2. TERMOELEKTRANE
Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju
dobivaju sagorijevanjem goriva, a glavna primjena i svrha
termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će
pokretati turbinu, a potom i generator električne energije.
Osnovna namjena im je proizvodnja i transformacija
primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u
obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju
električne energije. Mehanička energija je proizvedena uz
pomoć toplinskog stroja koji transformira toplinsku
energiju. Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku
koja se pak različitim procesima predaje nekom radnom
mediju. Radni medij pak služi kao prijenosnik te energije,
često izgaranjem goriva, u energiju vrtnje.
3.
4. Podjela termoelektrana
prema vrsti pokretača
Prema vrsti pokretača dijelimo ih na:
2. Plinsko-turbinska postrojenja
3. Parno-turbinska postrojenja
4. Kombinirana postrojenja
Plinsko-turbinsko postrojenje koristi dinamički pritisak od
protoka plinova za direktno upravljanje turbinom. Sam
proces koji se događa u plinskoj turbini nije toliko različit od
parne turbine. Ukoliko želimo povećati stupanj iskoristivosti
moramo povećati temperaturu medija koji ulazi u turbinu.Tu
se javlja problem hlađenja, pogotovo samih lopatica. Kako
bismo ohladili lopatice koristimo komprimirani zrak iz
kondenzatora. Naravno dovođenje zraka za hlađenje će
smanjiti i snagu postrojenja.
5. Današnji razvoj materijala nam je omogućio da i izborom materijal
povećamo otpornost na temperaturu. Za izradu lopatica se danas
koriste visoko legirani materijali na bazi nikla koji uspješno podnose
više temperature. Naravno bez obzira na ova dostignuća na području
materijala moramo osigurati hlađenje lopatica.U plinskim elektranama
se mehanička energija pretvara u električnu pomoću plinskih motora,
koji se najčešće grade kao četverotaktni motori. Svako plinsko-
turbinsko postrojenje sastoji se od kompresora, komore za izgaranje i
plinske turbine. Princip rada : kompresor služi za stlačivanje zraka
kojeg usisava iz okoliša te ga komprimira do nekog zadanog tlaka,
komprimirani zrak dovodi se do komore izgaranja gdje se grije uslijed
izgaranja goriva. Smjesa koja nastaje (zagrijani zrak i plinovi
izgaranja) ekspandiraju u plinskoj turbini gdje stvaraju moment koji se
iskorištava u proizvodnji električne energije i pri radu kompresora.
Parno-turbinsko postrojenje-Princip rada parnog - turbinskog
postrojenja: proizvedena para uz pomoć topline, dobivena izgaranjem
goriva, odvodi se u turbinu gdje na razne načine ekspandira stvarajući
moment koji pak služi za proizvodnu električne energije u generatoru.
Koristi dinamički pritisak generatora trošenjem vodene pare za
okretanje lopatica turbine.
6. Najveći broj velikih termoelektrana je s parnim pogonom, kod kojih
se uglavnom koriste parne turbine (oko 80 % električne energije je
proizvedeno korištenjem parnih turbina) neposredno spojene sa
generatorom (turbo-generator). U ovim elektranama toplina
dobivena sagorijevanjem goriva predaje se vodenoj pari koja u
parnim turbinama proizvodi mehaničku energiju, a koja se u
generatoru pretvara u električnu energiju.
Kombinirano postrojenje ima oboje: plinske turbine ložene prirodnim
plinom, parni kotao te parnu turbinu koja koristi iscrpljeni plin iz plinske
turbine kako bi se proizveo elektricitet, tj. to je ciklus koji se sastoji od
plinsko-turbinskog i parno-turbinskog dijela. Glavne sastavnice su
naravno plinska i parna turbina. Osnovna namjena ovakvih postrojenja
je da se iskoristi toplina nastala na izlazu iz plinske turbine. Pošto
ispušni plinovi koji izlaze iz plinske turbine imaju izuzetno visoke
temperature, oko 600 °C mogu se iskoristiti kao sredstvo koje će grijati
vodu i proizvoditi vodenu paru za parnu turbinu. Iskoristivost takvog
postrojenja doseže i do 60%.. U kombiniranom postrojenju kompresor
komprimira zrak i šalje ga u komoru izgaranja gdje se istovremeno
dovodi gorivo za izgaranje. Plinovi izgaranja vrlo visoke temperature
vode se iz komore izgaranja u plinsku turbinu, gdje ekspandiraju dajući
koristan rad na vratilu spojenom na rotor plinske turbine.
7. Vratilo pokreće generator električne struje i proizvodi
električnu energiju koja se šalje u mrežu Jedna od vrlo
dobrih karakteristika plinske turbine je ta što je kod nje
prisutan vrlo visok omjer zrak/gorivo budući se dodaje
nekoliko puta više zraka zbog hlađenja lopatica plinske
turbine. Zbog toga na izlazu iz plinske turbine ostaje još
dosta neiskorištenog zraka te se taj višak zraka koristi za
izgaranje dodatnog goriva u utilizatoru. U utilizatoru se
napojna voda zagrijava do isparavanja i pregrijava na
zadane parametre. Pregrijana para odlazi iz generatora pare
u parnu turbinu gdje ekspandira i predaje mehanički rad
generatoru električne struje. Nakon toga para, sada već
niskih parametara, odlazi u kondenzator gdje kondenzira.
Nakon kondenzacije, voda se napojnom pumpom vraća u
utilizator na ponovno zagrijavanje.
8. Dijelovi
termoenergetskog
postrojenja
Dijelovi termoenergetskog postrojenja su:
2)Generator pare
3)Turbina
4)Generator električne energije
5)Kondenzator
6)Kondenzatorska pumpa
7)Napojna pumpa
8)Rashladni toranj
9)Spremnik napojne vode
10)Pregrijači pare
11)Međupregrijači
12)Ekonomajzeri i sl
9. Kompresori
Kompresori služe kod plinsko-turbinskih postrojenja, mlaznim
motorima i sl. Kompresori mogu biti radijalni ili aksijalni. Kod
aksijalnih strujanje zraka vrši se u smjeru vratila, dok kod
radijalnih kompresora imamo radijalno strujanje na rotorsko kolo.
Radijalni kompresori lakši su i mnogo efikasniji nego aksijalni
kompresori za manje kompresijske omjere. Kod većih
postrojenja koriste se aksijalni kompresori obzirom da su
efikasniji (za veće kompresijske omjere). Isto tako u
zrakoplovstvu se koriste aksijalni kompresori zbog viših
kompresijskih omjera. Kompresor za rad koristi energiju nastalu
zbog rada turbine obzirom da su turbina i kompresor najčešće
na istom vratilu. Komprimirani zrak s plinovima izgaranja tvori
radni medij koji ekspandira kasnije u turbini.
10. Komora izgaranja
Komora izgaranja sastoji se od dva cilindra. U prvom se
odvija izgaranje prilikom čega se razvijaju visoke
temperature te se tako štiti vanjski cilindar od djelovanja
zračenja topline. Cilindri su međusobno povezani te se
između njih odvija prostrujavanje zraka. Za izgaranje se
dovodi 3-6 puta više zraka od teoretski potrebnog zbog
sniženja maksimalnih temperatura. Komore izgaranja trebaju
osigurati: stabilno izgaranje u širokim granicama
opterećenja, jednoličnu raspodjelu temperatura dimnih
plinova na izlazu iz komore izgaranja, da gubitak tlaka u
komori izgaranja bude što manji. U klasičnom plinsko-
turbinskom postrojenju možemo imati više komora izgaranja
koje se slažu uzdužno, po obodu. Takvo slaganje koristimo
kao bismo smanjili dimenzije.
11. Kondenzator
Kondenzator je klasični izmjenjivač topline koji „vraća“ paru
natrag u tekuće stanje, nakon što ekspandira u turbini.
Kondenzat se pumpama vraća natrag u proces. Tlak u
klasičnom kondenzatoru je izuzetno mali (podtlak – oko
0,045 bara). Pošto je kondenzator izmjenjivač topline
potrebno je osigurati i medij kojem će se ta topline predati
kako bi se para ohladila do temperature kondenzata. Upravo
zbog toga su termoelektrane smještene na rijekama, moru...,
kako bi se osigurao medij koji će preuzimati svu tu toplini.
Naravno postoji mogućnost da termoelektrana radi
dvofazno, odnosno kao i toplana. Tada se ta para može
odvoditi vrelovodima i služiti kao grijanje.
12. Generator pare
Za generator pare mogli
bismo reći da čini
središnji dio svake
termoelektrane. Ukratko
generator pare, što mu i
samo ime kaže, služi za
proizvodnju pare s
određenim parametrima
(temperature i tlaka)
koja će se kasnije u
turbini iskoristiti za
proizvodnju električne
energije.
13. Podjela generatora pare
Generatore pare dijelimo na:
2) Čelične generatore pare
3) Lijevane generatore pare posebne namjene
14. Podvrste čeličnih generatora
pare
Čelične generatore pare dijelimo na par podvrsta a to su:
2) Vatrocjevne
3) Vodocjevne
4) Cilindrične
15. Vatrocijevni generatori
pare
Vatrocijevni generatori pare funkcioniraju tako da plamen
struji kroz cijevi i tako grije vodu koja te cijevi okružuje.
16. Vodocijevni generatori
pare
Vodocijevni generatori pare su
najčešći i najbrojniji te
najzanimljiviji s aspekta
termoelektrana. Kao što i samo
ime kaže kod vodocjevnih
generatora pare voda ili para
nalaze se u samim cijevima. Na
taj način moguće je postići
znatno veće tlakove i
temperature nego kod
vatrocjevnih generatora pare.
17. Podjela vodocijevnih
generatora pare
Vodocjevne generatore pare opet možemo podijeliti na:
2) Horizontalne s ravnim cijevima
3) Vertikalne sa savinutim cijevima (prirodna ili prisilna
cirkulacija)
18. Vertikalni generatori
pare sa savinutim
cijevima
Vertikalni generatori pare sa savinutim cijevima predstavljaju
najveću i nama najvažniju skupinu. Ovakvi tipovi generatora
pare se nalaze u velikim termoenergetskim postrojenjima za
proizvodnju električne energije. Za izgaranje mogu koristiti
sve vrste goriva: kruto gorivo na rešetci (ravnoj ili kosoj),
kruto gorivo u fluidiziranom sloju te izgaranje u prostoru
(ugljena prašina, tekuće i plinsko gorivo). Prirodna cirkulacija
u generatoru pare ostvaruje se zbog razlike u gustoćama
vode i vodene pare. Silazne cijevi upravo zbog toga nisu
grijane tako da se lakše uspostavi cirkulacija. Temelji
hidrodinamike, toplija voda će strujati prema gore dok će se
hladna voda kretati prema dolje. Kada ne možemo osigurati
uvijete za prirodnu cirkulaciju koristimo različite pumpe kako
bismo osigurali nesmetanu cirkulaciju. Takvi generatori se
nazivaju La Mont generatori pare.
19. Posebni generatori pare
sa savinutim cijevima
Posebni generatori pare iz ove skupine su protočni
generatori pare s prisilnom cirkulacijom. Ovakvi generatori
grade se za najveća postrojenja sa najvećim protocima,
nadkritičnim tlakovima i nadkritičnim temperaturama. Ovakvi
generatori mogu proizvoditi oko 2500 t/h pare, temperature
od oko 600 ˚C. Ovakav generator možemo zamisliti kao cijev
u kojoj se voda zagrijava, isparava te ta vodena para
pregrijava. Veliki nedostatak kod protočnih generatora pare
je nemogućnost rada pri malim opterećenjima jer se javlja
mogućnost pregaranja cijevi.
20. Dijelovi ugrađeni u
generatore pare
Postoje postupci i dijelovi, koji se ugrađuju u generator pare
kako bismo osigurali veću iskoristivost i povećanje snage, a
to su pregrijač pare, međupregrijači, ekonomajzerske
površine, zagrijači zraka, kondenzator, rashladni toranj...
21. Pregrijač pare
Kako bismo povećali stupanj iskoristivosti čitavog procesa
koristimo pregrijač pare. To ima utjecaj i na samu tehnologiju
izrade s obzirom da para nema kapljica vode u sebi pa je
manje korozivna i erozivna. Kod današnjih termoelektrana
pregrijana para je imperativ zbog strogo određenih zahtjeva
za parametre pare na ulazu u turbinu. Prijelaz topline može
biti konventivan ili putem zračenja. U praksi se uvijek koristi
mješavina ova dva navedena.
22. Međupregrijač
Kod ugradnje međupregrijača moramo imati na raspolaganju
i turbinu podijeljenu na visokotlačni i niskotlačni dio. Para
ekspandira u visokotlačnom dijelu turbine do tlaka
međupregrijanja te se nakon toga vraća u generator pare. U
generatoru pare se još jednom zagrijava, najčešće ponovno
na temperaturu svježe pare, te se odvodi u niskotlačni dio
turbine. Tu para ponovno ekspandira stvarajući koristan rad.
Kao i kod pregrijača, kod ugradnje međupregrijača povećava
se ukupan stupanj iskoristivosti postrojenja. Smanjujemo
vlažnost pare što je izuzetno bitno za dugovječnost turbine.
Smanjujemo veličinu kondenzatora, gorionika i samog
generatora pare. Negativna strana je povećanje cijene
turbine, ali i povećanje ukupnih investicijskih troškova.
23. Ekonomajzerske
površine
Ekonomajzerske površine smještaju se u stražnji dio
generatora pare tako da se iskorištava dio topline koja bi se
inače ispustila u okoliš. Time ujedno i smanjujemo
temperaturu dimnih plinova. Na ekonomajzerskim
površinama zagrijavamo napojnu vodu i zrak. U zagrijačima
napojne vode se voda u pravilu zagrijava ispod temperature
zasićenja jer u suprotnom nastaje vodena para što može
izazvati oštećenja u obliku kavitacije. Za svoj rad zagrijači
vode troše relativno malo energije te zauzimaju malo
prostora. Ukoliko imamo zagrijače vode brže ćemo pustiti
generator pare u pogon te ćemo smanjiti opterećenje
ogrjevnih površina.
24. Zagrijači zraka
Posljednji u generatoru pare su zagrijači zraka koji su ujedno
smješteni iza zagrijača napojne vode. Pošto rade na manjim
tlakovima, za razliku od zagrijača vode, manji su svojom
konstrukcijom. Zrak zagrijavamo zbog podizanja stupnja
iskoristivosti, sušenja goriva i poboljšanja izgaranja. Preko
70% svih zagrijača zraka su rotacioni zagrijači sastavljani od
limenih saća koje se griju dimnim plinovima a hlade zrakom.
25. Rashladni tornjevi
U nekim velikim termoelektranama postoje veliki hiperbolički dimnjaci poput struktura, koji
oslobađaju otpadnu toplinu u ambijent atmosfere isparavanjem vode, a nazivaju se rashladni
tornjevi . Rafinerije petroleja, petrokemijska postrojenja, geotermalna postrojenja koriste
ventilatore kako bi omogućila kretanje zraka prema gore kroz vodu koja se dolazi u smjeru
prema dolje i nemaju hiperboličnu konstrukciju nalik dimnjacima. Inducirani ili tlačni rashladni
tornjevi su pravokutne konstrukcije nalik kutiji, ispunjene s materijalima koji pojačavaju
dodirivanje zraka koji struji u vis i vodu koja teče prema dolje. U pustinjskim područjima
rashladni toranj mogao bi biti neizbježan od kada će trošak uređivanja vode za hladno
isparavanje biti zabranjen. Ovi imaju nižu efikasnost i višu energetsku potrošnju u
ventilatorima od mokrih i isparavajućih rashladnih tornjeva. Tvrtke za elektriku preferiraju
upotrebljavanje rashladne vode iz oceana, rijeka, jezera, rashladnih umjetnih jezera u
zamjenu za rashladni toranj, na području gdje je ekonomičnije i ambijentalno moguće. Ovaj
tip rashlađivanja može sačuvati trošak rashladnog tornja i može imati nižu energetsku cijenu
za pumpanje rashladne vode kroz izmjenjivač topline postrojenja. Uglavnom, otpadna toplina
može uzrokovati da temperatura vode primjetno poraste. Pogonska postrojenja koja
upotrebljavaju prirodne sastojke vode za rashlađivanje, moraju biti konstruirana da preduhitre
ulazak organizama u rashladni krug, inače će se stvoriti organizmi koji se prilagođavaju
toplijim vodenim postrojenjima i utječu tako da nanesu štetu ako se postrojenje ugasi za
hladna vremena.
27. Utjecaj termoelektrana
na okoliš
Danas je sve manje termoelektrana budući da su veliki onečišćivači prirode. Kod
termoelektrana dva su osnovna učinka koji utječu na onečišćenje okoliša. Prvi i
osnovni je učinak koji nastaje zbog izgaranja fosilnih goriva. Drugi i manje bitni
jest toplinsko onečišćenje rijeka ili jezera. Mi ćemo se o ovom poglavlju baviti
samo ovim prvim, odnosno onečišćenjem uslijed izgaranja fosilnog goriva.
Izgaranje je proces u kojem se kemijska energija sadržana u gorivu transformira
u unutrašnju energiju koja se opet dalje iskorištava u raznim procesima. Kod
izgaranja u atmosferu se ispuštaju plinovi kao što su CO, voda, NOx, različiti
ugljikovodici,... Od svih navedenih ugljik dioksid i voda nisu direktno otrovni za
ljude. No oni izravno utječu svojom koncentracijom na zagrijavanje atmosfere
(apsorpcija toplinskog zračenja u atmosferi). Vrsta i sastav plinova nastalih
uslijed izgaranja ovisi o sastavu goriva koje izgara u procesu. Elementi koji čine
većinu fosilnih goriva su ugljik, vodik i sumpor. Ugljik može izgarati potpuno i
djelomično. U potpunom izgaranju imamo CO2 kao produkt dok kod djelomičnog
izgaranja kao produkt imamo CO. Upravo zbog toga veći udio CO imamo u
termoelektranama na ugljen jer je teže osigurati kvalitetno miješanje goriva i
zraka.
28. Izgaranjem vodika dobivamo vodu, a izgaranjem sumpora SO2. Kod
izgaranja težimo što potpunijem izgaranju. Da bismo to ostvarili cilj je
imati što bolje miješanje zraka i goriva. Naravno da je to
najjednostavnije ostvariti kod plinskih goriva, a najteže kod krutog. Za
izgaranje potrebno je osigurati minimalnu količinu zraka. O količini
sumpora u produktima izgaranja najviše ovisi udio sumpora u samom
gorivu. Dakle težimo ugljenu i nafti sa što manje sumpora. Kod dušika
i njegovih oksida gorivo ne utječe toliko na produkciju NOx-a. Isto
tako treba spomenuti i izuzetno veliku količinu pepela kojeg jedna
prosječna termoelektrana izbaci u okoliš. U svrhu zaštite okoliša u
posljednjih desetak godina donijelo se mnoštvo zakona i odredaba
koje bi trebale pridonijeti smanjenju zagađenja okoliša iz
termoelektrana. Jedan od glavnih parametara je kontrola i smanjenje
sumpornih oksida. Postupak odsumporavanja može se vršiti tako da
se odvaja već iz goriva ili iz produkata izgaranja. Veći efekt se postiže
ukoliko sumporove okside uklanjamo iz produkata izgaranja. Ovakvi
postupci zahtijevaju dodatna ulaganja koja poskupljuju i krajnju cijenu
električne energije. Dušikove spojeve je najjednostavnije reducirati
stupnjevanim izgaranjem. Na taj način možemo smanjiti emisiju
dušičnih oksida za oko 50%.