Spis treści
Podstawowe oznaczenia .
ROZDZIAŁ 1. Wprowadzenie
ROZDZIAŁ 2. Podstawy termodynamiczne analizy silników hierarchicznych .
2.1. Temperatury u rednione entropowo .
16
2.2. Bilans energii i egzergii hierarchicznego silnika j-obiegowego . . . 19
ROZDZIAŁ 3. Metodyka termodynamicznej i ekonomicznej analizy hierarchicznych, dwuobiegowych gazowo-gazowych elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym 23
3.1. Wprowadzenie
3.2. Wybrane zagadnienia optymalizacji obiegu Joule’a
3.2.1. Ustalenie zwi zków pomi dzy ci nieniami gwarantuj cymi maksymaln sprawno energetyczn obiegu Joule’a z dwustopniowym rozpr aniem i dwustopniowym spr aniem
3.2.2. Metodyka doboru optymalnych parametrów termicznych czynnika obiegowego w poszczególnych punktach obiegu Joule’a
3.2.3. Wyniki oblicze termodynamicznych
3.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej i ciep a
3.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
ROZDZIAŁ 4. Termodynamiczna i ekonomiczna analiza hierarchicznych gazowo-gazowych elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym
30
4.1. Wprowadzenie .
4.2. Wyniki oblicze termodynamicznych .
4.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej i ciep a
4.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
ROZDZIAŁ 5. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej z elektrownią gazowo-parową z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym
5.1. Wprowadzenie
5.2. Analiza termodynamiczna elektrowni w technologii gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem j drowym, helem oraz wod i par jako czynnikami obiegowymi
5.2.1. Analiza termodynamiczna cz ci gazowej elektrowni gazowo-parowej
5.2.2. Analiza termodynamiczna cz ci parowej elektrowni gazowo-parowej z reaktorem HTGR
5.2.3. Analiza termodynamiczna cz ci parowej konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej
5.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej w elektrowniach gazowo-parowych z reaktorem HTGR i konwencjonalnych
5.3.1. Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej w elektrowni gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem j drowym
5.3.2. Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej w konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej
5.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
ROZDZIAŁ 6. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna konwencjonalnej elektrociepłowni gazowo-parowej z elektrociepłownią gazowo-parową z wysokotemperaturowym reaktorem jądrowym
6.1. Wprowadzenie
6.2. Analizy termodynamiczna i ekonomiczna wp ywu obj to ci akumulatora ciep a na jednostkowy koszt produkcji ciep a w elektrociep owni gazowo-parowej
6.2.1. Wprowadzenie
6.2.2. Analiza termodynamiczna stosowania akumulatorów ciep a w elektrociep owniach
6.2.3. Analiza ekonomiczna stosowania akumulatorów ciep a w elektrociep owniach
6.2.4. Wyniki przyk adowych oblicze
6.2.5. Podsumowanie i wnioski ko cowe
6.3. Analiza termodynamiczna elektrociep owni w technologii gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem j drowym i helem oraz wod i par jako czynnikami obiegowymi
6.3.1. Analiza termodynamiczna cz ci gazowej elektrociep owni gazowo-parowej
148
6.3.2. Analiza termodynamiczna cz ci parowej elektrociep owni gazowo-parowej z reaktorem HTGR . . . 151
6.4. Analiza ekonomiczna jednostkowych kosztów produkcji ciep a w elektrociep owniach zmody kowanej i konwencjonalnej
6.4.1. Jednostkowy koszt produkcji ciep a w elektrociep owni gazowo-parowej z wysokotemperaturowym reaktorem j drowym
6.4.2. Jednostkowy koszt produkcji ciep a w konwencjonalnej elektrociep owni gazowo-parowej
6.5. Podsumowanie i wnioski ko cowe
Rozdział 7. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z reaktorami SMR i HTGR
7.1. Wprowadzenie
7.2. Wyniki oblicze termodynamicznych i ekonomicznych
7.2.1. Analiza termodynamiczna elektrowni z ci nieniowym reaktorem wodnym SMR . . .
7.2.2. Analiza porównawcza efektywno ci ekonomicznej elektrowni z reaktorami HTGR i SMR
7.3. Analiza termodynamiczna i ekonomiczna elektrociep owni z ci nieniowym reaktorem wodnym SMR
7.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
167
167
187
205
208
215
Bibliografia
Metodyka termodynamicznej
i ekonomicznej analizy hierarchicznych, dwuobiegowych gazowo-gazowych elektrowni i elektrociepłowni jądrowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym
Spis treści
3.1. Wprowadzenie
3.2. Wybrane zagadnienia optymalizacji obiegu Joule’a
23
30
3.2.1. Ustalenie związków pomiędzy ciśnieniami gwarantującymi maksymalną sprawność energetyczną obiegu Joule’a z dwustopniowym rozprężaniem i dwustopniowym sprężaniem
3.1. Wprowadzenie
30
3.2.2. Metodyka doboru optymalnych parametrów termicznych czynnika obiegowego w poszczególnych punktach obiegu Joule’a
3.2.3. Wyniki obliczeń termodynamicznych . .
3.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej i ciepła .
33
39
50
3.4. Podsumowanie i wnioski końcowe . . . 53
Celem rozdzia u jest przedstawienie analizy termodynamicznej i ekonomicznej innowacyjnych elektrowni i elektrociep owni j drowych – rysunki 3.1, 3.4, 3.6 i 3.9 – w których realizowane s w uk adzie hierarchicznym dwa obiegi Joule’a [10, 11, 12] – jeden w zakresie temperatur wysokich, drugi niskich.
Stosowanie w hierarchicznych uk adach gazowo-gazowych wysokotemperaturowych reaktorów HTGR i helu jako czynnika obiegowego pozwala istotnie zmniejszy koszty ich dzia ania w porównaniu z hierarchicznymi uk adami gazowo-gazowymi wykorzystuj cymi turbiny gazowe. Wynika to z u ycia helu, który ma bardzo dobre w a ciwo ci odprowadzania ciep a w porównaniu ze spalinami i powietrzem, które s czynnikami obiegowymi w uk adach z turbinami gazowymi. Pojemno cieplna w a ciwa helu przy sta ym ci nieniu wynosi bowiem cp, He 5,234 kJ/(kg K), natomiast dla spalin w turbinie gazowej jest w przybli eniu równa pojemno ci cieplnej powietrza i wynosi zaledwie cp, sp cp, pow 1,0 kJ/(kg K).
ROZDZIAŁ 3. Metodyka termodynamicznej i ekonomicznej analizy hierarchicznych, …
Pojemno cieplna helu jest zatem 5 razy wi ksza. Dzi ki temu strumie masy helu w uk adach z turboekspanderami „helowymi” – rysunki 3.1, 3.4, 3.6, 3.9 – przy takich samych mocach jak uk adów z turbin gazow i niskotemperaturowym turboekspanderem „powietrznym” jest ponad 5 razy mniejszy. Tym samym i gabaryty turboekspanderów „helowych” (oraz wszystkich pozosta ych maszyn i urz dze ) s wielokrotnie mniejsze od gabarytów turbiny gazowej i niskotemperaturowego turboekspandera „powietrznego”, co przek ada si na mniejsze jednostkowe (na jednostk mocy) nak ady inwestycyjne na elektrownie, których schematy przedstawiono na wspomnianych rysunkach. Nak ady te w jeszcze wi kszym stopniu s mniejsze od nak adów na konwencjonalne, tj. jednoobiegowe, elektrownie j drowe, w których realizowany jest obieg Clausiusa–Rankine’a. Nale y przy tym dodatkowo bardzo mocno zaznaczy , e hierarchiczny uk ad gazowo-gazowy nie wymaga wody, co jest ogromn jego zalet , a zatem mo na go budowa na terenach, gdzie jej nie ma. „Odpadaj ” zatem, co szalenie wa ne, bardzo istotne problemy zwi zane z gospodark wodn , które maj miejsce w elektrowniach Clausiusa–Rankine’a, i dotycz ce tego koszty eksploatacyjne. W konsekwencji obok istotnie mniejszych nak adów inwestycyjnych i koszty eksploatacji gazowo-gazowej elektrowni j drowej s istotnie mniejsze. Tym samym tak e jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej jest w tym przypadku równie znacz co mniejszy. Nale y równie zaznaczy , e reaktory helowe s strukturalnie bezpieczne. Na przyk ad, w przypadku awarii reaktora nie wyst pi problem wybuchu wodoru powstaj cego w procesie radiolizy wody w reaktorach ch odzonych nie helem, a wod
W rozdziale przeanalizowano 4 uk ady gazowo-gazowe, których schematy s przedstawione na rysunkach 3.1, 3.4, 3.6 i 3.9. Uk ady te w praktyce wyczerpuj wszystkie mo liwe warianty elektrowni i elektrociep owni j drowych z wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym. Wszelkie bowiem ich modyfikacje, na przyk ad przez zastosowanie regeneracji ciep a w obiegu Joule’a turboekspandera niskotemperaturowego, którego moc jest relatywnie ma a w porównaniu z turboekspanderem wysokotemperaturowym, nie ma uzasadnienia termodynamicznego i przede wszystkim ekonomicznego [10, 11].
Wariant I uk ad z dwoma reaktorami HTGR i z regeneracyjnym wymiennikiem ciep a R oraz ch odnic mi dzystopniow Ch – rysunki 3.1 i 3.2.
Obieg Joule’a turboekspandera niskotemperaturowego z jednostopniowym rozpr aniem i jednostopniowym spr aniem przedstawiono na rysunku 3.3.
Wariant II uk ad z dwoma reaktorami HTGR bez regeneracyjnego wymiennika ciep a – rysunki 3.4 i 3.5.
Rysunek 3.1. Schemat ideowy hierarchicznej gazowo-gazowej elektrociep owni i elektrowni j drowej z dwoma wysokotemperaturowymi reaktorami i helem jako czynnikiem obiegowym (w obiegu wysokotemperaturowym ma miejsce dwustopniowe rozpr anie i dwustopniowe spr anie; w obiegu niskotemperaturowym zachodzi jednostopniowe rozpr anie i jednostopniowe spranie): C – wymiennik ciep owniczy; CHP – dwustopniowa spr arka wysokoci nieniowa z ch odnic mi dzystopniow Ch; CLP – spr arka niskoci nieniowa; G – generator elektryczny; HTGR – wysokotemperaturowy reaktor j drowy ch odzony helem; H – wymiennik ciep a; R – regeneracyjny wymiennik ciep a; TEw, TEn – turboekspandery wysoko- i niskoci nieniowy (w przypadku elektrowni strumie ciep a Qc jest wyprowadzany nie do sieci ciep owniczej, a do otoczenia)
Rysunek 3.2. Obieg Joule’a turboekspandera wysokotemperaturowego z dwustopniowym rozpr aniem i dwustopniowym spr aniem oraz z regeneracj ciep a (ciep o regeneracji obrazuj pola pod izobarami, przy czym pole A-3-3R-B równa si polu C-7R-7-D)
5.3. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej w elektrowniach…
Tabela 5.1. Dane techniczno-ekonomiczne konwencjonalnej elektrowni gazowo-parowej z turbin gazow M701G
Konwencjonalna elektrownia gazowo-parowa typu M701G Jednostki Dane techniczne i ekonomiczne
Szacunkowe nak ady inwestycyjnemln PLN969,94
Turbozespó gazowy moc elektrycznaMWe 334,00 stopie spr ania–21,0 strumie spalinkg/s737,10 temperatura spalin wlotowych°C1500 temperatura spalin wylotowych°C587 sprawno elektryczna%39,50
Elektrownia gazowo-parowa strumie paliwa gazowego (turbina gazowa) MWt 845,570 kg/s17,52 m3 n /h 86973 moc elektryczna turbozespo u parowego brutto MWe 176,14
ca kowita moc elektryczna bruttoMWe 510,14 czas pracyh/a8000
Ca kowite zu ycie gazu mln m3 n /a 695,78
Ca kowita roczna produkcja energii elektrycznej nettoMWh/a3917852
Koszty roczne, sta e koszt kapita owy (zwrot od kapita u)mln PLN/a68,16 remonty i serwismln PLN/a29,10 koszt p acmln PLN/a2,16
Koszty roczne, zmienne koszt paliwamln PLN/a1836,87 koszt zakupu pozwole na emisj CO2 mln PLN/a535,75 koszt za gospodarcze korzystanie ze rodowiska mln PLN/a1,00
Koszt produkcji energii elektrycznejmln PLN/a2473,04
Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej k el PLN/MWh631
Jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej k el,amort PLN/MWh614
Przyj te za o enia stopa oprocentowania kapita u inwestycyjnego
%/a3,0 kalkulacyjny okres eksploatacjilata20 okres trwania budowylata2 warto opa owaMJ/kg48,28 gazu ziemnego
MJ/m3 n 35,00 g sto gazu
kg/m3 n 0,725 cena gazu
USD/m3 n 0,600 ziemnego
PLN/m3 n 2,64 jednostkowa cena gazuPLN/GJ75,43 emisja CO2 w wyniku spalania gazukg/GJ55
ROZDZIAŁ 7. Porównawcze analizy termodynamiczna i ekonomiczna elektrowni…
7.3. Analiza termodynamiczna i ekonomiczna elektrociepłowni z ciśnieniowym reaktorem wodnym SMR
Równie wa ne jak elektrownie, a nawet wa niejsze, s elektrociep ownie z reaktorami SMR – rysunek 7.29. Realizowana w nich skojarzona gospodarka cieplno-elektryczna umo liwia bowiem istotne oszcz dno ci paliwa j drowego.
Aby obci enia cieplne i elektryczne elektrociep owni mog y zmienia si , co bardzo istotne, niezale nie od siebie, na dop ywie pary do cz ci niskopr nej
NP turbiny upustowo-kondensacyjnej zastosowano zawór ZR reguluj cy strumie przep ywaj cej przez ni pary – rysunek 7.29.
Reaktor jądrowy
Rysunek 7.29. Schemat ideowy ma ej, modu owej, j drowej elektrociep owni parowej z cinieniowym reaktorem wodnym SMR: G – generator elektryczny; NP cz niskopr na upustowo-kondensacyjnej turbiny parowej; WP cz wysokopr na turbiny; O – odwadniacz; OC – oddzielacz cieczy; P – pompy cyrkulacyjne; PM – przegrzewacz mi dzystopniowy; WC – wymiennik ciep owniczy; ZR – zawór regulacyjny; ZS – zbiornik skroplin; 1–9 – punkty uk adu, w których podaje si parametry termodynamiczne czynnika obiegowego
Analiz termodynamiczn elektrowni z reaktorem SMR przeprowadzono w punkcie 7.2.1. W przypadku elektrociep owni równanie (7.7) z tego podrozdzia u przyjmuje posta równania (7.27), a strumie masy 2 pary grzejnej
doprowadzany do wymiennika ciep owniczego WC, w którym podgrzewana jest woda sieciowa zgodnie z rocznym, uporz dkowanym wykresem sumarycznego zapotrzebowania na komunaln moc ciepln Q c – rysunek 6.3 – wynika z bilansu energii WC dla za o onej warto ci entalpi i9:
2 29 Δ Qc m ii , (7.26)
gdzie:
i 9 – entalpia w a ciwa wody wylotowej z wymiennika ciep owniczego WC (w obliczeniach przyj to, e jej temperatura jest o jeden stopie ni sza od temperatury nasycenia pary o ci nieniu p2 – rysunek 7.2; w analizach przyj to p2 0,3 MPa, dla którego temperatura nasycenia wynosi ts 133,5°C). W przypadku elektrowni strumie 2 wyznacza si z wykorzystaniem równa (7.2), (7.3), (7.6) i (7.7) dla za o onej warto ci entalpi w a ciwej wody i7. Natomiast w przypadku elektrociep owni entalpia i7 nie jest zak adana, a jest obliczana z bilansu energii zbiornika skroplin ZS – rysunek 7.29 (por. z równaniem (7.7); na rys. 7.34 przedstawiono temperatur t7 wody wylotowej ze ZS):
()()() 2912221112257 111 ixiixii . (7.27)
W konsekwencji nowych równa (7.26) i (7.27) oraz zmian mocy Q c – rysunek 6.3 – zmianie ulegaj w porównaniu z elektrowni warto ci strumieni mas , 1, 2 , SMR wch m oraz moc elektryczna elektrociep owni SMRNel rysunki 7.30–7.33. I tak na przyk ad, dla mocy cieplnej wymiennika ciep owniczego równej
Q c z r maxQc 110 MW (jest to rednia moc cieplna, z jak pracuje elektrociep ownia przez ca y sezon grzewczy – rys. 6.3) strumienie te i moc elektryczna wynosz : 401,84 kg/s, 1 35,39 kg/s, 2 58,57 kg/s, SMR wch m 1712 kg/s, SMR Nelzśr 281,97 MW (moc SMRNel oczywi cie maleje ze wzrostem mocy Q c i je li Q c maxQc 440 MW, to SMRNel 263,32 MW, a wówczas 408,57 kg/s, 1 30,05 kg/s, 2 117,14 kg/s, SMR wch m 1737 kg/s rys. 7.30–7.33). Poza sezonem grzewczym, tj. gdy moc cieplna elektrociep owni równa si Q l cwu 15 MW, a wi c gdy elektrociep ownia dostarcza wy cznie ciep o na potrzeby ciep ej wody u ytkowej, jej moc elektryczna równa si , SMR Nelcwu 312,9 MW. Dla elektrowni natomiast warto ci te wynosz [1]: 445,8 kg/s, 1 39,87 kg/s, 2 59,09 kg/s, SMR wch m 1871 kg/s, SMRNel 315,17 MW. Oczywi cie przyj ta do oblicze moc cieplna reaktora SMR jest zarówno dla elektrowni, jak i elektrociep owni taka sama i wynosi Q SMR 1000 MW.