ZESZYTY NAUKOWE PO LITECH NIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 125
1995 N r kol. 1280
J a n SZARGUT
In sty tu t Techniki Cieplnej, P olitechnika Ś ląsk a
EFEKTY ENERGETYCZNE I EKOLOGICZNE
WDRAŻANIA ELEKTROCIEPŁOWNI TURBOGAZOWYCH I PAROWO-GAZOWYCH N A GAZ ZIEMNY
S tr e s z c z e n ie . Zdefiniowano w skaźniki charakteryzujące skum ulo
w an ą oszczędność energii chemicznej i skum ulow ane zm niejszenie em i
sji C 0 2 zapew nione przez wdrożenie elektrociepłowni turbogazowej lub gazowo-parowej. Przykładow e obliczenia w ykonano dla elektrociepłow
ni zasilanych gazem ziem nym. W ykazano znaczne korzyści energetycz
ne i ekologiczne, jak ie m ożna uzyskać za pomocą rozw ażanych elektro
ciepłowni.
ENERGY ECONOMY AND ECOLOGICAL EFFEC TS ATTAINABLE BY MEANS OF GAS TU RBIN E OR GAS-AND-STEAM TURBINE COGENERATION PLANTS FED WITH NATURAL GAS
Sum m ary. Indices have been defined characterizing cum ulative economy of chemical energy and cum ulative reduction of C 0 2 emission due to th e introduction of cogeneration p lan ts equipped w ith gas tu r bine or gas-and-steam tu rb in e. E xem plary calculations have been p er
formed for cogeneration p lan ts fed w ith n a tu ra l gas. G reat effects attainable in energy economy and environm ental protection have been pointed out.
3KOHOMHH TOnJIHBA H 3KOJIOrHHECKME 30<PEKTbI ROCTHrAEMblE nPH nOMOIRH T3R OBOPy/lOBAHHOM rA30B0H HJ1H rA30B0H H riAPOBOH TYPBHHOH, nPH CHAEHCEHHH nPHPORHblM FA30M
Pe3K)Me. OnpeąejieHH noKa3a'rean xapaKTepH3yiomne HaKoaeHHyio 3K0H0MHK) TonjiHBa h HaKoaeHHoe yMeHbiueHHe smhcchh C 02 noayaaeMbie npn coBMecTHoii BupadoTKe Tenaa h aaeicrpoaHeprHH b T 3 1 f odopyaoBaHHoñ ra30Boii naw ra30Boii h napoBoñ 'lypBHHOH. npHMepHbie pacMCThi cgeaaHbi gaa T3L{ CHaóxaeMOH npapo^HUM ra30M. YicasaHbi 3HaunTeabHne 9HepreTHaecKHe m oKoaorHaecKwe noab3H, KOTopbDK mojkho flOCTHMb bstom cayaae.
1. W STĘP
Skojarzone w ytw arzanie ciepła i energii elektrycznej w elektrociepłowniach zapew nia znaczne zm niejszenie zużycia paliw pierw otnych, a w związku z tym również zm niejszenie emisji C 0 2 i innych szkodliwych składników spalin.
W elektrociepłowni zużycie paliw a je s t większe niż w zastąpionej kotłowni- ciepłowni. W spom niane pozytywne efekty pojaw iają się więc w innych czę
ściach system u energetycznego, głównie zaś w zastąpionej elektrow ni konden
sacyjnej, w kopalniach, w system ie tra n s p o rtu paliw a i w zakładach wytwa
rzających m ateriały dla kopalni i sieci tra n sp o rtu . Dlatego pozytywne efekty skojarzonego w ytw arzania ciepła i energii elektrycznej należy oceniać za pomocą w skaźników skum ulowanego zużycia energii pierwotnej i skum ulo
wanej emisji C 0 2 oraz innych produktów szkodliwych.
Zastosow anie gazu ziemnego w elektrociepłow niach stw arza duże szanse dalszego zwiększenia korzyści energetycznych i ekologicznych [2], Po pier
wsze, pozwala bowiem n a stosunkowo łatw e zrealizow anie układów parowo- gazowych, w których stosunek mocy elektrycznej do mocy ciepła użytecznego je s t znacznie większy niż w elektrociepłow niach węglowych. Po drugie, ele
ktrociepłownie n a gaz ziem ny m ożna budować przy stosunkowo m ałym zapo
trzebow aniu n a ciepło, a więc m ożna je zainstalow ać również w m ałych miej
scowościach dla niezbyt rozległych i przez to tan ich sieci cieplnych. Po trzecie, gaz ziem ny zapew nia w yraźne zm niejszenie emisji C 0 2 i innych składników szkodliwych, dzięki zaś równoczesnem u zw iększeniu oszczędności energii che
micznej w ystępuje zw ielokrotnienie korzyści ekologicznych.
2. SKUMULOWANE WSKAŹNIKI EFEKTÓW UŻYTECZNYCH
E fekt energetyczny skojarzonego w ytw arzania ciepła i energii elektrycznej m ożna przedstaw ić za pomocą stosunku ¡¡* skum ulowanego zużycia energii chemicznej obciążającego produkcję rozdzieloną do skum ulowanego zużycia obciążającego produkcję skojarzoną:
PNel hte Q___hth
d g W d h E e l h d e h t e W d h k h d h h t h
V /
Dobór w artości r|Eei charakteryzującej zastąp io ną elektrow nię w ynika ze zdolności elektrociepłowni do w ytw arzania energii elektrycznej w poszczegól
nych strefach obciążenia system u elektroenergetycznego. Ocena wynikająca ze wzoru (1) je s t najm niej optym istyczna, jeżeli przyjm ie się, że energia elektryczna produkow ana w elektrociepłowni zastępuje częściowo energię w podstawowej strefie obciążenia sieci elektroenergetycznej. Wówczas wartość
Efekty energetyczne i ekologiczne wdrażania. 69
r)Eei dotyczy najbardziej nowoczesnej elektrow ni zam ykającej bilans zapotrze
bowania n a energię elektryczną w podstawowej strefie obciążenia. Jeżeli jest to elektrow nia paliwow a lub jądrow a, to (3 = 1. Jeżeli elektrow nią zastąpioną je s t elektrownia wodna, to P = 0. W k rajach tak ich ja k Szwecja budowanie elektrociepłowni nie je s t efektyw ne z p u n k tu w idzenia zm niejszenia zużycia paliw. Lepiej je s t w tak ich k rajach dostarczać ciepło kom unalne za pomocą pom p grzejnych.
Wzór (1) opiera się n a założeniu, że ilość ciepła dostarczonego do odbiorców oraz dostarczonej energii elektrycznej je s t jednakow a w obu porównywanych system ach. Wielkość Qr)th oznacza ilość ciepła dostarczoną z elektrociepłowni, wielkość zaś Q r|th/rlth rów now ażną ilość ciepła, ja k ą należy wytworzyć w zastąpionej ciepłowni. Podobnie uwzględniono s tra ty przy transform acji i przesyłaniu energii elektrycznej.
Efekt ekologiczny gospodarki skojarzonej m ożna wyrazić w podobny spo
sób, jako stosunek pj skum ulow anej emisji i-tego sk ładnika w gospodarce rozdzielonej do skum ulow anej em isji w gospodarce skojarzonej:
* hdgf
Pi = „ Ig
P-Nęl hte
Q ntli
^ i e l \\T * ’ i h ’ *
d h E e l h d e f i t e W d T |k h d h f i t h
(
2)
W skaźnik ę m ożna więc wyznaczyć za pomocą wzoru (2) podstaw iając w nim
CTig CTiei ri"-(;.
Korzystne sk u tk i skojarzonego w ytw arzania ciepła i energii elektrycznej są szczególnie w yraźne w zakresie emisji C 0 2, gdyż Oco2g < Oco2ei i zazwyczaj
a Co2g < ° c o 2h- Zm niejszenie em isji S 0 2 nie da się wyrazić wzorem (2), gdyż a so 2g= 0. Można tylko obliczyć w artość w ystępującą w naw iasie wzoru (2).
E fek t zm niejszenia emisji NOx m ożna wyznaczyć wzorem (2), jed n ak zależy on od stosowanych sposobów redukcji tej em isji w zastąpionej elektrow ni i ciepłowni. W artość liczbową p m ożna więc najdokładniej określić dla emisji
co2.
3. SCHEMATY ELEKTROCIEPŁOW NI
N a rysunku 1 przedstaw iono najprostszy schem at elektrociepłowni turbo- gazowej wyposażonej w tu rb in ę gazową i w ym iennik ciepła, w którym pod
grzew a się wodę sieciową. Tego typu elektrociepłownię m ożna zbudować już p rzy bardzo m ałym zapotrzebow aniu n a ciepło (rzędu 1 MW), jed n a k znaczne s tr a ty egzergii w ystępujące w w ym ienniku ciepła zm niejszają uzyskane efe
k ty energetyczne i przyczyniają się do zm niejszenia efektów ekologicznych.
Fig. 1. Scheme of a sim ple g as-turbine cogeneration p lan t
N a ry su n k u 2 przedstaw iono klasyczną elektrociepłownię parowo-gazową [1, 2] n a gaz ziemny, wyposażoną w tu rb in ę gazową, kocioł odzyskowy i tu rb in ę parow ą przeciw prężną. M inim alna różnica tem p e ra tu r w kotle odzy
skowym w ystępuje przy dopływie wody do parow acza (rys. 3). J e s t to pu n kt przew ężenia tem peraturow ego (pinch point). O granicza on możliwość dosta
tecznego schłodzenia spalin w kotle odzyskowym. Ze względu n a niezbyt w ysoką tem p e ra tu rę spalin odpływających z tu rb in y gazowej nie je s t możliwe dostateczne ich schłodzenie w podgrzewaczu wody zasilającej, mimo całkowi
tej rezygnacji z regeneracyjnego podgrzew ania tej wody za pomocą pary upu
stowej. W celu lepszego w ykorzystania entalp ii spalin m ożna je skierować (przed odprowadzeniem do kom ina) do wstępnego podgrzewacza wody siecio
wej. Szczytowy podgrzewacz wody sieciowej m ożna zasilać p a rą z upustu turbiny.
N a ry su n k u 4 przedstaw iono schem at u k ład u Chenga, cieszącego się ostat
nio dużą popularnością [3]. W układzie tym p a rę z kotła odzyskowego w try
skuje się do spalin przed doprowadzeniem ich do turbiny. W tryskiw ana p ara zastępuje częściowo nadm iarow e powietrze służące do obniżenia tem peratury spalin. Równocześnie zm niejsza się moc napędow a sprężarki powietrza. Pro
dukcja p ary w kotle je s t jed n a k energochłonna ze względu n a zużycie ciepła n a odparow anie wody. Ciepło to należy odzyskać w podgrzewaczu wody siecio
wej zasilanym spalinam i. W podgrzewaczu tym p a ra w tryśnięta do spalin pow inna ulec skropleniu. Dlatego konieczna je s t dostatecznie n iska tem pera
tu r a powrotnej wody sieciowej, co m ożna osiągnąć tylko w niskotem peraturo
wym system ie ogrzewania. U kład Chenga je s t tań sz y inwestycyjnie od układu
Efekty energetyczne i ekologiczne wdrażania. 71
Twi
Rys. 2. S chem at klasycznej elektrociepłow ni parowo-gazowej Fig. 2. Scheme of a classic steam -and-gas tu rb in ę cogeneration plan t
k klasycznego, gdyż nie zaw iera tu rb in y parow ej, jed n a k wym aga on zwiększe- nnia nakładów n a w ew nętrzne instalacje ogrzewnicze, gdyż w system ie nisko- btemperaturowym w ew nętrzne w ym ienniki ciepła m uszą być dostatecznie du- żże. Z tego powodu uk ład C henga raczej nie nad aje się do w arunków polskich.
44. WYNIKI OBLICZEŃ
Przykładowe obliczenia przeprowadzono dla u k ład u prostego (rys. 1) i ukła- ddu klasycznego (rys. 2). O ptym alizację term odynam iczną przeprowadzono za poomocą w skaźnika skum ulow anej oszczędności energii chemicznej odniesio- naego do jednostki energii chemicznej gazu ziemnego [4, 5]. K ryterium to
Rys. 3. Rozkład tem peratury w kotle odzyskowym i w stępnym podgrzewaczu wody sieciowej Fig. 3. T em perature d istribution in th e recovery boiler and p relim inary p reh e ate r of
netw ork w ater
zapew nia najlepsze w ykorzystanie stojącego do dyspozycji gazu ziemnego, który je s t drogi i pochodzi w znacznej części z im portu.
Przyjęto następujące w artości spraw ności składowych:
PiTG = 0,88; r|iS = 0,87; r|iTP = 0,84; ą m = 0,98; p g = 0,97; ą k = 0,85; p Eei = 0,36;
The = The! R t h = 0,90; Rth = 0,95; r |d e = rfdh = 0,93; r|ag = 0,98.
Przyjęto skład gazu ziemnego: CH4 = 92%, N 2 = 6%, C2H 6 = 0,7%, C3H 8 = 0,6%, C4H 10 = 0,7% oraz w artość opałową 778,4 MJ/kmol. Dla gazu
Efekty energetyczne i ekologiczne wdrażania. 73
Rys. 4. Schem at elektrociepłow ni C henga Fig. 4. Scheme of th e C heng cogeneration p la n t
tego a co2 ei = 0,00126 kmol/M J. Dla w ęgla o w artości opałowej 22 M J/kg otrzy
muje się o Co2ei = Oco2h = 0,00223 kmol/M J.
W obliczeniach klasycznej elektrociepłowni parowo-gazowej [5] uwzględnio
no ograniczenie stopnia suchości p ary odpływającej z tu rb in y parowej (x > 0,92). Przyjęto, że te m p e ra tu ra produkow anej p a ry przegrzanej wynosi 540°C, ciśnienie p ary przeciw prężnej 0,12 M Pa.
Wyniki obliczeń dotyczące prostej elektrociepłow ni turbogazowej i klasycz
nego układu z tu rb in ą przeciw prężną zaw iera tab lica 1.
T a b lic a 1 E f e k t y e n e r g e t y c z n e i ekologiczne u z y s k i w a n e w el e kt ro ci epłowniach turboga-
z o w y c h i p a r o w o - g a z o w y c h n a g a z z i e m n y
T 3 900°C 1000°C 1100°C 1200°C
układ P* k* P k P k P k
P2/pi 7,6 7 9,8 8 12,5 12 15,5 18
pp, M Pa - 5 - 9 - 9 - 9
X 4,15 3,93 3,79 3,42 3,48 3,19 3,16 3,00
Nel/Wd, % 28,9 39,3 32,1 42,9 34,8 45,8 36,9 47,8
NiTo/Wd, % 63,1 64,9 69,7 65,3 75,1 74,9 77,8 83,7
Nis/Wd, % 35,2 35,8 38,7 33,7 41,5 39,4 42,1 45,4
NiTp/Wd, % - 13,8 - 15,0 - 14,2 - 13,8
Q/Wd, % 52,6 53,9 51,5 50,3 50,6 47,2 50,1 45,0
C 1,46 1,78 1,54 1,85 1,61 1,90 1,67 1,93
pco2 2,58 3,15 2,73 3,27 2,85 3,36 2,96 3,42
* p - p ro sta elektrociepłownia turbogazowa,
k - klasyczna elektrociepłownia parow o-gazow a z tu rb in ą parow ą przeciwpręzną
5. WNIOSKI
1. Elektrociepłow nia turbogazow a lub parowo-gazowa n a gaz ziemny zapew
n ia znaczną skum ulow aną oszczędność energii chemicznej. Stosunek sku
mulowanego zużycia energii chemicznej obciążającego produkcję rozdzielo
n ą do skum ulowanego zużycia obciążającego produkcję skojarzoną jest w yraźnie większy od jedności, a w elektrociepłowni parowo-gazowej osiąga w artość zbliżoną do 2.
2. Stosunek produkowanej energii elektrycznej do energii chemicznej paliwa je s t w elektrociepłowni parowo-gazowej w iększy niż w nowoczesnych ele
ktrow niach węglowych, a przy dostatecznie wysokiej tem peraturze spalin przed tu rb in ą je s t n aw et większy niż w węglowych elektrow niach parowo- gazowych. W skazuje to n a bardzo dużą efektywność energetyczną elektro
ciepłowni parowo-gazowej n a gaz ziemny.
3. Zastosowanie elektrociepłowni parowo-gazowej n a gaz ziemny zmniejsza ponad trzykrotnie em isję C 0 2 w porów naniu z układem rozdzielonym, zasilanym węglem. W prostej elektrociepłowni turbogazowej efekt ten jest nieco m niejszy, ale również znaczny.
4. E fekt energetyczny elektrociepłowni parowo-gazowej n a gaz ziemny oraz efekt redukcji emisji C 0 2 zwiększa się w m iarę podwyższania tem p eratu ry spalin przy dopływie do tu rb in y gazowej.
Efekty energetyczne i ekologiczne wdrażania. 75
OZNACZENIA
Nej, Q - moc elektryczna i cieplna produkow ana w elektrociepłowni n a jed n ostk ę stru m ie n ia paliw a, kW/(kmol/s) = kJ/kmol, Nitg> N iTP N iS - moc w ew nętrzn a tu rb in y gazowej, tu rb in y parow ej i sprę
żark i pow ietrza n a jedn o stk ę stru m ie n ia paliwa, kJ/kmol, p - ciśnienie, M Pa,
Wd - w artość opałowa paliw a gazowego, kJ/km ol,
(3 — współczynnik określający rodzaj energii pierw otnej zasila
jącej zastąp io n ą elektrow nię ((3=1 dla energii nieodnawial
nej, inaczej (3 = 0),
ę - stosunek skum ulow anego zużycia energii chemicznej obcią
żającego produkcję rozdzieloną do skum ulowanego zużycia obciążającego produkcję skojarzoną,
ndfi, Hdh - skum ulow ana spraw ność en ergety czna dostaw y paliw a do elektrociepłow ni, do zastąpionej elektrow n i i do z astąp io nej ciepłowni,
hEei ~ spraw ność energetyczna zastąpionej elektrow ni, r|g - spraw ność g e n erato ra elektrycznego,
r)k - spraw ność energetyczna zastąpionej ciepłowni-kotłowni, hm — spraw ność m echaniczna,
hth» hth — spraw ność tra n s p o rtu ciepła z elektrociepłowni i zastąpionej ciepłowni do odbiorców,
r|te> hte “ spraw ność transform acji i p rzesyłania elektryczności z ele
ktrociepłowni i zastąpionej elektrow ni,
pi - stosunek skum ulow anej emisji i-tego składnika w produkcji rozdzielonej do skumulowanej emisji w produkcji skojarzonej, Gig, a lel, o ih — w spółczynnik emisji i-tego sk ładn ika spalin z elektrociepło
wni, zastąpionej elektrow ni i zastąpionej ciepłowni, n a jed nostkę energii chemicznej paliw a, km ol/M J,
X — stosunek n a d m ia ru pow ietrza.
WSKAŹNIKI
e - energia elektryczna,
el — elektrociepłow nia lub elektrow nia, g - paliwo gazowe,
h - ciepło lub ciepłownia, S — sp rężarka,
TG - tu rb in a gazowa, TP - tu rb in a parow a,
* - w skaźnik skum ulow any.
LITERATURA
[1] F irst GE LH 6000 Gas T urbine E n te rs O peration in C anadian Cogene
ration Plant. Diesel & Gas T urbine W orldwide, 25 (1993), No 4, str.
70-71.
[2] Forss M.K.: P re se n t S ta te and F u tu re Prospects of N a tu ra l Gas-Based CH P Technologies. NGC News, 1991, No 12, str. 1-3.
[3] S ta aru p M., N ielsen A.: Cheng-Cycle - an Economically and Environ
m entally Correct A lternative. NGC News, 1991, No 12, str. 4-5.
[4] S zargut J.: Efektywność energetyczna elektrociepłowni turbogazowej.
E nergetyka (1994), n r 11.
[5] S zarg ut J., Szlęk A.: M ałe elektrociepłownie parowo-gazowe n a gaz ziemny. E nergetyka (w druku).
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Andrzej Ziębik Wpłynęło do Redakcji: 23. 02. 1995 r.
A b stract
Indices have been defined ch aracterising th e cum ulative economy of chemical energy and cum ulative reduction of C02-emission due to the introduction of cogeneration p lan ts equipped w ith gas tu rb in e or gas- and steam -turbine. Energy effects have been expressed by m eans of the ratio of cum ulative consum ption of chemical energy in a sep arate production system to th a t appearing in th e cogeneration system . Sim ilarly th e ecological effects rep resen ts the coefficient expressing th e ratio of cum ulative emission of C 0 2 in a sep arate and cogeneration system . E xem plary calculations have been perform ed for two kinds of th e cogeneration p lan t fed w ith n a tu ra l gas: the classical one, equipped w ith gas- and steam -turbine, and a simple one equipped w ith gas tu rb in e only. It h a s been assum ed, th a t th e separate production system consists of th e m odern power p lan t fed w ith coal and having th e energy efficiency 0,36 and th e boiler house fed w ith coal and having th e energy efficiency 0,85. The compression ratio of air in both analysed p lan ts has been therm odynam ically optim ized by m eans of the above m entionned index expressing th e cum ulative energy effects. Optimal values of th is index increase w ith increasing tem p e ra tu re of th e combustion gases before th e gas turbine. These optim al values are betw een 1,5 and 1,7 for th e sim ple system and betw eeen 1,8 and 1,9 for th e classical system. The ecological index has th e values betw een 2,6 and 3 for a simple system and
Efekty energetyczne i ekologiczne wdrażania. 77
betw een 3,15 and 3,4 for th e classical system . In th e classical system at sufficiently high te m p e ra tu re of com bustion gases before th e gas turb ine, the ratio of electrical power to th e power of consum ed chemical energy is greater th a n in m odern power p lan ts fed w ith coal.
