ΗΜΥ 445/681Διάλεξη 2 – Ατμοηλεκτρικές και

υδροηλεκτρικές μονάδες

Δρ. Ηλίας ΚυριακίδηςΕπίκουρος Καθηγητής

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

© 2008 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

ΤΑ ΘΕΜΑΤΑΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ

•Ατμοηλεκτρικές και υδροηλεκτρικέςμονάδες

•Κόστος καυσίμων•Χαρακτηριστικές καμπύλες• Συμπαραγωγή (cogeneration)

ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Θερμικοί Υδροηλεκτρικοί ΆλλοιΘερμότητα

↓Μηχανική ενέργεια

↓Ηλεκτρική ενέργεια

Δυναμική ενέργεια↓

Μηχανική ενέργεια↓

Ηλεκτρική ενέργεια

ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Συμβατικοί(Conventional)

Πυρηνικοί(Nuclear)

Χρησιμοποιούν ουράνιο U235και άλλα ισότοπα

Αεριοστροβιλικοί(Gas turbines)

Συνδυασμένου κύκλου(Combined cycle)

Εσωτερικής καύσης(Internal combustion)

Ατμοηλεκτρικοί(Steam turbines)

ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Αεριοστροβιλικοί (Gas turbines):Ο ατμοσφαιρικός αέρας συμπιέζεται και οδηγείται στον θάλαμοκαύσης όπου ψεκάζεται με πετρέλαιο diesel ή φυσικό αέριο. Τααέρια οδηγούνται στον αεριοστρόβιλο που τον αναγκάζουν ναπεριστραφεί. (Απόδοση 25-35%, γρήγορη εκκίνηση, χρήση ωςμονάδες αιχμής, ψηλό κόστος λειτουργίας).

Ατμοηλεκτρικοί (Steam turbines):Χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (κάρβουνο, μαζούτ, φυσικόαέριο) που καίγονται στο λέβητα για να δημιουργήσουν υπέρθερμοατμό, ο οποίος κινεί το στρόβιλο. (Απόδοση 30-45%, πολύ αργήεκκίνηση (πολλές ώρες), μικρό λειτουργικό κόστος).

ΣΥΜΒΑΤΙΚΟΙ ΘΕΡΜΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙΣυνδυασμένου κύκλου (Combined cycle):Συνδυασμός αεριοστροβιλικού και ατμοηλεκτρικού σταθμού. Τααέρια από την έξοδο του αεριοστρόβιλου διοχετεύονται σε ένα άλλολέβητα όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστρόβιλο. (Απόδοση50%).

Εσωτερικής καύσης (Internal combustion):Χρησιμοποιούν έμβολα (πιστόνια) για να μετατρέπουν πίεση σεμηχανική ενέργεια. Χρησιμοποιείται diesel ή φυσικό αέριο ωςκαύσιμο το οποίο εκρήγνυται μέσα στο πιστόνι και καίγεται. Τοπιστόνι δημιουργεί περιστρεφόμενη κίνηση μέσω ενός άξονα. (Απόδοση 50%). Χρησιμοποιούνται συνήθως σε μικρά συστήματακαι σε μεγάλα κτίρια για να παρέχουν εφεδρική ισχύ.

ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ

Φυσικής ροής Δεξαμενής Υδροαντλητικοί(pumped storage)

ΜΠΛΟΚ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ

BoilerΚαυστήρας

Auxiliary powerΒοηθητική ισχύς

ΒαλβίδαPακάθαρτη Pκαθαρή

ΓεννήτριαTurbineΣτρόβιλος

-- Περίπου 2-6% της παραγόμενης ισχύος χρησιμοποιείται για τιςανάγκες του σταθμού.-- Για να βελτιστοποιήσουμε το κόστος παραγωγής πρέπει ναμελετήσουμε τη σχέση μεταξύ της καθαρής ισχύος στην έξοδο τηςμονάδας και του λειτουργικού κόστους.

ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

H: Ωριαία κατανάλωση θερμότητας (heat rate) Είναι ο ρυθμός με τον οποίο παρέχεται θερμότητα από τοκαύσιμο (Btu/h)

F: Ωριαίο κόστος λειτουργίας (total cost per hour) (€/h)Κ: Κόστος καυσίμου ανά βαρέλι (fuel cost per barrel) (€/bbl )Θ: Θερμογόνος δύναμη καυσίμου (heat content) (Btu/bbl)

Θ=

KHF *

1 Btu (British thermal unit) = 1055 J1 MBtu = 1x106 Btu1 MBtu = 0.293 MWh

1 barrel = 42 US gallons = 158.973 liters

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ1. Χαρακτηριστική εισόδου – εξόδουInput – output characteristic H or F vs P

2. Χαρακτηριστική διαφορικής κατανάλωσης (ή κόστους) καυσίμουIncremental heat rate (or fuel cost) characteristicΔH/ΔP ή ΔF/ΔP vs P

3. Χαρακτηριστική ειδικής κατανάλωσης θερμότηταςUnit heat rate characteristicΗ/P vs P

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΥ - ΕΞΟΔΟΥ

Pmin PmaxOutput, P (MW)

Inpu

t, H

(MB

tu/h

) or

F(€

/h)

Στην πραγματικότητα η καμπύλη δεν είναι ομαλή (λόγω των βαλβίδωνεισαγωγής ατμού (valve points)).Μπορεί να είναι είτε ρυθμός κατανάλωσης καυσίμου συναρτήσει τηςισχύος, είτε ρυθμός κόστους.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΥ - ΕΞΟΔΟΥ

Pmin Pmax

Output, P (MW)

Inpu

t, H

(MB

tu/h

) or

F(€

/h)

Θα χρησιμοποιήσουμε την δευτεροβάθμια αντιπροσώπευση:

2)( GGG cPbPaPH ++=

Αντιπροσώπευση χαρακτηριστικής:-- δευτεροβάθμιες ή τριτοβάθμιες συναρτήσεις-- τμηματικά γραμμικές συναρτήσεις (piecewise

linear functions)

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ

Pmin Pmax

Output, P (MW)

Incr

emen

tal h

eat r

ate ΔH

/ΔP

(Btu

/kW

h)

or in

crem

enta

l hea

t cos

t ΔF

/ΔP

(€/k

Wh)

Συνήθως προσεγγίζεται με μια σειρά μικρών ευθειών γραμμών.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ

Pmin Pmax

Output, P (MW)

Incr

emen

tal h

eat r

ate ΔH

/ΔP

(Btu

/kW

h)

or in

crem

enta

l hea

t cos

t ΔF

/ΔP

(€/k

Wh)

Υπολογίζεται παραγωγίζοντας την χαρακτηριστική εισόδου-εξόδου.

GG

GG cPb

dPPdHPIC 2)()( +== €/MWh

Incremental cost (διαφορικό κόστος)

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΕΙΔΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

• Δίνει την θερμότητα εισόδου ανά κιλοβατώρα εξόδου συναρτήσει τηςισχύος εξόδου.

• Είναι το αντίστροφο του βαθμού απόδοσης της μονάδας.• Οι μονάδες έχουν μικρό βαθμό απόδοσης σε χαμηλά φορτία και ψηλόβαθμό απόδοσης στην ονομαστική τους τιμή.

Pmin PmaxOutput, P (MW)

Uni

t hea

t rat

e cu

rve

H/P

(Btu

/kW

h)

Prated

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΧΡΗΣΗΣ ΚΑΡΒΟΥΝΟΥΜια μονάδα παραγωγής παράγει καθαρή ισχύ 400 MW και έχειαποδοτικότητα 37%. Η καύσιμη ύλη που χρησιμοποιεί είναικάρβουνο το οποίο κοστίζει €1.45 ανά MBtu και έχει 8500 Btu ανάκιλό. Πόση είναι η κατανάλωση κάρβουνου σε kg/h; Πόσο είναι τοκόστος ανά MWh;

hkg51.434081

MBtu0085.0kg1

MWh293.0MBtu1

hMWh08.1081

37.0h1MWh040Fuel =××=×

=

05.5350MBtu

45.1MWh293.0

MBtu1h

MWh08.1081Cost =××= € €/h ή 13.38 €/MWh

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΣΠΑΤΑΛΗΣ ΚΑΡΒΟΥΝΟΥΈστω ότι ένας λαμπτήρας 100 W μένει αναμμένος από λάθος για 8 ώρες. Ο ηλεκτρισμός παρέχεται από την μονάδα παραγωγής τουπροηγούμενου παραδείγματος και οι απώλειες μεταφοράς/διανομήςείναι 15%. Πόσο κάρβουνο σπαταλήθηκε;

Κατανάλωση ενέργειας από λαμπτήρα: 100 W * 8 h = 800 WhΗ μονάδα παραγωγής πρέπει να παράγει 800 * 115% = 920 Wh γιανα καλύψει τις απώλειεςΗ αποδοτικότητα της μονάδας είναι 37%, άρα η μονάδακαταναλώνει

kg998.0MBtu0085.0

kg1MWh293.0

MBtu1Wh10

MWh137.0Wh920

6 =×××

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣΈστω ότι δυο μονάδες παραγωγής έχουν τις ακόλουθες συναρτήσεις κόστους

21111 01.018800)( GGG PPPC ++= €/h22222 025.016400)( GGG PPPC ++= €/h

Βρείτε το διαφορικό κόστος και το συνολικό κόστος παραγωγής κάθε μονάδαςαν η μονάδα 1 παράγει 200 MW και η μονάδα 2 140 MW.

3130140025.014016400)140(

480020001.020018800)200(2

2

21

=×+×+=

=×+×+=

C

C

2314005.016)140(05.016)()(

2220002.018)200(02.018)()(

222

2222

111

1111

=×+=⇒+==

=×+=⇒+==

ICPdP

PdCPIC

ICPdP

PdCPIC

GG

GG

GG

GG

€/h

€/h

€/MWh

€/MWh

ΚΟΣΤΟΣ ΕΚΚΙΝΗΣΗΣ

• Η εκκίνηση των ατμοηλεκτρικών μονάδων είναι μια πολύπλοκηκαι χρονοβόρα διαδικασία => μεγάλο κόστος εκκίνησης (start-up cost).

• Η εκκίνηση των υδροηλεκτρικών μονάδων και τωναεριοστροβίλων είναι εύκολη και χωρίς κόστος.

• Δύο ειδών εκκινήσεις:-- Ψυχρή εκκίνηση (Cold start) -- Θερμή εκκίνηση (Hot start)• Λόγω του μεγάλου κόστους εκκίνησης, συνήθως οιατμοηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούνται όλο το 24ωρο ωςμονάδες βάσης (base units).

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ (COGENERATION)

• Είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας• Ονομάζεται και combined heat and power (CHP)• Χρησιμοποιείται σε μεγάλα κτίρια, νοσοκομεία, εργοστάσια, ακόμη και σε αστικές περιοχές ωςδιασυνδεδεμένο σύστημα.

• Παράγει ηλεκτρισμό ενώ ο ατμός χρησιμοποιείται καιγια σκοπούς θέρμανσης ή για τους σκοπούς τηςβιομηχανίας στο συγκεκριμένο χώρο.

• Στις χώρες που χρησιμοποιείται είναι η πιο σημαντικήμορφή παραγωγής που είναι ενταγμένη στα συστήματαδιανομής.

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ• Αυξάνει την αποδοτικότητα του συστήματος αφού η παραγόμενηθερμότητα χρησιμοποιείται.

• Οικονομικά οφέλη από την πώληση ενέργειας και θερμότητας.• Απαραίτητη προϋπόθεση: Να υπάρχει ανάγκη θέρμανσηςολόκληρο το χρόνο (π.χ. βιομηχανίες, νοσοκομεία, περιοχές μεχαμηλές θερμοκρασίες)

• Αποδοτικότητα συμβατικών μεθόδων παραγωγής ηλεκτρικήςενέργειας: 30-50%. Αποδοτικότητα αν υπάρχει εκμετάλλευση τηςπαραγόμενης θερμότητας: μέχρι 90%.

• Κόστη: αρχική επένδυση σε εξοπλισμό, καύσιμη ύλη, συντήρηση.

ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ-ΚΑΥΣΙΜΑ• ΚάρβουνοΣχετικά φθηνό, περιβαλλοντικά προβλήματα, πιο δύσκολη ηαποδοτική καύση του και η καθαριότητα σε μικρές μονάδες.

• Ιχνηθετημένο πετρέλαιο εσωτερικής καύσης (gas oil) ήφωτιστικό πετρέλαιο (kerosene)Συνήθως πολύ ακριβό. Αν χρησιμοποιηθεί, χρησιμοποιείται ωςδευτερεύον καύσιμο.

• Βαρύ μαζούτ (heavy fuel oil)Χρησιμοποιείται σε μεγάλες μονάδες συμπαραγωγής.

• Φυσικό αέριο (natural gas)Ακριβό, αλλά πολύ καθαρό και απλό να χρησιμοποιηθεί.

• Βιομάζα και απόβληταΜηδενικό κόστος, βοηθά στην μείωση του κόστους απόρριψηςαποβλήτων.