Kogeneracijska postrojenja - seminar.tvz.hrseminar.tvz.hr/materijali/materijali9/E06.pdf · elektri...

Kogeneracijska postrojenja

(ZA INŽENJERE ELEKTROTEHNIKE)

Kemal Hot

Elektrotehnički odjelTehničko veleučilište u Zagrebu

Studeni, 2010.

TVZ-EO: Kogeneracijska postrojenja

U v o dU v o d

Kogeneracija : simultana proizvodnja električne energije i toplinske energije za grijanje vanjskih potrošača

Trigeneracija : simultana proizvodnja električne energije i toplinske energije za grijanje i absorpcijsko hlañenje vanjskih potrošača

Nacionalne prednosti : • ušteda goriva 25-30%• ušteda gubitaka mreže 5-10%• sigurnost napajanja• korištenje lokalnih goriva• smanjenje emisije plinova

Korisni čke prednosti : • smanjenje kupovine energije• prodaja viškova energije• sigurnost napajanja• zbrinjavanje otpada• prodaja nusprodukata

EC smjernice

Ušteda primarne energije:- nove kogeneracije min. 10% - postojeće kogeneracije min. 5% - postrojenja do 1 MWe do 5%


SustaviSustavi

Sustavi kogeneracije : • kotao + parna turbina• plinska turbina• plinska + parna turbina• stroj s un. sagorijevanjem• mikro turbina• parni stroj• Stirlingov stroj• organski Rankinov proces• gorive ćelije• STIG• PFBC• IGCC• Kalina i dr.

EC: preporu čeni omjer P / Q (%): • kombinirani plinsko – parni proces 75• parna protutlačna turbina 30• turbina s oduzimanjem pare 30• plinska turbina s izmjenjivačem 40• strojevi s unutarnjim sagorijevanjem 60

Sustav Snaga MW e ηe% ηu% P/Q%

Parna turb. 0.4-300 10-45 <80 15-75

Plinska turb. 0.5-300 25-40 65-90 45-75

Plin+par.turb. 10-300 35-50 75-90 75-170

SUS stroj .001-15 25-45 65-85 50-180

Parni stroj .02-2 5-25 70-80 10-45

Mikroturbina .025-.2 25-30 50-80 55-75

Konverzija kemijske u električnu energiju:


ZnaZnaččajke konverzijeajke konverzije

Značajke kogeneracije : električni ηe, toplinski ηt i ukupni ηu stupanj djelovanja, te omjer električne i toplinske energije α

ηe = P / Qg

ηt = Q / Qg

ηu = (P + Q) / Qg

α = P / QQg = B x Hi - količina x donja

ogrijevna moć goriva

Kotao GeneratorTurbina

Kemijskaenergija

Toplinskaenergija

Mehanička Električnaenergijaenergija

Vlastitapotrošnja

PumpaKondenzator

Paraη

tη ηη ηk gi m

Gorivo

Zrak

Dimniplinovi

PepeoQ

PQg


Oduzimanje pareOduzimanje pare

1 3 5 6

8 8

7

10

94

2

12

G3 ~

1. Parni kotao2. Pregrijač

4. Meñupregrijač3. VT dio turbine

5. ST dio turbine6. NT dio turbine7. Kondenzator

10. Dimni plinovi11. NT predgrijač12. VT predgrijač

11

Gorivo

Zrak

9. Ventilator8. Pumpa9

Iskoristivost toplinske energije

• visokotemperaturni sustavi (zasićena para 5-20 bara): 60-70%

• niskotemperaturni sustavi 90/50 oC: do 90%


PlinskoPlinsko --parno postrojenjeparno postrojenje

1 3 5

8 8

42

12

G3 ~

15

14

13 1310

6

7

G3 ~

1

2

Zrak

Plin Gorivo

11

16

13. Parcijalni predgrijač

15. Komora izgaranja14. Plinska turbina

16. Kompresor

9

Stanje idealnog plina :p ·v = R · T

tlak p (Pa), temperatura T (K),specifični volumen v (m3·mol−1),plinska konstanta R (314472 J·K−1).


Carnotov procesCarnotov proces

ηtCdo od

do do

q q

q

L

q

T s s T s s

T s s

T

T=

−= =

− − −−

= −( ) ( )

( )2 1 0 3 4

2 1

01

1

2

3

4

T=const.

T =const.0

s =const.

s =const.

1

2

q

q

12

34

q=q -q12 34

p

v

T

s

1 2

34

s s

T

T

1 2

0

T

dvpdu

T

dqds

⋅+==


Proces s vodenom parom (Proces s vodenom parom ( ClausiusClausius --Rankine)Rankine)

p

300 C

200 Co

o

k

a

b

500 Co400 Co

300 Co

v (m /kg)

p (bar)

3

Voda

Mokra para

Zasićena para

k

pk= 220,45 bar

Tk= 373,860C

vk = 0,00311 m3/kg


Energetski sadrEnergetski sadr žžajaj

h=1700 kJ/kg

2100

2500

p

v=10 m /kg

0.05

0.01

0.2

1

k

12040

10

1

p=0.1bar

t,T

s (kJ/kgK)

( C)o

3

mokra para

voda zasićena para

vpuh ⋅+=u u L1 2 12− = h h L p v p v L1 2 12 1 1 2 2− = + ⋅ − ⋅ =

h – entalpija

u – unutarnja energija

L12 – vanjski rad

L – mehanički rad


Elementarni procesElementarni proces

Zanemarenja:

� padovi tlaka

� gubici cijevovoda

� gubici topline na

turbini

� efekt mokre pare na

lopaticama turbine

1

2

G3 ~

13

45

Kotlovski tlak

trtu

Temp. svježe pare

Temperatura kondenzata

Tlak kondenzata

a

b

c

d

e

f

(a)

p

v

p

ab c

d

ef

k

500 C0

o(b)

ad

pk

d

c

a

b

eade

f

374

100

-273

T

s

( C)0 200

pkot.

100

1 bar

0,01 bar

p kond.

(c)

1. Kotao

4. Kondenzator

3. Turbina

2. Predgrijavanje

5. Pumpa


Meñupregrijanje pare

dg

b

c

,a f

k eead

hadh

*

x=1

50 Co

500

400

300

200

100

600p=250 bar

0.01152050

0.20.05

100

p

0.4

0.6

0.8

0.9

0.95

s (kJ/kg K)

h

(kJ/kg)

e

pkond

200kotla

η η ηtm tCRm i

d e g h

d a g e

h h h h

h h h h= ⋅ =

− + −− + −

( ) ( )

( ) ( )

*

*


Bilanca jednostavne kogeneracijeBilanca jednostavne kogeneracije

pogon

generatorizmjenjivač

Izlazni

izmjenjivač

Gubici ispuha: 15%

Toplinska en.: 50%

Gubici zračenja: 5%

Električna en.: 30%

Gorivo: 100%


ViViššestupanjska parna turbinaestupanjska parna turbina

Prikladna za lokacije gdje je:

� električno temeljno opterećenje preko 250 kWe (1 stupanjska turbina)

� električno opterećenje od 5-30 MWe → 3 stupanjska turbina

� potrebna visokotlačna para

� dostupno jeftino gorivo niže kvalitete

� dostupna visokotemperaturna otpadna toplina


Postrojenje s kondenzacionom turbinomPostrojenje s kondenzacionom turbinom

kondenzator

modul pumpe kondenzata

modul odsisa

temeljni okvir s uljnim

sustavom

parna turbina


Plinske turbinePlinske turbine

G3 ~ 1

2

3

10 bar

850 Co1. Kompresor za zrak

2. Komora za izgaranje

3. Plinska turbina

Plin

Zrak

Prikladno za:

� snage preko 1 MWe

� para srednjeg/visokog tlaka

� topla voda preko 140 ºC

� mogu ć prirodni plin


Shema postrojenja s paralelnim jedinicamaShema postrojenja s paralelnim jedinicama

Plinska turbina

i generatorPlinska turbina

i generator

Spremnik

topline

Dogrijač

Ispušni

filter

Ispušni

filter

kWe

kWt

Gorivo


Plinska turbina 150 MWePlinska turbina 150 MWe

Osnovni podaci• dimni plin: 505 kg/s kod 5580C• primarno gorivo: metan 150 MW

• sekundarno gorivo:priridni plin 139 MW

• tercijarno gorivo: rafinerijsko ulje 116 MW

(2) kompresor, (3) komora zaizgaranje, (4) turbina, (15) dovodzraka, (16) gorionik, (17) ispusni plinskidifuzor, (18) ventilikompresora, (19) ležaji premageneratoru, (20) olakšana rotorskaosovina kompresora


MikroMikro --turbineturbine

Kotao / izmjenjivač

RekuperatorPlinska turbina

ZrakUpravljačka ploča

PM turbo generator

Regulacija snage

Ispuh Prigušivač

Značajke:

� Inv. 650-1100 €/kWe

� Pog. 0.007 €/kWhe

� ηe = 15-25%

� ηu = 70-90%


Kogeneracija s plinskim motoromKogeneracija s plinskim motorom

gorivo

zrak

pepeovruća voda

meñuhladnjak

hladnjak plina

prečistačplina

čisti plin

plinski motor

ispušni izmjenjivač

hlañenje mot.

hlañenje ulja

zrak

ispuh

Primjena: napajanje odnosno proces su ciklični ili nekontinuirani, potrebni niskotlačna para ili voda srednje ili niske temperature, nizak udjel toplinske energije


Jedinica postrojenja 2 MWe + 2.2 MWtJedinica postrojenja 2 MWe + 2.2 MWt


Kombinirani proces s protutlaKombinirani proces s protutla ččnom turbinomnom turbinom

Odplinjač

ZrakKompresor

Plinska turbina

Plin

Dimni plin

Parna turbina

Kondenzator

Generator pare

Značajke:

� Investicija 1200 €/kWe

� Pogon 0.007 €/kWhe

� ηe = 25-35%

� ηu = 70-92%


Veliko jednoosovinsko postrojenjeVeliko jednoosovinsko postrojenje

Generator pare

Transformatorsko polje

Generatorske sabirnice

Parna turbina

Generator

Plinska turbina

Difuzor


Kogeneracija s bioloKogeneracija s biolo šškim otpadomkim otpadom

Kotao

Biogorivo

Pregrijač Parna turbina

Generator

Predgrijač

Spremnik

Predgrijač

Predgrijač zrakaEkonom.

Ekono.Kond.

Ciklon Filter

Grijanje

Grijanje

Hlañenje

Zrak

Dimnjak

Primjena:

• drvna industrija

• agroindustrija

• industrija celuloze i papira

• tekstilna industrija

• farmaceutska industrija

• rafinerije ulja


Postupak obrade staklenog otpadaPostupak obrade staklenog otpada

Isprane krutnine

Prijam otpada

Kontrola mirisa

Sušenje

Sekundarno gorivo

Staklena masa

Kontrola zraka

Generator

ParaPeć za staklo Izmjenjiva č

Turbina

Potroša či pare

Potroša či el. energije


Oksidaciona plinifikacijaOksidaciona plinifikacija

Batch Oxidation System

Primarna komora

Sekundarna komora

Izmjenjiva čtopline

Kontrola plinova

Kruti otpad

Turbina Gen.Pepeo bez ugljika

Reducirani dovod kisika

Zrak


Plazmena plinifikacijaPlazmena plinifikacija

Plinska turbina Gen.

Spremnik

plina

Prečistač

plinaHlañenje

plina

Gašenje

taline Toplinska

trošila

Toplinska

trošila

Plazmena

komoraOtpad /

gorivo

Gorivo/

otpad

Plazmena komora

Izlaz plina

Rastaljeni

silikati i metali

zračna

ustavabaklja

talina

� elektrolučno proizvedena plazma temperature ~20.000 °C.

� iznad 2.000 °C gorivo/otpad disocira na jednostavne molekule H, CO, CO2, CH4, H2O i metalnih spojeva.

� toplinska energija 2 ÷ 4 puta veća od uložene električne energije.


Tretman plazmenog plinaTretman plazmenog plina

Stupnjevi tretmana plina:

1. Smanjenje temperature sa 1000 na 6500C,2. Ciklonski separator čestica,3. Naknadno oduzimanje topline,4. Kolektor prašine,5. Selektivna katalitička redukcija NOx,6. Kolonski prečistač kiselina i isparenih metala,7. Filter s aktivnim ugljenom.

21 3

4 5 6 7

Komora

Spremnik


Detalji plazmene plinifikacijeDetalji plazmene plinifikacije

Luk grafitnih elektroda u komori

Izlijevanje rastaljenih ostataka izgaranja

Ohlañeni silikatni ostaci izgaranja


Kombinirano postrojenje s generatorom pareKombinirano postrojenje s generatorom pare

Generator pare

Generator

Grijanje

Parna turbina

Generator

Plinska turbina

Hladnjak Filter

Plinifikator

Kompresor

Dimnjak

Dimnjak

SpremnikGorivo


Proces s izgaranjem na fluidiziranom sloju pod tlak omProces s izgaranjem na fluidiziranom sloju pod tlak om

PFB kotao

komprimirani

zrak

cikloni

para

hladnjak pepela

pregrijač

pepeo ciklona

voda

pepeo sloja

tlačna posuda

posuda F-sloja

dolomit/ vapnenac

zrakplinska turbina

generator

dimnjak

generatorparna turbina

pojna vodaelektrostatski

prečistač

kondenzator

vrući plin

izmjenjivačgr

ugljen

voda


Kombinirani proces s integriranom plinifikacijomKombinirani proces s integriranom plinifikacijom

ugljen /

vapnenac

generator

para

para

pojna vodadimnjak

vrući

plin

kompresor

pl.turbinapara A

generator

kruti otpad

para A

hladnjak plina

zrakdesulfatizacija

vrući

plin

prečistač

vrućeg plina

plinifikator s

fluidiziranim slojem

ciklon

generator pare


Kombinirani proces s hibridnom tehnologijomKombinirani proces s hibridnom tehnologijom

kruto

gorivo

dimni plin

tekuće /

plinovito

gorivo

plinska turbina

generator paredimni plin

izmjenjivač

konden.

parna turbina

VT ST NT

PLINIFIKACIJA


Trigeneracija s plinskim strojemTrigeneracija s plinskim strojem

zrakprirodni plin

diesel

5 - izmjenjivač dimnog plina4 - absorpcioni hladnjak

1

2 34

56

6

1 – izmjenjivač rashladne vode2 – hladnjak zraka

3 – hladnjak maziva

vruća voda 115ºC

povrati vode topla voda 45ºC

hladna voda 7ºC

ispuh

el. en.

rashladna voda

otpadna toplina


Iskoristivost proizvodnje i prijenosaIskoristivost proizvodnje i prijenosaGorivo:

100%

32-56%

Gubici proizvodnje:

44-68%Gubici prijenosa i distribucije:

8% od 32-56%

Ukupna iskoristivost:

32-56%

Ukupna iskoristivost:

70-85%

Korisna oduzeta

toplina: 40-50%Gubici nakon proizvodnje

el.en.i oduzimanja topline:

15-30%

27-45%

Gorivo: 100%


AnalitiAnaliti ččki izbor postrojenjaki izbor postrojenja

Otvorena pitanja:

� ogrijevna mo ć goriva: plin, otpad, sme će

� pogonski stroj: plinska turbina, parna turbina, kombina cija

� vrijednost utjecaja na CO 2 i NOx

� cijene elektri čne i toplinske energije

� cijene zbrinjavanja otpada, sme ća i ostataka izgaranja

� životni vijek, operativni troškovi postrojenja i poslov anja

� troškovi razgradnje

� kapitalna investicija i anuiteti


ZakljuZaklju ččakak

� EC smjernice obvezuju na kogeneracijsku proizvodnju energije i ograni čenje štetnih plinova

� iako se smanjuje stupanj elektri čnog iskorištenja, rasteukupni stupanj iskorištenja konverzije energije

� postrojenja su kompaktnija, čišća i prilago ñenija namjeni

� distribuirana proizvodnja energije smanjuje troškove prijenosa i nadomješta nacionalne investicije u energ etske objekte

� prednost lokalnih goriva (bioplin, otpad, sme će)

� nove tehnologije su relativno skupe te traže fiskal no rastere ćenje i druge olakšice

Kogeneracijska postrojenja - seminar.tvz.hrseminar.tvz.hr/materijali/materijali9/E06.pdf · elektri...

Documents

Transcript of Kogeneracijska postrojenja - seminar.tvz.hrseminar.tvz.hr/materijali/materijali9/E06.pdf · elektri...