teszi a nagymértékű gyártóműi készre-szerelést, a rövid építési időt és alacsony beruházási költséget. Emellett a gőzerőművi berendezéseknél lényegesen (közel két nagyságrenddel) kevesebb magashőmérsékletű anyag fajlagosan drágább, lényegesen magasabb hőmérsékletet tűrő anyagok alkalmazását engedi meg, így a körfolyamat kezdőhőmérséklete – esetenként jelentősen – meghaladhatja az 1000 ºC-ot. A hatásfok mégsem lehet magasabb a gőzerőművek hatásfokánál, mert a hőelvonás középhőmérséklete sokkal magasabb, mert nincs állandó hőmérsékletű (halmazállapot-változásos) hőelvonás. A legelterjedtebb megoldás a környezeti levegőt beszívó és az égőtérben keletkező gázt egy azonos tengelyre szerelt turbinában expandáltató nyíltciklusú gázturbina. Más megoldások is

léteznek (pl. kéttengelyes, két égőteres, zártciklusú) ezek kevésbé elterjedtek, ismertetésükre nem térünk ki. 6.1 Egytengelyes nyíltciklusú gázturbina E megoldásnak kapcsolását a 18. ábra, reverzibilis körfolyamatának T-s diagramját a 19 ábra, a valóságos körfolyamatét pedig a 20. ábra mutatja be É K T 18. ábra Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk kapcsolási vázlata Hőmérséklet , K 1600 p2=p3= 24 bar 3 1400 1200 qbe 1000 p1=p4= 1 bar 800 2 600 4 400 1 200 0 0 qel 500 1000 Fajlagos ent rópia, s, J/ (kgK) 19. ábra Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina reverzibilis körfolyamatának T–s diagramja 24 A valóságos körfolyamat paramétereinek megválasztásánál a következ szempontokat kell figyelembe venni: – A T3 hőmérsékletnek felső határt szabnak az alkalmazott szerkezeti anyagok. Itt a gőzkörfolyamatokkal ellentétben a munkaközeg hőfoka a magasabb, a legmagasabb hőmérsékletű szerkezeti

anyagokat (égőtér fala, turbina lapátok) hűtéssel lehet alacsonyabb hőmérsékleten tartani. – Maximált T3 mellett a nyomásviszonynak energetikai optimuma van. Az ezt bemutató 21. ábra magasabb izobárjainál a hatásfok már nem javul, sőt negatív tartományba is átmehet. Fontos azt is tudni, hogy a turbina eredő hatásfoka jobb mint a turbinafokozatok fokozati hatásfoka, ugyanakkor a kompresszornál az eredő hatásfok rosszabb, mint a fokozati hatásfok. Az eltérés annál nagyobb, minél nagyobb a nyomásviszony. . Qbe T p3 = áll. 3 nyomáscsökkenés a hőközlés során p 2 a t urbina belső irrevezibilit ásai 2* a kompresszor belső irrevezibilit ásai 4* 2 p4 p = áll. 5* 0 4 1 1* nyomásellenállás a kilépésnél p1 . S nyomásellenállás a levegő beszívás során 20. ábra Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbina valóságos körfolyamata T T3 η kicsi η jó η közel nulla η negat ív ! s 21. ábra Valóságos gázturbinás

körfolyamat paramétereinek megválasztása 25 Valóságos gázturbinában a turbina és a kompresszor nyomásviszonya – az áramlási nyomásesések miatt – nem azonos, ezért kell definiálni a különböző berendezések nyomásviszonyait (a nyomásviszony mindig egynél nagyobb szám): δT  p3 p4 turbina, δK  p1 p2 kompresszor, δH  p2 p3 égőtér (hőbevezetés), δL  p0 p1 levegő beszívás, δG  p4 p0 gázelvezetés, melyekkel felírható, hogy: p p p p p δK  2  0  2  4  3  δL  δH  δG  δT  δT p1 p1 p3 p0 p4 (34) 6.2 Gázturbina és kompresszor együttműködése, szabályozás A gázturbina és a kompresszor együttműködésének vizsgálatához induljunk ki a berendezések jelleggörbéjéből, melyeket a 22. ábra mutat T T3 K 1 lapátállítás n  n m g n  áll . V1 22. ábra Gázturbina és kompresszor jelleggörbéje A gázturbina gáznyelését az alábbi

összefüggéssel adják meg: m g  const  p3  f  T  . T3 (35) A konstans gépfüggő, az f  δT  szorzót pedig a 23. ábra szerinti diagramból vehetjük Ahhoz, hogy a két gép jelleggörbéjét közös diagramba helyezhessük, a következő megfontolásokat (gyakorlatilag koordináta-transzformációkat) kell tegyük: A (34) összefüggésben láttuk, hogy a kompresszor nyomásviszonya a három áramlási nyomásveszteség miatt nagyobb a turbináénál. Az arány az esetek többségében 102108 között van. 26 f rp  n 1 n2 1 n3 n 0 0,5 1 1/rp 22. ábra A gáznyelés korrekciós száma nyomásviszony és fokozatszám (n) alapján A füstgázáram az égési levegő és a bevitt tüzelőanyag tömegáramának az összege, ami a következő formában írható fel: m m m g  m 1  m ü  m 1   ü  1   V1  ρ1   ü  1   m 1   m 1  (36)

A jelenlegi gázturbináknál, ahol a T3 hőmérsékletet 10501400 ºC közötti értékre kell korlátozni kb. 253 körüli légfeleslegtényezőt kell alkalmazni, amely mellett a tüzelőanyag/levegő arány 0.020025 Ezek után a jelleggörbéket összerajzolva, majd abban a jellegzetes üzemállapotokat feltüntetve immár a gépcsoport szabályozási diagramját láthatjuk (23 ábra). δT T3 Á B T3,0 T3,C A T3,D C D n  áll . lapátállít ás hat árai . V3 23. ábra Gázturbina terhelésváltoztatása Az A pont a névleges terhelési állapotot mutatja. A gépek túlterhelése az Á helyzetbe tolja a munkapontot, de ez csak tetemes élettartam csökkenés árán vállalható. Részterhelések felé haladva először a lapátok állítása következik, majd ennél is kisebb terheléseknél a tüzelőanyag-bevezetés csökkentésére kényszerülünk (C, D pontok). Mivel az égőtér hőmérséklete nem mérhető (nem homogén hőmérsékletmező), a

gázturbinából kilépő füstgázé viszont már igen, kézenfekvő, hogy abból következtetnek vissza a tüzelés körülményeire. Az expanzióvonal menetének szem előtt tartásával a fent leírt terhelésváltoztatás „a kilépő füstgázhőmérsékletről” jól szabályozható. Fontos a működés szempontjából a környezeti levegő állapota, hiszen mint láttuk, a égési levegő tömegárama a beszívott levegő sűrűségétől, azaz hőmérsékletétől függ. Például 10 °C hőmérséklet csökkenés 6.7 % teljesítmény növekedést és 34 % hatásfok javulást okoz A levegőhőmérséklet változás hatására megváltozó jellemzőket a 24. ábra mutatja 27 PGT K T1  T1  T3 villamos korlát 1  1  m1 1 bar 15 °C  =60% T1 24. ábra Gázturbina jellemzők változása a levegőhőmérséklet függvényében 6.3 A gázturbina karbantartása, élettartama Amíg áramlástechnikailag a kompresszor a jóval kényesebb gép, a

karbantartásra a turbina az érzékenyebb. Itt nem a gőzturbináknál megszokott, lapáthossz okozta szilárdsági korlátokba ütközünk, hanem elsősorban a magas üzemi hőmérséklettel járó hőfeszültség és a lapátok anyagának elégése veszélyes. Hőfeszültség keletkezése a lapátok külseje és belseje között indításkor és leállításkor nagymérvű, amit másképp elkerülni nem lehet, csak a terhelési sebességek kíméletes megválasztásával. (Pl a gőzturbina minden baj nélkül elviseli a 100 %-os teherledobást, gázturbinánál ez súlyos károsodást okozhat.) A lapátok hőmérséklettűrését hőálló (keramikus) bevonatokkal fokozzuk. Ennek nagy hátránya a ridegség, tehát itt is a terhelési sebességek korlátaihoz jutunk vissza. Sokat javít a helyzeten az elterjedten alkalmazott furatos lapátkonstrukció, amikor a lapátok belülről is hűtöttek, majd a belső csatornából kiáramló levegő a lapát legmelegebb felületei előtt is

hűtő hatást fejt ki. Mivel a gázturbinák zöme csúcserőművi célokat szolgál, az élettartam-gazdálkodás igen fontos. A gázturbinákra minden gyártó megadja az általa garantált élettartamot, mely az úgynevezett egyenértékű üzemidő szerint számítandó. Definíciója:  e   j  k j   n j  c j , j (37) j ahol τi az i.-ik indítás után üzemben töltött idő, ki ezen i-ik üzemi periódus üzemállapot súlyfaktora (névleges üzemállapot, gáztüzelés: ~1, részterhelésen sem kisebb, olajtüzelésnél: ~2.5; túlterhelés (Á pont), gáztüzelés: ~1,52) A második szummázás a különböző események hatását veszi figyelembe, benne nj események száma (indítás, leállítás, terhelésváltozás, rendkívüli esetek), cj események súlyfaktora, amit általában a gyártó ad meg. Fontos tudni, hogy a gázturbinák általában alkalmasak igen gyors (elhatározástól teljes terhelésig 7-15 perces) indításra is, ennek

elhasználódást jellemző cj szorzófaktora azonban sokszorosan meghaladja normális ütemű (20-30 perces) indításét. Ugyancsak nagy igénybevételt jelent a hirtelen, előzetes fokozatos teljesítménycsökkentés nélküli leállítás, ami pl. teherledobás miatt lehet szükséges Elvárás, hogy két karbantartás között az egyenértékű üzemidő legalább 7000.8000 h legyen Ezután a gépet felül kell vizsgálni, el kell végezni a szükséges karbantartó jellegű tevékenységeket. Általában 3 ilyen periódus (~2025000 h) után a legjobban terhelt lapátok teljes cserét igényelnek. 28 7. Kombinált ciklusú erőművek A kombinált gáz-gőz körfolyamatú erőművek gondolatát a gázturbina körfolyamat magas hőelvezetési átlaghőmérséklete (máskép fogalmazva a kipufogó gáz magas hőmérséklete) vetette fel. Ha ezt a hőt valamilyen gőzkörfolyamatban tudjuk hasznosítani, akkor egyesítettük a gázturbina magas hőbevezetési

átlaghőmérséklete és a gőzkörfolyamat alacsony hőelvezetési átlaghőmérséklete nyújtotta előnyöket. A kombinációnak számos lehetősége van, ezek közül messze a legelterjedtebb a gázturbinához kipufogó gázához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű, és annak különböző alváltozatai. Ezért ezt a kombinációt ismertetjük részletesebben, a többit csak röviden megemlítjük. 7.1 Gázturbinához kapcsolt hőhasznosító gőzerőmű A jelenleg legelterjedtebben használt 10001200 ºC belépő gázhőmérsékletű gázturbinák kipufogó gázának hőmérséklete 500550 ºC körül van. Ez elegendően magas ahhoz, hogy kiegészítő tüzelés nélkül is közepes (4060 bar) nyomású gőz termelhető, amely egy gőzkörfolyamatban hasznosítható. Az ilyen módon termelt gőzből többlet hőbevezetés nélkül még kb. fele akkora villamos teljesítmény nyerhető, mint a gázturbinából, azaz az összes villamos teljesítmény és a hatásfok kb.

másfélszeresére nő Ez 3236% gázturbina hatásfok mellett már 50% körüli vagy azt is meghaladó kombinált ciklus hatásfokot jelent, ami meghaladja a gőzkörfolyamatú erőművek szokásos hatásfokait. A legegyszerűbb, egynyomású gőztermelést megvalósító megoldás felépítését a 25. ábra, a körfolyamat elvi ábráját T-s diagramban a 26. ábra mutatja be Q ü T4 T1 PGT h1 m g T2 T3 PKE T G h1 V T HH 25. ábra Az utánkapcsolt hőhasznosító gőzerőmű kapcsolása Fontos tulajdonsága ennek a kapcsolásnak, hogy a gázturbina a gőzerőmű kiesésekor is képes üzemelni, a gőzerőmű önmagában azonban nem. A kombinált gáz-gőz körfolyamat hatásfoka az ábra jelöléseivel: ηG / G  PGT  PKE , Q ü (38) A két körfolyamat összeillesztését legszemléletesebben Q-T diagramban lehet bemutatni (27. ábra). 29 S1 T T1 T2 S 2 , a S S 2 , b 26. ábra Az utánkapcsolt hőhasznosító gőzerőmű

körfolyamata T2 T T T HH T G V Q 27. ábra A hőhasznosító kazán Q-T diagramja Az ábrán a V, G, T jelölések rendre a vízhevítés, gőztermelés, túlhevítés felületeit jelentik. A füstgáz lehűlési görbéjének, mind a víz hőközlési szakaszainak meredekségét a közegek fajhője és tömegárama határozza meg, mégpedig a   m  c 1 összefüggés szerint. Az ábrában ΔT a minimálisan szükséges hőfokrést jelöli, ami ahhoz szükséges, hogy a hőátvitel gazdaságosan megvalósítható, véges nagyságú felülettel legyen megvalósítható. A szerkesztés menete a következő:  a gázturbina jellemzői (kilépő gáz összetétele, tömegárama, hőmérséklete) ismeretében megszerkeszthetjük a gázlehűlési vonalat,  ennél ΔT-nyivel lejjebb berajzoljuk a „tiltott zóna” határát (vékonyabb vonal),  felvesszük a gőznyomást, a hozzátartozó telítési hőmérséklet vonalával elmetszzük a vékony

vonalat, ez kijelöli a T és G szakaszon összesen átadható hőteljesítményt,  ebből a következő összefüggéssel lehet meghatározni a termelhető gőzmennyiséget: 30 QT  Q G  m   h1  h1  (39)  ennek ismeretében meghatározhatók a T és V szakaszokon a gőz- és vízhevítési vonal meredekségét,  a tápvízhőmérsékletnél lezárjuk a V szakaszt, és vele együtt a hasznosítható hő nagyságát is megkapjuk. A füstgázoldali hőmérleg Q HH  m 2  c2  T2  THH  , (40) amiből kiadódik a füstgáz THH lehűtési véghőmérséklete. A füstgáz lehűtésének a korróziós szempontok (harmatpont) viszonylag alacsony, 80100 °C-os korlátot szabnak, de evvel a megoldással általában nem mehetünk ~160 °C alá, vagyis az elvileg hasznosítható hőnek egy részét ebben a kapcsolásban elveszítjük. A gáz lehűtési véghőmérséklete függ a termelt gőz nyomásától is, ahogy ezt a 28. ábra

bemutatja. A vékonyabb vonallal rajzolt, alacsonyabb nyomású gőzkörfolyamat esetén csökkenthető a kilépő füstgáz hőmérséklete, nő a gőzkörfolyamatba átadott hőteljesítmény, de az alacsonyabb gőznyomás egyúttal alacsonyabb hatásfokú gőzkörfolyamatot eredményez. T2 T T Q H H  KE T HH PKE T G V Q Q p1 , gőz 28. ábra Nyomásváltoztatás hatása a gázlehűtésre 29. ábra A gőznyomás hatása a kombinált ciklus fő jellemzőire A termelt gőz nyomásának hatását a hőhasznosító kazánban a gőzkörfolyamatnak átadható hőteljesítményre, a gőzkörfolyamat hatásfokára és a gőzkörfolyamatnak a kettő szorzataként kialakuló villamos teljesítményére a 29. ábrában látható z ábra azt mutatja, hogy a gőznyomásnak a közepes nyomások tartományában termikus optimuma van, ami egyben jó közelítéssel a gazdasági optimumot is megadja. Könnyen belátható, hogy a megcsapolásos tápvízelőmelegítés

ebben az esetben nem javítja, hanem rontja a hatásfokot, mert a csapolás(ok)on elvett gőz csökkenti a gőzkörfolyamat villamos teljesítményét. A tápvíz gáztalanításáról azonban itt is célszerű a gőzerőműveknél megszokott módon gondoskodni. A táptartály telített gőzzel történő fűtését végezhetjük a gőzturbina megcsapolásáról, vagy pedig a hőhasznosító kazánban létesített további fűtőfelületekben fejlesztett (általában a légkörinél nagyobb nyomású) gőzzel (30. ábra) Ez a megoldás nem változtatja meg a kombinált ciklus egyetlen energetikai jellemzőjét sem, csupán a hőhasznosító V jelű szakaszán csökken egy kicsit a közepes hőfokrés (31. ábra) 31 T2 T T T G V T HH T G Q V 31. ábra A gáztalanítós táptartály hatása a Q-T diagramra 30. ábra A gáztalanítós táptartály kapcsolása A füstgáz jobb lehűtése kisebb nyomású gőz termelésével érhető el. Elérhető, hogy ez ne

csökkentse a gőzturbina teljesítményét, úgy, hogy a alacsonyabb nyomású gőz mellett magasabb nyomású gőzt is termelünk. Ezt a megoldást kétnyomású hőhasznosításnak nevezzük, kapcsolását a 32. ábra, Q-T diagramját a 33 ábra mutatja be Összehasonlításként az ábrában vékony vonallal jelezzük az egynyomású kapcsolás viszonyait. T T1 G1 V1 T fg T2 G2 G2 G1 V2 T1 32. ábra Kétnyomású hőhasznosító gőzerőmű kapcsolása V1 T2 V2 Q 33. ábra Kétnyomású hőhasznosító gőzerőmű Q-T diagramja A kétnyomású gőztermeléssel a füstgázt lehűtése a bejelölt értékkel javul. A változás előnye úgy is megfogalmazható, hogy a víz-gőz felmelegedési szakaszai eredőben a füstgáz lehűlési görbéjéhez közelíthetők, csökkentve ezzel a hőátvitelnél a közepes hőfokrést és avval együtt a folyamat irreverzibilitását. Szóba jöhet olyan kapcsolás is, amikor a V1 és T2 felületeket a hőfokok

szempontjából helyileg felcseréljük, vagy pedig egymás mellé (azonos hőmérsékletű zónába) helyezzük. A konstrukciós nehézségeket a termikus előnyök ellentételezhetik. A lehűlési és felmelegítési görbe tovább közelíthető egymáshoz a nyomásfokozatok számának növelésével. Ez azonban már kisebb hasznot húz, mert a korróziós szempontok szerint megengedhető gázlehűtést már a két nyomásfokozat esetén is el lehet érni, a továbbiak már csak az illeszkedést javítják. Háromnál több nyomásfokozatot jelenleg még nem használnak A gázlehűtés javításának a másik módja a több nyomás helyett póttüzelés alkalmazása. A gázturbina kilépő gázában általában még 1415% oxigén van, ami lehetővé teszi további tüzelőanyag elégetését a gázturbina és a hőhasznosító első hőátadó felülete között. A póttüzeléses hőhasznosítás Q-T diagramját a 34. ábra mutatja be 32 T Q pót szerkezeti anyag miatti

hőmérsékletkorlát Q HH Q HH, új Q Q 34. ábra Póttüzeléses hőhasznosítás Q-T diagramja Az ábrából látható, hogy a gőzkörfolyamatnak átadott hőteljesítmény nagyobb mértékben nőtt meg, mint a póttüzelés hőteljesítménye. Azaz a póttüzelés növekmény hatásfoka 100%-nál nagyobb. 7.2 Cheng ciklus Ha a gázturbinából kilépő füstgázzal gőzt termelünk, majd azt az égőtérbe visszavezetjük, Cheng ciklusról beszélünk. Ekkor a hulladékhő-hasznosítás lehetővé teszi, hogy a fejlesztett gőz tömegárama a komprimált levegő tömegáramának akár 50 %-át is elérje. A megoldás hátránya a turbina élettartamának csökkenésén kívül az, hogy drága, kezelt vizet kell a folyamatba pótolni, ami a munkavégzés után teljes egészében elvész. A Cheng ciklus komplett változatáról (35. ábra) akkor beszélünk, ha a hőhasznosító hőcserélőben póttüzelést is alkalmazunk, és a fejlesztett gőzt nem teljes

egészében az égőtérbe visszük, hanem annak bizonyos részét valamilyen módozatú hőkiadásban dolgozzuk fel: Q ki Q pót 35. ábra A Cheng ciklus komplett változata A Cheng ciklust a 36. ábra szerinti üzemi diagram jellemzi A gázturbina már zéró villamos teljesítmény mellett is jelentős hulladékhőt szolgáltat (A pont). Felterheléskor (A-B szakasz) mind a hő- mind a villamos teljesítmény nő. A B-C szakaszon jelenik meg a fejlesztett gőz fokozatos visszavezetése az égőtérbe, ami a turbina teljesítményét tovább növeli, miközben a kiadható hőteljesítmény nyilván csökken. A póttüzeléssel az A-B-C vonaltól jobbra, míg részterheléssel és gőz visszavezetéssel a vonaltól balra fekvő területek érhetők el. 33 C P GT gőz visszavezetés részterhelés + póttüzelés + gőz B visszavezetés részterhelés + póttüzelés Q kiadható A 36. ábra A Cheng ciklust üzemi diagramja A megoldás előnye, hogy a két

kiadott teljesítmény egymástól függetlenül, széles határok között állítható be. Ennek különösen szigetüzemű rendszereknél (pl tengeri olajfúró tornyok) van nagyjelentősége. 7.3 További lehetséges gáz-gőz körfolyamatok Laza kapcsolatot teremt a két körfolyamat között a gázturbina kipufogó gázának hőhasznosítása egy gőzerőmű tápvízrendszerében (37. ábra) (A laza kapcsolat azt jelenti, hogy bármelyik körfolyamat működőképes a másik nélkül is.) Ilyenkor a gőzerőmű nagynyomású előmelegítőit (néha a kisnyomásúakat is) csapolt gőz helyett a gázturbina kipufogó gázával fűtjük, így a megcsapolásokon ki nem vett gőz továbbexpandál a kondenzátorig és ez adja az összekapcsolás hasznaként jelentkező többlet villamos teljesítményt. PKE PGT T n2 T2 TH Tn T n1 37. ábra Gázturbina hőhasznosítása gőzerőmű tápvízrendszerében A gázturbina kipufogó gázának hőhasznosítása történhet egy

gőzerőmű kazánjában is (38. ábra). Ennél a megoldásnál a kipufogó gáz részlegesen kiváltja az égési levegőt, mert magas oxigéntartalma a kazánban még hasznosítható. Ez is laza kapcsolat a két körfolyamat között 34 PKE PGT T ki T2 Tn 38. ábra Gázturbina hőhasznosítása gőzerőmű atmoszférikus gőzkazánjában A 39. ábra kapcsolása szoros kapcsolatot teremt, egyik részkörfolyamat sem tud a másik nélkül működni. A kapcsolat egyrészt a a gázturbina nagynyomású részén elhelyezkedő ún feltöltött kazánban, másrészt a gőzkörfolyamat tápvízrendszerében valósul meg. Ez a típus nem terjedt el széleskörűen. PKE Tn PGT T1 T2 TH 39. ábra Feltöltött gőzkazánban integrált gáz/gőzerőmű A kombinált ciklusokkal elérhető igen jó hatásfok és az energetikai célra használható szenek – szénhidrogénekhez hasonlítva – jelentősebb készlete arra készteti a tervezőket, hogy szénfelhasználásra alkalmas

kombinált ciklusokat alakítsanak ki. A 40 ábra egy ilyen lehetséges kapcsolást mutat be. Ebben a megoldásban a szén elégetése egy nyomás alatti örvénylő fluidágyas kazánban történik. A fluidágyban történik meg a gőzkörfolyamat hőtermelése, így a hőmérsékletkorlát betartásához nem kell magas légfelesleg tényezőt használni. Ezt követően rendkívül jó leválasztási fokú pernyeleválasztó állit elő gázturbinába vezethető tisztaságú gázt. Itt is alkalmazható a gázturbina kipufogó gázának hőhasznosítása a gőzkörfolyamat tápvízrendszerében. Esetenként – a gázkörfolyamat hatásfokának emelése érdekében – a pernyeleválasztó és a gázturbina között földgázzal még ráfűtenek a munkavégző gázra. 35 PKE Tn PGT T1 T2 TH 40. ábra Integrált gáz/gőzerőmű nyomás alatti örvényágyas széntüzeléssel További szénfelhasználási próbálkozások folynak külső széntüzelésű gázturbinával,

nyomás alatti szénelgázosítás és gázturbina összekapcsolásával és más megoldásokkal, mindegyiket kapcsolódó gőzkörfolyamattal kiegészítve. Természetesen a szénfelhasználás mindegyik technikai megoldása igen szoros integrációt jelent, de ezeknél az üzemrészek önálló működtetésének kérdése értelemszerűen fel sem merül. 36 8. Kapcsolt energiatermelés Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hő- és villamosenergiatermelés, amikor egy villamosenergia-termelő berendezés termodinamikai alaptörvények következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladékhőjét olyan hőfokszinten tudjuk előállítani, hogy az még hőigények – elsősorban fűtési igények – kielégítésére felhasználható. Az ilyen rendszerekben a felhasznált tüzelőhő 8090%-a hasznosul villamos- vagy hőenergia formájában. E két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függően eltérő lehet.

Ennek megfelelően a kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót kell használni. Az egyik az összes hatásfok a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hőteljesítményhez, a másik a két hasznos teljesítmény aránya (a fajlagos villamosenergia-termelés), amely a hasznos villamos teljesítmény (P) és hőteljesítmény (Qf) aránya:  P  Q f Q ü és  P  Qf (41) Az utóbbi mutatónak az adja a jelentőségét, hogy különválasztott megtermelés esetén a csak villamos-energiát termelő folyamatok hatásfoka általában 30-40%, míg fűtési hő kb. 90% hatásfokkal állítható elő. Emiatt kedvezőbb az a megoldás, amelyben több értékes villamosenergia termelhető, azaz nagyobb a fajlagos villamosenergia-termelése. Több évtizede ismeretes és alkalmazott eljárás a nagy távhőrendszerekben alkalmazott kapcsolt energiatermelés gőzkörfolyamatokban. Ez célszerűen több tíz, vagy

inkább 100 MW-ot meghaladó csúcshőigényű távhőrendszerekben alkalmazható (általában fűtési célú) forróvíz vagy (általában technológiai célú) gőz hőhordozó előállítására. A hőkiadás módja ellennyomású vagy elvételes kondenzációs lehet. Az ellennyomású hőszolgáltató blokk turbinájában csak annyi gőzt lehet expandáltatni, amennyit a fogyasztók igényelnek vagy amennyivel a fogyasztók által igényelt forróvíz felmelegíthető. Ez azt jelenti, hogy a villamosenergia előállítása és a tüzelőanyag fogyasztás közelítőleg arányos a hőigény nagyságával. Egy ellennyomású fűtőblokk kapcsolását és a körfolyamat T-s diagramját a 41 ábra mutatja. T 1 Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők te T1 tv t ell 2 Tápvízelőmelegítő rendszer Tell T2 ell0 20 ell 2 s 41. ábra Ellennyomású fűtőblokk kapcsolása és a körfolyamat T-s diagramja 37 Az összes hatásfok általában 8090%, a fajlagos

villamosenergia-termelés értéke – a körfolyamat paramétereitől és a hőkiadás hőfokszintjétől függően – 0,2 és 0,4 között lehet. Egy ilyen kapcsolt energiatermelés és az azt helyettesítő külön-külön termelés energiaáramait mutatja kerekített számokkal a 42. ábra külön hő- és villamosenergia termelés kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20 tüzelőanyag 100 tüzelőanyag 55 hőenergia 65 villamos energia, 20 veszteség 35 veszteség 10 veszteség 15 tüzelőanyag 75 Tüzelőhő megtakarítás: hőenergia 65 55 + 75 – 100 = 30 42. ábra Kapcsolt energiatermelés gőzkörfolyamatban A számpélda mutatja, hogy a kapcsolt energiatermelés 30 egységnyi hőmegtakarítást eredményez a külön hő- és villamosenergia termeléshez képest (100 egység tüzelőhő 130 helyett), ami a kiadott távhőre vonatkoztatva 30/65=0,46 fajlagos hőmegtakarítást jelent. Az ellennyomású kapcsolt energiatermeléstől eltérően az elvételes

kondenzációs kapcsolt energiatermelés (43. ábra) esetén nincs általános kényszerkapcsolat a két termék aránya között. Az ellennyomású fűtőblokknak alapvetően három különböző üzemállapota van:  Minimális kondenzáció: a kondenzátorba ömlő gőzáram nem csökkenthető nullára, még az ábrában jelölt (nem mindig beépített) torlasztó csappantyú esetén sem. Ilyenkor a blokk üzeme úgy értékelhető, mint egy közös gépben megvalósuló minimális kondenzációs és egy ellennyomású körfolyamat szuperpozíciója.  Maximális gőznyelés: ilyenkor a hőkiadás növelése a villamos teljesítmény csökkenését vonja maga után. A villamos teljesítmény csökkenésének és a kiadott hőteljesítménynek az arányát fajlagos kiesett villamosenergia-termelésnek nevezzük: y ki    P Q f (42) Közbenső tartomány: a két kiadott hasznos teljesítmény egymástól függetlenül változtatható, beállítható. A

hőkiadás minőségi jellemzői (σ fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés és yki fajlagos kiesett villamosenergia-termelés) is szoros kapcsolatban állnak a hőközlési, hőkiadási és hőelvonási középhőmérsékletekkel. Veszteségmentes, ideális körfolyamatokban  T1  Tell T1  1 Tell Tell és y ki  38 Tell  T2 T  1 2 . Tell Tell (43) Szabályozatlan elvétel Fűtési hőcserélők te tv Tápvízelőmelegítő rendszer 43. ábra Elvételes kondenzációs fűtőblokk turbinájának kapcsolása Valóságos ellennyomású gőzkörfolyamatban a fajlagos ellennyomású villamosenergiatermelés:  ell  Tell  1    T  mE T1   ,    Tell   Tell       mQ 1   T   1  T T 1   1    (44) ahol ηmE és ηmQ a villamos és a hőkiadási alrendszer mennyiségi veszteségeit figyelembevevő hatásfok,

ηT pedig a turbina belső hatásfoka. Az összefüggésből kiolvasható, hogy a fajlagos ellennyomású villamosenergia-termelés értéke a valóságos körfolyamatban kisebb, mint az ideális körfolyamatban. Valóságos elvételes kondenzációs gőzkörfolyamatban a fajlagos kiesett villamosenergiatermelés értéke:  T  y ki  1  2   irr   T  mE ,  Tell  (45) ahol ρirr a hőelvonási és hőkiadási középhőmérséklet közötti tápvízelőmelegítés irreverzibilitásai miatt bekövetkező entrópiaáram-növekedést figyelembevevő tényező. A (45) összefüggéssel meghatározható érték kisebb (kedvezőbb), mint az ideális körfolyamat esetében. Ennek magyarázata, hogy itt veszteségek maradnak el, mert a gőz egy része nem expandál végig a kondenzátorig. A gázturbinák mintegy 1015 évvel ezelőtti megjelenése a villamosenergia-termelésben lehetővé tette a valamivel kisebb hőigényű körzetek

bekapcsolását a kapcsolt energiatermelés lehetséges körébe és a fajlagos villamosenergia-termelés értékének emelését kb. 0,6-ig Ennek az ad jelentőséget, hogy az 1998-as nyilvántartások szerint Magyarország 103 településén 290 távhőszolgáltató rendszert tartottak nyilván, és összesen 650 ezer lakás tartozott ezekhez a távhőrendszerekhez, azaz a rendszerenkénti átlagos lakásszám alig haladja meg a kétezret. Hasonló teljesítménytartományban gazdaságos a kombinált gáz-gőz körfolyamatokban alkalmazott kapcsolt energiatermelés, de ezekben az esetekben a fajlagos villamosenergiatermelés értéke akár az 1-et is elérheti. A kisebb, akár ezer alatti lakásszámú körzetek, kisebb ipari fogyasztók és akár egy-egy nagyobb intézmény kapcsolt energiatermelésbe való bevonását a gázmotorok néhány évvel ezelőtt elindult elterjedése tette lehetővé. Ezek a földgáztüzelésű belsőégésű motorok 39 leggyakrabban a 3003000 kW

villamos- és 3504000 kW hőteljesítmény tartományban épülnek. Ez már 24 MW csúcshőigényű rendszerekben is lehetővé teszi a kapcsolt energiatermelést, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke pedig eléri a 0,80,95 értéket is. A magas fajlagos villamosenergia-termelés jelentőségét a 44. ábra mutatja be Ebben látható, hogy 100 egységnyi gázmotorban felhasznált tüzelőhő már 162 egységnyi különálló termelésben felhasználandó tüzelőhőt válthat ki, szemben a gőzkörfolyamatú erőműveknél bemutatott 130 egységnyivel. Így a fajlagos hőmegtakarítás értéke (62/45 = 1,38) jóval 1 fölött van! Ennek persze az az oka, hogy összehasonlító villamosenergia-termelésnek a magyar villamosenergia-rendszer 35% körüli átlagos hatásfokát vettük fel, ami eleve rosszabb, mint a gázmotorok kb. 40% villamos hatásfoka Még ennél is valamivel kedvezőbb eredményeket kapnánk a kombinált ciklusban megvalósított kapcsolt energiatermelésre

vonatkozóan kapcsolt energiatermelés külön hő- és villamosenergia termelés villamos energia, 40 tüzelőanyag 100 hőenergia 45 villamos energia, 40 tüzelőanyag 110 veszteség 70 veszteség 15 veszteség 7 Tüzelőhő megtakarítás: 110 + 52 – 100 = 62 tüzelőanyag 52 hőenergia 45 44. ábra Kapcsolt energiatermelés gázmotorban 40 9. Erőművi segédrendszerek Egy erőmű működéséhez az eddig ismertetett fő folyamatokon felül még néhány nélkülözhetetlen segédrendszerre is szükség van. Ezek közül ebben a fejezetben csak a hőelvonás és a füstgáztisztítás rendszereire térünk ki. További létfontosságú segédrendszereket más tananyagok és segédletek tárgyalnak vagy a szakirodalomban fellelhetők. Ilyen fontos segédrendszerek pl a tüzelőanyag-ellátás, gőzkörfolyamat esetén a levegőellátás, pótvízellátás, levegőeltávolítás, széntüzelés esetén a salak- és pernyeeltávolítás, nyíltciklusú gázturbinák

esetén a levegőtisztítás rendszerei. 9.1 Hűtőrendszerek Gőzkörfolyamatok és kombinált ciklusok esetén a hőelvonást a hűtőrendszerek valósítják meg. Egy viszonylag ritkán alkalmazott rendszer (GEA közvetlen léghűtés) kivételével a kondenzátorban lejátszódó hőelvonást hűtővíz segítségével valósítják meg, ezért ezt a rendszert hűtővízellátási rendszernek is szokás nevezni. A hűtővízellátási rendszer elnevezés azonban valamivel többet is jelent, mint a hőelvonást, az erőművi technológiákban néhány egyéb hűtési igény (pl. generátorhűtés, helységhűtés) is fellép, ezek hűtővízigénye azonban elhanyagolható a hőelvonás hűtővízigénye mellett. Az erőművekben egyéb vízigények is fellépnek (pl. pótvíz előállítás, hidraulikus salak-pernye szállítás), azonban ezek vízigénye is nagyságrendekkel elmarad a hűtővízigény mellett. 9.11 Közvetlen léghűtés A GEA rendszerű közvetlen léghűtés

esetén a turbinából kilépő, igen alacsony nyomású gőzt közvetlenül hűtőtoronyba vezetik, ahol a levegőáram kondenzálja le a gőzt. Egyszerűsége és víztakarékossága ellenére sem nagyon terjedt el, elsősorban az alacsony gőznyomás okozta levegő-betörési veszély és a nagy gőz fajtérfogat miatt szükséges extrém nagy keresztmetszetű gőzvezeték miatt. 9.12 Frissvízhűtés Frissvízhűtésnél valamely élővízből (folyóvíz, tenger, tó) kivett hűtővíz csak egyszer halad keresztül a hűtőrendszeren és utána visszaeresztjük az élővízbe. Ilyenkor mindig felületi kondenzátort alkalmaznak hőelvonásra, hogy az igen jó minőségű körfolyamati közeg (gáztalanított és sótalanított víz) ne érintkezhessen a csak szűréssel kezelt, magas oldott gázés sótartalmú hűtővízzel. Kondenzációs gőzerőművek hűtővízigénye igen magas. 1 MW hasznos villamos teljesítményre hagyományos erőművek esetén 1.214 MW, atomerőmű

esetén kb 2 MW elvonandó hőteljesítmény jut. Ehhez a szokásos 810 °C hűtővíz felmelegedés feltételezésével 3050 kg/s (110180 t/h) hűtővízáramra van szükség. Ez pl azt jelenti, hogy egy paksi blokk (460 MW) hűtővízigénye megközelíti a Sajó vagy a Rába közepes vízhozamát. Annak megítéléséhez, hogy egy folyó mekkora erőmű számára tud elegendő hűtővizet szolgáltatni, nézzük meg egy folyó vízhozam-tartóssági görbéjét (45. ábra) Az ábrában jelölt legfontosabb értékek:      LNQ: legnagyobb víz, az eddig észlelt legnagyobb vízhozam, KNQ: közepes nagy víz, az évi maximumok átlaga, KÖQ: közepes víz, sokévi átlagos vízhozam, KKQ: közepes kisvíz, az évi minimumok átlaga, LKQ: legkisebb víz, az eddig észlelt legkisebb vízhozam 41 (A vízgazdálkodásban hagyományosan Q-val jelölik a m3/s-ban mért vízhozamot.) Q [m3/s] LNQ KNQ nagy vízhozamú év átlagos vízhozam-tartósság KÖQ, átlagos

vízhozam kis vízhozamú év KKQ LKQ T [h/év] 45. ábra Vízhozam-tartóssági görbe Durva, közelítő szabály, hogy vízi műtárgy (duzzasztás) nélkül a vízhozamnak kb. harmadát lehet egy folyóból kivenni. Méretezési vízhozamnak a folyó KKQ közepes kis vízhozamát szokás tekinteni. Ha a hűtővízigény ennek harmadát nem haladja meg, akkor duzzasztás nélküli frissvízhűtést lehet alkalmazni. Ennél nagyobb vízigény (kisebb vízhozam) esetén megoldás lehet a duzzasztás (a KKQ 7090%-áig növelhető a vízkivétel), kisegítő visszahűtés (hűtőtorony) létesítés, ami csak kis vízhozam esetén működik vagy a kis vízhozam esetén a vízkivétel és az erőművi termelés korlátozása, ami változó hiányként terheli az erőművet. Frissvízhűtés esetén általában igen nagy a hűtővízszivattyúk teljesítményfelvétele, mert az erőművet biztonsággal az árvízszint feletti magasságú rendezett terepen kell elhelyezni. A

szivattyúzási munka egy része visszanyerhető, ha a melegvíz visszavezetésnél rekuperációs vízturbinát alkalmaznak. 9.13 Visszahűtéses rendszerek Visszahűtéses rendszereknél a felhasznált hűtővizet lehűtjük és újra felhasználjuk a kondenzátor és a segédrendszerek hűtésére. A visszahűtés során a hőt a levegőnek adjuk át közvetlenül érintkeztetéssel (nedves hűtés) vagy felületi hőcserélőn keresztül (száraz hűtés). Megfelelő vízhozamú vízfolyás esetén a visszahűtés egyik lehetséges megoldása a hűtőtó (46. ábra). A párolgás miatt a hűtőtó sótartalma csak megfelelő mennyiségű vízleeresztés esetén tartható korlátok között. A tó víz tömegmérlege (általában évi mennyiségekkel): mbe  mcs  mle  msz  m p  me , (46) a sótartalom tömegmérlege pedig mbe  cbe   mle  msz   c , (47) 42 ahol mbe a befolyó vízfolyás vízhozama, mle a vízleeresztés, mcs a tóba hulló

csapadék, mp a párolgás, msz a talajba elszivárgás, Δme az erőmű vízkivételének és visszaeresztésének különbsége, cbe a befolyó víz sókoncentrációja, c pedig a tó vizének sókoncentrációja. (A só tömegmérleg az erőmű pótvíz-kezelési módjától függően kis mértékben változhat.) A párolgás mennyiségének meghatározásánál figyelembe kell venni a természetes párolgás mellett a hőelvitelhez szükséges párolgást is. Magyarországi meteorológiai viszonyok között a hőelvitel 60-80%-a párolgással történik. mp mcs mbe mle msz Δme Erőmű 46. ábra Hűtőtavas hűtés Minden egyes sófajtára be kell tartani a c  cmeg (48) korlátot, ahol cmeg az adott sófajta tóban megengedhető koncentrációja. A (46)(48) összefüggésekből kifejezhető a vízfolyás minimálisan szükséges vízhozama: mbe  m p  me  mcs . cbe 1 cmeg (49) Tapasztalatok szerint a megfelelő visszahűtés eléréséhez 1 MW

villamos teljesítményhez kb. 1 hektár hűtőtó felület kell. A hűtés intenzitása növelhető szökőkúthoz hasonló szóró-hűtők alkalmazásával, de az megnöveli a cseppelragadás mértékét is. Hasonló módon kell meghatározni a szükséges pótvíz ill. leeresztési mennyiséget nedves hűtőtornyos hűtés (47. ábra) esetén is Ebben az esetben az elszivárgási veszteség elmaradása és a kisebb párolgási veszteség következtében kisebb a pótvíz-igény, mint hűtőtavas hűtésnél, Száraz hűtési rendszerek között – az előző pontban említett közvetlen léghűtés mellett – elterjedten alkalmazzák a Heller-Forgó rendszerű hűtést (48. ábra) Ennél a keverőkondenzátor kondenzátumát szivattyú szállítja az apróbordás alumínium hőátadó felületekhez, amelyekben – az esetlegesen megjelenő tömörtelenségeken bekövetkező levegőbetörés 43 elkerülése érdekében – atmoszférikusnál nagyobb nyomásnak kell lennie. A

lehűlt víz a szivattyúzási munka egy részének visszanyerése érdekében nyomásejtő vízturbinán keresztül jut vissza a kondenzátorba. A párolgás és a cseppelragadás elmaradása következtében a pótvíz-igény legalább egy nagyságrenddel kisebb, mint nedves hűtőtornyok esetén. Ugyanakkor a párolgásos hőátvitel elmaradása a közepes hőfokrést megnöveli. Száraz levegő esetén – általában nyáron – a hűtés intenzitása javítható a hőátadó felületek külső nedvesítésével (nedvesített száraz hűtőtorony). G pótvíz leeresztés 47. ábra Nedves hűtőtornyos hűtés G G pótvíz 48. ábra Heller-Forgó rendszerű száraz hűtőtornyos hűtés 9.2 Füstgáztisztítás A levegőkörnyezet terhelésének csökkentése érdekében a tüzelések során keletkező levegőszennyező anyagok mennyiségét korlátozni kell. Rövid áttekintésünkben csak a három legfontosabb szennyezőanyag csökkentésére térünk ki. 44 9.21

Szilárd szennyezőanyagok, pernye Szilárd szennyezők döntő többsége a tüzelőanyag nem éghető komponenseiből (hamutartalom) keletkezik. Kisebb mértékben és rövid időre – elsősorban olajtüzelésnél – koromképződés is felléphet. A magyar energetikai szenek általában 3045% hamutartalmúak és szénportüzelésű kazánokban tüzelik el. Ez az alacsony fűtőértékkel párosulva 1040 g/m3 porkoncentrációt eredményez a füstgázban. Ugyanakkor a levegőtisztaság-védelmi előírások 50150 mg/m3 koncentrációt engednek meg a kibocsátásnál. Ez 99%-nál jobb leválasztási fokot igényel a pernyeleválasztótól. Ezt az értéket csak elektrosztatikus pernyeleválasztóval vagy zsákos szűrővel lehet elérni. Az olajtüzelésű erőművekben a kőolaj lepárlási maradékát (pakura, gudron) tüzelik el. Ennek hamutartalma csak néhány ezrelék, de veszélyes nehézfémeket, fémoxidokat tartalmaz. Ennek ellenére olajtüzelésű erőművi kazánoknál

ritkán alkalmaznak pernyeleválasztót. Az elektrosztatikus leválasztó berendezés (49. ábra) a füstgáz áramlási irányával párhuzamosan elhelyezett pozitív polaritású leválasztó lemezeket tartalmaz, amelyek között negatív polaritású szóróelektródák vannak. A szóróelektródákat nagyfeszültségű (30100 kV) egyenáram táplálja. A szóróelektróda olyan keretre feszített huzalokból áll, amelyeken éleket vagy csúcsokat alakítottak ki azért, hogy arról a nagyfeszültség hatására elektronok léphessenek ki. A kilépő elektron az elektromos erőtérben nagymértékben felgyorsulva távolodik el a szóróelektródától. Az elektron nekiütközve ionizálja a gázatomokat anélkül, hogy befogódna. A pozitív gázionok a negatív polaritású szóróelektróda felé közelednek és ütközés révén újabb elektronok szabadulnak fel a huzalból. Eközben az erős elektromos térben a porszemcsék felületén is töltésmegoszlás jön létre. A

porszemcsék szóróelektróda felőli felületeiről az elektronok elvándorolnak és így az pozitív töltésű lesz. A porszemcse pozitív töltésű felületeire tapadnak aztán a szóróelektródából kilépő elektronok és a gáz ionizációja következtében keletkező negatív töltésű ionok. Ezáltal a porszemcse teljes felülete negatív töltésű lesz. E negatív töltésű porszemcsék az elektromos térben a pozitív töltésű leválasztó lemez felé vándorolnak és azon leválasztódnak. 49. ábra Elektrosztatikus pernyeleválasztó felépítése 45 A leválasztási fokot az alkalmazott térerő nagyságától, a szemcsemérettől és a szemcse anyagától függő ún. oldalirányú szemcsevándorlási sebesség és a fajlagos elektróda felület (az elektróda felület és füstgáz térfogatáram hányadosa) határozza meg. Az elérhető leválasztási fok általában 9999.6%, de a 35 μm-nél kisebb szemcséknél rohamosan csökken A gyűjtőelektródák

(lemezek) tisztítását szakaszosan, üzem közben végzik rázással vagy a lemezek ütögetésével. Ennél is jobb leválasztási fok érhető el a zsákos szűrőkkel (50. ábra), amelyek tisztítása a szűrő kikapcsolása után végezhető. Emiatt a folyamatos üzemű kazánoknál a zsákos szűrőket megfelelő tartalékkal, csoportokba foglalva építik be és egy-egy csoportot üzemből kivéve végzik a tisztítást. A használat során a zsákok eltömődésével a leválasztási fok javul, de lényegesen megnő a zsákok áramlási ellenállása (mint a porszívónál), ami a ventilátor teljesítményigényét növeli. A tisztítási periódusokat általában a zsákok áramlási ellenállásáról vezérlik. Ellenirányú tisztító levegő zsák rázó mechanizmus Nagynyomású levegő-fúvókák Tisztított gáz Fémkeret sztított gáz Szűrőzsák Szűrőzsák Poros gáz Poros gáz Leválasztott por Leválasztott por gáz áramlási iránya: kívülről -

be gáz áramlási iránya: bentről - ki 50. ábra Zsákos szövetszűrők felépítése 9.22 Kénoxidok Az erőművi szenek és az olaj lepárlási maradéka általában 24% kenet tartalmaznak. Szén esetén a kén egy része (1040%-a) a hamuban kötött formában távozik a többi, olajtüzelésnél pedig az összes kén kénoxidokká alakul. A kénoxidok döntő többsége (92.99%) kéndioxid, a többi kéntrioxid lesz (Nem rossz közelítés, ha az összes kénoxidot kéndioxidnak tekintjük.) A jelenlegi levegőtisztaság-védelmi követelmények teljesítéséhez kb. 9095% leválasztási fokú füstgázkéntelenítés szükséges. A legelterjedtebb eljárások a nedves füstgázmosók, ritkábban alkalmaznak száraz vagy félszáraz eljárásokat. A nedves eljárásoknál általában mészkövet (CaCO3) vagy mészhidrátot (Ca(OH)2) használnak abszorbensként. 46 Egy mészköves nedves füstgázkéntelenítő eljárás kapcsolását mutatja be az 51. ábra 51. ábra

Mészköves, nedves füstgázkéntelenítő eljárás A füstgázkéntelenítés kémiai reakció a következők: SO2  H 2O  H 2 SO3 abszorpció CaCO3  H 2 SO3  CaSO3  CO2  H 2O semlegesítés 1 CaSO3  O2  CaSO4 oxidáció 2 CaSO4  2 H 2O  CaSO4  2 H 2O kristályosodás Az abszorpció az előmosóban, a semlegesítés a mosótoronyban, az oxidáció a mosótorony aljában levő medencében, a kristályosodás pedig a szárítás során játszódik le. 9.23 Nitrogénoxidok A nitrogénoxidok (NOx: NO, nitrogénmonoxid és NO2, nitrogéndioxid) a tüzelés során három módon keletkezik:  tüzelőanyag kémiailag kötött (szerves) nitrogéntartalmából,  az égési levegő nitrogénjéből termikus NOx képződési mechanizmussal,  az égési levegő nitrogénjéből prompt NOx képződési mechanizmussal. A nitrogén és oxigén molekulák (N2 és O2) nem lépnek egymással reakcióba. Erre bizonyíték a Föld légkörének

összetétele. A tüzelőanyag NOx keletkezésénél a szénhidrogén molekulák égésekor atomos állapotú nitrogén marad vissza, amely kémiailag igen aktív és az O2 kötést feltépve alakulhat nitrogénmonoxiddá. A termikus NOx keletkezésénél az oxigén magashőmérsékletű disszociációja hoz létre atomos oxigént, amely reakcióba léphet a nitrogén molekulákkal. 47 A prompt NOx keletkezésénél a hirtelen felmelegedő, oxigénhiányos környezetbe kerülő szénhidrogén molekulák krakkolódása indítja be a folyamatot. A széttöredezett molekulából létrejövő, szabad vegyértékkel rendelkező gyökök oxigén hiányában a nitrogén molekulákkal léphetnek reakcióba és nitrogéntartalmú szerves molekulák vagy gyökök keletkeznek. Ezek azután a tüzelőanyag NOx keletkezésénél megismert módon járulnak hozzá a nitrogénoxid képződéshez. A tüzelés során elsődlegesen mindig nitrogénmonoxid keletkezik és csak a kazán alacsonyabb

hőmérsékletű huzamaiban alakul 510%-a az egészségre sokkal veszélyesebb nitogéndioxiddá. A nitogéndioxiddá alakulás azonban a légkörben is folytatódik Az ismertetett keletkezési mechanizmusokból is látszik, hogy a nitrogénoxid képződés mértékét elsősorban a tüzeléstechnikai jellemzők határozzák meg. Ebből adódik, hogy a nitrogénoxid kibocsátás csökkentését két módon lehet elérni:  tüzeléstechnikai paraméterek megváltoztatása, csökkenthető (primer eljárások), amivel a képződés mértéke  nitrogénoxid leválasztás (szekunder eljárások). Valamennyi primer eljárás sarkalatos pontja a légfelesleg tényező csökkentése. Ezért fontos a tüzelés pontos ellenőrzése. A tüzelőanyag NOx képződési mechanizmus csak a légfelesleg tényező csökkentésével befolyásolható kedvező irányban. A termikus NOx képződési mechanizmus ezen kívül mérsékelhető a tűztér legmelegebb pontjaiban a

csúcshőmérsékletek csökkentésével, inert anyag bekeverésével és a tartózkodási idő csökkentésével. A prompt NOx képződés mérséklése elsősorban a tüzelőanyag felmelegedési sebességének csökkenésével érhető el. A NOx képződés csökkentésére számos megoldást alkalmaznak. Ezek közül az elterjedtebbek a többfokozatú tüzelés, a füstgáz recirkuláció, az elnyújtott tüzelés, NOx szegény égők és redukáló gázégő alkalmazása. Ezek közül több együtt is használható A szekunder (leválasztási) eljárások közül a szelektív katalitikus redukció (SCR) vált be legjobban. Ennek során a leggyakoribb megoldásnál titándioxidra felvitt vanádiumpentoxid katalizátoron a nitrogénoxidokat ammóniával reagáltatják. Ennek során nitrogén molekulák és vízgőz keletkezik. A legfontosabb kémiai reakciók: 6 NO2  8 NH 3  7 N 2  12 H 2O 4 NO  4 NH 3  O2  4 N 2  6 H 2O A legkedvezőbb hőmérséklet az SCR

számára a 350370 °C közötti tartomány, de semmiképpen nem szabad 320 °C alá, ill. 400 °C fölé menni Ezért a nitrogénoxid leválasztás sorrendben megelőzi a többi leválasztást. Emiatt a katalizátor élettartama erősen függ az alkalmazott tüzelőanyagtól, mert a kénoxidok és a szilárd szennyezők rongálják a katalizátort. A katalizátort gáztüzelés esetén is 810 évenként cserélni kell, olajtüzelésnél 57 év, széntüzelésnél 34 év az élettartama. 48 10. Irodalom BIHARI PÉTER – BALOGH ANTAL: Erőművek. Elektronikus jegyzet http://www.energiabmehu/downloadshtm BÜKI GERGELY: Erőművi berendezések. Egyetemi jegyzet Tankönyvkiadó, Budapest, 1984 BÜKI GERGELY: Energiatermelés, atomtechnika. Egyetemi jegyzet Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. BÜKI GERGELY: Hőkörfolyamatok I. Egyetemi jegyzet Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1993 BÜKI GERGELY: Energetika. Egyetemi tankönyv Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1997 ISBN 963 420 533 X LÉVAI

ANDRÁS: Hőerőművek. Nehézipari könyv- és folyóiratkiadó Vállalat, 1954 LÉVAI ANDRÁS: Hőerőművek II. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1964 LÉVAI ANDRÁS: Hőerőművek II. Hőkapcsolások Egyetemi jegyzet Tankönyvkiadó, Budapest, 1982. LÉVAI ANDRÁS – ZETTNER TAMÁS: Hőerőművek IV. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1971 MARGULOVA, T. H: Atomerőművek Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977 ISBN 963 10 1874 4 KISS LAJOS: Villamosenergia-gazdálkodás. Egyetemi tankönyv Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. ISBN 963 18 18939 X ŐSZ JÁNOS – BIHARI PÉTER: Hőellátás. AIFSz jegyzet, kézirat, BME Energetika Tanszék, 1998 PETZ ERNŐ: Hőerőművek I. Gazdasági vizsgálatok Egyetemi jegyzet Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. REMÉNYI KÁROLY: Új technológiák az energetikában. Akadémiai Kiadó, Budapest, 1995 ISBN 963 05 6847 0 49