E1 Přednáška č.5

Přednáška č.5 RC oběh bezeztrátový – opakování, technické provedení. Výpočet účelové funkce systému, hmotnostní bilance – tepelný výpočet. Vliv parametrů TO na účinnost RC. Reálný RC oběh - klasifikace ztrát. Výpočet účelové funkce systému (účinnosti) při respektování ztrát. Zvyšování účinnosti RC oběhů = Carnotizace oběhu. Přihřívání pracovní látky TO. Stanovení parametrů přihřátí. Výpočet tepelného schématu s přihříváním = stanovení maximální hodnoty účelové funkce (účinnosti), určení potřebných hmotnostních průtoků v systému. Přednášky E1 - 2014

Schéma sestavení ideální účelové funkce RC Účinnost transformace základní schéma transformačního procesu: PP, WP PE =WE ELEKTRÁRNA E účinnost transformace: transformační schéma prostřednictvím tepla: E PE =WE GEN TZ TM Transformační proces může být realizován jen prostřednictvím TO s odvodem tepla QO: QP WTM QO ELEKTRÁRNA Tepelnou účinnost můžeme spočítat jestliže známe dvě hodnoty z QP, QO, WTM vyjadřující energetickou bilanci TO. Maximální účinnost je dána termodynamickou mezní podmínkou představovanou minimální hodnotou poměru výstupní teploty (dolní = teplota okolí) a horní teploty pracovní látky TO. Přednášky E1 - 2014

Hmotností bilance ideální účelové funkce systému TE Po stanovení účinnosti systému je nutné dopočítat hmotnostní bilanci systému. Hmotnostní bilance = vyjádření zákona zachování energie v systému při požadovaném energetickém výstupu (PE, WE) a stanovené účinnosti při měrném množství 1 kg pracovní látky TO. Hmotnostní toky v systému M [kg/s] potřebné k: zisku celkového množství technické práce TM (WTM) pro požadovaný elektrický výkon za časovou jednotku = hmotnostní tok pracovní látky TO. odvodu tepla ze systému do okolí QO = hmotnostní tok „chladícího“ média kondenzátoru. přívodu tepla do QP v TZ = hmotnostní tok primární zdroje. Přednášky E1 - 2014

Hmotností bilance ideální účelové funkce systému TE Hmotnostní bilance systému vyjadřuje potřebné hmotnostní průtoky pro celkovou optimální hodnotu odebíraného elektrického výkonu – PEn. 2 WTM = PE,n = MTO,n(i2 – i3) [J/s = W = (kg/s). (J/kg)] Tepelný zdroj Tepelný motor QP,n = MTO,n(i2 – i1) 3 1 4 [J/s] = (kg/s). (J/kg)] Odvod tepla W14=i1 – i4 QO,n = MCH,n(i3 – i4) [J/s] = (kg/s). (J/kg)] Vstupní hodnota Přivedeného tepla musí pokryta ze strany PZ: QP,n= QPZ -- množství tepla v hmotnostní jednotce primárního zdroje - qPZ x potřebný hmotnostní průtok PZ - MPZ QP,n= MPZ.qPZ Přednášky E1 - 2014

Výpočet účelové funkce v poměrných hodnotách Výpočet účinnosti TE v poměrných jednotkách je často srozumitelnější způsob vyjádření účelové funkce vztažené na výrobní jednotku produkce systému při její optimální hodnotě. Jmenovitou jednotkou produkce je hodnota elektrické práce – Ws. S ohledem na vzájemnou provázanost výkonu a práce je možné vztáhnout účelovou funkci a hmotnostní bilanci na optimální = jmenovitý výkon - PEn. 2 mTO,n = MTO,n/ PE,n [kg/Ws = (kg/s)/W)] Tepelný zdroj Tepelný motor mTO,n= MTO,n/PE,n 3 [kg/s] = (kg/s)/W 1 4 Odvod tepla w14 = W14 /PE,n mCH,n= MCH,n/PE,n [kg/Ws] = (kg/s)/W] Přednášky E1 - 2014

Respektování ztrát TO Ztráty uvolněného tepla: qpel-qp Účinnost TZ: hTZ = qp/qpel Ztráty tepla v parovodech: q4-q4´= i4-i4´ Účinnost parovodů: hpot = q4/q4´ Ztráty tepelného spádu: i4-i5´ Termodynamická účinnost: hpot = q4/q5´=(i4-i5´)/(i4-i5´)= atpol/atiz Ztráty mechanické: atpol-atgen Mechanická účinnost: hm = atgen/atpol´ Ztráty vlivem vlastní spotřeby: PEgen- PE Účinnost vlast. spotřeby: hVS = PEgen/PE´ Přednášky E1 - 2014

Vliv změnu parametrů na RC oběh ia - pa, ta Přednášky E1 - 2014

Vliv změny parametrů páry na TO Přednášky E1 - 2014

Přehřátí páry na vysoké teploty - průměrná teplota páry se může zvýšit přídavkem tepla, aniž by se zvýšil tlak v v parogenerátoru a to přehřátím páry na vysoké teploty. Vyšrafovaná oblast = zvýšení čisté práce. Celková plocha pod provozní křivkou 3-3´ = zvýšení tepelného příkonu. Přehřátí páry na vyšší teplotu = zvýšení čisté práce i tepelného příkonu. S dodávaným teplem roste i průměrná teplota = zvýšení tepelné účinnosti. - snížení obsahu vlhkosti páry na výstupu z turbiny = suchost ve stavu 4´ vyšší než ve stavu 4. Přednášky E1 - 2014

Zvýšení tlaku v kotli – Nadkritické RC - moderní parní elektrárny provozují při nadkritických tlacích (P > 22,09 MPa) - provozní tlaky kotle se v průběhu let postupně zvyšovaly na dnešních 30 MPa (i více) - energetické výkony: nad 500 MW Přednášky E1 - 2014

Zvyšování účinnosti turbín Škoda Přednášky E1 - 2014

Voda jako ideální pracovní látka Přednášky E1 - 2014

Proč se nepoužívá CO ale RC Nízký podíl práce Potíže spojené s kompresí: složitá regulace pochodu kondenzace, aby se zastavil ve stavu 4 a potom provádět účinně kompresi velmi mokré páry. nehomogennita směsi = voda má tendenci oddělit se od páry velký objem mokré páry = velký kompresor, vysoké náklady Další neproveditelné záležitosti spojené s Carnotovým cyklem se mohou eliminovat pomocí přehřátí páry v parogenerátoru… Přednášky E1 - 2014

Respektování ztrát v TO Do reálných systému musíme při stanovení účelové funkce ještě zahrnout ztráty jednotlivých transformační schéma prostřednictvím tepla: QZ E PE =WE GEN TZ TM QP WTM QO ELEKTRÁRNA Transformační proces může být realizován jen prostřednictvím TO s odvodem tepla QO a ztrát QZ: musíme klasifikovat ztráty jednotlivých prvků transformačního systému Přednášky E1 - 2014

Zvýšení účinnosti RC - Carnotizace zvýšení průměrné teploty, při které se teplo převádí do pracovní látky v parogenerátoru snížení průměrné teploty, při které se teplo odevzdává z páry v kondenzátoru snížení odcházejících teplot z TO na teplotu okolí využití odcházejícího tepla do okolí k tepelné spotřebě Přednášky E1 - 2014

Přihřívání páry = Opakování nejúčinnější fáze dílčího RC oběhu páry 4 ( a ) ( p ) 6 G VT NT Kotel 5´ 7 ( e,k ) KO NČ 1 Napájecí nádrž KÈ Přednášky E1 - 2014

Změna tepelného schématu při použití přihřívání Oproti základnímu příkladu výpočtu RC oběhu se vlivem použití přihřívání páry tepelné schéma změní, protože je prováděno ještě jednou přehřívání páry (III), které se nazývá přihřívání. Význačnou změnou je, že TM je nyní složen ze dvou částí (dílů) a v TZ přibude ještě přihřívák páry, kde se provádí další izobarické přehřívání páry. qp2 at1 at2 6 7 5 Přednášky E1 - 2014

Zobrazení ideálního oběhu v i-s qp1 at1iz qp2 at2iz Oproti původnímu oběhu je nyní celkové přivedené teplo složeno ze dvou částí a zisk technické práce je složen také ze dvou částí, které vstupují do generátoru. Přednášky E1 - 2014

Hodnoty potřebné pro realizaci výpočtu Aby bylo možné provést výpočet musíme znát jednotlivé hodnoty do vztahu pro výpočtů účinnosti, tj. stavové veličiny pracovní látky v jednotlivých místech TO. Dále pak musíme znát hodnotu ztrát, pokud nebudeme počítat pouze ideální RC oběh, a hodnotu požadovaného PE. Stavové veličiny v průběhu oběhu pracovní látky dokážeme určit na základě znalosti parametrů v jednotlivých místech oběhu. Jediné parametry, které neznáme jsou v bodě 6, tj. stavy pracovní látky po první expanzi ve VT dílu TM. Přednášky E1 - 2014

Určení parametrů v bodě 6 Pro určení parametrů, vyjdeme z předpokladu, že pokud máme docílit zvýšení RC oběhu je nutné, aby účinnost nově přidané fáze (přihřívání) byla vyšší než účinnost ekvivalentního CO původního RC oběhu bez přihřívání. Pro zaručení této podmínky budeme požadovat, aby účinnost přidaného cyklu byla minimálně stejná nebo vyšší než účinnost ekvivalentního CO procesu III – přehřívání páry. Protože výstupní teplota dílčích ekvivalentních oběhů CO původního RC oběhu, ale i po přidání přihřívání, bude pořád stejná (daná teplotou v kondensátoru), a dá se předpokládat, že vyšší teplotu na výstupu z přihřiváku, než má teplota přehřáté páry nemůžeme získat (stejný TZ), lze stanovit na základě adiabatické expanze v NT dílu hodnotu tlaku v bodě 6, jestliže budeme požadovat minimální suchost páry x=0,9 a tím odečíst hodnotu entalpie. Přednášky E1 - 2014

Určení parametrů v bodě 6 Druhý TZ: dq=Tds T3-4 = T5-6 = dq/ds=di/ds=(i5 – i6 )/(s6 – s5) Neznámé hodnoty určíme z hodnoty průsečíku požadované vlhkosti páry na výstupu z NT a teploty v bodě 6. p5 i7 i6 i5 5 7 6 x = 0,9 te= 30 oC Přednášky E1 - 2014

Výpočet účinnosti s přihříváním Po určení parametrů už výpočet pokračuje úplně podle stejné metodiky jako při výpočtu RC oběhu bez přihřívání. Určí se hodnoty zisků práce a přivedeného pro stanovení ideální tepelné účinnosti at2iz qp2 qp1 at1iz Účinnost celé elektrárny: helt = hizt . htd. hm . hg . hpot . hTZ . hVS Přednášky E1 - 2014

Výpočet tepelného schématu Výpočtem se stanovuje ve schématu: A) Účinnost RC oběhu B) Hmotnostní tok pracovní látky TO [kg/s] Měrný hmotnostní tok pracovní látky TO [kg/Ws] C) Hmotnostní tok chladicí vody [kg/s] Měrný hmotnostní chladící vody [kg/Ws] D) Hmotnostní tok paliva [kg/s] Měrný hmotnostní tok paliva [kg/Ws] Základem je vždy řešení energetických bilancí Přednášky E1 - 2014

Výpočet hmotnostního toku pracovní látky TO Bilanční rovnice turbosoustrojí bez přihřívání Bilanční rovnice turbosoustrojí s přihříváním Přednášky E1 - 2014

Přihřívání (vysoušení) syté páry JE U jaderné elektrárny s tlakovodními reaktory není možné realizovat přihřívání páry stejným způsobem jako u klasických PE. Pára na výstupu z VT-dílu turbíny se nezavádí zpět do parogenerátoru, ale do separátoru, kde se mechanickou cestou odstraňují kapičky vody. Z mokré páry se na výstupu ze separátoru stává přibližně sytá pára bod A. Zvýšení teploty páry při konstantním tlaku Pp se provádí v přihříváku páry, který je ohříván odběrovou parou z VT-části turbíny - bod 6. Přednášky E1 - 2014

Přednášky E1 - 2014

Přihřívání pracovní látky u plynových oběhů Přednášky E1 - 2014