KURZUS: Gépek üzemtana

MODUL: III. modul: Energetikai gépek és berendezések üzemtana

13. lecke: A villamosenergia-termelés mint komplex gépcsoport

Tanulási cél

A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz önállóan elmagyarázni

  • a villamosenergia-termelés termodinamikai alapjait,
  • és felrajzolni egy villamosenergia-termelő erőmű kapcsolási rajzát,
  • a villamosenergia-termelő erőmű fő berendezéseinek funkcióját.
Tananyag

A villamosenergia-termelés döntő mértékben termodinamikai körfolyamatot megvalósító gép illetve gépcsoport által hőenergiából előállított mechanikai energiából történik. Tekintettel a mechanikai energia szállításának és elosztásának körülményességére, ha az előállított mechanikai energia felhasználása nem a megtermelés helyén vagy annak közvetlen közelében történik meg teljes egészében, akkor azt azonnal átalakítják váltakozó áramú villamos energiává és a termelt energiát az elektromos hálózat útján juttatják el a felhasználókhoz.

A hőenergia mechanikai energiává történő átalakítását megvalósító termodinamikai körfolyamat négy alapvető részfolyamatból tevődik össze, melyek az itt megadott sorrend szerint követik egymást:

  • kompresszió,
  • hőközlés,
  • expanzió,
  • hőelvonás.

A felsorolt folyamatokat az adott gép ill. gépcsoport ciklikusan ismétli. Abban az esetben, ha ugyanaz a munkaközeg kering a rendszerben, akkor zárt körfolyamatról beszélünk, ha a körfolyamat a körfolyamatból a munkát végzett közeg az atmoszférába kerül és onnan vett friss közeggel indul újra a folyamatsor, akkor nyílt körfolyamatról beszélünk.

Az első esetre, a zárt körfolyamatra példa a villamos erőműben vagy más néven hőerőműben működő gépcsoport által megvalósított körfolyamat. Itt a munkaközeg nagy tisztaságú víz, mely a rendszert nem hagyja el és az állapotváltozások során halmazállapota változik.

Ugyancsak zárt körfolyamat valósul meg a hűtőszekrény hűtését biztosító berendezésben. Bár ez a körfolyamat nem energiát termel, hanem éppen fordítva mechanikai energiát felhasználva a hőt "szivattyúz" ki a hűtőszekrény belsejéből, de a körfolyamat ugyanazon részfolyamatokból épül fel, mindössze a részfolyamatok fordított sorrendben követik egymást.

A nyílt körfolyamatot megvalósító gépre a gépjárművek motorja a legkézenfekvőbb példa, mely az atmoszférából veszi munkaközegét, a levegőt, és ehhez történik az üzemanyag hozzákeverése.

A továbbiakban a hőerőműi körfolyamattal és az azt megvalósító gépcsoporttal foglalkozunk részletesebben.

A kompresszió folyamat azért szükséges, mert hasznosítható mechanikai munka kinyerése csak a kompresszió megfordítottjaként lezajló expanzióból nyerhető, amikor a térfogat-növekedéssel párhuzamosan nyomáscsökkenés zajlik le. A ciklikus működésből következik, hogy a kompresszió segítségével a munkaközeget újra és újra expanzióképes, tehát hasznos munkavégzésre képes állapotba hozzuk.

A kompresszió önmagában azonban nem elegendő. A közeg ugyan már expanzióképes, de könnyen belátható, hogy egy azonnal megindított expanzió során legfeljebb annyi mechanikai munkát nyerhetünk vissza, mint amennyit a kompresszióra befektettünk, többet semmiképp. A hőközlés arra szolgál, hogy a munkaközeg belső energiáját, azaz hőmérsékletét növeljük. Ennek köszönhetően a munkaközeg képes lesz több mechanikai munkát szolgáltatni, mint amennyit a kompresszióra fel kellett használni.

Az expanzió során a térfogat növekszik a nyomás csökken, megtörténik a hasznos munkavégzés. Az ekkor megtermelt hasznos mechanikai energia kerül azonnal átalakításra villamos energiává.

A körfolyamat bezárását a ciklikus működtetése megköveteli. Értelemszerű, hogy ez a hőközléssel ellentétes folyamattal, hőelvonással valósulhat csak meg. Ezzel teremtjük meg a ciklus újrakezdésének lehetőségét.

A folyamat hatékonyságára jellemző ún. termodinamikai hatásfok, tiszteletben tartva az energia-megmaradás törvényét és feltételezve, hogy nincs semmiféle veszteség

η t = P h Q ˙ be = Q ˙ be Q ˙ el Q ˙ be =1 Q ˙ el Q ˙ be

Az összefüggés látványosan mutatja, hogy a hőenergia tökéletesen csak akkor alakítható át mechanikai munkává, ha nincs hőelvonás. A termodinamika 2. főtétele éppen azt a tényt rögzíti, hogy hőelvonás nélkül nem lehetséges a hőenergia mechanikai munkává történő átalakítása. Ilyen értelemben a 2. főtétel nincs ellentmondásban az energia-megmaradás törvényével, hanem annak érvényét korlátozza.

A hatásfok természetesen javítható, az elvonásra kerülő hő mennyisége csökkenthető, de soha sem lehet zérus. Anélkül, hogy a részletes indoklást itt ismertetnénk, kijelenthető, hogy a közölt és az elvont hő egyaránt arányos a hőközlés és a hőelvonás hőmérsékletével. Ezen tétel szerint a termodinamikai hatásfok akkor lenne 100%-os, ha a hőelvonás 0 K állandó hőmérsékleten valósulna meg. Azon túl, hogy a 0 K egy olyan hőmérséklet, melyet tetszés szerint meg lehet közelíteni, de elérni sohasem lehet a hőelvonás gyakorlati megvalósítása során számos egyéb korláttal is találkozunk, melyek közül itt csak hármat említünk:

  • földi körülmények között a hőelvonás céljára az atmoszférikus állapotú levegő áll rendelkezésre, mivel ez nyújtja bizonyos körülmények között a lehető legalacsonyabb hőmérsékletet,
  • a munkaközeg (általában víz) megszilárdulása miatt 0 oC alatti hőelvonási hőmérséklet nem jöhet szóba,
  • a hőelvonás többnyire csak változó hőmérséklet mellett valósítható meg, ami azt jelenti, hogy a lehűlő munkaközeg csak a lehűlés utolsó pillanatában éri el a környezeti hőmérsékletet, tehát a hőelvonás átlagos hőmérséklete lényegesen magasabb, mint a környezeti hőmérséklet.

Az itt elsorolt okok miatt a termodinamikai körfolyamatok hatásfoka a legjobb esetben sem igen haladja meg a 40%-ot.

A hőerőműi körfolyamatot megvalósító gépcsoport kapcsolási sémája, a klasszikus ún. Rankine-Clausius ciklus a 75. ábrán látható.

75. ábra

A kazánban történik meg a hőközlés. A környezetinél nagyobb nyomáson érkező víz, lényegében állandó nyomás mellett, a közölt hő hatására elgőzölög és a keletkezett gőzök túlhevítése is megtörténik egy korszerű gőzkazánban. A termodinamika első főtétele szerint

dq=dudw    ( J kg )

Tehát a közölt a munkaközeg belső energiáját gyarapítja és egy kisebb része terjeszkedési munkára fordítódik. Attól függően, hogy a közölt hőt honnan nyerik, szénerőműről, földgáz erőműről, kőolaj erőműről, atomerőműről, geotermikus erőműről vagy éppen naperőműről beszélnek. A hőenergia forrása azonban a ciklus lényegét nem érinti, mindössze a jellemző paraméterek változnak.

A nagy nyomású és magas hőmérsékletű gőz a gőzturbinába kerül, mely egy áramlástani elven működő többnyire axiális átömlésű gép. A gőzturbinában megtörténik a nagy nyomású és magas hőmérsékletű vízgőz expanziója. Az expanzió közben a gőz térfogata jelentősen megnő, hőmérséklete és nyomása pedig csökken. Az expanzió modellezésére azt szokták feltételezni, hogy a folyamat adiabatikus. Ezzel a feltételezéssel a termodinamika 1. főtételéből

du=dw    ( J kg )

A gőzturbinában tehát a munkaközeg a belsőenergiájának rovására végzi a hasznos munkát.

A gőzturbina tengelye közvetlen kapcsolatban áll a villamos generátorral, mely a megtermelt mechanikai munkát három fázisú váltakozó árammá alakítja.

A gőzturbinából távozó gyakorlatilag atmoszférikus nyomású gőz az ún. kondenzátorba kerül, ahol megtörténik a hőelvonás, melynek során a gőz halmazállapot-változást szenved el és folyékonnyá válik. A halmazállapot-változás során annak hőmérsékletéhez ill. nyomásához tartozó rejtett hő elvonása szükséges. Megjegyzendő, hogy a kondenzátort helyettesíteni lehet egy hőhasznosító berendezéssel (pl. távfűtő-berendezés), melybe elvezetve a munkaközeg elvonandó hőjét, egyrészt megtörténik a hőelvonás, másrészt az elvont hőt lakások fűtésére fel lehet használni. Ilyen esetben természetesen gondolni kell arra, hogy a gőzturbinából kilépő munkaközeg még kellően magas hőmérsékletű legyen a pl. lakásfűtési feladatokhoz. Az ilyen ún. kapcsolt villamos energia termelés, idegen kifejezéssel kogeneráció az egész rendszer hatásfokát növeli, ami így elérheti a 70%-ot is.

A kondenzátorból távozó gyakorlatilag atmoszférikus, tehát a kazánban uralkodó nyomásnál lényegesen kisebb nyomású folyadékot a szivattyú a kazánnyomásra átszivattyúzza. Ez a folyamat megfelel a kompressziónak és a szivattyúzással a körfolyamat betárul.

A gőzzel kapcsolatos számításokat megnehezíti az, hogy a gőzökre az általános gáztörvény nem érvényes. A számítások megkönnyítés érdekében definiáltak egy olyan állapotjelzőt, mely a már ismert nyomás és hőmérséklet függvényében egyértelműen meghatározható és vele a két fontos állapotváltozás (állandó nyomású és adiabatikus) könnyen követhető. Ez az állapotjelző az entalpia. Az entalpia definíciós egyenlete a következő

di=du+d( pv )     ( J kg )

A definíciós egyenletből következik, hogy

  • az állandó nyomású állapotváltozás során bekövetkező entalpiaváltozás a közeg által felvett vagy leadott hőt adja meg a tömegegységre vonatkoztatva,
  • az adiabatikus állapotváltozás során bekövetkező entalpiaváltozása a közeg tömegegységére vonatkoztatott végzett munkával egyenlő.

A vízre és a legfontosabb többi gőzre vonatkozóan az entalpiaértékek táblázatokban és diagramokban találhatók meg és onnan a nyomás és a hőmérséklet függvényében megállapíthatók.

A munkaközegek közül a legfontosabbra, a vízre készült entalpiadiagram szerkezetét a 76. ábra mutatja.

Az entalpiadiagram vízszintes tengelyén egy az entalpiához hasonlóan mesterséges állapotjelző az entrópia szerepel. Az entrópia definíciós egyenletéből

ds= dq T       ( J kgK )

következik, hogy ebben a diagramban a mechanikai energia termelése szempontjából annyira fontos adiabatikus expanzió egy függőleges egyenes mentén zajlik le, hiszen az adiabatikus változás során nincs hőközlés, dq=0.

A 75. ábrán alsó és felső határgörbeként megjelölt görbék a folyadék-gőz halmazállapot-változás kezdetét (alsó határgörbe) és végét (felső határgörbe) jelölik. A két görbe az ún. kritikus pontban találkozik, ahol a halmazállapot-változás az egyébként megszokott forrás nélkül megy végbe. A kritikus ponthoz tartozó ún. kritikus hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten csak a légnemű halmazállapot létezik.

76. ábra

Az állandó nyomású vonalak a folyadék mezőben (az alsó határgörbe "alatt") az alsó határgörbéhez egészen közel futnak, aminek a folyadék összenyomhatatlansága az oka. A két határgörbe között az izobárok egyenesek és a felső határgörbe felé haladva enyhén széttartanak, azaz meredekségük a nagyobb nyomások felé enyhén nő. A felső határgörbe után az izobárok törésmentesen folytatódnak és egyre határozottabban felveszik a gázokra jellemző exponenciális jelleget.

Az izotermák a folyadékmezőben természetesen vízszintesek, hiszen állandó hőmérséklet mellett állandó az entalpia is. A két határgörbe között az izotermák az izobárokhoz hasonlóan egyenesek, hiszen egyfelől a halmazállapot-változás közben a hőmérséklet állandó, másfelől pedig a nyomás meghatározza a forrási (telítési) hőmérsékletet és viszont, a hőmérséklet meghatározza a telítési nyomást. A felső határgörbénél az izotermák megtörnek és kisebb-nagyobb "emelkedés" után fokozatosan vízszintesbe mennek át. A felső határgörbétől távol az entalpia ismét csak a hőmérséklet függvénye, azaz állandó hőmérséklet esetén állandó az értéke.

A két határgörbe között szaggatott vonallal szokták összekötni az izobárok határgörbék közötti szakaszának egymásnak megfelelő osztópontjait, melyek az azonos gőztartalmat jelölik az egyes izobárokon. Ezek a görbék "x" paraméterrel vannak jelölve. Természetesen az alsó határgörbén x=0 a felső határgörbén pedig x=1.

Gyakorlati szempontból az entalpiadiagramnak csak egy része fontos, melyet a 75. ábrán sötétítéssel jelöltünk meg. Ezt a legfontosabb területet mutatja a 76. ábra, melynek segítségével a vízgőz entalpiája a nyomás és a hőmérséklet ismeretében meghatározható.

77. ábra

Az entalpiaértékekkel és a 77. ábra jelöléseivel tehát egy adott tömegáramra és időegységre vonatkoztatva

  • a kazánban közölt összes hő: Q ˙ be = m ˙ ( i 4 i 1 )     ( J s =W ) ,
  • a turbinából nyerhető munka: P= m ˙ ( i 4 i 5 )     ( J s =W ) ,
  • a kondenzátorban elvont hő: Q ˙ el = m ˙ ( i 5 i 6 )     ( J s =W ) .

Tekintettel arra, hogy az entalpia abszolút értéke érdektelen, csak a megváltozása az érdekes, az entalpia nullpontját 0 °C-hoz és az atmoszférikus nyomáshoz rendelték. A víz entalpiáját a táblázatok és a diagramok nem közlik, mert a víz entalpiája elég nagy pontossággal megegyezik a víz °C-ban kifejezett hőmérsékletének és fajhőjének szorzatával

i víz = c víz t víz =4189 t víz       ( J kg )

Sem a hőerőműben megtermelt mechanikai energiát, sem az abból nyert villamos energiát nem lehet tárolni. Ezért a hőerőművek üzemét össze kell hangolni és a fogyasztói igények szerint kell szabályozni a teljesítményüket. A tárolás hiánya miatt a megtermelt villamos energia mennyisége éppen annyi lehet, mint az éppen elfogyasztott. A villamoshálózat országos és nemzetközi kiterjedtségének és a fogyasztók igen nagy számának köszönhetően ebben a rendszerben, katasztrófa helyzetet leszámítva, nem történnek ugrásszerű változások. Így lehetőség van arra, hogy a fogyasztói igények változását követve az egyes erőművek teljesítményét fokozatosan változtassák.

Ha valamelyik jelentős áramtermelő erőmű egy üzemzavar miatt kiesik a termelésből akkor, külső beavatkozás hiányában, a többi áramtermelő túlterhelődhet. Az áramtermelő gőzturbinák túlterhelődését azért kell elkerülni, mert ez lelassulásukat eredményezi, ami az általuk meghajtott villamos generátorok fordulatszámának csökkenését és ezáltal a hálózati frekvencia csökkenését eredményezi. Mindennek végső következménye a hálózatról üzemelő villamos motorok fordulatszámának és végső soron hatásfokának csökkenése is. Ezért a túlterhelődést el kell kerülni, aminek érdekében korlátozni kellhet a fogyasztók valamely csoportjának fogyasztását, amíg a kiesett teljesítményt újonnan üzembe helyezésre kerülő tartalékkal pótolni lehet.

Önellenőrző kérdések
1. Milyen részfolyamatokból épül fel a hőenergiát mechanikai energiává átalakító termodinamikai körfolyamat?
2. Mit értünk zárt termodinamikai körfolyamat alatt?
3. Mikor beszélünk nyílt termodinamikai körfolyamatról?
4. Miért van szükség a kompresszióra a hőenergiát mechanikai energiává átalakító termodinamikai körfolyamatban?
5. Miért szolgáltat több munkát a hőenergiát mechanikai energiává átalakító termodinamikai körfolyamatban az expanzió, mint amennyi munka a kompresszióhoz kell?
6. Mit kell hőelvonás alatt érteni a hőenergiát mechanikai energiává átalakító termodinamikai körfolyamatban?
7. Hogyan értelmezhető a hőenergiát mechanikai energiává átalakító termodinamikai körfolyamat termodinamikai hatásfoka?
8. Miért nem lehet 100%-os a termodinamikai hatásfok?
9. Melyek a Rankine-Clausius ciklust megvalósító gépcsoport fő elemei?
10. Mi a szerepe a kazánnak a Rankine-Clausius ciklusban?
11. Mi a szerepe a turbinának a Rankine-Clausius ciklusban?
12. Mi a szerepe a kondenzátornak a Rankine-Clausius ciklusban?
13. Mi a szerepe a szivattyúnak a Rankine-Clausius ciklusban?
14. Mire szolgál az entalpia?
15. Hogyan definiálják az entalpiát?
16. Hogyan használható fel az entalpia az állandó nyomáson lezajló állapotváltozásoknál?
17. Hogyan használható fel az entalpia az adiabatikus állapotváltozásoknál?
18. Hogyan lehet meghatározni a vízgőz entalpiáját?
19. Hogyan szemléltethető a vízgőz entalpiadiagramjában az adiabatikus expanzió?
20. Hogyan határozható meg a víz entalpiája?
21. Hol az entalpia zérus pontja?
22. Miért szükséges a gőzturbina által termelt mechanikai energiát villamos energiává alakítani?
23. Hogyan lehetséges, hogy sem a megtermelt mechanikai energiát, sem a belőle nyert villamos energiát nem lehet tárolni, az energiatermelés és a fogyasztás mégis egyensúlyban tartható?
24. Mi történik, ha a villamos energiatermelő erőművek közül valamelyik, üzemzavar miatt, leáll?