Kombinált ciklus

A kombinált ciklus olyan termodinamikai körfolyamat, amely több egyszerű körfolyamatból áll. A hőerőgépek a tüzelőanyag elégetéséből származó hőenergiának csak egy részét (általában 50%-nál kevesebbet) képes villamos energiává alakítani. A hőenergia többi része veszteségként a környezetet melegíti. Két vagy több megfelelően választott körfolyamat, például a Brayton–Joule-ciklus és a Rankine-ciklus együttműködése a rendszer összhatásfokát javítja.

A kombinált ciklusú erőműben egy gázturbina-generátor egység elektromos áramot termel, a gázturbinából távozó még meleg gázzal pedig, amely egyébként veszteséget jelentene, gőzt termelnek; ez gőzturbinát hajt, amely egy másik generátorral áramot termeltet. Ezzel a megoldással az elektromos energiatermelés összhatásfoka javul. Európában és Észak-Amerikában a legtöbb új gáztüzelésű erőmű ebben a rendszerben épül.

A hőerőművek többségében az elsődleges energiaforrás (a tüzelőanyag), elégetéséből származó nagyhőmérsékletű hőenergia, ebből egyrészt elektromos energiát termel, másrészt alacsony hőmérsékletű hőenergiát bocsát ki. Szabályként megállapítható, hogy minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség a bevezetett és elvezetett hő között, annál jobb lesz az erőmű hatásfoka (lásd Carnot-ciklus). Ezt a célt a Rankine-ciklus (gőz) és Brayton–Joule-ciklus (gáz) kombinációjával érik el. Ilyen megoldásokat alkalmaznak hajók hajtására is, ezt kombinált gáz- és gőzturbina-hajtásnak, vagy angol rövidítéssel COGAS-nak hívják.

Konstrukciós elvekSzerkesztés

Egy gőzturbinás erőműben a munkaközeg vízgőz. A nagynyomású gőz erős, terjedelmes alkatrészeket kíván. A magas hőmérséklet pedig drága ötvözetek, nikkel és króm alkalmazását teszi szükségessé az olcsó acéllal szemben. Ezek az ötvözetek is gyakorlatilag legfeljebb 655 °C gőzhőmérsékletet tesznek lehetővé, a hőleadás hőmérsékletét pedig a környezet hőmérséklete határozza meg. Ez a két hőmérséklet a kizárólag gőzzel működő erőmű hatásfokát 35-42%-ra korlátozza.

 
Kombinált ciklusú erőmű vázlata
1 - generátorok,
2 - gőzturbina, 3 - kondenzátor, 4 - tápszivattyú,
5 - gőzkazán, 6 - gázturbina
 
Kombinált körfolyamat T-s diagramja

Egy nyitott gázturbina körfolyamat kompresszorból, égőkamrából és turbinából áll. A gázturbinákhoz felhasznált hőálló anyagok mennyisége kicsi (mivel a kis nyomás miatt nincs szükség nagy falvastagságra), és ezért drága anyagok is gazdaságosan felhasználhatók. Az ilyen körfolyamatokban a turbinába belépő gáz hőmérséklete (az égési hőmérséklet) viszonylag magas: 900-1350 °C. A turbinából kilépő gázok hőmérséklete szintén magas: 450-650 °C. Ez a hőmérséklet viszont elég magas ahhoz, hogy egy második vízgőzzel működő Rankine-körfolyamat hőforrásául szolgáljon. A kombinált ciklusú erőművekben a gázturbina kilépő gázait egy gőzfejlesztő hőcserélőbe vezetve 420-580 °C hőmérsékletű frissgőzt fejlesztenek. A Rankine-ciklus kondenzátorát általában folyóból, tóból vagy tengerből nyert vízzel hűtik, vagy hűtőtoronyban lehűtött visszakeringetett hűtővízzel hűtik. Ennek hőmérséklete 35 °C körüli.

A kombinált erőművek hatásfokaSzerkesztés

A gázturbinás és gőzturbinás ciklusok kombinációjával magas hőbevezetési hőmérsékletet és alacsony hőleadási hőmérsékletet lehet elérni. A hasonló hőmérsékletekkel dolgozó Carnot-körfolyamat hatásfoka igen kedvező. A valóságos körfolyamatoké természetesen kisebb a Carnot-ciklus ideális hatásfokánál, de így is nagyobb, mint külön-külön a gázturbinás és gőzturbinás ciklusé. Gyakorlatilag, ha az erőmű csak elektromos energiát szolgáltat, 59% érhető el, hőszolgáltató erőmű esetén pedig, ahol az elektromos energia mellett az erőmű ipari gőzt vagy fűtési melegvizet is kiad, az összhatásfok elérheti a 85%-ot is.

Kiegészítő tüzelés és lapáthűtésSzerkesztés

A kombinált erőművet gyakran ellátják a gázturbina után beépített kiegészítő tüzeléssel is, hogy a fejlesztett frissgőz hőmérsékletét vagy mennyiségét megemeljék. Kiegészítő tüzelés nélkül a kombinált erőmű összhatásfoka jobb, azonban a kiegészítő tüzelés lehetővé teszi, hogy az erőmű gyorsabban reagáljon a villamos terhelés ingadozásaira.

Egyes esetekben a gázturbina kilépő gázaiba porlasztanak további tüzelőanyagot. Ez azért lehetséges, mert a gázturbina kilépő gázai tartalmaznak még szabad oxigént. A gázturbina belépő hőmérsékletének felső korlátja szükségessé teszi, hogy az optimális arányoktól eltérő légfelesleggel üzemeltessék a rendszert. Több gázturbinánál a kompresszor által szolgáltatott levegő egy része elkerüli az égésteret, ezzel a turbinalapátokat hűtik.

Kombinált ciklusú erőművek tüzelőanyagaSzerkesztés

Tüzelőanyagnak leggyakrabban földgázt használnak, de előfordul olaj, szintetikus gáz vagy más tüzelőanyag is.

Higany mint munkaközegSzerkesztés

Történtek kísérletek arra, hogy két, különböző munkaközeget használó Rankine-körfolyamatot kombináljanak. 1923-tól Hartfordban (Connecticut állam, Amerikai Egyesült Államok) üzemelt egy olyan hőerőmű, melynek első körfolyamata higanyt használt munkaközegként. A higany kritikus hőmérséklete 1000 °C felett van, telített gőzének nyomása 600 °C-on sem haladja meg az 50 bart. Az erőmű első turbinájából 224 °C-on kilépő higany egy hőcserélőben lecsapódik, és elpárologtatja a második körfolyamat munkaközegét, a vizet. Mindkét körfolyamatban a nyomás mérsékelt értéken marad, ami a konstrukciót olcsóbbá és rugalmasabbá teszi. Gond a higany magas árával és (még gőzeiben is) mérgező voltával van, ezért ez a hatásfokjavító módszer nem terjedt el.[1]

Nyíregyházi Kombinált Ciklusú ErőműSzerkesztés

Magyarországon 2007-ben helyezték üzembe a csúcstechnológiájú Nyíregyházi Kombinált Ciklusú Erőmű Kft. telephelyén az első ilyen hazai erőművet. Az erőmű 47 MW villamos és 68 MW hőteljesítményt képes leadni igen kis kén-dioxid- és nitrogén-oxid-kibocsátás mellett. 37 dB-es zajszintje lehetővé tette, hogy Nyíregyháza belterületén építsék fel. Hatásfoka 89%.[2]

  • A gázturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 32,7 MW
  • A gőzturbina generátorának kapocsteljesítménye maximum 22,3 MW
  • Névleges kiadott teljesítmény 47,1 MW
  • Maximális hőkiadás 68 MW, ebből
    • forróvíz 64 MW
    • gőz maximum 60 t/h

A gázturbina Hitachi gyártmányú 7280 1/min fordulatszámú gép. A 17 fokozatú axiális kompresszor 28 bar nyomásra sűríti a levegőt, az égéstér után a gáz hőmérséklete 1300 °C, amely 3 fokozatú gázturbinát hajt; a hozzá kapcsolt generátort a Siemens gyártotta. A gőzturbina Siemens SST 600 típusú, 9400 1/min fordulatszámú gép, fogaskerekes reduktoron keresztül hajtja meg az ugyancsak Siemens gyártmányú generátort. A gőzturbina frissgőz-paraméterei: 45 bar/497 °C,[3]

JegyzetekSzerkesztés

További információkSzerkesztés