Plinska elektrana

Plinske elektrane pripadaju skupini termoelektrana. Termoelektrane pretvaraju najčešće kemijsku energiju sadržanu u gorivu izgaranjem u toplinsku koja se različitim procesima predaje radnom mediju. U plinskim turbinama se toplinska energija radnog medija pretvara u mehaničku koja se zatim u električnom generatoru transformira u električnu energiju. Dobivena toplina se može također iskoristiti i za ogrjevne potrebe naselja (toplane). Plinske elektrane kao tip termoelektrana u mnogim zemljama služe kao glavni izvor električne energije zbog mogućnosti gotovo cjelogodišnjeg rada i zbog mogućnosti vrlo brzog prilagođavanja razlikama u opterećenju električne mreže tijekom dana.

Procesi u plinskoj elektrani i dijelovi postrojenja

Plinsko-turbinsko postrojenje radi na principu Brayton-ovog kružnog procesa u otvorenom sustavu. Brayton-ov kružni proces pripada skupini desnokretnih kružnih procesa. Desnokretni kružni procesi daju snagu koja je prikazana kao omeđena površina u p-v dijagramu. Sam proces se sastoji od dvije izobare i dvije izentrope. Kod stvarnog Brayton-ovog ciklusa zbog trenja, turbulencije i ostalih uzročnika nepovratnosti procesa se u turbini i kompresoru ne odvijaju ravnotežne promjene stanja.

Shema plinsko-turbinskog postrojenja i idealni Brayton-ov ciklus
Fuel - gorivo Fresh Air - svježi zrak Work out - izlazni rad
Combustion - izgaranje Compressor - kompresor Exhaust gases - ispušni plinovi

Realni ciklus u p-v dijagramu

Realni ciklus u T-s dijagramu

Ciklus počinje usisavanjem radnog medija (zrak) pri tlaku p₁ i temperaturi T₁ kojemu se tada u aksijalnom ili radijalnom turbokompresoru povećava tlak na p₂ što slijedi i povećanje temperature zraka. Između točaka 2 i 3 se radnom mediju dovodi toplina u obliku izgaranja goriva. Nakon točke 3 radni medij ulazi u plinsku turbinu u kojoj ekspandira do tlaka p₄ ostvarujući okretni moment na vratilu turbine.

U realnim ciklusima zbog nepovratnosti nema idealnih promjena stanja. Temperatura na kraju kompresije će biti veća zbog trenja. Tokom izgaranja također postoji mali pad tlaka zbog trenja. Ekspanzija u turbini nije idealna izentropa, nego politropa s određenim izentropskim faktorom djelovanja. Važno je napomenuti da se povećavanjem entropije pogoršava sam proces pa je krajnji cilj čim više se približiti teoretskom ciklusu zbog kvalitetnijeg iskorištavanja topline.

Kompresor

Kompresor je odgovoran za dobavu radnog medija na definirani tlak izgaranja. U plinsko-turbinskim postrojenjima se koriste aksijalni i radijalni kompresori. Kod većih postrojenja uobičajeno se koriste aksijalni kompresori jer su učinkovitiji kod velikih kompresijskih omjera. Kompresor može biti pogonjen elektromotorom, parnom turbinom, motorom s unutarnjim izgaranjem, ili plinskom turbinom povezanom na isto vratilo. Kod pokretanja postrojenja se kompresor često pogoni elektromotorom ili motorom s unutarnjim izgaranjem prije nego što se turbina pokrene.

- Aksijalni kompresor se sastoji od 3 glavna djela: rotirajući disk, nepokretne statorske lopatice, kućište. Strujanje se odvija usporedno s vratilom kompresora. Oblik kućišta pomaže kompresiji svojim oblikom koji se sužava uzduž vratila. Statorske lopatice usmjeravaju fluid s jednog rotirajućeg diska prema sljedećem. Stoga se između svakog para rotirajućih diskova nalazi statorski disk.

Ovisnost stupnja djelovanja η o omjeru tlakova u kompresoru

- Centrifugalni kompresor se sastoji od 4 glavna djela: rotor, difuzor, kućište, regulacija pomoću podesivih lopatica. Rotor sa zakrivljenim lopaticama rotira velikim brzinama. Kako on rotira, tako se u središtu zbog centrifugalne sile stvara podtlak koji uvlači zrak koji tad odlazi prema vanjskim rubovima rotora gdje ulazi u difuzor. Na vanjskom rubu rotora je brzina znatno povećana, ali ne i tlak. Tlak se povećava tek prolaskom fluida kroz difuzor gdje se brzina zbog suženog presjeka smanjuje, a tlak se prema Bernoullijevoj jednadžbi povećava.

Komora izgaranja

U komori izgaranja se kemijska energija goriva oslobađa u obliku topline. Izgaranjem mješavine goriva i zraka se stvaraju dimni plinovi vrlo visoke temperature (do 1950°C). Zrak nakon izlaska iz kompresora ima brzinu oko 150 m/s koja mu se prolaskom kroz difuzor na ulazu u komoru izgaranja smanjuje na 25 m/s. Smanjenjem brzine fluida omogućujemo stabilno izgaranje i dobro miješanje goriva i zraka. Omjer zraka i goriva je 50:1 što je tri puta više zraka od stehiometrijskog omjera. Dovođenje takve smjese u primarnoj zoni izgaranja bi onemogućilo stabilno izgaranje pa se iz tog razloga u primarnoj zoni dovodi samo 20% više zraka nego je potrebno prema stehiometrijskom omjeru, a ostatak zraka potrebnog za potpuno izgaranje se dovodi kasnije. Kod projektiranja komore za izgaranje se mora osigurati da se izgaranje odvija što dalje od ulaska u turbinu, tako da se turbinske lopatice ne bi oštetile. Također je potrebno osigurati aksijalnu simetričnost temperaturnog polja tako da sama turbina ne bi bila podvrgnuta toplinskom naprezanju. U komori su nepoželjni temperaturni ekstremi da se komora ne ošteti. Poželjno je da komora za izgaranje u plinskoj turbini ima široko područje rada. Široko područje rada omogućuje da se izgaranje uspješno odvija neovisno o mijenjanju ulaznih parametara tlaka, temperature, ili masenog protoka što je vrlo korisno jer se na taj način može regulirati snaga ovisno o potrebi.

Plinska turbina zajedno s kompresorom i komorom izgaranja na primjeru mlaznog motora

Plinska turbina

Produkti izgaranja ulaze velikom brzinom i masenim protokom u plinsku turbinu gdje ekspandiraju. Poželjna je što veća temperatura na ulazu, a što manja na izlazu iz turbine. Ipak, postoje ograničenja zbog mehaničkih svojstava materijala od kojeg se rade turbinske lopatice. Trenutno najviša operativna temperatura od 1540°C plinskih turbina je postignuta turbinom General Electric 9HA.

- dovedeni toplinski tok $\phi =q_{m}c_{p}(T_{3}-T_{2})$

- odvedeni toplinski tok $\phi _{0}=q_{m}c_{p}(T_{1}-T_{4})$

- snaga kao razlika dovedenog i odvedenog toplinskog toka $P=\phi -\phi _{0}$

- termički stupanj djelovanja u ovisnosti o tlakovima $\eta =1-\left({\frac {p_{1}}{p_{2}}}\right)^{\left({\frac {\varkappa -1}{\varkappa }}\right)}$

Kombinirani ciklus

Rankine-ov ciklus s međupregrijavanjem pare

Stupanj djelovanja plinsko-turbinskog procesa se uobičajeno kreče u rasponu 35-40%. Taj se stupanj djelovanja može nekim tehnologijama još povećati. Radni medij na izlazu iz turbine ima još vrlo visoku temperaturu (oko 600°C) pa se može iskoristiti za zagrijavanje i pregrijavanje struje vode te vodene pare koja pak služi kao radni medij u parno-turbinskom Rankine-ovom procesu. Time se podiže stupanj djelovanja cijelog postrojenja na oko 60%. U kombiniranom se postrojenju jendako kao i u plinsko-turbinskom postrojenju odvija Brayton-ov ciklus s razlikom da se kod kombiniranog procesa otpadna toplina sadžana u plinovima izgaranja iskorištava u utilizatoru (generator pare na otpadnu toplinu) za zagrijavanje i pregrijavanje struje vodene pare koja sudjeluje kao radni medij u Rankine-ovom parno-turbinskom procesu. Jedna od vrlo dobrih karakteristika plinske turbine je ta što je kod nje prisutan vrlo visok omjer zrak/gorivo budući se dodaje nekoliko puta više zraka zbog hlađenja lopatica plinske turbine. U utilizatoru se dodaje dodatno gorivo koje izgara zbog velikog udjela neiskorištenog zraka u vrućim dimnim plinovima iz plinsko-turbinskog procesa. Nakon utilizatora, vodena para odlazi u parnu turbinu koja može biti višestupanjska kod Rankien-ovog ciklusa s međupregrijavanjem pare. Nakon izlaska iz pojedinog stupnja turbine radni se medij vraća u utilizator gdje opet postiže jednaku temperaturu, ali ostaje tlak jednak tlaku na izlasku iz pojedinog stupnja turbine. Nakon posljednjeg stupnja turbine sada već para zasićenog područja odlazi u kondenzator gdje kondenzira predajući pa se napojnom pumpom vraća u utilizator.

kogeneracijska elektrana TE-TO Zagreb

Stupanj djelovanja kombiniranog postrojenja se može prikazati kao omjer dobivine snage P i dovedenog toplinskog toka Φ.

$\eta =\left({\frac {P}{\phi }}\right)=\left({\frac {P_{pl}+P_{pa}-P_{ps}}{\phi _{pl}+\phi _{pa}}}\right)$

P_pl - snaga plinske turbine

P_pa - snaga parne turbine

P_ps - snaga potrebna za pomoćne sustave

Φ_pl - toplinski tok doveden u plinskom djelu ciklusa

Φ_pa - toplinski tok doveden u parnom djelu ciklusa

Napomena: u ovaj izračun stupnja djelovanja nije uključena mogućnost kogeneracije čijom primjenom on raste.

Ekologija

Najčešče korišteno gorivo u kombiniranom ciklusu je gorivo prirodni plin iako je moguće koristiti i loživa ulja te biogoriva. Izgaranjem prirodnog plina ne nastaju štetni spojevi sumporovog oksida kao uzročnik kiselih kiša, a emisija NO_x je manja. Isto tako produkcija CO₂ je manja s obzirom na činjenicu da se prirodni plin sastoji uglavnom od metana CH₄ koji sadržava najviše vodikovih atoma u odnosu na ugljikove. Korištenjem prirodnog plina se izbjegava oslobađanje raznih korozivnih spojeva koji oštečuju turbinu i ostale dijelove postrojenja. Samim time su troškovi održavanja bitno manji. Troškovi održavanja su niži nego u klasičnih termoelektrana te su samim time niži i ukupni troškovi proizvodnje električne energije.

Sve veća svjetska potrošnja energije će dovesti do potrebe za novim kapacitetima koji će se i dalje dijelom zadovoljavati iz termoelektrana gdje se termoelektrane na plin s kombiniranim ciklusom nameću kao logićan izbor s obzirom na znatno manje zagađenje i veću ekonomsku isplativost od ostalih tipova termoelektrana, a i velika im je prednost mogućnost korištenja biogoriva čime postaju CO₂ neutralne.

Izvori:

http://powerlab.fsb.hr/enerpedia/index.php?title=ENERGETSKE_TRANSFORMACIJE Arhivirana inačica izvorne stranice od 31. prosinca 2013. (Wayback Machine)

Termodinamika 1, Antun Galović, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

/https://www.fsb.unizg.hr/hydro/pdf/Nastavni_materijali/MFI_MFK_Predavanja.pdf Arhivirana inačica izvorne stranice od 20. prosinca 2016. (Wayback Machine) Mehanika fluida 1, Skripta-predavanja, Zdravko Virag, Mario Šavar, Ivo Džijan, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

/http://powerlab.fsb.hr/turbostrojevi/Energetski_strojevi.pdf Arhivirana inačica izvorne stranice od 26. studenoga 2016. (Wayback Machine) - Zvonimir Guzović, Energetski strojevi, Zagreb, 1994.

http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node27.html

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node65.html