PROMENA SNAGE KONVENCIONALNE TERMOELEKTRANE U ZAVISNOSTI OD LOKALNIH KLIMATSKIH FAKTORA COAL-FIRED POWER PLANT POWER OUTPUT VARIATION DUE TO LOCAL WEATHER CONDITIONS dr Slobodan V. Laković, mr Mirjana S. Laković*, Marko Cimbaljević, dipl. maš. inž. Mašinski fakultet Niš, A. Medvedeva 14, 18 Niš* e mail: lakovic@masfak.ni.ac.yu ABSTRACT Local weather conditions affect the natural water bodies and atmospheric air humidity and temperature. For the given thermal power plant configuration, cooling water temperature change generate changes in the condenser pressure. Those changes have great influence on the power output of the plant. This effect due to daily variations of the air humidity and temperature is even more marked for the close cycle cooling (with cooling towers). Having meteorological data for annual temperature change close to the referent plant, in this paper the condenser pressure dependence on the cooling water temperature is given. In virtue of those results, amount of generated power for the referent plant is determined, and compared with its value at plant designed parameters. It is shown that in the summertime river temperature can exceed ºC, and amount of generated power is significantly decreasing. Cooling water temperature (or air temperature as surrogat) influence on the plant energy efficiency is also shown in this paper. Key words: cooling water temperature, power output APSTRAKT: Klimatski činioci utiču na visinu temperature otvorenih vodotokova i vlažnost i temperaturu atmosferskog vazduha. Promena temperature rashladne vode izaziva pri zadatoj konfiguraciji TE promenu pritiska u kondenzatoru. Ovo sa svoje strane značajno utiče na visinu specifične potrošnje toplote TE. Ova pojava je zbog dnevnog kolebanja temperature i vlažnosti vazduha još izraženija kod povratno (rashladnim tornjem) hlađenog parnog bloka. Na osnovu meteoroloških podataka o jednogodišnjoj promeni temperature vode za reku Dunav, u radu treba dati promenu pritiska u kondenzatoru referentnog postrojenja u zavisnosti od temperature rashladne vode. Na osnovu ove veličine odrediti snagu i izvršiti upoređenje sa istom pri projektnim uslovima za posmatrani parni blok. Očekuje se da sniženje temperature rashladne vode ispod ºC malo utiče na snagu, a da se ista znatno smanjuje u letnjim mesecima kada temperatura može prevazići i ºC. Pokazati je da stanje atmosferskog vazduha (klimatski činioci) osetno utiču na energetsku efikasnost parnog bloka. Ključne reči: temperatura rashladne vode, snaga postrojenja
UVOD Parni blok radi u zatvorenom Rankinovom ciklusu čiji stepen iskorišćenja zavisi od širine temperaturnog područja u kojem se proces vrši. Stvarni stepen iskorišćenja postrojenja zavisi, osim od početnih parametara pare i od temperature predaje toplote spoljnoj okolini, odnosno temperature kondenzacije. Kod parnog bloka toplota se predaje rashladnoj vodi u kondenzatoru. Kondenzatori se projektuju za zadate projektne uslove. Pri promeni uslova rada kondenzatora radni parametri se značajno razlikuju od istih pri projektnim uslovima, pa se performanse kondenzatora bitno razlikuju od onih određenih projektnim uslovima. Na taj način, promena uslova rada kondenzatora, znatno više nego što na prvi pogled izgleda, utiče na performanse čitavog postrojenja. Dakle, uslovi rada parnog bloka, u smislu postizanja zadatog opterećenja i specifične potrošnje tolpote, značajno se razlikuju u zimskom i letnjem periodu godine. Ovo se pre svega ogleda u uticaju promene temperature rashladne vode kondenzatora u odnosu na projektnu temperaturu, jednaku srednjoj godišnjoj temperaturi vode toka kojim se hlađenje vrši. Porast temperature rashladne vode uslovljava smanjenje energetske efikasnosti i snage parnih blokova (prema podacima iz literature, 3. godine u Nemačkoj je proizvodnja električne energije u letnjim mesecima zbog porasta temperature rashladne vode smanjena za 18%). Problem se još oštrije postavlja kod postrojenja sa povratnim hlađenjem, u odnosu na protočno hlađenje. POSTAVKA ZADATKA U ovom radu zadatak je da se pokaže uticaj temperature rashladne vode kondenzatora na promenu snage postrojenja, te je za taj deo proračuna usvojen konstantan pritisak u kondenzatoru, kako bi se ovaj uticaj što očiglednije prikazao. Konstantan pritisak u kondenzatoru može da se održi regulacijom protoka rashladne vode. Ovakva postavka zadatka uslovljena je pre svega potrebom da se u letnjim mesecima ispravnim vođenjem procesa u postrojenju postigne zadovoljavajuća snaga, imajući u vidu sve veću potrošnju uređaja za hlađenje u toplijem delu godine. Razmatran je pojednostavljen model termoenergetskog postrojenja sa pregrevanjem pare. Radi jednostavnosti razmatranja, sistem za regeneraciju toplote, koji se kod realnih postrojenja sastoji od 3-6 zagrejača visokog pritiska i 1-3 zagrejača niskog pritiska, u ovom primeru je predstavljen jednim površinskim zagrejačem visokog pritiska (RTVP) i jednim zagrejačem sa mešanjem niskog pritiska (RTNP), bez nekog značajnog gubitka u verodostojnosti očekivanog ponašanja ciklusa. Sistem je kaskadnog tipa. Šema razmatranog postrojenja data je na Slici 1. Matematički model za simulaciju rada turboagregata zasniva se na jednačinama masenog i energetskog bilansa. U praksi je uobičajeno da se kompleksne šeme dele na funkcionalne grupe, često nazivane moduli, elementi, komponente. Termodinamički ciklus se praktično ostvaruje spajanjem određenog broja komponenti kao što su kotao, turbina, izmenjivači toplote, pumpe, kondenzator i slično. Matematički posmatrano, komponenta je predstavljena skupom jednačina, neophodnih za opisivanje njenog ponašanja, koje daju vezu između ulaznih i izlaznih veličina. Elementarne bilansne jednačine su: Jednačina masenog bilansa: n i= 1 i = m (1)
Jednačina energetskog bilansa: Jednačine bilansa pritiska: n n n m ii Pi + Qi = i= 1 i= 1 p i = i= 1 (3) Funkcionalne jednačine koje opisuju ponašanje komponente; Jednačine koje omogućavaju uvođenje u proračun graničnih uslova kao što su parametri pare na ulazu u turbinu, pritisci oduzimanja, pritisak kondenzacije i td. Matematički model kondenzatora se zasniva na jednačini prenosa toplote i jednačinama masenog i energetskog bilansa. (2) Slika1: Model postrojenja koje radi po Rankinovom ciklusu KLIMATSKI FAKTORI KOJI UTIČU NA RAD POSTROJENJA Klimatski činioci utiču na visinu temperature otvorenih vodotokova i vlažnost i temperaturu atmosferskog vazduha. Promena temperature rashladne vode izaziva pri zadatoj konfiguraciji TE promenu pritiska u kondenzatoru. Ovo sa svoje strane značajno utiče na visinu specifične potrošnje toplote TE. Ova pojava je zbog dnevnog kolebanja temperature i vlažnosti vazduha još izraženija kod povratno (rashladnim tornjem) hlađenog parnog bloka. U ovom radu razmatrano je postrojenje sa protočnim sistemom hlađenja kondenzatora. Pošto su uvedena napred navedena uprošćenja šeme realnog postrojenja Kostolac B, za područje u kome se dato postrojenje nalazi dobijeni su meteorološki podaci promene temperature i vlažnosti vazduha, kao i ostali klimatski činioci za period od do 5. godine. Ovi podaci su zatim obradjeni, i ono što je nama bilo od interesa jeste promena temperature vazduha i vodotoka kojim se hlađenje kondenzatora vrši. Takođe, od interesa su pre svega topliji meseci, imajući u vidu sve napred rečeno. Na Slici 2. prikazana je promena
srednje dnevne temperature vazduha za Veliko Gradište u periodu -5 godine, dobijena na osnovu meteoroloških merenja. 35 3 Temperatura vazduha ( C) 5-5 Mar- Jun- Sep- Dec- Mar-1 Jun-1 Sep-1 Dec-1 Mar-2 Jun-2 Sep-2 Dec-2 Mar-3 Jun-3 Sep-3 Dec-3 Mar-4 Jun-4 Sep-4 Dec-4 Mar-5 Jun-5 Sep-5 - -5 - Slika 2. Veliko Gradište - Srednja dnevna promena temperature vazduha za period -5 Na slici 3. prikazana je jednogodišnja promena srednje dnevne temperature za 5. godinu. Može se smatrati da je temperatura vodotoka jednaka srednjoj temperaturi vazduha prethodnog dana, pa nam u tom smislu ovaj dijagram pokazuje i jednogodišnju promenu temperature rashladne vode za dato postrojenje. 3 5 1/2/5-5 /2/5 1/3/5 /3/5 29/3/5 12/4/5 26/4/5 /5/5 24/5/5 7/6/5 21/6/5 5/7/5 19/7/5 2/8/5 16/8/5 3/8/5 13/9/5 27/9/5 11//5 //5 - Februar-Novembar 5 Slika 2. Veliko Gradište - Srednja godišnja promena temperature vazduha za period - 5 Za najtoplije mesece (jun, jul, avgust) promena srednje dnevne temperature data je na slici 3. Ove temperature rashladne vode su dalje korišćene u proračunu, radi verodostojnosti dobijenih rezultata.
3 Jul 5 1/7/5 3/7/5 5/7/5 7/7/5 9/7/5 11/7/5 13/7/5 /7/5 17/7/5 19/7/5 21/7/5 23/7/5 /7/5 27/7/5 29/7/5 31/7/5 3 Avgust 5 1/8/5 3/8/5 5/8/5 7/8/5 9/8/5 11/8/5 13/8/5 /8/5 17/8/5 19/8/5 21/8/5 23/8/5 /8/5 27/8/5 29/8/5 31/8/5 Slika 3. Srednje dnevne temperature najtoplijih meseci u godini PRIKAZ I ANALIZA REZULTATA PRORAČUNA Na osnovu postavljenog fizičkog i matematičkog modela postrojenja, opisanog u prethodnom poglavlju rada, urađena je simulacija rada referentnog postrojenja. Za simulaciju je korišćen modifikovani postojeći softver pod nazivom TEKoB. Kada u letnjem periodu godine raste temperatura rashladne vode, usled smanjenja srednje temperaturne razlike u kondenzatoru dolazi do pada toplotnog kapaciteta kondenzatora. Zbog toga je radi postizanja zadatog opterećanja kondenzatora neophodno povisiti pritisak u kondenzatoru. Na taj način se povećava kapacitet kondenzatora, kao i protok pare kroz isti, pa je moguće vraćanje snage na zadati nivo. Sa povećanjem pritiska, međutim, dolazi do porasta specifične potrošnje toplote, pa postrojenje radi u energetski ekstenzivnijem režimu, sa značajnim smanjenjem efikasnosti. Na slici 4. data je zavisnost pritiska kondenzacije od temperature i protoka rashladne vode. Da bismo jasnije pokazali uticaj promene temperature rashladne vode na snagu postrojenja, pritisak kondenzacije smatraćemo konstantnim. Ovakvo održanje pritiska u kondenzatoru u realnom postrojenju bi bilo moguće regulacijom protoka rashladne vode u dovoljno širokom opsegu.
Na slici 4. prikazana je promena izlazne snage postrojenja pri promeni temperature rashladne vode, za projektni pritisak u kondenzatoru..7.6 Condensing pressure [bar].5.4.3.2 Ste.1 2 4 6 8 12 14 16 18 22 24 26 28 3 32 CW temperature [degc] 34 36 38 4 42 44 3 Steam flow rate 5 through the condenser [kg/s] Slika 4. Zavisnost pritiska kondenzacije od temperature rashladne vode U skladu sa napred rečenim, snaga postrojenja opada sa porastom temperature rashladne vode. Ovo je značajno saznanje posebno u letnjim mesecima, kada sa jedne strane raste potrošnja električne energije usled sve raširenije upotrebe rashladnih uređaja u domaćinstvima, dok sa druge strane zbog porasta temperature rashladne vode opada snaga proizvedena u elektranama. 16 14 Snaga postrojenja [MW] 1 8 6 4 6 8 12 14 16 18 22 24 26 28 Temperatura rashladne vode [ o C] Slika 4. Zavisnost snage od temperature rashladne vode
ZAKLJUČAK Uslovi rada parnog bloka, u smislu postizanja zadatog opterećenja i specifične potrošnje tolpote, značajno se razlikuju u zimskom i letnjem periodu godine, što se pre svega ogleda u uticaju promene temperature rashladne vode u odnosu na projektnu temperaturu, jednaku srednjoj godišnjoj temperaturi vode toka kojim se hlađenje vrši. Porast temperature rashladne vode uslovljava smanjenje energetske efikasnosti i snage parnih blokova, pa čak dovodi i do isključivanja pojedinih agregata iz pogona. Problem se još oštrije postavlja kod postrojenja sa povratnim hlađenjem, u odnosu na protočno hlađenje. Sve izraženije klimatske promene, očekivano će dovesti do promene meteoroloških, hidroloških i ekoloških režima od kojih zavisi rad rashladnih sistema termoelektrana. Privreda se mora prilagoditi klimatskim promenama sa ciljem maksimalnog poboljšanja performansi rashladnog sistema i na taj način kapaciteta, efikasnosti i produkcije energije kako konvencionalnih termoelektrana tako i nuklearnih elektrana. REFERENCE [1] L.D. Berman, Evaporative Cooling of Circulation Water, Pergamon, London, 1961 [2] Kromhout J., Pechti P., Goudappel E. Economic optimization of the cooling water flow of a 54 MW coal fired powerplant using termodynamic simulation, Powergen Conference, Madrid 1997 [3] Truhnii A.D, Losev S.M, Stationary steam turbines, Energoizdat, Moscow, 1981. [4] Živković D., Mitrović D., Živković P., Calculation of the steam parameters using IAPWS-IF97 method, Process technics 2-3, Belgrade, 4, p. 195-198 [5] Goudappel E., Power plant hot and cold end optimization, VDI conference, Stuttgart, Germany, 3 [6] Putman R., Harpster J.,The economics effects of condenser backpressure on heat rate, condensate subcooling and feedwater dissolved oxygen, International Joint Power Generation Conference, Miami Beach, Florida,.