Functionarea unei centrale termoelectrice cu turbine cu abur

Functionarea unei centrale termoelectrice cu turbine cu abur

Centralele termo electrice folosesc energia termica obtinuta prin arderea unor combustibili solizi , lichizi sau gazosi . transformarea energiei termice in energie mecanica se realizeaza cu ajutorul turbinelor (cu aprindere prin scanteie sau diesel). Dintre centralele termoelectrice , cele mai raspandite si tot odata cele mai complexe sunt centralele cu turbine cu abur , care pot produce si energie termica pentru termoficare industriala si urbana (incalzirea locuintelor).

Centralele termoelectrice se noteaza CTE , iar centralele electrice de termoficare se noteaza CET.

Centralele termoelectrice produc in present cea mai mare parte din energia electrica a sistemului nostrum energetic. Dintre centralele termoelectrice mai importante se pot cita: CTE Pparoseni(300MW) , CTE Steaua Rosie(150MW, -in extindere pana la 250 MW) , CET Borzesti(225MW-in extindere pana la 625MW) , CTELudus(600MW- in extindere pana la 800MW ), CET Craiova(330 MW - in extinderepana la 900MW ), si CET Bucuresti-Sud(100 MW - I extindere pana la 300 MW).

Elemente componente ale centralelor electrice reprezinta fiecare in parte aggregate complexe. Principalele aggregate ale unei centrale cu turbine cu abur sunt: agregatul cazanului , agregatul turbina-generator si instalatia de distribute a energiei electrice.

Centralele electrice dispun de o serie de instalatii si utilaje auxiliare care asigura buna functionare a agregatelor principale , cum sunt in instalatiile pentru alimentarea cu combustibil si prepararea lui , instalatiile pentru alimentarea cu apa si prepararea ei , atelierele si laboratoarele , depozitele de materiale etc.

A.FUNCTIONAREA CENTRALEI CU TURBINE CU ABUR

1. Principiul de functionare

Principiul de functionare a centralei cu turbine cu abur poate fi inteles cu ajutorul schemei circuitului termic din (anexa 1).

Cazanul C, in care se mentine o presiune ridicata , primeste o cantitate de caldura Q1 , rezultata din arderea unor combustibili. Apa din cazan se transforma in abur saturat , care este supraincalzit in supraincalzitorul S. Aburul supraincalzit-cu continut de caldura marit si cu presiune ridicata-trece in conducta de abur pentru a ajunge in turbine T. In turbina , aburul se destined de la presiunea inalta (de intrare) la presiunea scazuta (de iesire), determinate de presiunea din condensatorul Cd . In timpul acestei destinderi , aburul elibereaza o cantitate de energie care se transforma in lucru mechanic la arboreal turbinei T. Dupa ce a produs lucru mecanic in turbine , aburul intra in condensatorul Cd unde se transforma in apa numita ccondensat.

Pentru favorizarea condensarii este necesar sa se mentina in condensator o temperature scazuta si o presiune corespunzatoare. In acest scopes foloseste un circuit de apa de racier in care lucreaza pompa de circulatie Pcirc. Ejectorul E1 are rolul de a extrage din condensator aerul care a patruns prin neetanseitati sau care este continut in aburul venit de la turbina.

Condensatul obtinut in condensator este reintrodus in circuitul termic , adica este folosit din nou pentru alimentarea cu apa a cazanului. In acest scop condensatul este trimis de pompa de condensate Pcond in rezervorul R si de aici este trimis in cazan cu ajutorul pompei de alimentare Fal.

Centralele electrice cu turbine cu abur , care functioneaza dupa schema de principiudin (anexa 1) , se numesc centrale de condensatie.

Circuitul termic deschis are un agent motor (sau de lucru) fluidul apa - abur , care parcurge un circuit inchis , intre 2 surse - una calda si una rece. In schema circuitului termic al centralei , sursa calda este focarul in care arde combustibilul pentru a elibera o cantitate de caldura Q1 , iar sursa rece este apa de racier , care extrage din aburul intrat in condensator o cantitate de caldura Q2.

2. Randamentul centralei

Randamentul general al celei mai simple centrale de condensatie se exprima in functie de randamentele instalatiilor componente , dupa cum urmeaza:

η general = ηc · ηcd · ηt · ηtd · ηm · ηg · ηtr ·

in care:

ηc este randamentul cazanului (75 - 90 %);

ηcd - randamentul conductelor (circa 98 - 99 %);

ηt - randamentul termic al circuitului termic (sub 50%);

ηtd - randamentul thermoelectric al turbinei (circa 62 - 82%);

ηm - randamentul mechanic al turninei (circa 98 - 99%);

ηg - randamentul generatorului (circa 94 - 98);

ηtr - randamentul transformatorului (circa 98 - 99%);

Csi - consumul serviciilor interne (circa 12 - 15%).

Tinandu-se seamade valorile randamentelor de mai sus , pentru randamentul general al centralei rezulta valori cuprinse intre 25 si 30 % .

Prin perfectionarea instalatiilor si prin marirea puteri agregatelor s-a ajuns astazi la randamente generale care se apropie de 40%.

Dintre randamentele enumerate se observa ca randamentul termic are valoarea cea mai scazuta. Randamentul termic este randamentul circuitului termic , adica al ciclului transformari prin care trece fluidul de lucru.

Randamentul ciclului termic se exprima prin raportul dintre calitatea de caldura (Q1 - Q2) care se poate transforma in lucru mechanic si cantitatea de caldura Q1 cedata de sursa de caldura.

Randamentul termic ramane in general scazut , la valori sub 50% , di cauza cantitati mari de caldura Q2 cedate apei de racier.

Principalele metode pentru marirea randamentului centralelor sunt:

alegerea corespunzatoare a parametrilor aburului;

preancalzirea regenerative a apei de alimentare;

supraincalzirea intermediara a aburului;

producerea combinata de energie electrica si caldura (termoficare);

Primete 3 metode se refera la cresterea randamentului termic al centralei. Ultima metoda se refera la cresterea randamentului general al centralei. Tot in vederea cresterii randamentului general al centralei se utilizaza metode ca pulverizarea carbunelui sau preancalzirea aerului de ardere.

3. Alegerea parametrilor aburului

Parametrii initiali ai aburului sunt presiunea si temperature la intrarea in turbine , iar parametrii finali sunt presiunea si temperatura la iesirea din turbine.

Paramatrii finali nu pot fi alesi oricum , deoarece ei sunt limitati de presiunea din condensator , iar aceasta , la randul ei , este determinata de temperatura apei de racire.

De obicei , presiunea din condensator este:

P = 0,04 ata ,in cazul instalatiilor de racire in circuit deschis , cu apa la temperatura medie de 15 grade Celsius (captata din rau).

P = 0,07 ata , in cazul instalatiilor de racire in circuit inchis , cu apa la temperatura de 27 grade Celsius (apa este racita cu ajutorul turnurilor de racire).

Valorile optime ale parametrilor aburului utilizate in practica

In cea ce priveste parametrii initiali ai aburului , studiile teoretice si experimentele au permis stabilirea unor perechi de valori optime , care sunt cuprinse in tabel.

4.Preancalzirea regenerativa a apei de alimentare

Preancalzirea regenerativa a apei de alimentare se intalneste in toate centralele termoelectrice moderne , deoarece determina o crestere importanta a randamentului termic. In acest caz o parte din aburul care a lucrat in turbina este preluat printr-o priza intermediara si utilizat pentru preancalzirea apei de alimentare a cazanului (anexa 2).

Randamentul circuitului termic creste in acest caz , deoarece o parte insemnata din caldura aburului , si anume caldura latenta de vaporizare , care s-ar pierde in apa de racire , este folosita in mod util la preancalzirea apei.

Preancalzirea apei de alimentare se efectueaza in mod succesiv in mai multe schimbatoare de caldura numite preancalzitoare. Debitele de abur a1, a2 , a3 , se destind numai partial in turbine , deoarece sunt preluate pe rand prin prizele 1, 2 , 3. In fiecare preancalzitor , aburul adus la turbine cedeaza caldura apei de alimentare , se condenseaza si apoi este reintrodus in circuit cu ajutorul pompelor auxiliare P1 , P2 si P3.

5.Supraincalzirea intermediara a aburului

Supraincalzirea intermediara a aburului are ca effect marirea randamentului general al centralei cu 3-5%.

In (anexa3) , este reprezentata schema circuitului termic cu supraincalzire intermediara. Aburul supraincalzit in cazanul C si supraincalzitorul S se deschide mai intai in primul corp de turbina T1 , apoi este adus din nou in sala cazanelor la supraincalzitorul intermediary Si, de la care se intoarce si se deschide in cel de-al doilea corp de turbina T2.

6.Producerea combinata de energie electrica si caldura

S-a aratat ca pentru transformarea in lucru mechanic al unei cantitati de caldura Q1-Q2 este necesar sa existe 2 surse : una calda , care cedeaza caldura Q1 si una rece , care absoarbe caldura Q2.

Estragerea din circuit a unei cantitati de caldura Q2 face ca randamentul circuitului termic sa fie scazut. S-a gasit solutia de a face in asa fel , incat cantitatea de caldura Q2 , care trebuie extrasa din circuit , sa nu se mai risipeasca in apa de racire a condensatorului , ci sa fie folosita la incalzit in industrie si in locuinte. In acest fel s-a ajuns sa se construiasca centrale electrice cu termoficare , care livreaza consumatorilor simultan energie electrica si caldura. Caldura livrata consumatorilor poate fi obtinuta fie din apa care a servit la racirea aburului in condensator , fie din aburul xtras de la prizele turbinei.

Metoda termoficarii nu modifica randamentul termic al ciclului termic , insa in schimb ofera posibilitatea cresterii randamentului general al instalatiei.

In tara noastra functioneaza centrale electrice cu termoficare mixta (industriala si urbana). Acestea trimit energia electrica in sistemul energetic si alimenteaza , in acelas timp , cu caldura si energie electrica obiective industriale (rafinarii, combinate chimice etc.) si locuinte (blocuri de locinte, camine studentesti etc.). Asa sunt sunt centralele electrice de termoficare (CET) industriala si urbana Borzesti, Brazi, Grozavesti, Bucuresti-Sud si Craiova.

B. CAZANUL DE ABUR

Cazanul este un agregat prevazut cu toate dispozitiile necesare pentru arderea combustibilului si transformarea calduri de la gaze de ardere la fluidul de lucru. Arderea combustibilului are loc intr-un focar , iar transmiterea caldurii se realizeaza la suprafata unui sistem de tevi. In interiorul tevilor circula apa sau abur , iar in exteriorul lor - gazelle de ardere. Tevile prin interiorul carora circula apa (care apoi se vaporizeaza ) poarta numele de tevi fierbatoare si constituie sistemul fierbator. Tevile prin intermediul carora circula aburul care se supraincalzeste poarte numele de tevi supraincalzitoare si constituie supraincalzitorul.

CENTRALE ELECTRICE

14.1. CENTRALE TERMOELECTRICE

In centralele termoelectrice clasice , energia chimica a combustibililor se transforma in energie termica , iar aceasta la randul sau se transforma in energie electrica prin intermediul ciclurilor termici si folosirea energiei mecanice ca etapa intermediara a lantului de transformari. Acest system de prducere a energiei electrice foloseste unul sau mai multe fluide purtatoare de caldura in circuitele termice. Tipul de centrala electrica cea mai frecventaesta este centrala termoelectrica cu abur cu combustibil classic , la care fluidul de lucru apa - abur circula in circuit inchis.

14.1.1. Functionarea centralei cu turbine cu abur

a. Principiul de functionare. Principiul de funtionare a centralei cu turbine cu abur poate fi inteles cu ajutorul schemei din (anexa 4).

Cantitatea de caldura corespunzatoare sursei calde este introdusa in circuitul termic in cazanul C cu ajutorul fluxului gazelor de ardere. Ea este compusa din caldura Q'1 data cazanului C si supraincalzitorul S si caldura Q"1 data supraincalzitorului intermediary S1. Aburul supraincalzit in supraincalzitorul S se destined mai intai in corpul T1 de inalta presiune a turbinei , dupa care este adus la supraincalzitorul intermediary S1 de la care se intoarce si se destined in corpul T2 de joasa presiunde a turbinei.

Cu prilejul destinderii in turbine , energia cinetica a aburului actionand asupra paletelor rotoarelor turbinei se transforma in lucru mechanic , punand aceste rotoare in miscare de rotatie. Arborele turbinei este legat cu arboreal generatorului electric , care transforma lucrul mecaanic de la arboreal turbinei in energie electrica.

Dup ace a iesit din ultima treapta a turbinei , aburul se condenseaza in condensatorul Cd. Condensatul care rezulta este trimis din nou spre cazan , dup ace in prealabil este preincalzit in preincalzitoarele P.

Pentru favorizarea condensarii este necesar sa se mentina in condensator o temperatura scazuta si o presiune corespunzatoare . In acest scop se foloseste un circuit de apa de racire care in condensator este incalzita prin absorbirea caldurii , puse in libertate prin condensarea aburului destines in turbine. In apa de racire se pierde cantitatea de caldura Q2. Deoarece in condensator in mod theoretic trebuie sa fie vid , ejectorul Ej are rolul de a extrage din condensator aerul care a patruns prin neetanseitati , sau gazelle din aburul intrat in condensator provenite din tratarea chimica a apei. Acest ejector functioneaza cu abur preluat din priza turbinei T1.

In centralele termoelectrice echipate cu turbine cu condensatie cazanele se alimenteaza , in principal , cu condensat , de la turbine (in proportie de 90 - 99%). Diversele pierderi trebiue compensate cu apa de adaos (circa 10 %). In centralele electrice de termoficare si in centrale termice , procentul de apa de adaos in apa de alimentare a cazanelor este mult mai mare (20 - 50%).

b. Cieluri termice . Pentru ca transformarea energiei sa fie continua , instalatiile termoelectrice lucreaza cu cicluri. Cielul este o succesiune de transformari ale fluidului de lucru (apa - abur) prin a caror parcurgere aceasta revine la starea initiala . Aburul se obtine prin vaporizarea apei prin absorptie de caldura.

Daca vaporizarea se efectueaza la presiunde constanta (volum variabil) atunci temperatura aburului si a apei ramane constanta si se numeste temperatura de vaporizare , temperature de fierbere sau temperatura de saturatie (ts).

Intr-un volum datpot exista urmatoarele stari ale aburului :

aburul este saturat daca toata apa este transformata in abur , iar temperatura este egala cu temperatura de saturatie la presiunea corespunzatoare;

aburul este saturat umed daca o parte din apa nu s-a vaporizat;

aburul este saturat uscat sau supraincalzit daca temperatura aburului este mai mare decat temperatura de saturatie la presiunea corespunzatoare;

Cantitatea de abur uscat (in kg) dintr-un kilogram de abur umed se numeste titlul aburului si se noteaza cu litera x. Din considerente functionale , titlul aburului la sfarsitul destinderii este xe < 0,86.

Variatia energiei aburului pe kilogram de abur si grad de temperature se numeste entropie si se noteaza cu S sau s , avand dimensiunea kj kg ·k.

Cantitatea de caldura consumata pentru incalzirea apei de la 0 grade C pana la o anumita stare a apei sau aburului sub presiune constanta se noteaza cu litera I sau i , se numeste entalpie si se masoara in kj kg. Entalpia apei la o grade C se considera egala cu zero. Entalpia apei la temperature t este egala numeric cu temperature t grade C.

In centrala termoelectrica se realizeaza o varianta a ciclului Clausius- Rankine (anexa5) . In ordonata se reprezinta temperature T , in K , iar in abscisa entropia s, in kj kg ·k.

Dreapta 1 - 2 reprezinta o comprimare a apei inainte de introducerea sa in cazan ( in pompele de alimentare ). Are loc incalzirea apei in cazan pe portiunea 2 - 3 . Primind caldura de la sursa calda., apa din cazan se vaporizeaza la temperature si presiune constanta de-a lungul dreptei 3 - 4 . Urmeaza supraincalzirea aburului de-a lungul curbei 4 - 5 . In urma destinderii in turbina dupa adiabata 5 - 6 , aburul ajunge pana la presiunea din condensator , cedand caldura sursei reci . Aburul se condenseaza de-a lungul dreptei 6 - 1. Condensatul astfel obtinut este adus din nou la cazan si ciclul reincepe.

Prin urmare , netinandu-se seama de supraincalzirea intermediara si de preancalzirea apei de alimentare , ciclul theoretic Rankine se reprezinta prin conturul 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1 . Se observa ca ciclul contine izobarele 3 - 4 si 6 - 1 si si adiabatele 1 - 2 si 5 - 6 , precum si curbele 2 - 3 si 4 - 5 .

Intr-o transformare adiabatica entropia ramane constanta. De-a lungul partii de contur 2 - 3 - 4 - 5 ciclul primeste caldura Q1 de la sursa calda , de-a lungul adiabatei 5 - 6 efectueaza lucru mechanic , iar de-a lungul izobarei 6 - 1 cedeaza caldura Q2 sursei reci.

Prin urmare , aburul dispune de o cantitate de caldura Q1 - Q2 care se transforma in lucru mecanic . In realitate , nu toata aceasta caldura se transforma in lucru mecanic , deoarece destinderea aburului in turbina nu este un proces adiabatic ( fara pierdere de caldura ) , ci este un process politropie ( cu pierdere de caldura in mediul inconjurator) . Deci , destinderea are loc defapt , nu dupa dreapta verticala 5 - 6 , ci dupa o dreapta inclinata denumita politropa . Curba 1 - 2 - 3 - 3' - k - 4' - 4 - 6" delimiteaza zona superioara a vaporilor supraincalziti , de zona interioara a vaporilor umezi si se numeste curba de saturatie.

In diagrama T - S numita si diagrama calorica , suprafata suprafata de sub curba unei transformari cuprinsa intre ordonatele extreme si axa absciselor reprezinta caldura schimbata cu sursa in timpul transformarii . Din aceasta diagrama randamentul apare ca un raport de suprafete .

Perfectiunea ciclurilor reale se evalueaza cu ajutorul ciclului Carnol , al carui randament este dat de relatia

η1 =

Aplicandu-se relatia (14.1) si ciclului Rankine se observa din (anexa 5) ca :

aria suprafetei 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 1 reprezinta la o anumita scara de caldura primita Q1 ;

aria suprafetei 1 - 6 - 7 - 8 - 1 reprezinta la o anumita scara caldura cedata Q2 ;

aria suprafetei 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1 reprezinta la o anumita scara diferenta de caldura Q1 - Q2 .

Avandu-se in vedere aceste consideratii rezulta urmatoarele metode posibile pentru marirea randamentului circuitului termic .

- prin marirea lui Q1 :

ridicarea parametrilor initiali ai aburului ;

supraincalzirea intermediara ;

ciclu de abur suprapus ;

ciclu de abur ( cu doua fluide ) ;

-prin misorarea lui Q2 :

reducerea presiuni la condensator ;

preancalzirea apei de alimentare ;

termoficarea .

14.1.2. Elemente constructive si functionale ale centralelor termoelectrice

Instalatiile necesare pentru functonare centralei termoelectrice se pot clasifica in urmatoarele grupe functionale :

instalatia de alimentare a combustibilului si evacuare a zgurei si a cenusii ;

instalatia de producere a aburului ( instalatia cazanului ) ;

instalatia de tiraj si de curatire a gazelor de ardere ;

instalatia pentru alimentare cu apa si tratarea ei ;

instalatia de producere a energiei electrice ( grupul turbogeneratoarelor);

instalatia electrica ( pentru livrarea energiei electrice) ;

instalatia pentru livrarea caldurii .

In cele ce urmeaza se prezinta succinct primele cinci grupe de instalatii , deoarece ultimele doua grupe sunt prezentate in cadrul altor capitole .

a.   Instalatiile de alimentare cu combustibil si evacuare a zgurei si cenusii.

Alimentarea cu combustibil a centralelor se realizeaza cu instalati mai simple sau mai complicate , in functie de natura combustibilului gazos , lichid sau solid.

In (anexa 6) este reprezentata schema de alimentare cu carbine a unei mari centrale termoelectrice , la care schimbul de transport este format din doua fire pentru carbunele destinat salii cazanelor . Datorita punctelor ramificate de deversare de la o banda la alta exista numeroase posibilitati de alegere a cailor de alimentare .

La instalatiile moderne intregul sistem de transport este comandat de la un punct central de comanda si este prevazut cu un sistem electric de productie si blocaj , dupa cum urmeaza:

orice rupere de banda , avarie in system sau accident de munca ( caderea unui om pe banda) opreste transportul ;

un system temporizat de blocaje opreste automat toate instalatiile din amonte de locul defectului si mentine in functionare pe cele din aval , pentru a degaja instalatia de transport de carbine ;

la pornire , pentru evitarea aglomerarilor de carbine si realizarea porniri in gol , ordinea de pornire a instalatiilor este indversa fluxului de combustibil , respectiv pentru exemplul dat , 7 - 6 - 5 - 4 - 3 - 2 - 1 .

Evacuarea zguri si a cenusii rezultate la arderea combustibililor solizi se face prin mai multe procedee. La centralele mari , prevazute cu mijloace mecanizate , pentru evacuarea zgurei si cenusii se aplica procedeul hidraulic (cel mai des intalnit) si procedeul pneumatic.

In procedeul hidraulic , zgura si cenusa sunt mai intai amestecate cu apa si apoi amestecul este transportat pe conducte cu ajutorul pompelor. Procedeul este foarte igienic , insa necesita multa apa (aproximativ 10 - 16 parti de apa la o parte de zgura si cenusa).

In procedeul pneumatic , zgura si cenusa sunt impinse pe conducte cu ajutorul aerului comprimat , obtinandu-se astfel o evacuare uscata.Dezavantajul acestui procedeu consta in faptul ca necesita un consum mare de energie si provoaca uzura rapida a conductelor. Procedeul prezinta insa importanta deoarece realizeaza o ecacuare uscata a zgurei , care poate fi valorificata ca material de constructie.

b. Instaatia de producere a aburului. Cazanul de abur este un agregat prevazut cu toate dispozitivele necesare prevazut pentru arderea combustibilului si transmiterea calduri de la gazelle de ardere la fluidul de lucru. Arderea combustibilului are loc intr-un focar , iar transmiterea calduri se realizeaza la suprafata unui system de tevi. In interiorul tcircula apa sa abur , iar in exteriorul lor gazelle de ardere . Tevile prin care circula apa (care apoi se vaporizeaza) numite tevi fierbatoare , constituie sistemul fierbator . Tevile prin care circula aburul ce se supraincalzeste sunt numite tevi supraincalzitoare , care constituie supraincalzitorul.

Cazanele cu circulatie naturala sunt cazanele la care circulatia apei in sistemul de vaporizare se face datorita diferentei de greutate specifica intre faza lichida si emulsia de apa - abur . Aceasta diferenta se reduce cu cresterea presiunii , cea ce face ca ele sa se construiaasca pentru presiuni nu prea inalte.

Prezenta tamburului si a colectoarelor ecranelor sistemului de vaporizare permite efectuarea purjarii in punctele de concentrare maxima a salinitatii apei si deci corectarea bilantului sarurilor din apa.

Cazanele cu circulatie fortata sunt cazanele la care circulatia prin tevi este accelerate de pompe. Din aceasta categorie fac parte si cazanele cu trecere fortata , care nu au tambur , ci numai un system de tevi prin care se introduce apa si se obtine aburul.

Preancalzitoarele sunt suprafete auxiliare de transmitere a caldurii plasate spre sfarsitul drumului gazelor de ardere , pentru a recupera o parte din caldura acestora , inainte de a fi evacuate in atmosfera.