PRACA ELEKTROWNI GAZOWYCH W SYSTEMIE.pdf

(154 KB) Pobierz
PRACA
ELEKTROWNI
GAZOWYCH
ELEKTROENERGETYCZNYM
W
SYSTEMIE
Autorzy: Sylwester Robak, Désiré Dauphin Rasolomampionona, Łukasz Szymankiewicz
(„Rynek Energii” – nr 3/2013)
Słowa kluczowe:
elektrownie gazowe, automatyczna regulacja częstotliwości i mocy wymiany, odnawialne
źródła
energii
Streszczenie.
Źródła
gazowe, w warunkach polskich, mają obecnie małe znaczenie dla wytwarzania energii
elektrycznej. Z drugiej zaś strony, od wielu już lat, w kolejnych dokumentach rządowych, takich jak „Polityka
energetyczna Polski”, przewiduje się znaczący wzrost zużycia gazu do produkcji energii elektrycznej i ciepła. W
referacie omówiono problematykę rozwoju
źródeł
gazowych oraz ich wpływu na regulację częstotliwości i mocy.
Rozważania teoretyczne zostały wzbogacone badaniami symulacyjnymi, w których przeanalizowano wpływ
struktury wytwarzania na właściwości dynamiczne sytemu elektroenergetycznego, w zakresie regulacji
częstotliwości.
1. WSTĘP
Obecna struktura
źródeł
wytwarzania energii elektrycznej w Polsce charakteryzuje się
przewagą elektrowni cieplnych opalanych węglem. Wiąże się to z historią rozwoju energetyki
krajowej w okresie powojennym. Taka struktura korzystnie wpływa na poziom
bezpieczeństwa energetycznego w wymiarze technicznym i ekonomicznym. Jednakże
dominacja
źródeł
węglowych ma negatywny wpływ na
środowisko,
powodowany dużą emisją
substancji szkodliwych. Dodatkowo starsze bloki węglowe charakteryzują się relatywnie niską
efektywnością procesu wytwarzania energii elektrycznej. Nowo budowane bloki węglowe
będą osiągały znacznie lepsze parametry, w tym sprawność netto na poziomie 45%.
Aktualnie realizowana polityka energetyczna Unii Europejskiej wymusza zmiany w strukturze
źródeł
wytwarzania energii elektrycznej zarówno dziś, jak i w perspektywie do 2020 i 2030 r.
Zgodnie z obowiązującym pakietem energetyczno-klimatycznym, planowany jest istotny
wzrost udziału
źródeł
odnawialnych w produkcji energii elektrycznej. Ponadto, polityka
energetyczna Unii przyczynia się do inwestowania w niskoemisyjne
źródła
wytwórcze. Stąd,
w sytuacji, w której Unia Europejska przyjęła kierunek na dekarbonizację gospodarki oraz
stawia rosnące wymogi emisyjne, energetyka konwencjonalna w Polsce ma ograniczone
możliwości rozwoju.
W sytuacji intensywnego rozwoju odnawialnych
źródeł
energii, w celu zagwarantowania
odpowiedniej regulacyjnej rezerwy mocy, należy przewidywać, między innymi ze względu na
niskie koszty inwestycji, dużą rolę dla elektrowni gazowo-parowych CCGT [2, 3].
Elektrownie tego typu stanowią rozwiązanie odznaczające się wysoką efektywnością
wytwarzania energii. Osiągają sprawność na poziomie 60%. Ich atutem jest także szybka i
ekonomiczna budowa. Z uwagi na stosunkowo wysoką efektywność energetyczną, są bardzo
przyjazne dla
środowiska.
2. PRESPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI GAZOWEJ
Obecna i prognozowana struktura mocy wytwórczych
źródeł
energii elektrycznej w Polsce,
zgodnie z danymi Ministerstwa Gospodarki [1], została pokazana na rys. 1.
Struktura mocy wytwórczych
110%
100%
2%
7%
2%
10%
0%
2%
2%
2%
2%
2%
90%
0%
2%
16%
23%
0%
3%
4%
26%
25%
inne
OZE
Jądrowe
80%
70%
89%
86%
79%
4%
7%
5%
9%
Gaz
Węgiel
60%
7%
68%
50%
61%
56%
40%
2006
2010
2015
2020
2025
2030
Rok
Rys. 1.
Obecna i prognozowana struktura
źródeł
wytwarzania energii elektrycznej w Polsce, wg [1]
Z przedstawionego rysunku wyraźnie wynika,
że
w perspektywie do roku 2030 w Krajowym
Systemie Elektroenergetycznym nastąpi zmiana udziału poszczególnych paliw/technologii w
strukturze mocy wytwórczych. Zgodnie z założeniami zawartymi w [1], nastąpi zmniejszenie
udziału węgla, który zostanie zastąpiony poprzez elektrownie wykorzystujące odnawialne
źródła
energii, energię jądrową oraz gaz.
Realny rozwój
źródeł
wytwórczych odbiega od założeń zawartych w [1]. Zauważyć można
znaczny przyrost mocy
źródeł
odnawialnych (głównie wiatrowych) oraz problemy z
przygotowaniem inwestycji w zakresie elektrowni jądrowej. Taka sytuacja związana jest ze
skalą nakładów na jednostkowe inwestycje oraz trudnościami z akceptacją społeczną rozwoju
energetyki jądrowej.
Porównanie wybranych wskaźników techniczno- ekonomicznych różnych technologii
wytwarzania energii elektrycznej przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Porównanie wybranych technologii wytwarzania energii elektrycznej z różnych
źródeł
[2, 3, 4]
Czas
budowy
lata
5
3
8
2
Liczba lat Koszty
eksploatacji inwestycyjn
e
lata
- *)
40
1,00
30
0,72
50
2,22
25
1,20
Współczynnik
wykorzystania
zainstalowanej
%
85
85
90
30
Technologia
mocy Sprawność
%
38 (45)
60
35
-
Bloki opalane węglem
Bloki gazowo-parowe
Elektrownie jądrowe
Elektrownie wiatrowe
*) Koszty 1 kW odniesione do kosztów związanych z inwestycją w bloki węglowe opalane węglem brunatnym
Zgodnie z rys. 1
źródła
gazowe w warunkach polskich mają obecnie marginalne znaczenie dla
wytwarzania energii elektrycznej. W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym
zainstalowanych jest około 750 MW mocy w
źródłach
wykorzystujących do wytwarzania
energii elektrycznej gaz ziemny. Stanowi to około 2,2% mocy osiągalnej w polskim systemie.
Produkcja energii realizowana jest głównie w instalacjach z turbinami gazowymi pracującymi
w elektrociepłowniach. Niewielkie ilości energii z gazu ziemnego generowane są w oparciu o
silniki gazowe (także produkcja skojarzona). Zestawienie największych jednostek gazowych,
pod względem mocy elektrycznej czynnej zainstalowanej, przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2
Źródła
gazowe w KSE wytwarzające energię elektryczną
Rodzaj
bloku
-
BGP
BGP
BG
BGP
BG
BG
Nazwa obiektu
-
Elektrociepłownia Lublin Wrotków
Elektrociepłownia Zielona Góra
Elektrociepłownia Nowa Sarzyna
Elektrociepłownia Rzeszów
Elektrociepłownia Gorzów
Elektrociepłownia Siedlce
Elektrociepłownia Władysławowo
Moc Elektryczna
MW
235
198
116
101
55
14,6
11
Moc cieplna
Mj/s
150
135
70
76
64
22,4
18
Rok uruchomienia
2002
2004
2000
2003
1999
2002
2002
Od wielu już lat w kolejnych dokumentach rządowych, takich jak „Polityka energetyczna
Polski”, przewiduje się znaczący wzrost zużycia gazu do produkcji energii elektrycznej i
ciepła. W dokumencie [1] zawarto plany rozbudowy elektrowni, które do roku 2030
przewidują przyrost mocy zainstalowanej w blokach gazowo parowych o wartości 2240 MW.
Dodatkowo przewiduje się przyrost mocy zainstalowanej równy 700 MW w różnego typu
elektrociepłowniach gazowych. Wśród dużych jednostek wytwórczych gazowo-parowych w
najbliższym okresie planowane są następujące inwestycje: Blok G-P Włocławek - 500 MW,
Blok G-P Elektrownia Stalowa Wola – 422 MW [5].
Obecnie w celu zwiększenia sprawności wytwarzania energii z gazu stosowane są układy
kombinowane dwuczynnikowe, to jest gazowo-parowe. Typowo, blok gazowo-parowy
stanowi układ kombinowany składający się z:
− turbozespołu gazowego do produkcji energii elektrycznej,
− turbiny parowej upustowo-kondensacyjnej do produkcji energii elektrycznej i ciepła w
gospodarce skojarzonej.
W przypadku elektrociepłowni blok może dodatkowo zawierać kocioł odzyskowy
wykorzystujący ciepło spalin wylotowych z turbiny gazowej do produkcji wody i podgrzewu
wody sieciowej.
Układy gazowo-parowe posiadają szereg zalet, spośród których najważniejsze to:
− bardzo wysoka sprawność, sięgająca nawet 60%,
− mniejsze obciążenie
środowiska
niż układy węglowe,
− niska awaryjność połączona z dużą dyspozycyjnością (ta ostatnia jest szczególnie cenna dla
mocy rezerwowanych),
− relatywnie niskie koszty inwestycyjne,
− krótki czas realizacji inwestycji,
− duża elastyczność w zakresie warunków pracy.
Najpoważniejszą wadą elektrowni gazowych są bardzo wysokie koszty eksploatacyjne,
wynikające z wysokiej ceny gazu ziemnego. Dodatkowo, w obecnej sytuacji gospodarczej,
cena gazu jest obarczona wysokim ryzykiem.
3. TURBINY GAZOWO-PAROWE
W układach z pojedynczą turbiną gazową, podłączoną bezpośrednio do generatora, możliwa
jest produkcja energii elektrycznej ze sprawnością (liczoną jako stosunek energii w paliwie do
produkcji energii elektrycznej) na poziomie ok. 38%. Sprawność taką uzyskuje się przy
wykorzystaniu najnowocześniejszych obecnie technologii. Gazy wylotowe, opuszczające
turbinę gazową, mają jeszcze ciągle bardzo wysoką temperaturę i niosą ze sobą znaczną ilość
energii. Energię tę wykorzystuje się w układach kombinowanych, kogeneracyjnych. W
układach kogeneracyjnych następuje wykorzystanie gazów wylotowych z turbiny gazowej do
wytwarzania pary wodnej o takich parametrach, aby można ją dalej skierować na wlot
dodatkowej turbiny parowej, do której podłączony jest kolejny generator, produkujący energię
elektryczną. Takie rozwiązanie pozwala osiągnąć bardzo wysoką sprawność całego układu
skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła.
Rys. 2.
Schemat kombinowanego układu kogeneracyjnego, wg [6]
4. MODEL MATEMATYCZNY TURBINY GAZOWO-PAROWEJ
Procesy dynamiczne, które odbywają się w turbinach parowo-gazowych można podzielić na
cztery kategorie [7]:
− regulacja prędkości i mocy,
− regulacja paliwa i powietrza,
− dynamika turbiny gazowej,
− dynamika przemiany gazu na moc mechaniczną na poziomie kotła odzyskowego.
Schemat ogólny powiązań między procesami dynamicznymi odbywającymi się w turbinach
gazowych o cyklu kombinowanym jest przedstawiony na rys. 4. Na rysunku przyjęto
następujące oznaczenia:
P
ref
- moc zadana,
∆
ω
- odchyłka prędkości (poślizg),
F
D
–
zapotrzebowanie na paliwo,
ω
- prędkość turbiny,
W
- dopływ gazu,
W
T
- dopływ paliwa,
T
E'
- zmierzona temperatura gazów wylotowych,
T
i
- temperatura gazów wlotowych,
T
E
-
rzeczywista temperatura wylotowa,
P
MS
- moc mechaniczna turbiny parowej,
P
MG
- moc
mechaniczna turbiny gazowej.
T
i
∆
ω
P
ref
regulacja
prędkości i mocy
∆
ω
F
D
W
regulacja paliwa i
powietrza
W
f
T
'
E
P
MG
turbina gazowa
T
E
ω
W
Kocioł odzyskowy
(HRSG)
P
MS
Rys. 4.
Schemat ogólny modelu turbiny gazowo-parowej wraz z jej regulacją wg [7]

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin