PARNÍ A PLYNVÉ URBÍNY V REDUKČNÍCH SANICÍCH Vydala: Čeká energetická agentura Vinohradká 8, 0 00 Praha Vypracoval: Doc.Ing.Kolarčík CSc. ato publikace je určena pro poradenkou činnot a byla zpracována v rámci Státního programu na podporu úpor energie a využití obnovitelných zdrojů energie
bah. ÚVD...7. EXERGIE, ANERGIE...7. VÝPČE A ZBRAZENÍ EXERGIE, ANERGIE...9.. Exergie entalpie...9.. Exergie tepla...3. EXERGEICKÉ ZRÁY...6.. Spalování...7.. Sdílení tepla...7 3. ZMĚNA IZENALPICKÁ - ŠKRCENÍ...9 4. REDUKČNÍ SANICE KNVENČNÍ...4 4. ENERGEICKÁ BILANCE ZÁSŘIKVÉ KMRY...5 5. URBÍNY...6 5. URBÍNY RVNLAKÉ A PŘELAKVÉ...7 5. PRŮBĚH RANSFRMACE ENERGIE V URBÍNĚ...9 5.. EXPANZE IZENRPICKÁ...30 5.. VNIŘNÍ ZRÁY URBÍN...3 5.3 ÚČINNSI...3 5.4 PARNÍ URBÍNY RADIÁLNÍ...33 6. PARNÍ URBÍNA V REDUKČNÍ SANICI...35 7. PLYNVÁ URBÍNA V REDUKČNÍ SANICI...38 8. EKNMICKÉ ZHDNCENÍ REDUKCE PLYNU A PAR...40 8. RČNÍ VÝNSY...4 8.. Měrné roční invetiční náklady Ni...4 8.. Měrné palivové náklady Np...4 8..3 Měrné náklady na údržbu a provoz zařízení No...43 8. DBA NÁVRANSI INVESICE...44 8.3 ČASVÁ HDNA PENĚZ...44 8.4 PRGRAMVÝ SUBR EFINA...47 8.4. Základní ukazatelé pro hodnocení projektu...47 9. EKLGIE...48 0. ZÁVĚR...49-3 -
Přehled použitých označení a indexů Symbol veličiny Jednotka Veličina A J technická práce B J anergie Cdk Kč cena zařízení při dodávce na klíč Ci Kč.kW - měrné invetiční náklady kw intalovaného výkonu Dn r doba návratnoti E J exergie E& W exergetický výkon, příkon F N íla Fp Kč finanční protředky I J entalpie Nc Kč.kWh - celkové měrné náklady na jednotku energie Ni Kč.kWh - invetiční měrné náklady na jednotku energie No Kč.kWh - erviní měrné náklady na jednotku energie Np Kč.kWh - palivové měrné náklady na jednotku energie Nn Kč.kWh - nákupní cena elektrické energie P W výkon, příkon Q J teplo Q& W topný výkon K abolutní teplota r délka odpiování zařízení podle zařazení do odpiové kupiny V Kč.r - roční výnoy z provozu zařízení W J energie a J.kg - měrná práce b J.kg - měrná anergie c m. - rychlot abolutní c J.kg -.K - měrná tepelná kapacita d - dikontní azba e J.kg - měrná exergie i J.kg - měrná entalpie m kg hmotnot m& kg. - hmotnotní průtok - 4 -
n -, min - otáčky p Pa tlak q J.kg - měrné teplo J.kg -.K - měrná entropie t r počet roků u J.kg - měrná vnitřní energie u m. - unášivá rychlot w J.kg - měrná energie w m. - relativní rychlot η - účinnot ϕ - dýzový oučinitel κ - izoentropický exponent λ - rychlotní oučinitel ψ - lopatkový oučinitel τ hod.r - čaový interval, doba chodu zařízení na plný výkon za rok INDEXY a b C CA G CH el ex h i ie it J K m N abolutní, axiální barometrický celkový Carnotův generátoru chemický elektrický exergetický hydraulický invetiční izoentropický izotermický Joule - homonův kotle mechanický nominální okolí - 5 -
B p Q R RC t t S v vn Z obvodový za tálého tlaku tepla reálný Rankin-Clauiův oběh technický tepelný turbíny turbooutrojí za tálého objemu vnitřní ztrátový - 6 -
. ÚVD Při výtavbě, modernizaci a rekontrukci redukčních tanic páry i zemního plynu je za oučané energetické ituace nezbytné doáhnout optimálního využití exergie vázané na tyto noitele energie. Plyny a páry generované k technologickému využití mívají zpravidla tlak vyšší než je žádoucí, jeho redukce je pak nezbytná. Na příklad obvyklý tlak páry tředotlakých kotelen p=,5 MPa e redukuje nejčatěji na hodnoty 00 až 800 kpa. Děje e tak v redukční tanici škrcením nebo expanzí v protitlaké turbíně. Jako polehlivý, bezpečný a invetičně levný způob redukce tlaku e na první pohled jeví škrcení v redukčních ventilech. Proto je tato, z hledika využití exergie, ztrátová technologie v průmylové praxi tále nejrozšířenější. Stejným způobem můžeme hodnotit redukci tlaku zemního plynu z dálkových plynovodů. Jen v dobách rozáhlé dotace cen elektrické energie je však tento způob redukce tlaku z ekonomického hledika přijatelný a to zejména v komunální féře, malou potřebou tepla. Nyní dochází k potupnému odbourávání dotací a k zpříňování eminích limitů, což jitě vyvolá i rekontrukci mnoha malých kotelních agregátů. Za této ituace bude doažení co možná nejdokonalejšího využívání primární energie i u těchto ytémů nezbytné. K poouzeni možných řešení jou vhodné detailní rozbory nevratných tranformačních proceů, využitím exergetických bilancí těchto dějů. I když základy teorie tranformačních proceů mezi energií chemickou, teplem a energií elektrickou byly uvedeny v [L5], je v úvodu této práce zvýšená pozornot věnována rozdělení energie na exergii a anergii.. EXERGIE, ANERGIE Celková energie izolované outavy je oučtem mnohá jejích druhů, které mohou uvnitř této outavy přecházet jedna v druhou. yto ložité děje jou nejprve zjednodušovány idealizujícími podmínkami vratných proceů neuvažujícími nežádoucími rozptyly energie, které jou neprávně nazývány "ztrátami energie". Popi kutečných tzv. nevratných proceů pak na ideální děje navazuje. V přírodě jou všechny procey nevratné, obrácení nevratných proceů bez přívodu energie je nemožné. První věta termodynamiky o zachování energie k popiu přeměn energií nepotačí, poněvadž z druhého zákona vyplývá, že jen některé druhy energie e v ideálních proceech neomezeně přeměňují na jiné. Do této kupiny náleží zejména energie kinetická, potenciální, elektrická i mechanická práce. Z této kupiny e vymykají energie vnitřní i vnější a teplo, jejichž využití je ovlivňováno tavem okolí. Nelze např. očekávat úplné využití tlakové energie expandujícího plynu bez vlivu protitlaku okolí, či úplné využití tepla k zíkání mechanické práce bez vlivu teploty okolí. - 7 -
ranformovatelná čát energie je nazývána exergií a je definována takto: EXERGIE E (J) je ona čát energie, která e i pod vlivem okolí mění libovolně na jiné druhy energie, lze ji využít k zíkáni užitečné práce. ANERGIE B (J) je zbývající netranformovatelná čát energie, která e již v proceech dále nemění a nemůže konat práci. Je však podtatným činitelem u některých proceů (palování, chemické procey, izotermická kompree, vytápění, atd.). "KLÍ" je atmoféra nebo voda řek a moří, do nichž e ze všech proceů odvádí energie většinou ve formě odpadního tepla. kolí tedy louží jako záobník energie velkých rozměrů, jehož tavové veličiny zůtávají pře přijímání energie prakticky nezměněné. Pro každého inženýra je běžnou kutečnotí, že výše teploty okolí ovlivňuje "výrobu" energie v tepelné elektrárně (teplota chladicí vody) nebo, že e plynová turbína proadila mnohem dříve jako hnací letecká jednotka než jako tacionární zařízení (výtlačná práce proti tlaku atmoféry ve výškách je menší). Energie nahromážděná v okolí docela pozbyla vé tranformovatelnoti a je tedy energií nejpodřadnější. o platí i pro všechny ytémy, které jou okolím v rovnováze. Pro jakoukoliv energii platí tudíž základní rovnice ENERGIE = EXERGIE + ANERGIE Exergie a anergie jou veličiny komplementární, při čemž obě mohou býti i nulové. Nejušlechtilejší druhy energie jou čitou exergií, omezeně využitelné formy obahují exergií a anergií, energie okolí e kládá jen z anergie. Z tohoto hledika můžeme rozlišit tři kupiny energií, jetliže jako kritérium členění využijeme tupeň využitelnoti. ab. Stupeň využitelnoti: (kupina energie) Příklady: I. Energie neomezeně tranformovatelné Energie kinetická, potenciální, elektrická II. Energie omezeně tranformovatelné III.Energie netranformovatelné Entalpie, jetliže její teplota >o, dělené teplo Entalpie okolí a těch ytémů, které jou okolím v rovnováze - 8 -
Po tomto rozdělení lze formulovat první a druhou větu i pomocí exergie a anergie:. Věta ( zákon o zachování energie dq = du + pdv): BĚHEM VŠECH PRCESŮ ZŮSÁVÁ SUČE EXERGIE A ANERGIE KNSANNÍ.. Věta: JE NEMŽNÉ PŘEMĚNI ANERGII NA EXERGII.. VÝPČE A ZBRAZENÍ EXERGIE, ANERGIE Výpočet exergie a anergie je zaměřen jen k těm druhům energie, u nichž je tranformační chopnot omezená, nikoliv do oblati, kde E = 00 %, či B = 00 %. Pro technickou veřejnot je jitě nezbytné hodnocení využitelnoti energie vnitřní a vnější vyjádřené ouhrnně entalpii i poouzení děleného tepla. Entalpie je tavová veličina, dělené teplo (teplo jako práce) je vázáno na termodynamické oběhy (podrobnějšímu rozlišení těchto fyzikálních veličin je věnována kapitola v [L5])... Exergie entalpie Noitelem entalpie je hmotový tok, který je zajité i noitelem energie kinetické, pro kterou však platí E = 00 %. Proto zkoumáme, kolik užitečné práce lze z hmotového proudu pracovní látky, zíkat při přeměně jen entalpie na jiné žádané druhy, například na energii mechanickou. Stále mějme na paměti, že: I = E + B (J) [] případně též měrnými veličinami i = e + b (J.kg - ) [] Průběh ideální (vratné) tranformace, je-li entropie okolí větší než entropie tlačeného plynu, můžeme ledovat v levé čáti obr.. Izoentalpy jou zde přímkami =kont. - 9 -
p p p x p x A p A x x p i = kont. i = kont. i - i ( - ) i - i ( - ) A A A A br. Exergie plynu v - diagramu, > Exergie E =m.e plynu o tavu je zde vyhodnocena maximální prací, kterou by bylo možno zíkat vratnými změnami plynu z tohoto tavu na tav okolí. Z možných ideálních změn je v tomto případě nejvýhodnější nejprve izoentropická expanze - x, při níž plyn expanduje na teplotu a na tlak p x, na kterou navazuje izotermická expanze x - až na tlak okolí p o. eplo potřebné pro ukutečnění izotermické expanze je tak možno přivádět z okolí. echnická práce zíkaná při izoentropické expanzi (jde o ideální plyn) a ie = i i x = i i (J.kg - ) [3] je v entropickém diagramu vyjádřena plochou A -A-- -A. echnická práce zíkaná při izotermické expanzi a it =. ( ) (J.kg - ) [4] je úměrná vile šrafované ploše ( - x -- - ). Exergie kg plynu o tavu je tedy určena výrazem e = i i +. ( ) (J.kg - ) [5] Měrnou hodnotu anergie b odvodíme doazením vztahu [5] do rovnice []. b = i. ( ) (J.kg - ) [6] Na obrázku je exergie e znázorněna oučtem vyšrafovaných ploch. V jeho pravé čáti je zaznamenáno odchylné chování reálných plynů v případě, že rotoucí entropii jejich entalpie kleá. Jetliže tlak po izoentropické expanzi kleá pod tlak okolí p (viz obr., kde > ), je nutno k doažení tavu okolí plyn izotermicky komprimovat. Exergie e kg plynu (viz rovnice [5]) je v obr. vyznačena rozdílem ploch (A -A-- -A ) - ( -- x - - ) - 0 -
takže e = i i. ( ) (J.kg - ) [7] Vztah pro anergii je rovněž ovlivněn nerovnoti > b = i +. ( ) (J.kg - ) [8] p p p p p x p x e e A x i = kont. A x i = kont. A A A A br. Exergie plynu v - diagramu, >o V pravé čáti obrázku je opět zvýrazněn vliv kutečného průběhu izoentalp. Probíhá-li tranformace energie tekutiny v oblati páry až kapaliny bývá také entropie okolí menší než entropie přehřáté páry. Zde však rovnot entalpií i x =i neplatí, neboť (viz obr.3) v oblati vlhké páry i x = i +. ( ) (J.kg - ) [9] p e = i - ix p. ( - ) x br. 3 Exergie páry v - diagramu - -
Po doazení rovnice [9] do vztahu [5] můžeme exergii v tomto případě vyjádřit také rozdílem e = i i x (J.kg - ) [0] dpovídající hodnota anergie b = i x (J.kg - ) [] Poněvadž e jedná o vyjádření exergie zíkané při jednorázové expanzi, nelze zde hledat ouvilot exergií vyhodnocenou ze děleného tepla v pravotočivém, např. RC cyklu podle obr.8. Ze všech uvedených případů vyplývá, že vztahy [5] a [6] pro výpočet exergie entalpie e nemění, jetliže e rozdíl entropií doazuje v pořadí ( ). Ke nadnějšímu odečtu exergie vyhoví nejlépe i- diagram na obr. 4, neboť zde lze odečít jak úečky jak rozdíly entalpií, tak i rozdíly entropií. i i i p Přímka okolí e = 0 i e i - i ( - ) i - i ( - ) X e b b X - - br. 4 i- diagram Poněvadž podle hlavní věty termodynamiky pro dp = 0 platí dq = di, je oučaně Pak platí di d p = (K) [] a také. ( ) = i i x (J.kg - ) [3] e x = i x i. ( x ) = 0 (J.kg - ) [4] o značí, že pro všechny tavy plynu X ležící na tangentě vedené k izobaře jdoucí tavem okolí platí i x = b x, takže e x = 0. ato tangenta (podle Bošnjakoviče označována jako "přímka okolí") rozděluje entalpii na dva úeky, exergii a anergii, - -
neboť podle vztahu [3] nacházíme i výrazy.( ) jako úečky (i i x ) na oe entalpie... Exergie tepla Jednou z nejdůležitějších otázek na které muíme při pouzování termodynamických proceů odpovídat je, jakou čát přiváděného tepla lze přeměnit na energii dále využitelnou, na užitečnou práci, na exergii. Při odvozování exergie tepla předpokládejme, že teplo dílené do tepelného motoru je předáváno pracovní látce uváděné do pravotočivého termodynamického oběhu. Exergie E je odváděna jako užitečná práce A k dalšímu využívání, anergie B je jako odpadní teplo z oběhu vyváděna do okolí. Popaný proce je pro kg pracovní látky znázorněn na obr.5. Užitečná práce A ouhlaí exergii E přiváděného tepla Q jen tehdy, jetliže tranformace probíhá v ideálním (vratném) oběhu, kde nedochází k nežádoucím přeměnám (ztrátám) exergie. Další podmínkou je, že odpadní teplo je odváděno při teplotě okolí. a) q Záobník tepla b) Q 4 ez c) 3 epelný motor A = EQ Q = BQ 4 3 q - kolí br. 5 Schéma tranformace tepla v ideálním oběhu - 3 -
Sdílení tepla Q ze záobníku energie do tepelného motoru z teploty na je zobrazeno na diagramu a. Jetliže je noitel energie Q velikým záobníkem tepla, dochází k rovnoti teplot =, jak je tomu u Carnotova oběhu (viz obr.7). Převádění tepla do oběhu tepelného motoru ze záobníku (diagram a)je doprovázeno nárůtem entropie pracovní látky v motoru z hodnoty na (diagram b). Poněvadž e jedná o oběh ideální, teplota a e při dílení nemění. Ze tavu pracovní látka expanduje v ideálním expanzním troji (diagram b). Po adiabatické expanzi (vratná adiabata = izoentropa) do tavu 3 je teplo Q odváděno (diagram c) do okolí, jako anergie B, při teplotě okolí. ato změna 3-4 je izotermická. Lze i ji předtavit izotermickou komprei, nebo kondenzaci pracovní látky v kondenzátoru. Izoentopickou změnou 4- je pracovní látka opět převedena do původního tavu. V entropickém diagramu etaveném vždy pro kg pracovní látky je přivedené teplo q zobrazeno plochou --- -, teplo q = b Q odváděné do okolí plochou -4-3- -. Využitelná práce a = e Q oběhu (plocha --3-4-) je exergii tepla díleného do kg pracovní látky dq = ( ) = ( ) = e Q d dq (J.kg - ) [5] Součaně platí = E Q dq = ηca dq (J) [6] Faktor definující využitelnou čát tepla, jeho exergii η = CA (-) [7] je oučaně účinnot vratného Carnotova oběhu η CA, probíhajícího mezi kontantními teplotami přiváděného tepla a teplotou okolí. akto bylo prokázáno, že exergie tepla vtupujícího do pravotočivého termodynamického oběhu je teplo vynáobeno Carnotovým faktorem eplo Q odváděné do okolí je anergie B Q tepelné energie Q B Q = Q = Q E Q = dq (J) [8] Na obr.6 je naznačen pokle exergie tepla, je-li teplo odváděno do okolí při teplotě vyšší než, čímž dochází k maření exergie. Nevyužitá čát exergie odvedená do okolí degraduje tím, že její teplota kleá na teplotu okolí bez užitku. - 4 -
a) b) p=kont. p=kont. o = A e Q A o 4 3 e Z b Q br. 6 Exergie děleného tepla v - diagramu, je-li a) A =, b) A > Nejvyššího využití tepla nabízí ideální, v praxi nedoažitelný Carnotův pravotočivý oběh. Slouží k poouzení oběhu realizovaných, rovnáváním účinnoti oběhu kutečného η a ideálního η CA. Srovnávací účinnot η η = = η (-) [9] η CA q a = eq 4 3 q = bq br. 7 Carnotův oběh v - diagramu K nejčetnější tranformaci tepla jou využívány oběhy parní, plynové a paroplynové. Ideální průběh Rankin Clauiova parního oběhu je naznačen v entropickém diagramu na obr.8. Do pracovní látky (vody) je teplo přiváděno izobaricky mezi tavy N a, po izoentropickém tlačení N v napáječce. Kondenzace odvodem do okolí probíhá mezi tavy A-. - 5 -
p N e Q b Q A p br. 8 Rankin Clauiův oběh RC Exergie tepla děleného jednomu kilogramu pracovní látky odpovídá ploše eq = dq = i i A N (i N i ) (J.kg - ) [0] Anergie tepla b Q =. ( N ) (J.kg - ) [] dpovídající účinnot RC oběhu je i i (i i ) A N η RC = (-) [] i i N Srovnáním obr.3 a obr.8 lze prokázat rozdíly mezi exergií děleného tepla a exergií entalpie. brázky e od ebe liší plochou odpovídající energii (i N i o ) vynaloženou na vrácení pracovní látky do oběhu. Mnohdy je při definování účinnoti RC energie (i N i o ) zanedbávána, takže pak i i A η RC = (-) [3] i i N. EXERGEICKÉ ZRÁY Ztráty exergie E Z provázející všechny procey probíhající v přírodě. Popiují nižující e technickou prácechopnot u ledovaných proceů a jou mírou nevratnoti. Exergetické bilance tranformačních proceů jou jediným nátrojem k hodnocení dějů, kde je degradace v energetických bilancích kryta. velikoti exergetických ztrát ná informují také účinnoti. - 6 -
Snaha nižovat exergetické ztráty "za každou cenu" je však nemylná, neboť by byla doprovázena neúměrným vzrůtem technických a ekonomických požadavků. ermodynamický ideál dokonale vratného proceu nelze zaměňovat technickoekonomickým optimem. ypicky nevratné změny výraznými exergetickými ztrátami jou: palování dílení tepla škrcení Ztráty exergie e vyhodnocují z bilancí popiujících pokle exergie, doprovázených nárůtem anergie u ledovaných přeměn. e Z = e e = b b (J.kg - ) [4].. Spalování Ztráty exergie při přeměně energie chemické na tepelnou jou úměrné teplotě palin. Exergii chemické energie W CH lze vypočít podle známé formule [5], jetliže známe všechny chemické vazby vznikající mezi prvky paliva. Pro technické účely je dotatečně přený výpočet pomocí podní výhřevnoti hořlavé ložky Q i e CH = Q i Značné ztráty exergie při tranformaci chemické energie na energii elektrickou (viz vyhodnocovací diagramy) pomocí Rankin-Clauiova cyklu (RC cyklu) ouviejí právě proceem jejího uvolňování palováním. Poněvadž chemická energie je zpravidla hodnocena jako toprocentní exergie, popiuje anergie uvolněného tepla při přeměně ztrátu prácechopnoti při palování - ztrátu exergie E Z = BQ (J) [5] E Z Q = Čím nižší je teplota palin, tím větší jou ztráty exergie, tím vyšší je degradace exergie při palování... Sdílení tepla Poněvadž při dílení tepla dochází k pokleu teploty, jou ztráty exergie lehce definovatelné i v případě, že nedojde rozptylu ("ztrátám") energie. becně platí, že exergie tepla rote teplotou. Při dílení tepla dochází naopak náledkem pokleu teploty k nížení exergie. - 7 -
br. 9 Ztráta exergie při dílení tepla A B - br. 0 Sdílení tepla v - diagramu ez Na obr.9 je znázorněn pokle exergie, k němuž dochází dílením tepla při chlazení plynu v mezitupňovém chladiči. Při nižování teploty z a kleá oučaně i exergie E, a to z E A Q = na E B Q A = B což předtavuje ztrátu exergie E A B Z = E A E B = o Q (J) [6] A B - 8 -
Ztráta exergie je úměrná nejen rozdílu teplot, ale také úrovni teploty při přetupu tepla ( A. B ). Při tejném rozdílu teplot je ztráta exergie při vyšších teplotách menší. Praktické důledky - menší chladiče při vyoké úrovni teplot. Sdílení tepla v entropickém diagramu můžeme ledovat na obr.0. Degradace tepla je zde znázorněna nárůtem entropie z hodnoty na. K přímému výpočtu ztrát exergie platí známý Stodolův vztah: e Z =. ( ) (J.kg - ) [7] Na obrázku 9 jou exergetické ztráty při dílení tepla zvýrazněny šrafovanou plochou pod. Ztráty exergie vznikající během škrcení jou začleněny do náledující kapitoly, ve které je tato tavová změna podrobněji popána. 3. ZMĚNA IZENALPICKÁ - ŠKRCENÍ Pochody škrcení ouvií prouděním hmotnotního toku m&, jetliže v potrubí dochází k náhlému zúžení (eškrcení). V technické praxi e tak děje mnohdy záměrně, na příklad při regulaci výkonu trojů, regulaci chladicího výkonu a teploty ve trojním chlazení, redukci tlaku plynu a par. Nezbytně k tomuto ději dochází u průtoku tekutin ventily a šoupátky. K popání tavových změn během průtoku ideální tekutiny v izolovaném potrubí zúženém clonou polouží diagramy v dolní čáti obrázku obr.. Q = 0 p p p c c i i e e ez br. Proudění tekutiny clonou - 9 -
V mítě zúžení a těně před i za clonou je děj značně ložitý. lak v otvoru nejprve při tranformaci tlakové energie na kinetickou kleá a potom e opět zvyšuje, nikoliv však na původní hodnotu. Je zřejmé že během škrcení dochází především k trvalé ztrátě tlaku dp. Pokle tlaku je doprovázen zvýšením měrného objemu a tedy i zvýšením rychloti v potrubí kontantního průřezu. Energetická bilance děje [8] mezi tavy a nacházejícími e dotatečně daleko před a za clonou, kde je již proudění opět utálené, vychází z předpokladu, že kinetická energie proudu je vůči jeho entalpii zanedbatelná a k odvodu tepla do okolí nedochází. je-li w w = w pak platí w + i = + i (J.kg - ) [8] i = i = kont., rep. di = 0 [9] Z energetické bilance tohoto děje lze uoudit, že celková energie ani entalpie e během škrcení nemění, takže e jedná pouze o změnu izoentalpickou. Ve kutečnoti v mítě škrcení entalpie nejdříve kleá a pak opět toupá. Z rovnoti entalpie podle rovnice [9] však nelze zjednodušeně definovat škrcení jako změnu izoentalpickou, neboť k izoentalpické expanzi dochází také během izotermické expanze ideálního plynu konáním vnější práce v expanzním troji. Proto je škrcení definováno jako nevratná expanze plynu z vyššího tlaku na nižší, při níž e nekoná vnější práce a entalpie plynu e nemění. Průběh tavových změn v mítě škrcení lze ledovat také v entropickém diagramu na obr.. i p p i=kont. br. i- diagram tavových změn v mítě škrcení Jetliže i všímáme pouze počátečního tavu a konečného tavu je škrcení u termodynamických oběhů zobrazováno plnou čárou, izoentalpou, i = kont. Ve kutečnoti probíhá děj podle čárkované linie a u reálných plynů vlivem škrcení dochází i v konečných tavech k ochlazení nebo oteplení proudícího plynu. - 0 -
Změna teploty škrcením reálného plynu e nazývá Jouleův - homonův efekt. ento poznatek je neobyčejně významný pro používání škrcení v obězích chladicího zařízení. Rovnici [9] můžeme pát i ve tvaru p d = 0 c c d [30] 0 p popiujícím průběh teplot ve tavech a. U ideálního plynu i v některých oblatech tavových veličin kutečného plynu je měrné teplo kontantní, takže také teplota tekutiny e nemění. = = kont. Dochází-li ke škrcení kutečné tekutiny, může teplota po škrcení podle záviloti měrného tepla c p na teplotě být vyšší nebo nižší než před škrcením. K výrazné změně teploty dochází při změně kapalného tavu v páru. Jouleův-homonův efekt e vyjadřuje oučinitelem, který je dán poměrem změny teploty ke změně tlaku při kont. entalpii. K J = (-) [3] p U malých tlakových změn kdy dochází k nepatrným změnám teplotním hovoříme o diferenciálním J- efektu. d k J = (-) [3] dp Významnou veličinou u reálných tekutin jou teploty inverzní i ležící na inverzní křivce. Při inverzní teplotě totiž ani u reálných plynů ke změnám teploty při škrcení nedochází a inverzní křivka odděluje v - diagramu (obr.3) oblati ochlazením a ohřevem tekutiny, takže protíná vrcholové body izoentalp. i = kont. i pk p = kont. i = kont. k br. 3 Inverzní křivky v - diagramu. K všetrannému zhodnocení změn, ke kterým dochází během škrcení je nezbytná také exergetická bilance tohoto děje, popiující změnu prácechopnoti tekutiny, - -
kterou lze ledovat také na obr.4, jetliže e tekutina vykytuje v plynné fázi, kdy platí, že < <. p p, i = i = kont. p A B C D ez A B C D br. 4 Změna exergie při škrcení, exergetické ztráty v - diagramu Je-li před škrcením exergie hmotového toku E = m. e, kde e = i i. ( ) vyjádřená plochou -C-- -A -A- a na konci děje je E = m. e, kde e = i i. ( ), (viz plocha -D-- -B -B-) jou exergetické ztráty tanoveny rozdílem E Z = E E = m. e Z (J) [33] i odpovídající vyšrafovanou plochou pod izotermou C-D-D -C -C. Výraz e Z = e e =. ( ) = b b (J.kg - ) [34] je opět známý Stodolův vztah. Poněvadž o tuto hodnotu kleá prácechopnot jednoho kilogramu plynu, je škrcení, podobně jako palování či dílení tepla, definováno jako nevratná změna největší ztrátou exergie. K vyhodnocení exergetických ztrát je etrojen také i- diagram na obr.5. - -
i i, Přímka okolí i e e e = 0 e Z br. 5 i- diagram exergetické bilance Jetliže e tekutina vykytuje jako pára či kapalina, je přeměnám probíhajícím během škrcení v této oblati věnován - diagram na obr.6. Rovnot i = i můžeme ledovat jako rovnot odpovídajících ploch (- - ---A-B-) = (- - --C-D-). Exergie e - plocha -X--A-B- klene po škrcení na hodnotu e - plocha -Y--C-D-. Anergie jako teplo odváděné při kondenzaci do okolí je plochou pod izotermou, která škrcením vzrotla. Její nárůt b b (v diagramu je zvýrazněn šrafovanou plochou) je roven ztrátám exergie při škrcení páry, neboť tále platí Stodolův vztah e Z =. ( ), což lze nadno dokázat pomocí rovnic [9], [0], [4]. A B p p i = i = kont. C D X Y ez br. 6 Znázornění exergetických ztrát v oblati páry - 3 -
Z porovnání ztráty exergie škrcením páry e tejným tlakovým rozdílem p na různých tlakových hladinách je diagramem na obr.7 upozorněno na nárůt ztrát, probíhá-li škrcení za relativně nízkých tlaků a teplot. i pa pa = pb pb i=kont. - i=kont. x = - br. 7 - diagram porovnávající ztrátu exergie škrcením ve dvou tlakových hladinách Druhou možnoti vedoucí ke nížení tlaku plynu je jeho expanze doprovázená pokleem entalpie, nejlépe při kont. entropii, vylučující exergetické ztráty. K takové redukci tlaku louží parní a plynové turbíny. 4. REDUKČNÍ SANICE KNVENČNÍ Redukční tanice využívající k redukci tlaku škrcení páry v regulačních ventilech jou doud z provozních důvodů nejoblíbenější a proto také nejužívanější. Jou to zařízení invetičně nenáročné a přeto polehlivé a bezpečné. Doud nebyly doceněny ztráty exergie vznikající při škrcení a tím také možnoti přeměny tepelné energie na energií elektrickou účinnoti až 85 %. v protitlakých turbínách. Při tom e zde nejedná jen o naplňování trategických podmínek průmylového rozvoje, ale také o ekonomicky velmi zajímavou záměnu. Jednoduché chéma redukční tanice regulačním ventilem je na obr.8. - 4 -
p = 3,3 MPa; t = 450 oc HRV ZK EV ~ RV ~ Č Č CHK ~ RK ~ RK PV EV ~ ~ EV3 Rozvodné ítě technologické páry p = 0,4 MPa; t = 58 oc br. 8 Schéma redukční tanice regulačním ventilem Do redukční tanice proudí pára pře hlavní ruční ventil HRV a nálednou elektroarmaturu EV. K redukci tlaku páry škrcením i k regulaci topného výkonu dochází v regulačním ventilu RV. K doažení požadované teploty technologické páry je využívána zátřiková (chladicí) komora CHK. Kondenzát je ze záobníku ZK přečerpáván do komory čerpadlem Č nebo Č, pře regulační ventil vtřiku kondenzátu RK podle potřeby plynoucí z požadavku provozů využívajících nízkotlakou páru. Za chladicí komorou je ještě pojitný ventil PV a do rozvodných ítí proudí nízkotlaká pára pře elektroarmatury EV a EV3. btoková potrubí uzavíracími ventily louží k nahříváním tanice před najetím, k napouštění páry před otevřením hlavního šoupátka. Před nahřátím a uvedením tanice do provozu je nutná kontrola měřících ovládacích a regulačních prvků. Během provozu jou neutále ledovány a kontrolovány: teplota a tlak páry před tanici teplota a tlak páry za tanici tlak kondenzátu před a za regulačním ventilem. Redukční tanice jou zpravidla najížděny a provozovány v automatickém nebo jen v poloautomatickém režimu. Najíždění v poloautomatickém režimu e využívá při funkčních zkouškách, které e provádějí jednou týdně. 4. ENERGEICKÁ BILANCE ZÁSŘIKVÉ KMRY Množtví zatřikovaného kondenzátu, kterým je regulována teplota páry za redukční tanici je udržováno ruční nebo automatickou regulaci zátřiku. - 5 -
Regulační ventil vtřiku otevírá přívod kondenzátu, když teplota redukované páry přetoupí natavenou hodnotu, k jeho přivírání dochází v opačném případě. Jedná e zde o míšení dvou proudů téže látky různým obahem entalpie. značíme-li hmotnotní průtok páry na vtupu m&, jeho entalpii i, hmotnotní průtok kondenzátu m&k, jeho entalpii i k a konečně žádaný hmotnotní průtok nízkotlaké páry m& entalpii i, lze potřebný průtok kondenzátu vyhodnotit z energetické bilance m&. i + m&k. i k = m&. i [35] Sytémy využívající škrcení jou zabudovány do redukčních tanic i v těch případech, je-li k redukci jako hlavní článek využívána protitlaká turbína (viz chéma na obr.4). 5. URBÍNY urbíny jou proudové motory, ve kterých e energie pracovní látky mění kontinuálně na energii mechanickou. Na rozdíl od škrcení probíhá zde tranformace energie konáním vnější práce. Při uvažování pouze hlavních hlediek e tyto energetické troje člení podle: pracovní látky - turbíny parní, plynové, vodní, způobu tranformace energie - turbíny rovnotlaké (akční) a přetlakové (reakční), měru pracovního proudění - turbíny axiální a radiální, počtu tupňů - turbíny jednotupňové a vícetupňové, vtupního tlaku páry - turbíny vyokotlaké a nízkotlaké, výtupního tlaku páry - turbíny kondenzační, protitlaké, odběrové. urbíny využívající vyokých obvodových rychlotí u (m. - ) e označují jako rychloběžné. U parních a plynových turbín je pracovní látka noitelem energie vnitřní a vnější. ato entalpie e v rozváděcím útrojí - tatoru (obr.9) mění na energii kinetickou. - 6 -
c VSUPNÍ HRDL SAR c u FB RR w c3 3 p c c c3 p br. 9 Princip práce turbíny V rotoru uložené lopatky jou uváděné do rotačního pohybu ilou F B vznikající změnou hybnoti proudu na obvodu kola. outo ilou vyvozený krouticí moment je pak pře pojku přenášen na energetické generátory. 5. URBÍNY RVNLAKÉ A PŘELAKVÉ U rovnotlakých turbín zůtává tlak média při proudění rotorem kontantní, k pokleu tlaku dochází pouze v dýze, jak je naznačeno na obr.30. V horní čáti obrázku je chéma podélného řezu jednotupňovou turbínou, na které navazuje rozvinutý řez olopatkování a diagram průběhu tlaků i abolutních rychlotí média. Rovnotlaké turbíny e tavějí převážně jako parní. Rovnotlaký tupeň Curtiův může mít i dva až čtyři tupně rychlotní. K využívání energie kinetické zde dochází dva až čtyřikrát i když e tlak při průtoku rychlotními tupni (neuvažujeme-li třecí ztráty při proudění) nemění. Za prvním rychlotním tupněm jou zařazeny nehybné tatorové lopatky vratné, které pracovní látku navedou opět pod žádaným úhlem do druhého (po případě i do třetího či čtvrtého) rychlotního tupně téhož kola. - 7 -
br. 0 řírychlotní rovnotlaká turbína Na obr.0 jou vyznačeny hlavní čáti jednoduché, rovnotlaké, třírychlotní parní turbíny. Rozváděcí útrojí je uloženo v turbínové kříni 8 počívající na základové dece 9. Rotor neoucí tři rychlotní tupně, je naazen na hřídeli 6, uloženém na dvou ložikách a. Součáti turbíny je dále regulace 3 a kondenzační zařízení. Přetlakové tupně rozdělují expanzi páry do tatoru i rotoru podle tupně reakce, který bývá zpravidla K=0,5. Pak jou tatorové rozváděcí lopatky kongruentní lopatkami oběžnými. Poněvadž v jednom přetlakovém tupni lze zpracovat jen malý tlakový pád, využívají e ke tavbě mnohotupňových reakčních turbín plynových, nebo jako navazující na rovnotlaké tupně parních turbín kombinovaných. Kombinované turbíny tak využívají přednoti obou tupňů, taví e pro velké výkony. U rovnotlakých tupňů nedochází k cirkulačním ztrátám kolem lopatek rotoru, neboť e zde nevytváří tlakový pád. Axiální i radiální vůle lopatek mohou být dotatečně velké, což zvyšuje bezpečnot provozu. ění e jen radiální vůle pevné dělicí těny. S výhodou lze využívat parciálního otřiku rotoru. Poněvadž na jednom tupni expanduje značný pád, rychle kleá tlak i teplota páry, počet tupňů je malý, turbína je kratší a lehčí než troje e tupni přetlakovými. aké namáhání turbínové kříně je menší. V nízkotlaké čáti však mají rovnotlaké tupně menší účinnot než přetlakové vlivem větších ztrát. Průběh účinnoti (obr.) v záviloti na rychlotním oučiniteli - 8 -
λ = u c omezuje regulační rozah turbíny. η,0 0,8 C A B 0,6 0,4 0, 0,0 0, 0,4 0,6 0,8,0 λ br. Průběh účinnoti tupňů rovnotlakých (A), přetlakových (B) a dvourychlotních (C) 5. PRŮBĚH RANSFRMACE ENERGIE V URBÍNĚ Poněvadž turbíny zpracovávají značný entalpický pád, jou kanály mezi lopatkami tatorů upravovány do tvaru Lavalových dýz. I když e tavové změny v rotorech jednotlivých druhů turbín liší, můžeme tranformaci energie v rovnotlakém tupni považovat za základní. Potupnou tranformaci energie v rovnotlakém tupni můžeme ledovat v entropickém diagramu na obr., ouběžně obr.9. Zde jou bodem vyznačeny tavové veličiny pracovní látky na vtupu do tatoru, bodem na vtupu do rotoru a bodem 3 ve výtupním hrdle turbíny. Znalot těchto tavů umožňuje vyřešit také průběh rychlotí protékajícího plynu. Zjednodušeně předpokládáme, že rychlot plynu přitékajícího plynu vytváří zanedbatelnou kinetickou energii, takže celková energie v bodě je jen entalpii i. - 9 -
i p p 3 azd azl azv azob azvn br. Aie Průběh tranformace v i- diagramu Ve tatorech turbín dochází k expanzi pracovní látky, k tranformaci entalpie na energii kinetickou. Zákonitoti tohoto děje lze zjednodušeně ledovat během idealizující izoentropické expanze -A ie plynu, probíhající bez nežádoucího rozptylu energie, za kontantní entropie. 5.. EXPANZE IZENRPICKÁ Předpokládáme, že před vtupem do tatoru je plyn v klidu (c = 0) a jeho entalpie i zůtává podobně jako tlak p a teplota kontantní. Je-li tlak za tatorem p Aie (indexem i e je upozorňováno, že e jedná o ideální změnu izoentropickou), je plyn rozdílem tlaku p p Aie uváděn do pohybu, takže ve výtokovém průřezu zaznamenáváme rychlot c Aie. Poněvadž vznikající kinetická energie je rovna pokleu entalpie, platí energetická bilance c Aie i = i Aie + (J.kg - ) [36] ze které lze vyhodnotit výtokovou rychlot ze tatoru c Aie ( i i ) = (m. - ) [37] Aie d ideální, izoentropické -A ie expanze e průběh kutečné, adiabatická přeměny -3 vlivem rozptylů energie označovaných jako "ztráty energie" odchyluje, probíhá narůtající entropii. Adiabatická expanze - má v důledku hydraulických ztrát doprovázejících proudění průběh polytropický. I průtok rotorem je doprovázen třením zvyšujícím entalpii plynu. V diagramu leží tato změna na linií -3. Stav plynu vytupujícího z rotoru turbíny je v diagramu označen bodem 3. Kinetická energie pracovní látky opouštějící turbínu je považována za nežádoucí rozptyl energie. Podle zavedených zvyklotí je průběh tranformace energie při průtoku plynu turbínou popiován vznikem vnitřních ztrát. - 30 -
5.. VNIŘNÍ ZRÁY URBÍN Dýzová ztráta a ZD vzniká při adiabatické expanzi v rozváděcím útrojí třením a ohybem proudu páry i změnou průřezů kanálů. Průběh kutečné expanze je nav obr.3 zakrelen změnou - a odpovídající ztráta kinetické energie úečkou a ZD. Výtoková rychlot kleá na hodnotu c = ϕ. c Aie (m. - ) [38] omu odpovídá ztráta kinetické energie c Aie c c Aie a ZD = = ( ϕ ) (J.kg - ) [39] Dýzový oučinitel závií na hladkoti těn kanálů, bývá přibližně ϕ = 0,95. V rotorech turbín e kinetická energie proudu páry mění na obvodovou práci opět za přítomnoti vnitřních ztrát. Lopatková ztráta a ZL v rotorových kanálech, je zapříčiněna vtupním rázem, třením, vířením a ohybem proudu. Poněvadž e tím čát kinetické energie opět mění na entalpii, je tento děj v entropickém diagramu zakrelen změnou -B a jemu odpovídající pokle kinetické energie úečkou a ZL. U rovnotlakých turbín takto dochází ke nížení relativní rychloti v lopatkách z hodnoty w na w 3. w = ψ. w (m. - ) [40] aké zde je lopatková ztráta vyjadřována rozdílem kinetických energií, nyní však z relativních rychlotí: w w w a ZL = = ( ψ ) (J.kg - ) [4] Lopatkový oučinitel ψ e zjednodušeně vyhledá podle zakřivení rotorových lopatek, bývá ψ = 0,8 až 0,93. Z rotoru vytupuje plyn abolutní rychloti c 3, kinetická energie e již na mechanickou energii nemění a její hodnota je proto považována za ztrátu výtupní. V entropickém diagramu je výtupní ztráta a ZV zakrelována dějem B-C popiujícím možnou tranformaci kinetické energie vytékající páry z turbíny na entalpii. c 3 a ZV = = i i 3 (J.kg - ) [4] Dalšími vnitřními ztrátami jou: ztráta třením oběžných kol, ztráta ventilační, ztráta vnitřními netěnotmi. Vnitřní ztráty poouvají entalpii i 3 páry vytupující z turbíny do bodu 3. V náledných úvahách je průběh tranformace energie v turbínách zakrelován do entropických diagramu zjednodušeně polytropou -3. Je ovšem nezbytné upozornit, že při využívání tepelné energie pracovní látky vytupující z turbíny vnitřní ztráty celkovou účinnot ledovaného proceu neovlivní. - 3 -
Pokle výkonu protitlaké turbíny je doprovázen odpovídajícím nárůtem entalpie vytupujícího plynu. Energetickou bilanci doprovázejí jen energie unikající z turbíny do okolí. značujeme je jako ztráty vnější, vznikající: tepelným áláním, únikem páry do okolí, mechanickým třením v ložikách a ozubení převodové kříně. Ztrátu exergie e Z vznikající při tranformaci můžeme vyhodnotit z exergetické bilance. c3 e = e3 + + e Z (J.kg - ) [43] I nyní lze použitím vztahů [5] a [4] odvodit Stodolův vztah [7], upozorňující na degradaci energie doprovázející nárůt entropie. e Z =. ( 3 ) (J.kg - ) [44] Exergetické ztráty doprovázející redukci tlaku v protitlaké turbíně jou však proti ztrátám ve škrtících ventilech zanedbatelné, navíc jak již bylo poznamenáno, poun entropie zapříčiněný vnitřními ztrátami energetickou ani exergetickou bilanci neovlivní. 5.3 ÚČINNSI Přímá (tepelná) celková účinnot η C, jakožto poměr výkonu turbooutrojí P G a příkonu energie P PR přiváděným do turbíny hmotnotním tokem páry m& η C P = P G PR P = m& P G ( i i ) N - 3 - (-) [45] Vyjadřuje celkové využití energie ve kutečném termodynamickém oběhu, takže hodnotí oučaně účinnot ideálního RC oběhu, turbíny i generátoru a bývá v rozmezí 5 až 50 %. Rozdíl entalpií páry vtupující do turbíny i a napájecí vody i N ve vztahu [45] je úměrný ploše pod izobarou N- v entropickém diagramu na obr.8. K vyhodnocení ztrát amotné turbíny jou definovány účinnoti porovnávací (termodynamické), rovnávající výkon troje kutečného P na pojce mezi motorem a generátorem výkonem troje ideálního P ie. Porovnávací účinnoti e používají také u kompreorů. Jetliže je za ideální turbínu považován motor pracující beze ztrát izoentropickou expanzi, je jeho výkon: P ie = m& P.( i i Aie ) (W) [46] Pak porovnávací nebo lépe izoentropická účinnot turbíny P ηie = (-) [47] Pie je měřítkem jakoti, dokonaloti turbíny, bývá 50 až 88 %.
K detailnějšímu poouzení rozptylu energie jou amotatně pouzovány hydraulické ztráty v olopatkování turbíny účinnotmi vnitřními η vn a ztráty vnější, vznikající mechanickým třením v ložicích a převodových kříních, účinnotmi mechanickými η m. P P η vn ie = η vn η m = (-) [48] Pie Pvn Účinnot generátoru η G porovnává výkon turbíny na pojce P výkonem generátoru P G, bývá 9-96 %. P η G = (-) [49] PG Provozovatele zajímá také účinnot turbooutrojí η S zahrnující i ztráty generátoru: P ie ηs = = ηie ηg (-) [50] PG Z výše uvedených vztahů lze uoudit, že celková účinnot turbooutrojí je oučinem účinnoti RC [3], turbíny [48]a generátoru [49] η C = η RC. η ie-. η G (-) [5] Čato e užitná hodnota parní turbíny pouzuje podle měrné potřeby páry a měrné potřeby tepla. Měrná potřeba páry C m je poměrem hmotnotního proudu páry m&p vtupujícího do troje a výkonu generátoru: " m p C m = = (kg.kw - ) [5] PG ηc (i i N ) Měrná potřeba tepla C Q pak rovnává množtví tepelné energie vtupující do turbíny výkonem celého turbooutrojí: C Q " m p (i i N ) = = (kw t.kw - e ) [53] P η G 5.4 PARNÍ URBÍNY RADIÁLNÍ C V zařízeních loužících k redukci tlaku plynů a par je zvláštní pozornot věnována rychloběžným, protitlakým turbínám radiálním, které ve vém jednorotorovém upořádání zpracovávají entalpický pád až 400 kj.kg - a jako dvourotorové i 800 kj.kg -. Pracují v rovnotlakém režimu (rychlotní oučinitel λ = 0,4 až 0,44) a v dotředivém (centripetálním) provedení e nabízejí mnoha výhodami. Proti upořádání axiálnímu umožňuje využití vyokých obvodových rychloti (až 30 m. - ) nejen značné zvýšení tlakového pádu na jednom tupni. Je doahováno - 33 -
účinnotí rovnatelných tradičními turbínami i zmenšení celkových rozměrů troje při dlouhodobé životnoti zařízení. Účinnoti doahují hodnot v rozmezí: účinnoti vnitřní η vn = 80 % až 85 %, účinnoti mechanické včetně převodovky η m = 94 % až 96 %, účinnoti generátoru η el = 9 % až 97 %. Vyšší hodnoty platí zpravidla pro výkony větší než 4 MW. br. 3 Schéma dvoutupňové radiální turbíny Na obr.3 je chéma moderní dvourotorové, čtyřtupňové dotředivé radiální turbíny trojírny Velká Bíteš, a.., SG II-R. Základem vlatní turbíny je integrovaná převodovka (poz. 3) e dvěma patorky, na nichž jou letmo uchyceny rotory dvou zpravidla ériově řazených radiálních centripetálních turbínových tupňů (poz. a ) propojených převáděcím potrubím (poz. 4). ělea tatorů jou uchycena na tělee převodovky, která redukuje vyoké otáčky rotorů (až 7.000 min - ) na otáčky generátoru. Rozložením výkonu na dva rotory dochází k polovičnímu zatížení ozubení převodovky. Ložika převodovky louží oučaně k uložení oběžných kol turbíny, takže odpadají ložikové tojany rotorů i pojka, což umožňuje zkrácení troje o více než 5 %. akto došlo ke zmenšení celkových rozměrů troje, tím také k menším tloušťkám přírub i těn tatorů. Malé hmotnoti a malá tepelná etrvačnot vede k velké pružnoti chodu troje, takže doba najetí na plný výkon je mnohonáobně kratší než u podobných trojů klaické kontrukce. Životnot popiovaného zařízení je závilá na způobu jeho provozování a údržby. Je ovlivňována počtem tartů, čitotou a vlhkoti páry. Proto dochází ve - 34 -
druhém tupni k eparaci vlhkoti vedoucí ke nížení nebezpečí poškození lopatkování turbín kapičkami vylučované vody. V optimálních podmínkách přeahuje životnot těchto outrojí 30 let. Během této doby však muí provozovatel počítat výměnou rotorů i ozubení převodové kříně. K zabezpečení turbíny jou použity vařované rychlouzavírací ventily. Střežení troje v automatickém provozu zajišťuje nadřazený monitorovací ytém. Při provozu zařízení jou neutále ledovány a kontrolovány: otáčky outrojí, tlak a teplota páry na vtupu do turbíny, tlak a teplota mazacího oleje, tlak regulačního oleje, teploty ložiek převodovky, velikot axiálního pouvu hřídele. Dlouhodobý záznam aktuálního tavu troje plňuje podmínky jeho diagnotikování. Při překročení natavených hodnot zajití řídící ytém nejdříve varování a při překročení limitních hodnot okamžitě turbínu odtavuje. Výběrem vhodného typu turbíny lze generovat elektrickou energii jmenovitými výkony od 400 kw do 0.000 kw. Potřebné průtočné množtví páry e zde mění od 30 do 00 t.hod -. lak na vtupu nepřeahuje 6,5 MPa, teplota páry je příputná v rozmezí 80 až 440 o C. Volbou ériového nebo paralelního zapojení tupňů je umožněn provoz turbíny různými parametry na vtupu i výtupu. Při obvyklejším ériovém zapojení je pára z prvního tupně vedena na vtup druhého tupně a z něj difuzorem do protitlakového potrubí. K regulaci průtoku páry a tím i výkonu outrojí v širokém rozmezí 0 až 00 % louží natáčivé tatorové lopatky. Zpravidla je hmotnotní průtok regulován v záviloti na předem natavené hodnotě tlaku páry ve výtupním potrubí, avšak maximální protitlak je jen vyjímečně vyšší než,3 MPa. Způob zajíždění outrojí zvolí provozovatel ze tří, cenově rozličných, variant: automatické najetí je řízeno nadřazeným proceorem, poloautomatické najíždění podle pokynu z panelu, ruční najíždění pomocí tlačítek ovládajících ervopohony, ventilů hydraulické regulace. 6. PARNÍ URBÍNA V REDUKČNÍ SANICI Začleněním parní turbíny do ytémů využívaných k redukcí tlaku technologické páry dochází k vytváření nových kogeneračních jednotek e druženou výrobou tepla a elektřiny, u kterých nedochází k výrobě elektřiny bez využívání tepla poznamenané výrazně nižší účinnoti. ím jou naplňovány záměry tátní energetické politiky uvažující využíváním všech ekonomicky a ekologicky dotupných zdrojů k zíkávání elektrické energie. Intalace i malých parních turbín v průmylové energetice tento záměr jitě naplňuje. - 35 -
Sdružená výroba tepla a elektřiny vytváří doud nejdokonalejší ytémy k co možná úplnému využívání exergie technologické páry. urbína v tomto zapojení je zatížena jen únikem energie do okolí (viz kap.5) neboť vnitřní ztráty v olopatkování e tranformují zpětně na náledně využívanou energii tepelnou. Zjednodušené chéma redukční tanice protitlakou turbínou je na obr.4. p = 3,3 MPa; t = 450 oc Vyokotlaká pára K NČ RV ~ G SP SP Rozvodné ítě technologické páry p = 0,4 MPa; t = 58 oc Potrubí kondenzátu br. 4 Redukční tanice protitlakou turbínou Protitlaková turbína zde zabezpečuje redukci tlaku páry v plném rozahu a oučaně navíc generuje velice levnou elektrickou energii. bvykle je zapojována paralelně redukčním ventilem RV, který je na obrázku zakrelen bez nutného přílušentví popaného v kapitola 4. Regulace turbooutrojí udržuje tlak v protitlakové íti na kontantní hodnotě. Pokud je potřeba páry nižší nebo rovna hltnoti turbíny, je redukční ventil uzavřen a veškerá pára protéká turbínou. Dojde-li k pokleu protitlaku, je odebíráno větší množtví páry než je hltnot turbíny. V tomto okamžiku začíná otevírat regulační ventil RV a čát páry je redukována škrcením. Při tom turbína pracuje tále na plný výkon. Po opětovném toupnutí tlaku ve potřebitelké íti (potřeba páry e nižuje) redukční ventil e zavírá a veškerý průtok páry prochází turbínou. Na obrázku je zakrelen i kotel K, napájecí čerpadlo NČ, potřebiče páry SP a elektrický generátor G. Energie paliva je tak využívána až z 85 %, oproti oddělené generací elektrické energie v kondenzačních elektrárnách, jejíchž průměrná celková účinnot je doud jen ai 35 %. Ke ztrátám exergie, jak již bylo vyvětleno v předchozích kapitolách, dochází jen v zanedbatelné míře. Průběh tavových změn probíhajících v této tanici je zakrelen do i- diagramu na obr.5. Po expanzi v turbíně kleá entalpie páry i na hodnotu i 3. lak páry je takto regulován na předepanou hodnotu. Je-li oučaně v provozu i redukční - 36 -
ventil RV je v něm tlak páry redukován škrcením do bodu a její teplota v zátřikové komoře na žádaný tav (viz také obr.8). i p p ŠKRCENÍ URBÍNA Míení kondenzátem v zátřikové komoře 3 br. 5 i- diagram tavových změn v redukční tanici Z diagramu zjititelný rozdíl i znamenající pokle topného výkonu dodávaného do technologických ítí je malý, poněvadž kondenzační teplo, které je podtatnou čáti entalpie páry, je v obou případech redukce tejné. i = i i 3 = i i 3 (J.kg - ) [54] Jetliže je z provozních důvodů dodržení odebraného tepelného výkonu nezbytné, muí dojít po puštění turbíny ke zvýšení hmotnotního průtoku m& páry o hodnotu m&. po doazení Z rovnoti tepelných výkonu zíkaných škrcením Q& S a expanzí v turbíně Q& Q& S = Q& (kw) [55] m&. ( i i N ) = ( m& + m&). ( i 3 i N ) můžeme vyhodnotit zvýšení hmotnotního toku úvahou, že i = i i i 3 m& = m& (kg. - ) [56] i 3 i N Součaně e zvýšením hmotnotního toku páry toupá i výkon kotle, jehož zvýšení Q& K = m&. ( i i N ) (kw) [57] odpovídá vnitřnímu výkon P vn turbíny. P vn = ( m& + m&). ( i i 3 ) (kw) [58] což lze dokázat doazením za m& ze vztahu [56] do rovnice [58]. Se toupající hodnotou entalpie i 3 potřebný přídavný výkon kotle kleá. - 37 -
Poněvadž vliv kondenzačního tepla je na celkovou entalpii páry převažující, je nížení využitelné entalpie technologické páry i = i i 3 po expanzi v turbíně nepatrné, zpravidla nedoahuje 5 %, nadno e odečte z i- diagramu. Protitlakové turbíny lze intalovat také do redukčních tanic zemního plynu. 7. PLYNVÁ URBÍNA V REDUKČNÍ SANICI Jedním z nejdůležitějších primárních zdrojů je jitě zemní plyn. Poněvadž je dopravován na veliké vzdálenoti, je tlačován mnohdy až na 4,5 MPa. V předávacích tanicích pak dochází k redukci plynu zpravidla škrcením, podle požadavků zpracovatelkého odvětví, bez využívání tlakové energie. I zde e nabízí alternativa adiabatické expanze v plynové turbíně, která je intalována paralelně ke konvenční regulační tanici. oto upořádání vyhovuje požadavkům na zaručenou a plynulou dodávku plynu ke potřebičům. Přednoti těchto ytémů jou z velké čáti totožné těmi, které již byly vyhodnoceny u ytémů parních. K nevýhodám e však řadí výraznější pokle teploty plynu v plynových turbínách ve rovnání redukcí tlaku během škrcení (viz kapitola a 3). Poněvadž teplota plynu na vtupu do tlakových ítí by neměla klenout pod +5 o C je předehřívaní plynu před expanzi nezbytné. Potřebný tepelný výkon Q& k ohřevu plynu je přiváděn ve výměníku před turbínou. V entropickém i- diagramu na obr.6 je tepelný výkon popiován úečkou i Q = i i 0 mezi tavy 0- na izobaře p. Při této změně e teplota plynu zvyšuje z hodnoty 0 na teplotu. Polytropou -3 je vyznačena expanze v turbíně, po ní doažený tlak a teplota plynu je určena tavem 3. Je-li za turbínou plyn dohříván do tavu 4, ztotožní e jeho tav hodnotami doahovanými v paralelní redukční tanici. Průběh změn v paralelní větvi je v diagramu vyznačen čárkovanými liniemi. Předehřívaní před redukčním ventilem 0- je vynuceno Joule - homponovým efektem, škrcení probíhá na izoentalpě i. Doahovaný vnitřní výkon plynové turbíny P vn je úměrný úečce i = i i 3, takže můžeme předpokládat rovnot Q& = P vn - 38 -
i p p3 Q i - i 4 i=kont. i - i3 i - i 3 QCH br. 6 Entropický diagram předávací tanice K ohřevu plynu lze výhodou využít odpadního tepla z technologických proceů i ztrátového tepla turbíny a generátoru podle chématu předávací tanice expanzní turbínou na obr.7. Rovněž není na škodu v případě vhodného využití uvažovat o vyvedení chladicího výkonu. 0 p = 4,5 MPa; t = 0 oc V V V3 Q RV P G Pel V4 3 4 p4 = 0,9 MPa; t4 = 0 oc br. 7 Zjednodušené chéma zařízení k využití tlakové energie zemního plynu k výrobě elektrické energie. Před redukčními ventily RV umítěny výměník V louží k ohřátí plynu o J- efekt. V paralelní větvi je ve výměníku V plyn ohříván teplem zíkávaným chlazením oleje turbíny P a generátoru G. Po průchodu hlavním předehřívačem V3 a expanzi v turbíně bývá plyn e níženou teplotou ohříván na žádanou teplotu 5 o C ve výměníku V4, ze kterého tak lze vyvádět chladicí výkon. Stav plynu 4 před vtupem do rozvodné ítě je v entropickém diagramu zakrelen na izobaře p 3. - 39 -
I když je teplo k ohřevu plynu přiváděno z parních nebo plynových generátoru, dochází k tranformaci tepla na energii elektrickou účinnoti až 90 %, kterého e v jiných ytémech doahuje jen vyjímečně. Jedná e tudíž o nezanedbatelně efektivní zařízení vzbuzující zalouženou pozornot energetiků a ohledem na nižování emií C i ekologů. 8. EKNMICKÉ ZHDNCENÍ REDUKCE PLYNU A PAR Při zkoumání ekonomické efektivnoti projektů e vychází z finanční tability podniku a potřebných finančních zdrojů potřebných na krytí invetičního záměru. Máli být turbooutrojí k redukci tlaku v redukční tanici (kogenerační jednotka) přínoem pro jejího provozovatele, muí být celkové náklady na výrobu kwh elektrické energie nižší, než cena, za kterou je nakupována z veřejné ítě. Zikový prodej takto generované elektřiny nelze předpokládat ohledem na nízké výkupní ceny nabízené rozvodnými podniky. Na tab. jou uvedeny celkové měrné náklady Nc (Kč.kWh - ) na výrobu elektřiny v různých zdrojích při max využití jejich výkonu, jak by e mohly uplatnit v ČR v cenové úrovni let 00 až 005. ab. Celkové měrné náklady JE emelín 0,99 Kč.kWh - Paroplynový blok,58 Kč.kWh - Hnědouhelný blok,08 Kč.kWh - Černouhelný blok,59 Kč.kWh - Spalovací turbína-plyn 3,48 Kč.kWh - Spalovací turbína-olej 4,5 Kč.kWh - Blok-palování biomay,74 Kč.kWh - Vodní elektrárna 0 MW,743 Kč.kWh - Větrná elektrárna 4,7 Kč.kWh - Ekonomická efektivnot e tudíž odvíjí z rozdílů mezi nákupní Nn (Kč.kWh - ) cenou elektrické energie a celkovými měrnými náklady Nc (Kč.kWh - ) na výrobu v redukční tanici. V návaznoti pak můžeme vyhodnotit výno V (Kč.r - ) z ročního provozu projektovaného zařízení i očekávanou dobu návratnot Dn (r). I když by náklady na výrobu elektřiny v redukčních tanicích měly být nižší než cena, za kterou je nakupována z veřejné ítě, je u zařízení loužících k generování elektřiny zvažována nezbytnot využívání všech dotupných zdrojů. Lze očekávat, že tato řešení budou podporována připravovaným návrhem tátní energetické politiky. Elektrická energie byla ještě v 80. létech zajišťována z 97% výrobou v uhelných elektrárnách. V ouviloti uvedením dukovanké jaderné elektrárny do provozu e podíl uhelných elektráren na celkové výrobě elektrické energie nížil zhruba na 75% a po uvedení temelínké jaderné elektrárny do provozu bude dále nižován. v dlouhodobém horizontu je cílem energetické politiky podporovat výrobu elektrické energie z uhlí na úrovni cca 50%. - 40 -