Producerea energiei electrice si termice din combustibili fosili

CUVANT INAINTE

In Romania (ca si pe plan mondial) cea mai mare parte din energia electrica (circa 2/3) este produsa in centrale electrice, cu ciclu termodinamic, care utilizeaza combustibilii fosili drept sursa de energie primara. Acest sector se confrunta la ora actuala cu o serie de probleme:

- Instalatiile existente au un grad ridicat de uzura fizica si morala, conducand la eficiente reduse de conversie a energiei primare.
- Accesul la resursele de combustibil este limitat iar pretul combustibililor este in continua crestere.
- Impactul ecologic negativ al functionarii acestor instalatii este ridicat, depasind standardele impuse de Uniunea Europeana.

Cele de mai sus conduc la concluzia ca este necesara o regandire a tehnologiilor din sectorul producerii energiei. Modernizarea centralelor electrice pe combustibili fosili nu se poate face fara folosirea celor mai moderne tipuri de instalatii si cicluri termodinamice, care sunt deja utilizate in mod curent pe plan mondial (si nu numai in tarile dezvoltate economic).

Cartea cuprinde notiuni privind o serie de tehnologii de utilizare a combustibililor fosili in scopul producerii de energie electrica. Sunt tratate cu precadere acele filiere energetice, mature din punct de vedere tehnic si comercial, utilizate pe scara larga in centralele electrice. Lucrarea are un caracter preponderant descriptiv, punandu-se accentul pe intelegerea notiunilor de baza care stau la baza tehnologiile analizate.

In lucrarea de fata se face o trecere in revista a a celor mai importante filiere energetice bazate pe utilizarea combustibililor fosili: centrale conventionale cu abur, instalatii de turbine cu gaze, cicluri combinate gaze-abur, motoare termice.

Pe plan mondial, aceste filiere energetice se caracterizeaza prin performante tehnice, economice si ecologice deosebite. Cercetarile efectuate, la care au participat atat mari institute si universitati, cat si importanti producatori de echipamente (General Electric, Siemens, Alstom etc.) au adus rapid in stadiul comercial solutii care se aflau inca, in urma cu cativa ani, in stadiul de pilot industrial. Dintre rezultatele acestei dezvoltari amintim ca randamentul electric net a atins 45% in cazul unei centrale conventionale cu abur, respectiv 63% in cazul unui ciclu combinat gaze - abur. Aceste valori pareau de neatins in urma cu 10-15 ani.

Lucrarea de fata vine sa umple un gol in literatura tehnica romaneasca. Autorii au depus un efort deosebit de „racordare“ a pregatirii tehnice a inginerilor din domeniu la realizarile din tarile avansate si la cerintele pietei romanesti de energie si de echipamente energetice.

Lucrarea se adreseaza atat absolventilor unor facultati de inginerie, care doresc sa isi perfectioneze si sa isi aduca la zi cunostintele profesionale, cat si studentilor de la cursurile de ingineri din ciclurile II si III. Dupa parcurgerea si intelegerea acestei lucrari, cititorii vor putea sa raspunda singuri la o serie de intrebari, cum ar fi:

- Ce concepte vor guverna dezvoltarea sectorului producerii energiei?
- Care este stadiul pe plan mondial in domeniul centralelor termoelectrice pe combustibili fosili si ce tendinte se manifesta?
- Ce tipuri de combustibili se pot utiliza in diferitele tehnologii?
- Care sunt filierele de conversie termodinamica dezirabile, pe termen mediu si lung, in functie de tipul de combustibil, marimea puterii electrice, tipul de energie utila etc.?
- Ce consecinte ecologice va avea penetrarea acestor tehnologii?
- Ce caracteristici tehnice si economice sunt mai avantajoase pentru centralele electrice cu ciclu termodinamic functionand in regim de baza - semibaza? Dar pentru cele de semivarf si varf?

CUPRINS

1. Dezvoltarea producerii energiei electrice 1
1.1. Conceptia producerii energiei electrice 1
1.2. Surse de energie primara 1
1.3. Situatia energetica a surselor de energie primara, pe plan mondial si national 7
1.3.1. Carbunele 7
1.3.2. Petrolul si gazele naturale lichide 8
1.3.3. Gazul natural 9
1.3.4. Uraniul 10
1.3.5. Energia hidraulica 12
1.3.6. Surse regenerabile de energie 13
1.4. Structura modului de acoperire a cererii de energie pe plan mondial si in Romania 16
Bibliografie

2. Centrale conventionale cu abur 19
2.1. Cicluri termodinamice cu turbine cu abur 19
2.2. Bilantul energetic al CCA 21
2.3. Solutii de crestere a performantelor CCA 23
2.3.1. Analize asupra pierderilor de caldura din CCA 23
2.3.2. Cresterea parametrilor initiali: presiune, temperatura 25
2.3.3. Supraincalzirea intermediara 27
2.3.4. Scaderea temperaturii (presiunii) de condensatie 28
2.3.5. Preincalzirea regenerativa 30
2.3.6. Cogenerarea 31
2.3.7. Exemple de realizari reprezentative pe plan mondial 32
2.4. Fluxuri interne de energie si masa in CCA. Circuitul termic 35
2.5. Scheme de legatura generator de abur - turbina 39
2.5.1. Categorii de scheme de legatura 39
2.5.2. Schema bloc 39
2.5.3. Schema cu bara colectoare 42
2.5.4. Schema cu bara de ajutor 42
Bibliografie 43

3. Generatoare de abur 45
3.1. Schema de ansamblu 45
3.2. Combustibili utilizati in generatoarele de abur 46
3.3. Circuitul apa-abur 49
3.3.1. Structura 49
3.3.2. Generator de abur cu circulatie naturala 51
3.3.3. Generator de abur cu circulatie fortata multipla 53
3.3.4 . Generator de abur cu circulatie fortata unica 53
3.3.5 . Domenii de utilizare si parametrii de functionare 54
3.4. Circuitul aer-gaze de ardere 55
3.5. Analiza energetica a generatorului de abur 59
3.5.1. Bilantul termic 59
3.5.2. Randamentul generatorului de abur 60
3.5.3. Caracteristica energetica a generatorului de abur 61
Bibliografie 63

4. Arderea carbunelui in CCA 65
4.1. Arderea carbunelui in stare pulverizata (PCC) 65
4.1.1. Principiu 65
4.1.2. Pregatirea carbunelui in vederea arderii 66
4.1.3. Morile de carbune 67
4.2. Arderea carbunelui in strat fluidizat la presiune atmosferica (AFBC) 70
4.2.1. Arderea carbunelui in pat fluidizat fierbator (BFBC) 70
4.2.2. Arderea carbunelui in pat fluidizat circulant (CFBC) 71
4.3. Arderea combinata a carbunelui cu biomasa (co-combustia) 72
4.3.1. Generalitatii privind arderea combinata a carbunelui si biomasei. Stadiul actual al tehnologiei 72
4.3.2. Categorii de biomasa posibil a fi utilizate in combinatie cu carbunele 74
4.3.3. Particularitati ale sistemelor de ardere destinate
co-combustiei 77
Bibliografie 79

5. Tehnologii de control al emisiilor in CCA 81
5.1. Diferite tipuri de emisii provenite de la instalatiile mari de ardere 81
5.2. Cadrul legislativ privind reducerea emisiilor provenite de la instalatiile mari de ardere 82
5.3. Reducerea emisiilor de oxizi de sulf 82
5.3.1. Mecanisme de formare a oxizilor de sulf 82
5.3.2. Tehnologii de reducere a emisiilor de sulf 83
5.4. Reducerea emisiilor de oxizi de azot 89
5.4.1. Mecanismele de formare a oxizilor de azot 89
5.4.2. Tehnologi de reducere a emisiilor de oxizi de azot 90
5.5. Reducerea emisiilor de pulberi 98
5.5.1. Filtrul electrostatic (ESP - electrostatic precipitator) 99
5.5.2. Filtre textile 100
5.5.3. Sisteme de evacuare a cenusii 103
5.6. Tehnologii de reducere a emisiilor de dioxid de carbon 105
5.6.1. Tehnologia post-combustie 105
5.6.2. Tehnologia oxi-combustie 106
5.6.3. Tehnologia pre-combustiei 107
Bibliografie 107

6. Circuitul termic al CCA 111
6.1. Turbina cu abur 111
6.1.1. Treapta de turbina 111
6.1.2. Structura turbinei cu abur 113
6.1.3. Clasificarea turbinelor cu abur 114
6.1.4. Performantele energetice ale turbinei cu abur 118
6.1.5. Caracteristica energetica a turbinei cu abur 119
6.2. Preincalzirea regenerativa 121
6.2.1. Categorii de preincalzitoare regenerative 121
6.2.2. Scheme de preincalzire regenerativa 123
6.3. Pompa de alimentare 125
6.4. Pompa de condens principal 125
6.5. Condensatorul de abur 126
6.6. Extragerea gazelor necondensabile din condensator 127
6.7. Degazarea apei de alimentare 129
6.7.1. Degazarea termica 129
6.7.2. Degazarea chimica 130
Bibliografie 130

7. Instalatii de turbine cu gaze 131
7.1. Consideratii generale 131
7.2. Diagrama fluxurilor energetice la ITG simpla 132
7.3. Ciclul Brayton (Joule) 133
7.3.1. Diagrama T-s pentru ciclul Brayton 133
7.3.2. Ecuatii de bilant energetic pentru ITG si indicatori specifici 134
7.4. Perfectionarea ciclului termodinamic al ITG 135
7.4.1. Limitari tehnologice ale ITG 135
7.4.2. Destinderea fractionata combinata cu arderea intermediara 136
7.4.3. Compresia fractionata combinata cu racirea intermediara 138
7.4.4. Recuperarea interna de caldura 141
7.4.5. Recuperarea externa de caldura 143
7.5. Influenta ?K asupra performantelor ITG in ciclu simplu. Optimizari si tipuri de ITG. 145
7.6. Conceptia de ansamblu a ITG 148
7.7. Realizari si perspective in dezvoltarea ITG 151
7.7.1. Puteri unitare. Randamente 152
7.7.2. Temperatura inainte de turbina cu gaze 155
7.7.3. ITG in circuit inchis 158
7.7.4. Tipurile de combustibili utilizabili in ITG 158
Bibliografie 160

8. Cicluri combinate gaze-abur 161
8.1. Introducere 161
8.1.1. Consideratii termodinamice 161
8.1.2. Clasificarea ciclurilor combinate gaze-abur 162
8.2. Ciclul combinat gaze-abur fara postcombustie (STAG) 166
8.2.1. Conceptia generala de realizare a unui STAG 166
8.2.2. Analiza energetica a STAG 167
8.2.3. Componentele STAG 170
8.2.4. Realizari in domeniul STAG 176
8.3. Ciclul combinat gaze-abur cu postcombustie limitata (CCSF) 178
8.3.1. Conceptia generala de realizare a unui CCSF 178
8.3.2. Analiza energetica a CCSF. Bilantul energetic. 179
8.3.3. Premizele utilizarii CCSF 182
8.4. Ciclul combinat gaze-abur cu arderea carbunelui in pat fluidizat sub presiune 183
8.4.1. Schema instalatiei. Principiul de functionare. 183
8.4.2. Performantele PFBC 186
8.4.3. Exemple de centrale echipate cu PFBC 187
8.5. Ciclul combinat gaze-abur cu gazeificare integrata a carbunelui 188
8.5.1. Schema instalatiei. Principiul de functionare. 188
8.5.2. Procesul de gazeificare 189
Bibliografie 196

9. Motoare termice 199
9.1. Generalitatii privind motoarele termice 199
9.2. Diagrama fluxurilor energetice pentru o CTE cu MP 201
9.3. C.E.T. - Motoare cu Piston (M.P.) cu recuperare externa de caldura 202
9.4. Impactul utilizarii gazului natural in motoarele cu ardere interna, asupra mediului 206
9.5. Metodologia de bilant a motorului 207
Bibliografie 210