Fizika | Energetika » A villamos energia előállításáról

A VILLAMOS ENERGIA ELŐÁLLÍTÁSA A hőerőművek főbb üzemi jellemzői és főberendezései A villamos energia termelése érdekében a hőerőművekben lejátszódó leglényegesebb folyamatokat két csoportra oszthatjuk: úm. fő technológiai folyamatokra és az azt kiegészítő folyamatokra. A fő technológiai folyamatok – amelyek az erőmű főberendezéseiben zajlanak – a következők: - a tüzelőanyag kémiai energiájának átalakítása hőenergiává (elégetési folyamat); - a hőenergia átadása a közvetítőközegnek; - a közvetítőközeg hőenergiájának átalakítása mechanikai energiává; - a mechanikai energia átalakítása villamos energiává. A főbb kiegészítő folyamatok – amelyek segédberendezéseket igényelnek – a következők: - a tüzelőanyaggal kapcsolatosak (a tüzelőanyag beérkezése, tárolása és az erőműn belüli szállítása, az elégetés utáni salak, pernye gyűjtése és elszállítása); - a hűtővízzel

kapcsolatosak (a víz kinyerése és bevezetése az erőműbe, visszahűtése vagy visszavezetése); - a pótvízzel kapcsolatosak (szűrés, vegyi előkészítés, bevitel a fő technológiai folyamatba). Azt az elvi (hő) kapcsolási vázlatot, amely a víz-gőz körfolyamatot vagy a gáz körfolyamatot tartalmazza, és magában foglalja mindazon berendezéseket, amelyekben a közvetítő közeg (vízgőz vagy gáz) valamilyen változáson megy keresztül az erőmű hősémájának nevezzük. A hősémában feltüntetik a közvetítő közeg legfontosabb állapotjellemzőit is (nyomás, hőmérséklet). A nagyobb hőmérséklet és nyomás javítja a körfolyamat termikus hatásfokát, és ezáltal az erőmű gazdaságosságát. 1. Gőzturbinás erőművek A gőzerőműnek a fő technológiai folyamatnak megfelelően három fő berendezése van: – a kazán; – a gőzturbina; – és a villamos generátor. A tiszta kondenzációs erőműben a teljes fejlesztett gőzmennyiség

villamos energia termelésére szolgál (1. ábra) A felhasználandó tüzelőanyagot - szén, fűtőolaj vagy földgáz (1) - levegő (2) hozzáadásával a kazánban (KA) elégetik, a keletkező füstgázt (3) kéménybe (KE) vezetik, míg az égés utáni maradék - salak, hamu (4) - a salaktérbe kerül. A kazánban termelt gőzt a turbinába (TU) vezetik, amely a villamos generátort hajtja (A generátorhoz egyrészt transzformátor (TR) csatlakozik, amely a generátorfeszültséget a kívánt nagyobb feszültségre emeli, másrészt egy leágazás, amely a segédüzemeket (SÜ) táplálja.) Az ún gőzkondenzátorban (KO) – azaz egy hűtővizes hőcserélőben – hő elvonásával a fáradt gőzt lecsapatják, majd a kondenzvizet (a csapadékot) szivattyúval (KSz = kondenzvíz-szivattyú) a táptartályba (T) nyomják. A víz visszanyerésére azért van szükség, mert a kazánba csak tisztított lágy vizet lehet vezetni azért, hogy a forralócsövek ne vízkövesedjenek

el. A tiszta lágy víz előállítása drága. A táptartályból a vizet a tápszivattyú (TSz) a kazánba (KA) nyomja vissza, amivel a folyamat újra kezdődik. 1 1. ábra Kondenzációs erőmű egyszerűsített hőkapcsolási vázlata Az 1. ábra kondenzációs erőművének hatásfoka alacsony A hatásfok növelésére számos műszaki megoldás született. Ilyen hatásfoknövelő megoldások az erőműben a léghevítés, a megcsapolásos tápvíz-előmelegítés és a közvetítő közeg újrahevítése: − A léghevítő a kazánból távozó füstgáz hulladékhőjét hasznosítja úgy, hogy az égéshez szükséges levegőt egy hőcserélőben felhevíti. A léghevítőknek mind a tüzelés gazdaságossága, mind a tüzelőanyag őrlése és gyulladása szempontjából nagy a jelentősége − A víz-előmelegítők hőcserélők amelyekben a táptartályba, majd a kazánba juttatandó csapadék-, ill. tápvizet előmelegítik A hőközlés céljára szolgáló

gőzmennyiséget a turbina különböző fokozataiból (megcsapolásaiból) veszik el. − A túlhevítő a korszerű nagynyomású, nagyteljesítményű kazánok egyik legfontosabb része, a kazán felső, legmelegebb részén húzódó csőrendszer, amelyben a kazán elgőzölögtető részében termelt 12% nedvességtartalmú gőzt a telítési hőmérséklet fölé, 500600 C° hőmérsékletre hevítik) A gőzt felhasználó ipari folyamatok jelentős része és a fűtés csak mérsékelt nyomású és hőmérsékletű gőzt igényel. Ha viszont a gőzt magasabb állapotjellemzőkkel állítjuk elő, hőtartalmának egy része villamos energia előállítására használható fel. Gőzelvételes erőműről beszélünk, ha a gőznek csak egy hányadát vezetik a hőfogyasztókhoz, a többi része a turbinában expandál egészen a kondenzátornyomásig. Az elvételes gépeket tehát elvileg két részre, egy tisztán ellennyomású gépre és egy kondenzációs gépre lehet

bontani. A gőzturbinás erőművek energetikai alkalmazása: - A kondenzációs erőművek, a villamosenergia-rendszer legfontosabb erőművei, amelyek teljes egészében a közcélú villamosenergia-ellátást szolgálják. A villamos energiát olcsón termelő (legjobb hatásfokú, legkorszerűbb) kondenzációs erőművek alaperőműként (állandó jellegű alapterheléssel) üzemelnek, a közepes költségűek menetrend szerint követik a napi fogyasztói terhelésingadozásokat (cél a változó teljesítményigény kielégítése), míg a nagy fajlagos költségűek csúcserőműként vehetők számításba; - Az ellennyomású és az elvételes erőművek egyaránt szolgálnak villamosenergia-fejlesztésre és hőfejlesztésre. Ezek az ún hőszolgáltató erőművek, amelyekben a fejlesztett villamos energia mennyiségét nem az együttműködő villamosenergia-rendszer követelményei, hanem a hőfogyasztók igényei (hőszolgáltatási igények) szabják meg. A hő- és a

villamosenergiaszolgáltatás aránya nagymértékben befolyásolja a hőszolgáltató erőmű műszaki-gazdasági 2 mutatóit. Fontos jellemzőjük, hogy az egyik szolgáltatás csupán a másik rovására javítható, ill. növelhető A hőszolgáltató erőmű alapvető típusai: - az ipari hőszolgáltató erőmű, amely ipari hőfogyasztó berendezéseket lát el hőenergiával; - a fűtőerőmű, amely fűtési hőigényt elégít ki (pl. városok, városrészek távfűtése) A magyar villamosenergia-rendszer hőerőműveiben a felhasznált összes tüzelőanyag kb. háromnegyedét villamosenergia-termelésre fordítják, míg negyedét távhőszolgáltatásra. 2. Gázturbinás erőművek A gázturbinás erőműben az előző pontban leírt főberendezések közül a kazán elmarad, helyét a repülőgép hajtóműhöz hasonló gázturbina tölti be. A gázturbinás erőművek tüzelőanyaga elsősorban olaj vagy földgáz. A közvetítő közeg vízgőz helyett maga az

égéstermék, a füstgáz A legegyszerűbb gázturbinás erőműben a levegőt kompresszor nyomja az égőtérbe ahol a gáz elég és a keletkező nagynyomású füstgáz a turbinalapátokra jutva megforgatja a turbinát és a vele egytengelyű szinkron generátort. A turbina a generátoron kívül a légkompresszort is hajtja, így a gázturbina indítását külön motor végzi (2.ábra) 2.ábra Egyszerű nyitott rendszerű gázturbinás erőmű elvi hőkapcsolási vázlata: IM indító motor; K kompresszor; E égőtér; GT gázturbina; G generátor; 1 levegőbeszívás; 2 tüzelőanyag; 3 füstgáz a kéménybe; 4 villamos energia Az erőmű hatásfokát alapvetően az határozza meg, hogy a gázturbina és a légkompresszor hatásfoka mekkora, hogy a turbinába beömlő gáz hőmérséklete milyen magas, hogy a turbinából kilépő gázok hőtartalmát milyen mértékben hasznosítják, azaz milyen a megvalósított körfolyamat. E jellemzőknek megfelelően a következő

hatásfokjavító megoldásokat alkalmazzák: – a szabadba távozó füstgázok hőjével működő hőcserélőt építenek be, amely a beszívott levegőt előmelegíti; – többfokozatú kompressziót és expanziót alkalmaznak, amelynek során a kompressziós fokozatok között hűtik, az expanziós fokozatok között pedig újrahevítik a hőhordozó közeget; 3 – kombinált ciklust (gáz-gőz körfolyamatot) alkalmaznak, amelyben a gázturbina távozó hőjét gőzerőműben hasznosítják. (Kombinált ciklusú erőművek) A gyakorlati megoldásokra egy-egy példát a következő ábrák hősémái mutatnak. A 3ábra olyan nyitott rendszert ábrázol ahol a kétfokozatú kompresszor hatásfokát levegőhűtő növeli. A szabadból hangtompítón át beszívott levegő a kompresszorok után hőcserélőben felhevítve kerül az égőkamrába, ahol az oda bejuttatott tüzelőanyag a levegővel keveredve elég. A keletkező magas hőmérsékletű, nagynyomású

füstgázok energiája a turbinában mechanikai munkává alakul. A turbina hajtja a villamos energiát termelő generátort A fáradt füstgázok hangtompítón át a kéményből a szabadba távoznak. 3.ábra Gázturbinás erőmű elvi hőkapcsolási vázlata nyitott rendszer kétfokozatú kompresszorral, levegőhűtővel és hőcserélővel; E égőkamra; K1, K2 kompresszorok; LH levegőhűtő; H hőcserélő; GT gázturbina; G szinkron generátor; 1 levegőbeszívás; 2 tüzelőanyag; 3 a füstgáz távozása a kéménybe. A gázturbinás erőmű előnyei: - gyors üzemkészség, - a berendezés és a kezelés egyszerűsége, - a hűtővíz-ellátástól való teljes, vagy részleges függetlenség. A gázturbinás erőmű hátrányai: - a gőzerőművekénél rosszabb hatásfok, - szerkezeti okok következtében kisebb egységteljesítményű turbina. Alkalmazási területek: − a nagyobb egységteljesítményű gázturbinás erőműveket csúcserőműként alkalmazzák a

villamosenergia-rendszerekben; − az együttműködő villamosenergia-rendszerben gyorsan indítható hideg tartalékként alkalmazzák; 4 − sajátos erőművi alkalmazási területe a földalatti szénelgázosítás termékeivel üzemeltetett gázturbinás erőmű; − kohóüzemekben a hulladékenergiák (pl. kohógáz) felhasználása; − a gázturbina távozó hőenergiájának gőzerőműben történő hasznosítása Kapcsolt energiatermeléssel (a villamos energia és a hőenergia egyidejű értékesítésével) nagyon jó hatásfokot lehet elérni az energiaátalakításban, ezért világszerte tapasztalt fejlesztési irány a villamos energia közös technológiával való termelése a hővel. Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés már létezett Magyarországon az iparban a háború előtt is, de a távfűtés megindulásával mégiscsak az ötvenes években kezdődött ennek jelentős fejlesztése. Megjelentek a távfűtéses panelépületek a hozzájuk tartozó

erőművi megoldásokkal Szinte minden magyar hőerőmű fokozatosan bekapcsolódott a helyi távhőrendszerek ellátásába. A kilencvenes évek elején megjelent a gázturbinás technika a magyar kapcsolt energiatermelésben. Mind az ipari gőzszolgáltatáshoz (Dunamenti Erőmű), mind a forróvizes távfűtéshez (Kelenföldi Erőmű) gázturbinák épültek hőhasznosító kazánokkal. 3. Atomerőművek Az atomerőművek felépítés, működése Az atomerőmű és a hagyományos hőerőmű között az a lényeges különbség, hogy a hőtermelés a kazán helyett az ún. reaktorban megy végbe A reaktorban keletkezett hőt közvetítő közeg (hűtőközeg) juttatja el a hőcserélőbe. Ez a folyamat az ún primer (nagy radioaktivitású) körben játszódik le A hőcserélőben keletkezett gőzt a turbinára vezetik A turbinából a gőz a kondenzátorba jut, ahonnan a csapadék a hőerőműveknél megismert módon kerül vissza a hőcserélőbe (szekunder kör) Egy ilyen

rendszerű atomerőmű hőkapcsolási rajzát a 4.ábra mutatja. 4.ábra Nyomottvizes atomerőmű hősémája R atomreaktor; CSZ cirkulációs szivattyú; H hőcserélő; TU gőzturbina; G generátor; KO kondenzátor; KSZ kondenzvíz-szivattyú; E előmelegítő; TSZ tápszivattyú 5 Egy atomerőmű főbb részei: a hőfejlesztő reaktor, a hőátadási rendszer, az erőgépcsoport, valamint az ezekhez szervesen hozzátartozó segédberendezések (szabályozó-berendezések, üzemanyag-előkészítés és kezelés stb.) A hőerőgép lehet gőz- vagy gázturbina A gyakorlatban egységes erőművi reaktortípus nem alakult ki, így a különböző atomerőmű-típusokat az alkalmazott reaktortípusok határozzák meg, A reaktor fő szerkezeti elemei: - az üzemanyag elhelyezésére szolgáló aktív zóna (reaktormag) ; az aktív zónát körülvevő neutronlassító közeg, azaz a moderátor (termikus reaktoroknál); az aktív zónából, a reaktorból kilépni igyekvő

neutronok visszaverésére szolgáló reflektor; a maghasadás során keletkezett hőt elvezető hűtőközeg; a szabályozó és mérőberendezések; sugárvédelmi berendezések. Heterogén rendszerű a reaktor, ha az üzemanyag és a moderátor elkülönített közeg. Homogén rendszerű reaktoroknál az üzemanyag és a moderátor homogén keveréket alkot. A kétféle rendszer elvi felépítésére az 5.ábrán látható 5.ábra Atomreaktorok elvi felépítése a) heterogén reaktor: 1 beton; 2 reflektor; 3 szabályozórudak; 4 moderátor;5 üzemanyag; 6 hűtőközeg-beömlés; 7 hűtőközeg-kiömlés; b) homogén reaktor: l beton; 2 reflektor; 3 szabályozórúd ;( szükség szerint beépítve); 4 üzemanyag- és hűtőközeg-beömlés; 5 üzemanyag- és hűtőközeg kiömlés Nagy teljesítményű atomerőművekben elterjedten alkalmazzák a termikus reaktorokat. (A termikus neutronokkal végzett maghasadásnál nagy előny a jó szabályozhatóság. Termikus neutronokkal - a

természetben előforduló elemek közül - egyedül az urán 235-ös tömegszámú izotópja, az U235 hasítható.) Ezért a termikus reaktorok üzemanyaga természetes, vagy U235ben dúsított urán A termikus reaktorok közül két típus, a "gázgrafitos" és a vizes ma már kipróbált, teljesen megbízható, kereskedelmi típusnak tekinthető. 6 Az atomerőművi reaktorok típusai: 1.Gáz-grafit (GGR) reaktorok A gáz-grafit reaktoros megoldás lényege, hogy a reaktor grafittal moderált és széndioxid gázzal hűtött. Üzemanyaga természetes urán A reaktor magja nagyméretű, grafitelemekből épített, többnyire hasáb, vagy kocka alakú test, amelynek csatornáiban vannak elhelyezve az üzemanyag-elemek. A hűtést és a reaktorban fejlődő hő kiszállítását az ugyanezen csatornákban áramló hűtőgáz végzi A hűtőgáz hőjével a hőcserélőben termelnek gőzt Elsősorban Angliában és Franciaországban terjedtek el. 2. Forraló vizes (BWR)

reaktorok Ennél a típusnál a moderátort és a hűtőközeget egyaránt könnyűvíz szolgáltatja és a hűtéskor a nyomás alatt levő hűtővízből gőz (ill. hevített gőz) lesz A reaktorban fejlődő gőzt közvetlenül lehet a turbinába bevezetni, ami jobb termikus hatásfokot, egyszerűbb szerkezetet eredményez (a primer és a szekunder kör egyesítése révén a hőcserélő elhagyható) és olcsóbb létesítést tesz lehetővé. (6 ábra) BWR-reaktorokat, elsősorban a Szovjetunióban és az USA-ban fejlesztettek ki. Az USA-ban kifejlesztett típusnál a moderátor a hűtőközeggel azonos, a szovjetunióbeli reaktoroké pedig grafit. 6. ábra Forralóvizes atomreaktor R atomreaktor; CSZ cirkulációs szivattyú; TU gőzturbina; G generátor; KO kondenzátor; KSZ kondenzvíz-szivattyú; TT tápvíztartály; TSZ tápszivattyú 3. Nyomás alatti vízzel hűtött (PWR) reaktorok Ennél a típusnál a moderátor és a hűtőközeg egyaránt könnyűvíz. Üzemanyaga

enyhe (2-4%) dúsítású urán, ill. uránoxid A reaktorban termelt hőmennyiséget a hűtőközeg víz formájában veszi fel (azért nyomott vizes, mert akkora nyomás alatt kell tartani, hogy a kb. 500°C-os víz ne forrjon), majd a hőcserélőn keresztül egy másik vízkörben (szekunder körben) gőzt termel, amelyet gőzturbinában hasznosítanak (l. a 4 ábrát) 7 A legfontosabb előnyök: - a hűtőközeg és a moderátor ugyanaz az anyag (brómos víz); a víz beszerzése és kezelése olcsó; a vízzel hűtött reaktor negatív hőfoktényezőjű lehet, ami azt jelenti, hogy nukleáris szabályozás nélkül is maga a hűtőközeg nem engedi meg a reaktor megszaladását; a nyomás alatti víz miatt a reaktorméret, és ezáltal a fajlagos beruházási költség is kicsi. Hátrányos tulajdonságai: - működéséhez dúsított üzemanyag szükséges (ui. a fűtőelemek előállítási költsége annál kisebb, minél kisebb arányú dúsítást kell alkalmazni);

termikus hatásfoka a többi reaktortípushoz képest valamivel kisebb (nagy, 400-500 MW egységeik azonban már versenyképesek); a gőzfejlesztéshez külön hőcserélőre van szükség; a viszonylag alacsony gőzjellemzők miatt a szokványostól eltérő turbinák szükségesek. Az Egyesült Államokban, Németországban, a Szovjetunióban alkalmazzák. A szovjet gyártású PWR-reaktorok VVER típusjelűek, és 210, 365, 440 és 1000 MW villamos teljesítményűek. Az üzemanyag dúsítási mértéke 2,8 - 4,4% A hazai Paksi Atomerőmű első, 1760 MW-os kiépítése 4 db WER-440 típusú reaktorral létesült. Jelenleg az egyes blokkok teljesítménye 470 – 480 MW 4. Nehézvizes (HWR) reaktorok További termikus reaktorok a nehézvíz-moderátoros (HWR) reaktorok. E típusnál a moderátor nehézvíz (D2O) és a hűtőközeg D2O, H2O vagy gáz Főleg olcsó villamos energiával rendelkező országok fejlesztik (Kanada, Svédország) a drága nehézvíz előállítás miatt.

Megemlítendő, hogy itt a nyomottvizes-típusnál (PWR) a szekunder körben már könnyűvíz van Az eddig tárgyalt termikus reaktorok közös jellemzője, hogy kevesebb hasadó anyagot termelnek (U238-ból Pu239-et), mint amennyit fogyasztanak (U235-öt). 8