Bratu Carmen - Energetica Industriala - Universitatea Valahia

CALCULUL CIRCUITULUI TERMIC AL UNUI GRUP DE 200 MW PENTRU
FUNCŢIONAREA ÎN REGIM DE CONDENSAŢIE PURĂ ŞI ÎN REGIM DE
TERMOFICARE
Iosif(Bratu)ANY-MARY CARMEN
Universitatea Valahia, Facultatea Inginerie Electrică, Specializarea Energetică Industrială
carmen_bratu2008@yahoo.com
Lucrarea isi propune sa analizeze calcululul circuitului termic al unui grup de 200 MW pentru a
determina debitul de abur viu necesar obţinerii unei puteri electrice de 200MW la bornele
generatorului grupului. Rezultatele obţinute sunt necesare pentru determinarea performanţelor
grupului în regim de termoficare şi condensaţie
1. CIRCUITUL APA-ABUR LA O CENTRALA CONVENŢIONALA CU ABUR
O centrală termoelectrică (CTE), sau termocentrală este o centrală electrică care produce curent
electric pe baza conversiei energiei termice obţinută prin arderea combustibillilor. Curentul electric este
produs de generatoare electrice antrenate de turbine cu abur, turbine cu gaze, sau, mai rar, cu motoare
cu ardere internă.
După destinaţie, termocentralele se clasifică în: centrale termoelectrice (CTE), care produc în special
curent electric, căldura fiind un produs secundar si centrale electrice de termoficare (CET), care
produc în cogenerare atât curent electric, cât şi căldură, care iarna predomină. Cazanul, sau generatorul
de abur (GA), este un schimbator de caldură care transformă apa în abur la presiunea şi temperatura
necesară, cu ajutorul căldurii produse prin arderea combustibililor fosili.Procesul de obţinere a aburului
sau apei calde se realizează în cazane prin două transformări energetice succesive, respectiv ardere
chimică şi transfer de căldură. Energia chimică a combustibilului se transformă în căldură, în procesul
de ardere, rezultând gaze de ardere cu temperatură ridicată care transferă căldura apei, respectiv
aburului, prin intermediul suprafeţelor metalice ale ţevilor generatorului. Generatorul de abur este
alimentat continuu cu apă şi debitează în mod continuu apă caldă sau abur. Procesul de încălzire şi
vaporizare a apei se desfaşoară, practic, la presiune constantă (neglijând pierderile prin frecări
interioare). Spaţiul închis în care are loc arderea combustibilului, respectiv focarul, depinde esenţial de
combustibilul utilizat (cărbune, păcura sau gaze), ca şi de modul de ardere. Focarul poate fi cu
depresiune (cazul cel mai frecvent), cu suprapresiune, sau cu presiune ridicată. Circuitul apa – abur al
generatorului este format din sisteme de ţevi imersate în canalele de gaze de ardere. Din punct de
vedere funcţional se disting urmatoarele suprafeţe de transfer de caldură care intră în componenţa
acestui circuit: economizor, vaporizator, supraîncălzitor primar şi supraîncălzitor intermediar.
1

Economizorul (ECO) realizează creşterea de temperatură a apei de alimentare până la o valoare
apropiată de cea de saturaţie. Transferul de caldură între apă şi gazele de ardere este de tip convectiv.
Vaporizatorul (VAP) asigură trecerea apei din faza lichidă în cea de abur saturat. Transferul de caldură
se realizează preponderent prin radiaţie.
Supraîncălzitorul primar (SÎ) realizează supraîncălzirea aburului produs de către vaporizator până la
nivelul de temperatură dorit. Transferul de caldură se poate realiza atât convectiv, cât şi radiativ.
Supraîncălzitorul intermediar (SÎI) apare în cazul centralelor termoelectrice convenţionale şi asigură o
creştere a temperaturii aburului deja destins în corpul de înaltă presiune al turbinei.
. Din punct de vedere al modului în care se realizează circulaţia agentului apă – abur în interiorul
vaporizatorului, generatoarele de abur pot fi cu circulaţie naturală, cu circulaţie forţată multiplă sau cu
circulaţie forţată unică (fig.1.1).
Fig. 1.1 Circuitul apă – abur al generatorului de abur
a – cu circulaţie naturală; b – cu circulaţie forţată multiplă; c – cu circulaţie forţată unică
1 – economizor; 2 – vaporizator; 3 – supraîncălzitor; 4 – pompa de alimentare;
5 – tambur; 6 – purjă; 7 – pompa de circulaţie; 8 – butelie separatoare
2. STRUCTURA CIRCUITULUI TERMIC
Turbina cu abur este o maşină termică motoare, care transformă energia aburului în energie mecanică.
O turbină este formată din una sau mai multe trepte, fiecare având în compunere (Figura 2.1):
• o parte statorică, constituită dintr-un şir de canale fixe numite ajutaje;
• un arbore (rotor) pe care sunt dispuse palete.
2

Fig. 2.1 Elementele unei trepte D – diafragmă; A – ajutaj; P – paletă
Tabelul 1.1 prezintă principalele caracteristici tehnice pentru o serie de turbine cu abur existente în
centralele termoelectrice din România.
Tabelul 1.1 Principalele caracteristici tehnice ale unor turbine cu abur existente
în centralele termoelectrice din România
Principalii indicatori de performanţă ai unei turbine cu abur sunt puterea internă dezvoltată prin
destinderea aburului, respectiv randamentul intern.
Randamentul intern al turbinei reprezinta eficienţa cu care a fost utilizată căderea disponibilă de
entalpie. El ţine seama de toate categoriile de pierderi interne (din interiorul, respectiv exteriorul
treptelor de turbină), putând fi calculat cu relaţia:
unde:
η
h
− h
h1 este entalpia specifică a aburului la intrarea în turbină, în kJ/kg;
h2 - entalpia specifică a aburului la ieşirea din turbină, în kJ/kg;
1 2
i = (2.1)
h1
− h2t
3

h2 t – entalpia specifică teoretică la ieşirea din turbina, corespunzatoare unei destinderi izentropice, în
kJ/kg.
Caracteristica energetică a unei turbine reprezinta relaţia de dependenţă dintre debitul de abur sau
căldura intrată în turbină, pe de-o parte, şi puterea produsă la bornele generatorului electric, pe de alta
parte. Caracteristica energetică este deosebit de utilă în procesul de operare al centralelor electrice,
permiţând o predeterminare a regimurilor de funcţionare a turbinelor cu abur.
Din punct de vedere analitic, caracteristica energetică pentru o turbină cu condensaţie pură este data de
relaţia 2.2.
D = D0
+ P ⋅ tgα,
kg / s
(2.2)
[ ]
unde: D – este debitul de abur intrat în turbina, pentru un regim de funcţionare dat, kg/s;
D0 – debitul de mers în gol al turbinei, în kg/s;
P – puterea electrică produsă pentru un regim de funcţionare dat, în kg/s;
tgα – unghiul caracteristicii energetice (Figura 2.1).
Fig. 2.1. Reprezentarea grafică a caracteristicii energetice a unei turbine
cu abur cu condensaţie pură
Pompa de alimentare are urmatoarele roluri:
• De a prelua apa de alimentare din rezervorul degazorului şi de a o vehicula până în
generatorul de abur;
• De a asigura presiunea necesară pentru ciclul termodinamic care stă la baza funcţionării
grupului energetic.
Pompa de condens principal are rolul funcţional de a evacua condensul din condensator şi de a asigura
circulaţia acestuia până la degazor.
Condensatorul reprezintă sursa rece a ciclului termodinamic. În general este un schimbător de caldură
de suprafaţă care are în compunere fascicole de ţevi. Gazele dizolvate în apă, în special O2 si CO2
corodează sau favorizează coroziunea suprafeţelor interioare ale ţevilor din generatorul de abur. Este
necesară eliminarea lor prin degazarea apei de alimentare. Degazarea se poate face prin procedee
termice sau chimice.
4

3. CALCULUL CIRCUITULUI TERMIC AL GRUPULUI de 200 MW PENTRU REGIMUL
DE CONDENSAŢIE PURĂ
Schema termică de calcul corespunde grupului de 200 MW din cadrul CTE Doiceşti.
Schema se compune din următoarele echipamente:
• un cazan de abur cu străbatere forţată a apei, cu supraîncălzire intermediară, funcţionând pe
lignit (care este combustibilul de bază) şi păcură (care reprezintă combustibilul auxiliar);
• o turbină cu abur, cu condensaţie, formată dintr-un corp de înaltă presiune, unul de medie
presiune şi unul de joasă presiune în dublu flux, cu o singură linie de arbori. Răcirea grupului
se face în circuit închis cu ajutorul turnurilor de răcire;
• un condensator, care este un schimbător de căldură de suprafaţă, în care apa face două drumuri
(intrare-ieşire);
• circuitul regenerative are 8 trepte de preâncălzire şi anume:
5 PJP-uri;
un degazor;
2 PIP-uri care sunt dispuse pe două linii.
S-au considerat cunoscute următoarele date iniţiale:
• parametrii aburului viu la ieşirea din cazan: p0=175 bar, t0=540ºC;
• presiunea în camera treptei de reglaj CIP: p3=130 bar;
• presiunile la prizele regenerative: p4=41bar; p8=15bar; p9=7,2bar; p10=4,1bar; p11=2,5bar;
p13=1,3 bar; p14=0,58 bar; p15=0,17 bar;
• presiunea de condensaţie: p16=0,06 bar;
• presiunea apei de alimentare: p25=235 bar;
• presiunea condensatului principal: p17=12 bar;
• temperatura de supraîncălzire intermediară: t5=540ºC.
CAPACITATEA CALORICĂ PRIMITĂ LA CAZAN, PENTRU 1KG DE ABUR VIU este
qsp = [1] · (i0-i45) + ([1] – [ap8])(i6-i5) = [1](3394-1110,8) + ([1] – 0,1057)(3540-3078)
qsp = 2700,8 kJ/kg
RANDAMENTUL TERMIC AL CICLULUI : ŋt = lsp / qsp = 1240,54 / 2700,8 = 0,459
RANDAMENTUL ELECTRIC, BRUT: ŋt = ŋ + ŋM ·ŋG ·ŋcaz
randamentul motorului: ŋM = 0,995
randamentul generatorului: ŋG = 0,988
randamentul cazanului: ŋcaz = 0,89
ŋl = 0,459 · 0,995 · 0,998 · 0,89 = 0, 402
ENERGIA SPECIFICĂ: esp = lsp · ŋM · ŋG = 1240,54 · 0,995 · 0,988 = 1219,5 kJ/kg
CONSUMUL SPECIFIC DE ABUR VIU:dsp = 3600 / lsp = 3600 / 1219,5 = 2,952 kg/kWh
DEBITUL ABSOLUT DE ABUR VIU: Do = PB6 · dsp = 200 000 · 2,952 = 590, 400 kg/l = 590, 4 t/l
= 164 kg/s
5

4. CALCULUL SCHEMEI TERMICE PENTRU REGIMUL DE TERMOFICARE -
Se consideră:
• temperatura de retur: t49 = 70°C
• capacitatea calorică la presiune constantă a apei pe partea de apa de retea: cp = 4,2
kJ/(kg°C)
• debitul de apa intrat in turbină: D1 = 164 kg/s
PUTEREA ELECTRICǍ LA BORNELE GENERATORULUI: Pi=DI(i2-i4)+DIII(i7-i8)+DIV(i8i9)+DV(i9-i10)+DVI(i10-i11)+DVII(i12-i13)+DVIII(i13-i14)
+DIX(i14-i15)+DX(i15-i16)=178387 kW
Puterea electricǎ la bornele generatorului : PBG=Pi ·ηM ·ηG=178387·0,995·0,988 =175365 kW
PUTEREA TERMICǍ CEDATǍ ÎN TERMOFICARE QT= DRET(i52-i49) = 270(642,6-294)= 94122
kW
PUTEREA TERMICǍ PRIMITǍ LA CAZAN: Qcaz=D27(i0-i27)+(D27-DB3-Dp )(i6-i5)
8
i6=i7+Di6-7=3539,2+2,8=3542 kJ/kg ; i5=i4-Di4-5=3053,17-1,17=3052 kJ/kg
Qcaz=164(3394-1041)+(164-14,75-17,19)(3542-3052) = 450601,4 kW
RANDAMENTUL GLOBAL DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE ŞI TERMICE
PBG
+ QT
175365 + 94122
ηgl
= =
= 0,
532274
Q 450601,
4
caz
RANDAMENTUL DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE
ηel
=
Q
PBG
− Q
175365
=
⋅ 0,
89 = 0,
4378
450601,
4 − 94122
caz
T
p
INDICELE DE TERMOFICARE GLOBAL : y =
Q
BG
T
175365
= =1,86
94122
5. CONCLUZII
Dupǎ cum s-a putut observa din calculul termic atât în regimul de condensaţie purǎ cât şi în regimul
de termoficare se presupune cǎ în turbinǎ intrǎ acelaşi debit de abur viu. Astel în urma calculelor
termice făcute în cele două regimuri se trag următoarele concluzii:
• Extracţia de abur care este necesarǎ termoficǎrii duce la o scǎdere a puterii electrice la
bornele generatorului cu aproximativ 10 %.
• Din punctul de vedere al randamentelor interne pe zone de turbinǎ, acestea se menţin
aproximativ la celeaşi valori ca şi în regimul de condensaţie purǎ, cu excepţia acelora
care sunt situate în amonte de punctele de extracţie a aburului pentru termoficare, unde
scǎderea este mai accentuatǎ.
• Prin extracţia aburului pentru termoficare scade şi debitul de abur ajuns la condensator.
În condiţiile pǎstrǎrii debitului de apǎ de rǎcire şi a temperaturii de intrare a acesteia în
condensator va scǎdea şi presiunea de condensare. Se poate observa cǎ nu existǎ
probleme privind debitul de abur care trece prin coada de condensaţie.
6

BIBLIOGRAFIE
1. Athanasovici, V. – Utilizarea caldurii in industrie, Volumul 1-2, Editura Tehnica 1997.
2. Athanasovici, V. – Termoenergetica industriala si termoficare – Editura Didactica si
Pedagogica Bucuresti 1981
3. Balaurescu D.,Eremia M. – Compensarea factorului de putere in instalatii electrice, Editura
Tehnica , 1980
4. Golovanov, N., Sora, I.- Electrotermie şi electrotehnologii, Editura Tehnică Bucureşti, 1997-1999
5. Hazi, A. - Producerea energiei electrice şi termice – Notiţe de curs
6. Manualul de instalatii de incalzire, Editura Artecno, Bucuresti 2002.
7. Popescu,S. – Instalţii electrice pentru alimentarea consumatorilor, Editura Macarie, Târgovişte
1998.
7