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 | |||
| |||
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: | |||
| |||
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 | |||
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: | |||
| |||
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. | |||
| |||
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 | |||
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 | |||
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 | |||
A definíciós egyenletből következik, hogy | |||
| |||
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 | |||
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. | |||
| |||
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. | |||
| |||
Az entalpiaértékekkel és a 77. ábra jelöléseivel tehát egy adott tömegáramra és időegységre vonatkoztatva | |||
| |||
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 | |||
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? ![]() |