Energetsko-eksploatacione karakteristike termoelektrana

Termoelektrane

Termoelektrane su postrojenja koja za proizvodnju električne energije koriste procese sagorevanja, pri čemu hemijsku energiju goriva pretvaraju u mehaničku energiju preko pogonskih motora (parne, gasne turbine ili dizel motor). Za proizvodnju električne energije standardno se koriste sinhroni generatori.

S obzirom na pogonski motor, termoelektrane se dele na:

• •Termoelektrane na paru (pogonski motor parna turbina).
• •Gasnoturbinske termoelektrane (pogonski motor gasna turbina).
• •Termoelektrane sa SUS motorom (najčešće dizel motor). Slab stepen iskorišćenja toplotne u električnu energiju, pa se retko koriste.
• •Termoelektrane sa kombinovanim ciklusom (kogeneraciona postrojenja).
• •Termoelektrane-toplane.

Termoelektrane na paru

Koriste fosilna goriva (čvrsta, tečna ili gasovita), ili nuklearna goriva (uranijum).

Izvode se u blokovskoj izvedbi: kotao (reaktor sa parogeneratorom) – turbina – sinhroni generator – generatorski blok-transformator.

Stepen iskorišćenja pretvaranja toplotne u električnu energiju 35 do 40 %.

Principijelna šema termoelektrane na paru je data na donjoj slici:

Odata (električna) snaga (na generatoru) termičke jedinice na paru izračunava se iz izraza:

gde su:

• $\alpha_t$ – koeficijent koji uvažava oduzimanje toplote radi zagrevanja vode;
• $\eta_t$, $\eta_g$ – koeficijenti korisnog dejstva turbine i generatora;
• $G_t$ – protok pare kroz turbinu;
• $h_t$ ($h_0$) – specifične entalpije pregrejane pare na ulazu u turbinu (izrađene pare na izlazu iz turbine).

Najvažnije energetske karakteristike termoelektrana

Maksimalna raspoloživa snaga je najveća snaga koja se može isporučiti u sistem (uvažavajući kvalitet goriva, rashladne vode ...).

Tehnički minimum je minimalna snaga pri kojoj elektrana može trajno raditi sa osnovnim gorivom, uz održavanje stabilnosti procesa dobijanja toplote iz primarnog izvora.

Generalno su tehnički minimumi manji kod kotlova na gas i tečna goriva. Smanjenje toplotne moći čvrstih goriva povećava tehnički minimum. Najveći su za parne kotlove ložene lignitom (najviše zastupljeni u našoj zemlji).

Dozvoljena brzina promene opterećenja je određena termičkim naprezanjima materijala (zavisi od karakteristika turbine).

Moguća proizvodnja termoelektrane je proizvod raspoložive snage termoelektrane i dužine predviđenog rada (uvažavajući planske i prinudne ispade).

Osnovna pogonska karakteristika termoelektrana je ulazno-izlazna karakteristika:

Ova karakteristika daje se za bruto-ulaz i neto-izlaz, što je jako važno zbog velike sopstvene potrošnje, što je ilustrovano na donjoj slici:

Dakle, osnovna energetska karakteristika je: $D(P_g)$, $F(P_g)$ i $C(P_g)$.

Prethodne energetske karakteristike se lako dobijaju jedna iz druge skaliranjem, odnosno množenjem sa odgovarajućim koeficijentima (faktor konverzije utroška toplote u troškove goriva, toplotna vrednost goriva i sl.).

Slično kao kod hidroelektrana, ali sa drugim smislom, izvode se izvedene karakteristike termoelektrana:

• •Karakteristika specifičnog utroška toplote:

• •Karakteristika diferencijalnog utroška toplote:

Kriva utroška toplote po pravilu se aproksimira kvadratnom parabolom (prikazanom na slici):

Ukupni utrošak toplote tokom nekog perioda $T$ je:

pri čemu se pretpostavlja da je dijagram opterećenja $P_g(t)$ poznat.

Za formu kvadratne parabole osnovne energetske karakteristike, izvedene karakteristike su:

Osnovna energetska karakteristika (data preko kvadratne parabole) može biti komplikovana za planiranje EES-a. Za slučaj eksploatacije EES-a to nije slučaj. Njene moguće aproksimacije su:

• •Sa dve prave (prikazana na slici).
• •Sa tri prave.

Najgrublja aproksimacija krive $D(P_g)$ je:

gde je $s''$ jednak specifičnoj potrošnji toplote ($d_T(P_g)$ – praktično gradijent) pri srednjem opterećenju $\dfrac{P_{gm} + P_{gM}}{2}$.

Napred definisane karakteristike termoelektrana određuju i način njihovog korišćenja. Pri tome su bitne i neke druge karakteristike, kao što su: vreme potrebno za stavljanje u pogon, mogući opseg i brzina promene opterećenja.

Konačno se mogu dati i neki generalni principi u pogledu angažovanja termoelektrana:

• •Termoelektrane na paru na fosilna goriva koriste se u baznom delu ispod dijagrama opterećenja. Prvo se koriste agregati iz termoelektrana-toplana i termički agregati na ugalj.
• •Agregati na tečna i gasovita goriva mogu se angažovati i u vršnom delu dijagrama opterećenja (naravno, sve ovo zavisi od proizvodne strukture; primer zemlje u Arapskom zalivu, ili zemlje Skandinavije, koje imaju potpuno različitu strukturu proizvodnih jedinica).
• •Nuklearne termoelektrane skoro isključivo se koriste za popunjavanje baznog dela dijagrama opterećenja.
• •Gasnoturbinske termoelektrane su vrlo fleksibilne i koriste se u vršnom delu dijagrama opterećenja. Ako je moguće, imaju mali stepen godišnjeg opterećenja.
• •Dizel-elektrane se koriste u početnom stadijumu razvoja EES-a (skupi su). Koriste se za napajanje potrošača koji ne trpe prekide u napajanju. Pogodni su za male, autonomne sisteme. Nizak stepen korisnog dejstva.
• •Termoelektrane sa kombinovanim ciklusom koriste se u baznom delu dijagrama opterećenja.
• •Kod termoelektrana-toplana angažovanje zavisi od potreba za toplotom.

Ispadi termičkih jedinica

Uzrok su neizvesnosti u radu termoelektrana.

Postoje dve vrste ispada:

• •Planski ispadi (remonti).
• •Prinudni ispadi.

Planski ispadi mogu biti predviđeni i nepredviđeni remonti.

Predviđeni remonti se rade po unapred predviđenom planu (za godinu dana unapred).

Nepredviđeni remonti (remontni ispadi) se rade da bi se predupredio prinudni ispad.

U procesu planiranja tretiraju se deterministički. Pravi se godišnji plan remonata (najbolje plan za ceo EES).

Prinudni ispadi predstavljaju nepredvidljive događaje, usled iznenadnog kvara na opremi.

Ovo su neizvesni događaji. Mogu se tretirati deterministički i probabilistički.

Deterministički metod je niže tačnosti.

Korigovana maksimalna snaga jedinice na pragu je:

gde se faktor raspoloživosti računa kao:

gde su:

• $T_s$ – broj sati kada je agregat raspoloživ za pogon;
• $T_r$ – vreme godišnjeg remonta.

Probabilistički pristup se koristi kada se traži detaljnija analiza. Odata snaga je slučajna veličina, koja ima diskretne vrednosti određene verovatnoće.

Najjednostavniji je dvo-nivoski model, prikazan na slici:

Prethodni model ima samo dva stanja:

• •Stanje potpune neraspoloživosti ($P_g = 0$), označeno sa $q$.
• •Stanje potpune raspoloživosti ($P_g = P_{gM}$), kada agregat radi sa maksimalnom snagom, označeno sa $p$,

pri čemu se verovatnoće pojedinih stanja izračunavaju kao:

gde su:

• $T_r$ – vreme godišnjeg remonta;
• $T_0$ – broj sati kada je agregat u ispadu;
• $T_s$ – broj sati kada je agregat sposoban za pogon.

Ovaj model se primenjuje i na bazne i na vršne jedinice.

U eksploataciji velikih jedinica izraženi su i radni režimi kada agregat ne radi sa punom, već oslabljenom snagom. Mogu biti izazvani kvarovima na različitoj opremi (pumpe, ventilatori, mlinovi za ugalj ...). Tada se ekvivalentno vreme provedeno u svim oslabljenim stanjima izračunava kao:

gde su:

• $P_{gk}$ – snaga u $k$-tom oslabljenom stanju;
• $T_k$ – trajanje $k$-tog oslabljenog stanja.

Ekvivalentne verovatnoće neraspoloživosti i raspoloživosti u ovom slučaju su:

Može se izvesti zaključak da parcijalni izvodi doprinose povećanju verovatnoće neraspoloživosti.

Ostale metode su složenije i neće se detaljnije obrađivati.

Troškovi u termoelektranama

Investicioni troškovi su proporcionalni instalisanoj snazi:

što je isto kao u slučaju hidroelektrana.

Neki noviji podaci o cenama:

• •Kombinovana postrojenja 350 $/kW.
• •Termički blokovi na paru na tečna i gasovita goriva 400 $/kW.

Stepen korisnog dejstva u poslednjim godinama porastao do 60 % za prve, a do 43 % (sa 40 %) za druge.

Godišnju stopu $c_I^g$ određuje životni vek opreme ili objekta. Karakteristični životni vek (u godinama) za neke tipove elektrana dat je u tabeli:

Eksploatacioni troškovi sastoje se od:

• •Stalni troškovi pogona i održavanja:
• •Promenljivi troškovi pogona i održavanja:
• •Promenljivi troškovi goriva.

Prve dve grupe troškova su iste kao kod hidroelektrana:

• •Stalni troškovi pogona i održavanja:

• •Fiksni troškovi:

• •Promenljivi troškovi pogona i održavanja (srazmerni proizvodnji):

Promenljivi troškovi goriva predstavljaju najvažnije troškove. Na godišnjem nivou su reda veličine investicionih troškova. Da bi se izračunali mora se izračunati ukupna potrošnja toplote:

Ovaj integral nije moguće izračunati za mnogo godina unapred, jer se ne poznaje dijagram opterećenja. Zato se koriste linearne aproksimacije, koje su date ranije.

Ukupni varijabilni troškovi su:

gde je $c_{Var}$ stopa varijabilnih troškova elektrane u funkciji njene proizvodnje.

Pored pogonskih troškova za eksploataciju EES-a bitne su sledeće dve kategorije troškova:

• •Troškovi stavljanja u pogon: $C_S$.
• •Troškovi zaustavljanja: $C_Z$.

Ovi troškovi izazvani su potrebom da se kotao i turbina postepeno zagrevaju, uz postepen porast pritiska pare i temperature. Za ovo se troši toplota koja ne rezultuje u proizvodnju električne energije.

Troškovi stavljanja u pogon zavise da li je elektrana bila u toplom stanju, ili se prinudno hladi, što je ilustrovano na slici.

Na prethodnoj slici $C_{k0}$ i $C_{t0}$ predstavljaju troškove stavljanja u pogon kotla i turbine iz hladnog stanja.

$C_B$ su satni troškovi za održavanje u toplom stanju.

Troškovi zaustavljanja ($C_Z$) odnose se na gubitke toplote usled smanjivanja opterećenja. Teško se izračunavaju, pa se često pridružuju sledećem stavljanju u pogon.