Pokročilé termodynamické cykly

Pokročilé termodynamické cykly 7. přednáška Autor: Jiří Kučera Datum: 28.3.2018 1

OBSAH Chladicí cykly Kompresorový chladicí cyklus Trigenerace - absorpční chlazení Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren Feedwater Repowering Hot windbox Repowering Parallel Repowering New HRSG 2

Chladicí cykly Kompresorový chladicí cyklus 3

Chladicí cykly - kompresorový chladicí cyklus Úvod -opakování z tématu ORC Cykly s organickými médii (původně především freony) byly vyvinuty původně pro chladicí zařízení (chladicí cykly) a pro oběhy tepelných čerpadel. Chladicí cyklus Při obrácení smyslu cyklu představují ORC alternativu k Rankinovu cyklu s vodní párou, a to především pro využití nízkopotenciálního tepla, kde by využití vodní páry jako média cyklu bylo neefektivní (vodní pára má velké měrné objemy při nízkých teplotách - tlacích) Organic Rankine cycle Zdroje obrázků: Keenan Pepper na Wikimedia Commons a Sylvain Quoilin : Experimental Study and Modeling of a Low Temperature Rankine Cycle for Small Scale Cogeneration. 4

Chladicí cykly - kompresorový chladicí cyklus Kompresorový chladicí cyklus v T-s diagramu Děje v cyklu : 1-2 komprese par chladiva 2-3 - 4 ochlazení pár chladiva a kondenzace při vysokém tlaku / vysoké teplotě => disipace tepla z chladiva do okolí 4-5 částečné odpaření (flash) při poklesu tlaku chladiva ve škrtícím ventilu 5-1 vypařování kapalné složky chladiva při nízkém tlaku / nízké teplotě => příjem tepla z okolí do chladiva Pozor : Cyklus chladicích zařízení a cyklus tepelných čerpadel je stejný, ale : u chladicích zařízení je užitečným dějem děj 5-1 u tepelných čerpadel je užitečným dějem děj 2-4 Autor obrázku : Keenan Pepper at English Wikipedia lic. [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons 5

Chladicí cykly - kompresorový chladicí cyklus Schéma klimatizační jednotky 1. kondenzátor 2. kapilára (expanzní ventil) 3. výparník 4. kompresor Autor :Ilmari Karonen. [Public domain], prostřednictvím Wikimedia Commons Zdroj : Air_conditioning_unit-en.svg: Pbroks13 derivative work: Hondrej (Air_conditioning_unit-en.svg) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], prostřednictvím Wikimedia Commons 6

Chladicí cykly - kompresorový chladicí cyklus Kompresorový chladicí cyklus v p-h diagramu reálného chladiva (R134a) Test pozornosti je chladivo R134a wet, dry nebo isoentropic? 3 4 1 2 Pozor : Teplotní rozdíly 10 C mezi teplotou okolí a teplotou v chladicím cyklu zabezpečují přenést tepla ve výměnících (kondenzátoru a výparníku) Zdroj : http://studyenergyweb.fme.vutbr.cz/ot/fyzikalni-zaklady 7

Kompresorový chladicí cyklus - chladicí a topný faktor COP COP = coefficient of performance (R=refrigeration, HP=heat pump) Měrné teplo odebrané prostředí při nižší teplotě [kj/kg] COP HP = 1 + COP R Měrná kompresní práce při adiabatické kompresi [kj/kg] Měrné teplo odevzdané do prostředí při vyšší teplotě [kj/kg] Zdroj : http://studyenergyweb.fme.vutbr.cz/ot/fyzikalni-zaklady Chladicí faktor = účinnost chlazení = COP R Topný faktor = účinnost tepelného čerpadla = COP HP 8

Kompresorový chladicí cyklus Vliv teplot do topného faktoru COP HP Příklad : COP HP 6,0 2,2 Zdroj : http://studyenergyweb.fme.vutbr.cz/ot/fyzikalni-zaklady 9

Chladicí cykly Trigenerace - absorpční chlazení 10

Trigenerace Trigenerace je alternativním typem kogenerace, kdy se v teplárně i v létě vyrábí teplo, které se ale dále využívá k výrobě chladu. Takové uspořádání je zdánlivě nelogické -proč raději v létě nevyrábět čistě jen elektrickou energii a chlad pak generovat z elektrické energie v klasických kompresorových cyklech? Jde o to, že pokud je parní turbína optimalizována pro určitou stálou dodávku elektrické energie + tepla, je vhodné zvážit, zda toto rozdělení nezachovat a teplo přímo konvertovat na chlad pomocí absorpčního zařízení (popsaného na dalším slidu). Efektivita konverze tepelné energie na chlad je sice obecně asi 5x menší než efektivita konverze elektrické energie na chlad v chladicím kompresorovém cyklu, ale tím, že odpadá mezikrok s konverzí tepelné energie na elektrickou, je výsledná efektivita podobná (neboť u kogenerační odběrové nebo protitlakové turbíny kvůli odběru páry nevyužijeme pro výrobu elektrické energie jen spodní část Rankinova cyklu, jejíž tepelná účinnost by byla zhruba 20%-25%). Palivo Spaliny Výměník - ze spalin Výměník - chlazení motoru Špičkovací kotel Zásobník Schéma trigeneračního cyklu s plynovým pístovým motorem Absorpční chladič Spotřebič chladu Spotřebič tepla Elektřina Zdroj obrázku : Prezentace fy. GE Energy s Gas Engines One engine. Three powerful results. 11

Trigenerace Absorpční chlazení Proces absorpčního chlazení se liší od chlazení v kompresorovém chladicím cyklu tím, že stlačení chladicího média neprobíhá v kompresoru, ale rozpuštěním chladicího média při nízké teplotě a tlaku v absorbéru a jeho opětovným uvolněním (desorpcí) při zvýšeném tlaku a teplotě. V procesu se používá teplotní závislosti rozpustnosti dvou látek. Nezbytným předpokladem pro tento proces je vhodná charakteristika rozpustnosti navržených dvou látek v uvažovaném teplotním intervalu. Absorpční chlazení se čpavkem Čpavek z chladicího okruhu se v absorbéru rozpouští v chladné vodě a tím odnímá okolí teplo. Voda i s rozpuštěným plynem proudí do místa ( vařiče ), kde je zahřáta a tím plyn opět uvolněn. Ohřátý čpavek o vyšším tlaku, než měl v absorbéru, proudí do chladiče, kde jeho teplota klesne a při daném vyšším tlaku případně i zkapalní. Poté čpavek proudí opět do absorbéru, kde se rozpustí ve vodě zchlazené v samostatném chladiči a cyklus se opakuje. Volně podle : cs.wikipedia.org/wiki/lednička a de.wikipedia.org/wiki/absorptionskältemaschine V: Historie : Princip výroby chladu pomocí absorpčního cyklu je znám již od roku 1777 => je to nejstarší způsob výroby chladu. Funkční zařízení pracující na tomto principu byly průmyslově využívány od druhé poloviny 19. století. Jako chladicí médium se používala tehdy binární amoniaková sloučenina, absorpčním činitelem byla voda. Moderní princip pracuje s vodou jako chladicím médiem a bromidem lithia jako médiem absorpčním. Zhodnocení absorpčního chlazení nehlučné - bez rotujících částí => teoreticky i vyšší spolehlivost trigenerace bez potřeby přívodu elektrické energie - stačí přívod tepla N: málo efektivní, zvláště Proto bylo pro mnoho nevhodné pro velmi nízké aplikací (hlavně menšího výkonu) teploty (mražení) vytlačeno investičně a prostorově kompresorovým náročné (velký chladič) chladicím cyklem. Další informace : např. http://www.luwex.cz/ach.html 12

Trigenerace Absorpční chlazení s vodou a bromidem lithia Moderní princip pracuje s vodou jako chladicím médiem a bromidem lithia jako médiem absorpčním. Zkonstruovala jej společnost Carrier v roce 1945 a nabízí jej dodnes - princip je uveden na obrázku. Jsou využívány dvě válcové nádoby. Horní z nich AT je uvolňovač. Roztok absorbentu a vody je do něj přiváděn bodem 4 a ohříván topnou smyčkou (červeně - HM). Voda se díky tomu z absorbentu uvolňuje - odpařuje. Vodní pára je zchlazovaná chladicí smyčkou (zeleně - KüW) a kondenzát čisté vody je shromažďován na pravé straně horní nádoby. Spodní nádoba kombinuje absorbér (AB) v levé části a výparník (VD) v pravé části. Zkoncentrovaný ohřátý roztok absorbentu (bromidu lithia) se z bodu 1 vede přes rekuperátor WT1, v němž se ochlazuje, do levé části spodní nádoby, kde se rozprašuje a dochlazuje chladicí smyčkou (zeleně), přičemž do sebe absorbuje vodní páru z pravé části spodní nádoby. Vzniká tak opět roztok absorbentu a vody, který je z bodu 3 čerpán, předehříván v rekuperátoru WT1 a bodem 4 vracen zpátky do horní nádoby - uvolňovače. Kondenzát z čisté vody je z bodu 5 přiváděn do pravé části spodní nádoby. Rozstřikuje se sprchou a přitom se částečně vypařuje, protože ve spodní nádobě panuje hluboký podtlak - odpovídající teplotě sytosti vodní páry 6 C. K vypařování vody se zkonzumuje velké množství tepla, které je odnímáno ze smyčky chlazené vody (KW - šedivá) => právě toto ochlazení je užitečným výsledkem celého zařízení. Neodpařená voda se recirkuluje z bodu 6 zpátky do sprch. Vodní pára uvolněná v pravé části spodní nádoby je absorbována absorbentem v levé části spodní nádoby, čímž se daří udržovat nízký parciální tlak vodních par v pravé části spodní části nádoby a tím potřebnou nízkou teplotu. Volně podle : de.wikipedia.org/wiki/absorptionskältemaschine Autor obrázku Absorption chiller scheme.svg: Rasi57 at de.wikipedia.org pod licencí CC-BY-SA-3.0 13

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 14

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren Úvod Pojmem repowering je v anglické odborné literatuře označován proces, kdy se nahrazuje starší zařízení elektrárny nebo její části novými, aby se zvýšil její celkový výkon nebo účinnost. (Pozn.: Pokud by se jednalo jen o změnu zařízení, nebo jeho částí, ale tepelný cyklus by zůstal stejný, můžeme použít i pojem modernizace nebo retrofit). V předmětu ATC budou analyzovány případy repoweringu, kdy dochází k výrazné změně tepelného cyklu - z parního na paroplynový. Tento typ repoweringu je zvlášť obvyklý v USA, kde kvůli ekologickým předpisům existují požadavky na omezování výroby elektrické energie z uhlí v parním cyklu a preferováno je použití spalování zemního plynu. Tři hlavní případy repoweringu - z hlediska kotle: 1) stávající uhelný kotel je zachován 1a) HRSG nahrazuje (částečně) původní regeneraci - Feedwater Repowering 1b) GT nahrazují původní hořáky kotle - Hot windbox Repowering 2) stávající uhelný kotel je zachován, ale paralelně k němu je zařazen HRSG - Parallel Repowering 3) stávajícíuhelnýkoteljezrušenajeplněnahrazenhrsg - New HRSG Zdroje: en.wikipedia.org/wiki/repowering a Elmasri, M.A. - Design of gas turbine combined cycle and cogeneration systems, Theory, Practice and Optimization. Kap. 19. 15

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren Účinnost repoweringu Pro analýzu přínosů repoweringu je vhodné zavést určité termíny, kterými získané přínosy kvantitativně ohodnotíme: Účinnost repoweringu - Repowering efficiency = _ Poměrný vliv výkonu GT na celkové zvýšení výkonu cyklu - Gas Turbine Leverage = _ Kde: el_new - elektrický výkon zařízení po repoweringu [MW] el_old - elektrický výkon zařízení před repoweringem [MW] el_gt - elektrický výkon samotné GT (spalovací turbíny) [MW] el_st_new - elektrický výkon samotné ST (parní turbíny) po repoweringu [MW] el_st_old - elektrický výkon samotné ST (parní turbíny) před repoweringem [MW] Q th_in_new - tepelný výkon přiváděný v palivu po repoweringu [MW] Q th_in_old - tepelný výkon přiváděný v palivu před repoweringem [MW] = _+ =1+ Zdroj pro celý zbytek kapitoly o repoweringu: Elmasri, M.A. - Design of gas turbine combined cycle and cogeneration systems, Theory, Practice and Optimization. Kap. 19. + Vlastní modelování v SW Steam Master a Re-Master 16

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 1a) HRSG nahrazuje (částečně) původní regeneraci - Feedwater Repowering V tomto typu zapojení se k existující fosilní parní turbíně přidá nová spalovací turbína (GT viz pozn.*), která vyprodukuje přídavný elektrický výkon. Energie výstupních spalin z GT se pak využívá k předehřevu kondenzátu a napájecí vody, nahrazuje tedy částečně funkci původních regenerativních ohříváků. Díky tomu se z parní turbíny odebírá méně páry pro regeneraci a takto zbylá pára může expandovat v parní turbíně nízkotlakou částí až do kondenzátoru a generovat tak přídavný výkon. Schopnost parní turbíny zpracovat tuto dodatečnou páru v nízkotlaké části ale může být omezená. Pokud je limitem průtok páry přes nízkotlakou část nebo výkon této nízkotlaké části, znamená to, že vstupní množství páry do turbíny musí být sníženo a fosilní kotel pracuje na částečný výkon. Účinnostní zisk i v toto případě zůstává v podstatě zachován, ale elektrický výkon parní turbíny je snížený. (*) Pozn.: Vzhledem k tomu, že je vhodné plně využít výstupní teplo spalin z GT,používajísevtomtopřípaděs výhodou aeroderivativní GT s menším výkonem a s nižší výstupní teplotou spalin. Pokud přijmeme předpoklad, že přijatelné přetížení kondenzační části parní turbíny je cca. do 10%, vychází optimální výkon spalovacích turbíny (turbín) cca 16 % výkonu původní fosilní parní turbíny. Při překročení této hranice (viz. následující slidy) už může být nutné snížit vstupní průtok páry do turbíny. 17

Feedwater Repowering Příklad Feedwater Repowering - původní cyklus parní turbíny 18

Feedwater Repowering Příklad Feedwater Repowering - náhrada ohřevu v regeneračních ohřívácích Cíl : 37,3% průtoku přes NT i VT regeneraci substituovat ohřevem ve spalinových výměnících za GT průtok ostré páry snížený o -7% výkon parní turbíny nepatrně snížený o -1,7% průtok páry přes vysokotlakou regeneraci snížen na 607,6 t/h, zbylých 361,9 t/h se ohřívá ve spalinovém výměníku FWA průtok páry do kondenzátoru zvýšený o 10,5% průtok páry přes nízkotlakou regeneraci snížen na 525,1 t/h, zbylých 311,2 t/h se ohřívá ve spalinovém výměníku FWB extra výkon spalovací turbíny +86,3 MW Feedwater Repowering efektivně vychlazené spaliny na teplotu 118,3 C 19

Feedwater Repowering Příklad Feedwater Repowering - náhrada ohřevu v regeneračních ohřívácích Veličina Před repoweringem Po repoweringu Změna výkon parní turbíny MW 350.000 344.038-1.7% výkon spalovací turbíny MW 0 86.3 n/a celkový výkon MW 350.000 430.338 23.0% průtok kondenzátu přes nízkotlakou regeneraci t/h 833.4 525.1-37.0% průtok kondenzátu přes vysokotlakou regeneraci t/h 1040.8 607.6-41.6% průtok páry do kondenzátoru t/h 615.3 679.8 10.5% průtok ostré páry t/h 1073.3 998.2-7.0% průtok přihřáté páry t/h 893.6 883-1.2% teplota napájecí vody C 293.2 294 0.3% teplo přivedené v uhlí do parního cyklu (dle LVH) MWt 826.562 760.883-7.9% teplo přivedené v plynu do plynového cyklu (dle LVH) MWt 0 204.997 n/a teplo přivedené celkem (dle LVH) MWt 826.562 965.880 16.9% tepelná účinnost počítaná z celkového výkonu a celkového přivedeného tepla % 42.34 44.55 přírůstek celkového výkonu MW n/a 80.338 přírůstek celkového přivedeného tepla MWt n/a 139.318 účinnost repoweringu : _)*+,-*)./0 % n/a 57.67 poměrný vliv výkonu GT na celkové zvýšení výkonu cyklu: _12 % n/a 93.09 Pozn.: LVH (lower heating value) = výhřevnost => měrné skupenské teplo páry obsažené ve spalinách se předpokládá jako nevyužitelné, neboť uniká v plynném stavu se spalinami. hlavní omezující podmínka 20

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 1a) HRSG nahrazuje (částečně) původní regeneraci - Feedwater Repowering Zhodnocení: jedná se o poměrně atraktivní způsob zvýšení výkonu existující fosilní parní elektrárny s vysokou účinností a se středně vysokými investičními náklady. změny původní parní elektrárny jsou minimální, přibývá vlastně jen propojovací potrubí obtoku původního regeneračního systému a nový spalinový kotel a GT potřebná doba výstavby(odstávky původní elektrárny) je velmi krátká tímto způsobem můžeme získat novou paroplynovou jednotku (viz příklad: k původnímu fosilnímu bloku 350 MW přibyl PPC" s výkonem 80 MW a s účinností kolem 57%). Přitom investiční náklady tohoto paroplynu představují jen cca 65 % nákladů na paroplynový cyklus stejného výkonu a účinnosti stavěného na zelené louce (neboť se nemusí investovat do parní turbíny a i spalinový kotel je jednodušší a tím i levnější oproti plnohodnotnému PPC) těžiště výroby elektrické energie zůstává na původním fosilní parním cyklu (kotel + parní turbíny) a možnosti zvýšení výkonu nového cyklu jsou omezené možnostmi přetížení nízkotlaké části a kondenzátoru původní parní turbíny kombinace dvou technologií v jedné elektrárně- dvojí palivové hospodářství atd. 21

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 1b) GT nahrazují původní hořáky kotle - Hot windbox Repowering V tomto typu zapojení se k existující fosilní parní turbíně doplní nová spalovací turbína (GT viz pozn.*), která vyprodukuje přídavný elektrický výkon. Výstupní spaliny z GT jsou v tomto případě zavedeny do původního fosilního (uhelného práškového) kotle v místě dřívějšího vstupu předehřátého vzduchu - před hořáky. Výstupní spaliny z GT mají v tomto případě vyšší teplotu než byla původní teplota vzduchu pro spalování, proto se ve výstupním traktu kotle už nepoužívají ohříváky vzduchu a místo nich je možné nainstalovat dodatečné teplosměnné plochy - pro předehřev kondenzátu a napájecí vody podobně jako v uspořádání feedwater repowering (ale s menším výkonem) => opět se z parní turbíny odebírá méně páry pro regeneraci a takto zbylá pára může expandovat v parní turbíně nízkotlakou částí až do kondenzátoru a generovat tak přídavný výkon. Přes podobnost s uspořádáním feedwater repowering existují ale i určité rozdíly : 1) Hot windbox Repowering má vyšší tepelnou účinnost než feedwater repowering, neboť spaliny z GT procházejí traktem původního fosilního kotle (je menší komínová ztráta). 2) (*) výběr GT je omezený podmínkou, že množství výstupních spalin z GT musí přibližně odpovídat množství původního vzduchu pro spalování (mezi 75 % a 120 % původního průtoku vzduchu). Množství paliva pro GT je také omezeno. Podmínkou je, že obsah O 2 ve spalinách musí zůstat alespoň na 2/3 obsahu v původním vzduchu. 3) potrubí pro přívod spalin do kotle, rozvod spalin v kotli a hořáky kotle musí být vyměněny - jejich materiál musí odolávat vysoké teplotě spalin z GT, která je výrazně vyšší než teplota původního předehřátého spalovacího vzduchu. 4) Výměny těchto dílů spolu s výměnou ohříváku vzduchu za nové předehříváky kondenzátu a napájecí vody způsobují poměrně dlouhou nutnou dobu odstávky pro provedení repoweringu. Z hlediska výměny poměrně velký rozsah inženýrských a montážních práce na díle způsobuje poměrně významný nárůst nákladů na repowering. 22

Hot windbox Repowering Příklad Hot windbox Repowering -GT nahrazují původní hořáky kotle 39,3% průtoku přes NT i VT regeneraci substituováno ohřevem ve spalinových výměnících ve výstupním traktu původního kotle průtok ostré páry snížený o -17,8% výkon parní turbíny snížený o -9,9% průtok páry do kondenzátoru nepatrně zvýšený o 0,6% efektivně vychlazené spaliny na teplotu 135,9 C Hot windbox Repowering extra výkon spalovací turbíny +98,5 MW průtok páry přes vysokotlakou regeneraci snížen na 510,4 t/h, zbylých 328,9 t/h se ohřívá ve výměníku A průtok páry přes nízkotlakou regeneraci snížen na 457,1 t/h, zbylých 296,5 t/h se ohřívá ve výměníku B 23

Hot windbox Repowering Příklad Hot windbox Repowering -GT nahrazují původní hořáky kotle Veličina Před repoweringem Po repoweringu Změna výkon parní turbíny MW 350.000 315.183-9.9% výkon spalovací turbíny MW 0 98.518 n/a celkový výkon MW 350.000 413.701 18.2% průtok kondenzátu přes nízkotlakou regeneraci t/h 833.4 457.1-45.2% průtok kondenzátu přes vysokotlakou regeneraci t/h 1040.8 510.4-51.0% průtok páry do kondenzátoru t/h 615.3 619 0.6% průtok ostré páry t/h 1073.3 882.3-17.8% průtok přihřáté páry t/h 893.6 786.7-12.0% teplota napájecí vody C 293.2 290.1-1.1% teplo přivedené v uhlí do parního cyklu (dle LVH) MWt 826.562 583.579-29.4% teplo přivedené v plynu do plynového cyklu (dle LVH) MWt 0 305.679 n/a teplo přivedené celkem (dle LVH) MWt 826.562 889.258 7.6% tepelná účinnost počítaná z celkového výkonu a celkového přivedeného tepla % 42.34 46.52 přírůstek celkového výkonu MW n/a 63.701 přírůstek celkového přivedeného tepla MWt n/a 62.696 účinnost repoweringu : _)*+,-*)./0 % n/a 101.60 poměrný vliv výkonu GT na celkové zvýšení výkonu cyklu: _12 % n/a 64.66 přestává být omezující podmínkou nová omezující podmínka, spaliny z GT nahrazující vzduch pro spalování neumožní větší výkon původního kotle Pozn.: LVH (lower heating value) = výhřevnost => měrné skupenské teplo páry obsažené ve spalinách se předpokládá jako nevyužitelné, neboť uniká v plynném stavu se spalinami. Podstatně lepší výsledky z hlediska zvýšení účinnosti než u feedwater repowering, ale za cenu větší investice a menšího celkového přírůstku výkonu (63,7 MW místo 80,3 MW) 24

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 1b - 1) Alternativa - Hot windbox Repowering with Fresh Air Dilution V tomto typu zapojení se míchají výstupní spaliny z GT se spalovacím vzduchem tak, aby se zvýšilo množství a snížila teplota směsi vzduchu a spalin přiváděných do kotle pro spalování: menší omezení ve výběru GT menší nároky na materiály hořáků a potrubí přívodu a rozvodu vzduchu + spalin v kotli ochlazením spalin se ztrácí původní výhoda Hot windbox Repowering, takže účinnost je jen lehce lepší než u Feedwater Repowering, ale přitom zásahy do kotle a náklady na Repowering zůstávají zvýšené oproti Feedwater Repowering 25

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 1b - 2) Alternativa - Hot windbox Repowering with Exhaust Precooling V tomto typu zapojení se do traktu výstupních spalin ještě před zavedením do fosilního kotle zařazují dodatečné teplosměnné plochy (jako by HRSG). Tyto výměníky mohou sloužit ke generování páry nebo k předehřevu kondenzátu/napájecí vody. Díky tomu se sníží teplota spalin přiváděných do kotle pro spalování : menší nároky na materiály hořáků a potrubí přívodu a rozvodu vzduchu + spalin v kotli čím větší je ochlazením spalin, tím více se ztrácí původní výhoda Hot windbox Repowering ochlazené spaliny v kombinaci s nižším obsahem O 2 ve spalinách vedou ke snížení maximálního dosažitelného výkonu původního fosilního kotle => tím se omezuje dosažitelný výkon parní turbíny 26

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 2) stávající uhelný kotel je zachován, ale paralelně k němu je zařazen HRSG - Parallel Repowering V této alternativě se k existující fosilní parní turbíně doplní nová spalovací turbína(gt viz pozn.*) včetně HRSG. HRSG musí být navržen tak, aby produkoval páru o stejných parametrech jako původní kotel. Substituuje tak částečně páru vyráběnou původním kotlem, který v tomto případě musí pracovat se sníženým výkonem tak, aby množství páry přes kondenzační část parní turbíny nepřesáhlo povolené maximum. Tento typ repoweringu umožňujepřidání výkonuvrozsahu25%až75%zvýkonupůvodní parní turbíny. Poměrně malý potřebný rozsah úprav původního zařízení => krátká doba odstávky původní elektrárny při výstavbě repoweringu Flexibilita umožňující provoz elektrárny i při výpadku jednoho ze systémů. Při výpadku spalovací turbíny může pracovat původní parní kotel a parní turbína v původním návrhovém provozu. Při výpadku parní turbíny může být spalovací turbína normálně provozována za předpokladu, že je použit bypassový kondenzátor nebo bypassový komín. (*) Předpokládá se použití heavy duty spalovací turbíny vyššího výkonu (=> vyšší cena GT). Použití aeroderivativní spalovací turbíny není vhodné, protože s nízkou výstupní teplotou spalin by nebylo možné dosáhnout původních parametrů páry (bylo by nutné použít přitápění HRSG, což není efektivní). Výstupní parametry HRSG jsou fixovány na původní parametry parní turbíny, což omezuje možnosti optimalizace návrhu HRSG. Náklady na nový HRSG + potřeba půdorysné plochy pro nový HRSG Značné snížení výkonu (=> a tím i účinnosti) původního kotle. 27

Příklad Parallel Repowering - paralelní provoz původního kotle a HRSG extra výkon spalovací turbíny +171,4 MW průtok ostré páry do turbíny 913,5 t/h je snížený o -14,9%, ale průtok ostré páry z původního kotle turbíny 727,5 t/h je snížený o -32,2% (!) efektivně vychlazené spaliny na teplotu 103,9 C Parallel Repowering výkon parní turbíny snížený o -6,2% Výkon původního parního kotle je snížený o cca 34%, ale pára pro parní turbínu je doplněna z HRSG VT : 727,5+186 t/h ST : 625,1+199,1 t/h NT : +30,63 t/h průtok páry do kondenzátoru zvýšený o 8,9% -> omezující podmínka 28

Parallel Repowering Příklad Parallel Repowering - paralelní provoz původního kotle a HRSG Veličina Před repoweringem Po repoweringu Změna výkon parní turbíny MW 350.000 328.21-6.2% výkon spalovací turbíny MW 0 171.425 n/a celkový výkon MW 350.000 499.635 42.8% průtok kondenzátu přes nízkotlakou regeneraci t/h 833.4 578.1-30.6% průtok kondenzátu přes vysokotlakou regeneraci t/h 1040.8 702.3-32.5% průtok páry do kondenzátoru t/h 615.3 670.2 8.9% průtok ostré páry t/h 1073.3 913.5-14.9% průtok přihřáté páry t/h 893.6 824.2-7.8% teplota napájecí vody C 293.2 286-2.5% teplo přivedené v uhlí do parního cyklu (dle LVH) MWt 826.562 559.643-32.3% teplo přivedené v plynu do plynového cyklu (dle LVH) MWt 0 467.188 n/a teplo přivedené celkem (dle LVH) MWt 826.562 1026.831 24.2% tepelná účinnost počítaná z celkového výkonu a celkového přivedeného tepla % 42.34 48.66 hlavní omezující podmínka vede k dramatickému snížení výkonu původního kotle přírůstek celkového výkonu MW n/a 149.635 přírůstek celkového přivedeného tepla MWt n/a 200.269 účinnost repoweringu : _)*+,-*)./0 % n/a 74.72 poměrný vliv výkonu GT na celkové zvýšení výkonu cyklu: _12 % n/a 87.29 Pozn.: LVH (lower heating value) = výhřevnost => měrné skupenské teplo páry obsažené ve spalinách se předpokládá se jako nevyužitelné, neboť uniká v plynném stavu se spalinami. Parallel Repowering dosahuje lepší výsledky než předchozí varianty, z hlediska přírůstku celkového výkonu a z hlediska celkové tepelné účinnostiale za cenu větší investice -do GT s velkým výkonem a do nového HRSG. 29

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren 3) stávající uhelný kotel je zrušen a je plně nahrazen HRSG - New HRSG V této alternativě se zcela zruší původní kotel a použije se jen původní parní turbína a kondenzátor. Doplní se nová spalovací turbína (resp. i několik nových spalovacích turbín) včetně HRSG, tak aby vygenerovaná pára pokryla potřeby parní turbíny. Komplikací je, že zatímco u původní fosilní parní turbíny množství páry směrem ke kondenzačnímu výstupu klesalo (vlivem odběrů páry pro regeneraci v poměru cca 67/100), u nového uspořádání množství páry směrem ke kondenzačnímu konci turbíny vzrůstá (v poměru cca 133/100 - přidává se druhá a třetí pára generovaná v HRSG). Vzhledem k tomu, že množství páry přes kondenzační výstup turbíny zpravidla nelze příliš navýšit, musí být množství na vstupu do parní turbíny výrazně nižší než původní návrhové (tedy v poměru cca (67/100)/(133/100) 50%). Pro návrh HRSG je výhodné uvažovat provoz parní turbíny s klouzavým tlakem (kdy se lépe využije teplo spalin) - tedy se snížením množství vstupní páry je odpovídajícím způsobem snížen její tlak. Pro jednodušší uspořádání je možné uvažovat i s jednotlakovým HRSG (kdy průtok na vstupu do parní turbíny bude činit cca 67% návrhového). Pro dobré využití tepla spalin bývá ale v tomto případě nutné použít výraznější přitápění v kotli (viz teorie chování jednotlakových HRSG - vztah mezi vstupní a výstupní teplotou). Aplikace přitápění je také nutná v případech, kdy usilujeme o menší přidání výkonu - menší GT - kdy tepelný obsah v jejích spalinách by nestačil ke generování dostatečného množství páry pro parní turbínu. Je-li součástí repoweringu i modernizace parní turbíny, je možné zvážit její přizpůsobení podmínkám nového cyklu, tj. zvětšení NT dílu nebo zmenšení VT, resp. ST dílu. Tento typ repoweringu umožňuje přidání výkonu v rozsahu 45 % až 200 % z výkonu původní parní turbíny, tj. nejvíce ze všech prezentovaných druhů repoweringu a má i potenciál dosáhnout nejvyšší výsledné teplené účinnosti celého cyklu. Tento typ repoweringu je fakticky nejčastější - neboť je jedinou volbou v případech, kdy již není možné, nebo není ekonomicky výhodné, udržovat v provozu původní uhelný kotel, anebo v případech, kdy se z důvodu emisí plně přechází z uhlí na zemní plyn. 30

Příklad New HRSG Repowering - nahrazení původního kotle 2xGT a 2xHRSG Pára z původního kotle je plně nahrazena parou z HRSG. Typ GT byl volen tak, při použití třítlakového HRSG s přihříváním byl výsledný průtok VT+ST+NT páry blízký průvodnímu průtoku přes kondenzační zadek turbíny. New HRSG Repowering průtok ostré páry do turbíny 483,8 t/h je snížený o -54,9 % a odpovídajícím způsobem je snížený i vstupní tlak (klouzavý) výkon parní turbíny razantně snížený o -33,1% průtok z NT je o 1,3% nižší než původní efektivně vychlazené spaliny na teplotu 106,1 C, protože HRSG je třítlakový s přihříváním extra výkon spalovacích turbín 2x232 MW 31

New HRSG Repowering Příklad New HRSG Repowering - s použitím 2xGT s třítlakovým HRSG s přihříváním Před Po Veličina repoweringem repoweringu Změna výkon parní turbíny MW 350.000 234.204-33.1% výkon spalovací turbíny MW 0 463.966 n/a celkový výkon MW 350.000 698.17 99.5% průtok kondenzátu přes nízkotlakou regeneraci t/h 833.4 607-27.2% průtok kondenzátu přes vysokotlakou regeneraci t/h 1040.8 N/A N/A průtok páry do kondenzátoru t/h 615.3 607-1.3% průtok ostré páry t/h 1073.3 483.8-54.9% průtok přihřáté páry t/h 893.6 551-38.3% teplota napájecí vody C 293.2 n/a n/a teplo přivedené v uhlí do parního cyklu (dle LVH) MWt 826.562 0-100.0% teplo přivedené v plynu do plynového cyklu (dle LVH) MWt 0 1216.874 n/a teplo přivedené celkem (dle LVH) MWt 826.562 1216.874 47.2% tepelná účinnost počítaná z celkového výkonu a celkového přivedeného tepla % 42.34 57.37 přírůstek celkového výkonu MW n/a 348.170 přírůstek celkového přivedeného tepla MWt n/a 390.312 účinnost repoweringu : _)*+,-*)./0 % n/a 89.20 poměrný vliv výkonu GT na celkové zvýšení výkonu cyklu: _12 % n/a 75.04 Pozn.: LVH (lower heating value) = výhřevnost => měrné skupenské teplo páry obsažené ve spalinách se předpokládá jako nevyužitelné, neboť uniká v plynném stavu se spalinami. New HRSG Repowering dosahuje lepší výsledky než předchozí varianty, z hlediska přírůstku celkového výkonu a z hlediska celkové tepelné účinnosti ale za cenu větší investice - do několika GT s velkým výkonem a do několika nových HRSG. 32

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren Výsledné porovnání a zhodnocení z hlediska Repowering efficiency Hot Windbox Repowering New HRSG Repowering Parallel Repowering Feedwater Repowering Poměr výkonů před repoweringem a po repoweringu v % Zdroj: Elmasri, M.A. - Design of gas turbine combined cycle and cogeneration systems, Theory, Practice and Optimization. Kap. 19. 33

Tepelné cykly používané pro repowering stávajících elektráren Výsledné porovnání a zhodnocení z hlediska celkové účinnosti - Net plant efficiency třítlakový bez přitápění třítlakový s přitápěním New HRSG Repowering jednotlakový bez přitápění Hot Windbox Repowering včetněexhaust Precooling včetněfresh Air Dilution Parallel Repowering Feedwater Repowering Poměr výkonů před repoweringem a po repoweringu v % Zdroj: Elmasri, M.A. - Design of gas turbine combined cycle and cogeneration systems, Theory, Practice and Optimization. Kap. 19. 34

Děkuji za pozornost 35