Molnár Dávid: Gőz munkaközegű hőerőművek

A gőz munkaközegű hőerőművek alrendszerekre való bontásával lényegesen egyszerűbbé válik az összetett folyamatok vizsgálata. A felbontást a következő ábra mutatja be:

 Jelmagyarázat:

1: tüzelőanyag, üzemanyag bevitel, 2: füstgáz és egyéb hőveszteségek, 3: mechanikai veszteségek, 4: villamos veszteségek, 5: forró gőz szállítása a turbinához, 6: turbina mozgási energiájának továbbadása, 7: kiadott villamos teljesítmény, 8: tápvízrendszer előmelegített vizet juttat vissza a körfolyamatba, 9: kondenzált víz visszajuttatása a tápvízrendszerbe, 10: a felhasznált gőz a turbinából a kondenzátorba, 11: villamos önfogyasztás, 12: hőáram a környezetbe

A hőtermelő alrendszer:

A kazánokban történik a tüzelőanyag kémiai energiájának felszabadítása, ami égést jelent a gyakorlatban.

A reaktor és gőzfejlesztő részegység az atomerőműveknél kerül bemutatásra. Széntüzelésű kazánnál a szenet feldolgozhatóvá kell tenni, a Mátrai Erőmű törőműjében 40 mm-esre aprítják,[1] majd az aprított szenet porfinomságúra őrlik. Így nagyobb felületet kapnak az égéshez. A Tisza II. erőműben a földgázt, illetve szükség esetén az olajat, szintén kazánokban égetik el. A kazánok lehetnek dobos- és kényszeráramlású kazánok. Dobos kazánok szubkritikus nyomáson alkalmazhatók. Ezzel ellentétben minden nyomáson szóba jöhetnek a kényszeráramlású kazánok.

A kazánok főbb részegységei: égéstér, tüzelőanyag-ellátás, levegőellátás, égéstermék eltávolítás, vízgőzrendszer. Az égéstér egy falakkal elszigetelt tér, ahol a tüzelőanyag elég. Tüzelőanyag-ellátás: a szénport előmelegített levegővel befújják az égéstérbe, a földgázt és olajat pedig porlasztják. A modern kazánokban a levegőellátásról külön rendszer gondoskodik. Fontos szerepet tölt be, mivel ha kevesebb levegő áramlik be, akkor megnő az éghetőanyag-veszteség; ha pedig túl sok, akkor a füstgáz mennyisége megnő.  

A kazánból kilépő füstgáz hőjét használja ki az erőmű levegő előmelegítő részrendszere. A kilépő füstgáz hőmérséklete csökken, és a friss beáramló levegő hőmérséklete növekszik, így a tüzelőanyag hőjét nagyobb hatásfokkal lehet villamos energia előállítására használni. A kazánfalat képező forrcsövekbe előmelegített víz érkezik, ami elforr a magas égési hőmérséklet miatt. A forrcsöveken továbbjutva a gőzt túlhevítik, és leválasztják a maradék vízcseppeket, mivel azok károsíthatják a turbinát.

A szénportüzelésű kazánoknál keletkező füstgázt szükséges pormentesíteni, erre a célra elektrofiltereket használnak. A megszűrt füstgázból ki kell vonni a ként. A füstgáz kéntelenítő berendezés a megkötés során pernye és salak képződik, mely sűrűzagy formájában a zagytérre kerül.

A turbina alrendszer:

A gőzturbina az erőmű egyik legfontosabb része. Ide kerül a túlhevített gőz, itt alakul át a hőenergiája mechanikai energiává. A turbinába áramló gőz erőt fejt ki a lapátokra, ezzel munkavégzésre kényszerítve azt. A manapság használatos gőzturbinák mind többfokozatúak. Léteznek akciós és reakciós turbinák. Az akciós turbináknál van egy közös tengely, amelyre tárcsákat rögzítenek. A tárcsákat, amelyek külső kerületén a forgólapátok vannak, elválasztják egymástól az állólapátokat magukban foglaló vezetőkerekek.

Ezekben a tárcsákban zajlik le a gőz expanziója. Így már könnyen elképzelhető a fokozat, amely a vezetőkerékből, valamint a sorban ezt követő forgólapátokat hordozó tárcsából állítható össze, amely tárcsa kettő szomszédos fokozat vezetőkerekei által behatárolt közegben forog. A fokozatok között megkülönböztetünk nagy-, közép- és kisnyomású fokozatokat, amelyek eltérő reakciófokkal készülnek el. Míg a nagy- és középnyomású turbinákban kicsi reakciófokot alkalmaznak, addig a kisnyomású fokozatok esetén már nagyobb reakciófokkal is lehet dolgozni. 

A gőz a forgólapátok után sokkal kisebb sebességgel nyomul tovább, ennek oka az, hogy a forgólapátokon való átáramlást követően a gőzáram mozgási energiájának nagy része itt, a forgórészen alakul át mechanikai munkavégzésre. Ezáltal nyomáscsökkenés következik be, amellyel időben párhuzamosan a gőz fajtérfogata megnő és így a térfogatáram is megemelkedik.

Ahhoz, hogy ezt a megnövekedett térfogatáramot biztonságosan és biztosan át lehessen ereszteni, az álló- és forgólapátok méretét minden egyes fokozat után meg kell növelni, tehát fokozatról fokozatra egyre nagyobbak lesznek ezek a lapátok. A reakciós turbinákat általában ún. mennyiségi szabályozással készítik el. Így az első fokozat egy részleges gőzbeömlésű akciós szabályozó fokozat, amelyet körkörös beömlésű reakciós fokozatok követnek. Reakciós fokozat esetén a forgólapátok közvetlenül a turbinatengelyeken helyezkednek el és az állólapátok egy lapáttartó betétbe vagy pedig a turbinaházba vannak beépítve.

Reakciós turbina esetén ugyanis az ár jelentős megnövekedéséhez vezetne, ha az állólapátokat a vezetőkerékbe, a forgólapátokat pedig a tárcsákra erősítenék, hiszen ez nagy tengelyirányú erőket idézne elő, ami által a turbina tengelyirányú méretei is növekednének. A két turbina-típust tekintve, a reakciós turbinák fokozatainak száma több, mint az akciós turbináé. A turbinák fordulatszáma Magyarországon 3000 fordulat/perc, így lesz a kilépő feszültség frekvenciája 50 Hz.

1. ábra Gőzturbina kisnyomású akciós részének rotorja[2]

Az expandált, munkát végzett gőzt kivezetve a turbinából, a kondenzátornak vissza kell alakítani vízzé. A kondenzátor tulajdonképpen egy tartály, amiben a gőzt valamilyen alacsonyabb hőmérsékletű közeg (frissvíz, levegő) csövekben történő keringtetésével lecsapatják, vagyis visszaalakítják folyékony anyaggá.

Létezik felületi és keverő kondenzátor. Keverő kondenzátornál a gőz és a hűtőközeg közvetlenül érintkezik, ilyet használnak a Heller-Forgó rendszerű hűtésnél, ha nem áll rendelkezésre folyóvíz, vagy hűtőtó. Az elterjedtebb kondenzátor típusok a felületi kondenzátorok. A felületi kondenzátoroknál a hűtőközeg túlnyomó többségben a víz. A hűtővíz hőmérséklete átveszi a gőz párolgáshőjét, így csapódik le a víz, amely a tartály aljában összegyűlik és tisztítás és póttápvízzel együtt a kondenzátum szivattyú eljuttat a tápvíz rendszerhez. A kondenzátor összegyűjti még a turbina víztelenítésnél összegyűlő nedvességet is.

A tápvíz rendszer a turbina részrendszerhez tartozik. A tápvizet összegyűjtés előtt a gőzturbinából lecsapolt gőzzel előmelegítik, majd a tartályból kilépve átvezetik a kazánból távozó füstgázon (tápvízelőmelegítés), hogy a kazándobba visszatérve nagyobb hőmérsékletet, nyomást és így jobb hatásfokot lehessen elérni.

Villamos-alrendszer részei a generátor, amely a turbina által a tengelyre gyakorolt mozgási energiát alakítja át villamos energiává, illetve a transzformátor, amely feltranszformálja a kilépő feszültséget, hogy a szállításnál minél kevesebb legyen a veszteség. A generátorban a villamos gerjesztéssel előállított elektromágneses erőtérben történő mozgás hatására elektromos áram indukálódik. Az erőművi generátorok három fázisúak, ezért három vezetékkel kell az energiát elszállítani. Hűtésükről hidrogén gondoskodik, amit szintén hűtés után lehet csak visszavehetni. A transzformátor hazai viszonylatban 120-220-400kV-ra transzformálja fel a feszültséget, és így a szállítási veszteség minimalizálható.

2. ábra Transzformátor állomás[3]

[1] Forrás: http://www.mert.hu/hu/eromu Elérhető: 2010.okt.16.

[2] Forrás: http://www.peter-junglas.de/fh/vorlesungen/thermodynamik2/images/bild52.jpg Elérhető: 2010. november 2

[3] Forrás: http://www.infoplan.hu/gfx/pub/kolozsvar_elemei/kep002n.jpg Elérhető: 2010. november 2.