Technologie výroby elektrárnách Základní schémata výroby
Kotle pro výroby elektřiny Získávání tepelné energie chemickou reakcí fosilních paliv: C + O CO + 33910kJ / kg H + O H 0 + 10580kJ / kg S O SO 10470kJ / kg C H x + y / 4 O xco + y / H + Q + X Y + ( ) O CxHy + Složení uhlí: Hnědé uhlí: C-70%, H-6%, S-%, N-1%, O-1% Černé uhlí: C-85%, H-5%, S-1%, N-1%, O-8% Q N = 8 až 0 MJ/kg Q N = 33 až 38 MJ/kg Kapalná paliva: ropa, topné oleje, nafta Q N = 40 až 45 MJ/kg Plynná paliva: zemní plyn Q N = 50 až 60 MJ/kg (pozor nezaměňovat s Q V [MJ/m 3 ] spalné telo na m 3 ) Dělení kotlů dle typu paliva: tuhá, plynná, kapalná dle tlaku páry (nízkotlaké, vysokotlaké, nadkritické) dle výparníku (bubnové - s přirozeným oběhem nebo s nuceným oběhem, průtočné - pro p a >13 MPa) dle spalovacího zařízení (roštové, práškové, fluidní, cyklónové)
Schéma strmotrubného parního kotle Schéma fluidního parního kotle
Schéma průběhu výroby páry Účinnost kotle Ztráty v kotli: ztráta chemickou a mechanickou nedokonalostí spalování ztráta nedokonalým využitím uvolněného tepla (ztráta komínová, teplem tuhých zbytků, sdílením tepla do okolí) η = M P ( i i ) M a U Q N NV Odsíření spalin Mokrá vápencová vypírka (propíráním ve vápencové emulzi plus vháněním vzduchu vzniká sádrovec): SO + CaCO + 1/ O + H O CaSO H O + CO 3 4 Fluidní kotle (přidáním mletého vápence do ohniště vzniká opět síran vápenatý): CaCO CaO + CaO + SO + O CaSO 3 CO 4
Odlučovače popílku elektrostatické (účinnost až 99%, nízká spotřeba el. energie) cyklónové (účinnost ještě lepší, ale vysoká spotřeba el. energie) textilní filtry (účinnost jen 90%) Elektrostatický odlučovač Cyklónový odlučovač Parní turbíny - obvykle jsou vícetělesové s VT, NT, popř. ST tělesem a vícestupňové - ideální jsou turbiny s rovnoměrným rozložením teplot a s minimálními vibracemi v tělese Dělení turbín: dle změny tlaku v oběžných kolech: rovnotlaké (celá změna entalpie se přemění na rychlost média již v rozváděcích kolech) a přetlakové (částečně i v oběžných)(pro menší výkony) dle tlaku výstupní páry: kondenzační (elektrárenské, p K = 0.00 0. 01MPa ) a protitlaké (teplárenské, p K = 0.11 0. 6MPa ) dle použité páry: na přehřátou (suchou) páru, na sytou resp. mokrou páru (u JE) dle regulace odběrů: s regulovanými odběry páry (pro tepelné spotřebiče), s neregulovanými odběry páry (pro regenerativní ohřev) dle proudění média: axiální (rovnoběžně s osou), radiální (již se neprojektují), centripetální (radiálně-axiální, pro malé pohonné turbiny)
Třítělesová kondenzační turbína 3 MW, elektrárna Třebovice pro parametry páry 1.6 MPa, 480-500 C Turbína 0 MW pro JE Dukovany Účinnost turbíny
Ztráty v turbíně: Třením na lopatkách, změnou směru proudu média, rázem média na vstupu, vlhkostí páry, výstupní rychlostí média, třením rotoru, ventilační, vnitřními netěsnostmi a netěsnostmi ucpávek, vedením tepla do okolí. Vlastní účinnost odpovídá termodynamické účinnosti. hs ia ik η TD = = 0.7 0.9 h i i ad a e Jaderné elektrárny Vychází ze získání energie změnou hmotnosti při jaderných reakcích dvou typů: štěpením velmi těžkých jader jadernou fůzí velmi lehkých jader Nejužívanější typ jaderné reakce je štěpení izotopů uranu tepelnými neutrony: 35 1 U 9 + n0 U 36 9 1 (.5 0. ) n + γ A1 A X Z 1 + X Z + 1 0 Nejužívanější typ fúzní jaderné reakce je slučování izotopů vodíku: 3 4 1 H 1 + H1 He + n 0 Základní jednotky: 16 7 atomová jednotka hmoty u 1/16 izotopu O8 = 1.67 10 kg 19 6 13 Energie 1 MeV 1.60 10 10 J = 1.60 10 J 1.67 10 ( ) Energie 1 u E muc = = 931MeV = 13 1.60 10 Jedna štěpná reakce U odpovídá získání energie 195 +- 5 MeV 35 9 7 8.9979 10 Výrobní schémata JE Jednookruhová a dvouokruhová JE
Tříokruhová JE Schéma JE: 1 - reaktor - parogenerátor 3 - hlavní cirkulační čerpadlo 4 - kompenzátor objemu 13 - přihřívač páry a separátor vlhkosti U nás se používají dvouokruhové JE s tlakovodními reaktory VVER-440 a VVER- 1000, využívající jako moderátoru i chladiva lehkou vodu. Reaktor VVER-440 1 - ochranné víko - obálka 5 - regulační tyče 13 - výstupní potrubí chladící vody 14 - vstupní potrubí chladící vody 19 - kazety palivových článků Schéma JE VVER-440 5 - odplynění doplňující vody 6 - doplňovací čerpadlo 15 - havarijní doplňovací čerpadlo 17 - filtrační stanice 18, 19 - výměníky odluhu prim. okruhu 0 - expandér odluhu parogenerátoru - sběrná nádrž úniků
Vodní elektrárny Vychází ze získání energie z potencionální, tlakové a kinetické energie vody. m 1 W H = m g h W P = V p= p W V = m v ρ E H = g ( h 1 h ) ( p 1 p ) 1 E P = E V = ( v1 v ) ρ E CELK = E + E + EV W = m ECELK = V ρ ECELK [J] 3 3 P = Q ρ [ W ] = [ J / s] = [ m / s] [ kg / m ] [ J / kg] Dělení VE: H P E CELK
dle systému soustředění energie: přehradní a jezové, derivační, přečerpávací, přílivové dle tlaku vody: nízkotlaké (E V <=00 J/kg), středotlaké (E V <=1000 J/kg), vysokotlaké dle charakteru provozu: průtočné, akumulační, přečerpávací dle typu použité turbíny Dělení vodních turbín: dle způsobu přenosu energie: o rovnotlaké (veškery přetlak přeměněn na rychlost vody ještě před oběžným kolem)(tzv. akční) o přetlakové (částečná přeměna přetlaku ještě v oběžných kolech)(tzv. reakční) dle průtoku oběžným kolem: a) centrifugální (vnitřní vtok, proudění od hřídele)(fourneyronova) b) centripetální (s vnějším vtokem, proudění ke hřídeli)(historická Francisova) c) axiální (Kaplanova) d) radiálně - axiální (moderní Francisova) e) diagonální (Dériazova) f) se šikmým průtokem (Turgo) g) tangenciální (Peltonova) h) s dvojím průtokem (vstup centripetálně, výstup centrifugálně)(bánkiho) dle vstupní části: spirální, kašnová, kotlová, násosková, přímoproudá
dle polohy hřídele: horizontální, vertikální, šikmé (menší přímoproudé) dle konstrukce: Francisova - přetlaková, radiálněaxiální, nebo centripetální, regulované rozváděcí lopatky, vhodné pro reversibilní provoz Kaplanova - přetlaková, axiální, regulované rozváděcí i oběžné lopatky Peltonova - rovnotlaká, tangenciální
Účinnost vodních turbín: η = η η η Q H M Objemové ztráty (únikem množství Q Z netěsnostmi mimo oběžné kolo): Q Z η Q = 1 Q Hydraulické ztráty (vazkostí vody, změny směru proudění, ráz při vstupu, změna průřezu, ): PH EZ η H = = 1 PT E P H - výkon přenesený na lopatky Mechanické ztráty (mechanické tření v ložiskách a ucpávkách): P PZ η M = = 1 P P H H