Bihari, P. Ősz, J.:Hőellátás

ŐSZ JÁNOS – BIHARI PÉTER

HŐELLÁTÁS

BUDAPEST, 1998

HŐELLÁTÁS Az Akkreditált Iskolarendszerű Felsőfokú Szakképzés tankönyve.

Írta: Dr. Ősz János, okleveles gépészmérnök, okleveles gazdasági mérnök

a műszaki tudomány kandidátusa Bihari Péter, okleveles gépészmérnök, energetikai mérnök Lektorálta: Dr. Büki Gergely, okleveles gépészmérnök, a műszaki tudomány doktora Szerkesztette: Bihari Péter

© Phare Program HU-94.05

Készült a Phare Program támogatásával a HU-9405-0201-L017-019. sz. projekt keretében.

2 © Phare Program HU-94.05

ELŐSZÓ A hőellátás (mely alatt e tankönyvben alapvetően a távhőellátást értjük)

szintetizáló szaktárgy. Felhasználja az energetikai, a hőtani és az áramlástani alapismereteket, valamint az energiaátalakítással foglalkozó szaktárgyak keretében tanult ismereteket, s ezt a hőellátás (távhőellátás) szakterület keretébe helyezi.

A tankönyv 10 fejezetre oszlik. Egy rövid, alapfogalmakat és jelöléseket taglaló bevezető után a 2. fejezetben a lakossági-kommunális és ipari-technológiai hőigényeket, a 3..6. fejezetben a hőforrások (fűtőművek (3.), gőz (4.), gáz/gőz fűtőerőművek (5) és az ún. kiegészítő hőforrások (6)) hőkiadással kapcsolatos műszaki kérdéseit tárgyalja. A 7. fejezetben a hálózat, míg a 8. fejezetben a fogyasztói hőközpontok legfontosabb kérdéseit foglalja össze. A 9. fejezet a legelterjedtebb forróvizes távhőrendszerek rendszerszintű, míg a 10. fejezet a gazdasági kérdéseivel foglalkozik.

© Phare Program HU-94.05 3

TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK .............................................................................................................................................. 9

1.1. Jelölések................................................................................................................................... 9 1.2. Meghatározások..................................................................................................................... 11

HŐIGÉNYEK ................................................................................................................................................................................17 2.1. Hőfelhasználás....................................................................................................................... 17 2.2. Fűtési hőigény ....................................................................................................................... 17

2.2.1. Külső (környezeti) levegő hőmérséklet ......................................................................... 17 2.2.2. Egyedi helyiség............................................................................................................... 18 2.2.3. Lakóépület ...................................................................................................................... 19 2.2.4. Fogyasztói hőközpont..................................................................................................... 20 2.2.5. Távhőrendszer................................................................................................................ 20

2.3. Használati melegvíz hőigény................................................................................................ 20 2.3.1. Egy fogyasztó.................................................................................................................. 20 2.3.2. Fogyasztói hőközpont..................................................................................................... 21 2.3.3. Távhőrendszer................................................................................................................ 21

2.4. Kétcsöves forróvizes távhőrendszer hőigénye ..................................................................... 21 2.4.1. Névleges (tervezési) hőigény ......................................................................................... 22 2.4.2. Névleges fűtési szabályozási diagram .......................................................................... 22 2.4.3. Tényleges hőigény.......................................................................................................... 23 2.4.4. A hőfejlesztés napi diagramja ....................................................................................... 24 2.4.5. A hőfejlesztés évi tartamdiagramja .............................................................................. 24 2.4.6. A forróvizes távhőhálózat hővesztesége ....................................................................... 28 2.4.7. A lakossági-kommunális forróvizes hőigény kielégítése ............................................. 29

2.5. Ipari-technológiai hőigény .................................................................................................... 30

FŰTŐMŰVEK.............................................................................................................................................................................. 31 3.1. Forróvizes fűtőmű.................................................................................................................. 31

3.1.1. Forróvízkazánok............................................................................................................. 31 3.1.1.1. Nagyvízterű forróvízkazánok................................................................................. 31 3.1.1.2. Vízcsöves forróvízkazánok ..................................................................................... 32

3.1.2. A vízoldali nyomás megválasztása................................................................................ 32 3.1.3. A forróvízkazán üzemét befolyásoló tényezők.............................................................. 33 3.1.4. A forróvízkazánok üzemvitele: a vízhőmérsékletek szabályozása.............................. 35

3.1.4.1. Kisteljesítményű gáztüzelésű forróvízkazán ........................................................ 35 3.1.4.2. Olaj és alternatív szénhidrogén tüzelésű forróvízkazán...................................... 36

3.1.5. Forróvízkazánú fűtőművek ........................................................................................... 40 3.2. Ipari kazántelepek................................................................................................................. 41

3.2.1. Kondenzvíz gazdálkodás................................................................................................ 42 3.2.2. Hulladékhő hasznosítás................................................................................................. 42 3.2.3. A főberendezések hőmérlege ......................................................................................... 43 3.2.4. Gőzkazánú fűtőművek ................................................................................................... 43

3.3. A fűtőművek energetikai jellemzői....................................................................................... 45

GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK................................................................................................................... 47 4.1. A fűtőblokkok fejlődése ......................................................................................................... 47 4.2. Az ellennyomású fűtőblokkok............................................................................................... 50

4.2.1. Forróvizes hőkiadás ....................................................................................................... 50 4.2.1.1. Teljesítménymérleg ................................................................................................ 51 4.2.1.2. A fűtési forróvíz felmelegítésének fokozatszáma.................................................. 56 4.2.1.3. A fűtőturbinák kialakítása, üzemviszonyai .......................................................... 56

4.2.2. Gőzös hőkiadás............................................................................................................... 59 4.2.3. Energetikai jellemzők .................................................................................................... 60

4.2.3.1. A fajlagos villamos energia mennyiségét befolyásoló tényezők........................... 62 4.2.3.2. Az ellennyomású és a kondenzációs gőzkörfolyamat összehasonlítása .............. 63


4.2.4. Értékelhető villamos teljesítmény................................................................................. 65 4.2.4.1. Segédkondenzáció, segédhűtés............................................................................... 66

4.2.5. Ellennyomású fűtőblokk példák.................................................................................... 67 4.3. Kondenzációs fűtőblokkok..................................................................................................... 68

4.3.1. Teljesítménymérleg........................................................................................................ 68 4.3.2. Kondenzációs fűtőblokkok típusai................................................................................. 72

4.3.2.1. Részleges hőkiadás ................................................................................................. 72 4.3.2.2. Teljes hőkiadás........................................................................................................ 73

4.3.3. Energetikai jellemzők .................................................................................................... 74 4.3.4. Kondenzációs fűtőblokk példák ..................................................................................... 76

4.4. Fűtési hőcserélők ................................................................................................................... 78 4.5. Fűtőerőművek ........................................................................................................................ 82

4.5.1. Hőszolgáltató erőművek terhelésváltoztatása ............................................................. 84

GÁZ ÉS GÁZ-GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK ............................................................................................... 87 5.1. Gázturbinás hőszolgáltató blokkok ...................................................................................... 88

5.1.1. Nyílt ciklusú gázturbinák.............................................................................................. 88 5.1.2. Hőhasznosító hőcserélők................................................................................................ 92 5.1.3. Gázturbinás fűtőblokkok ............................................................................................... 94 5.1.4. Gáz-gőz fűtőerőművi blokkok ........................................................................................ 95 5.1.5. Energetikai jellemzők .................................................................................................... 99 5.1.6. A gáz-gőz fűtőerőművek szabályozása .......................................................................... 99 5.1.7. Megvalósítási példák.................................................................................................... 101

5.2. Gázmotoros fűtőblokkok...................................................................................................... 108 5.2.1. Alkalmazási területek.................................................................................................. 108 5.2.2. A gázmotorok felépítése és üzeme............................................................................... 109 5.2.3. Üzemállapotok, szabályozási lehetőségek .................................................................. 114 5.2.4. Energetikai jellemzők .................................................................................................. 115

KIEGÉSZTŐ HŐFORRÁSOK. HŰTÉS ÉS KLIMATIZÁLÁS..............................................................................................................117 6.1. Napenergia hasznosítás a hőszolgáltatásban.................................................................... 117

6.1.1. Aktív sugárzáshasznosítás .......................................................................................... 117 6.1.2. Passzív sugárzáshasznosítás ....................................................................................... 118

6.2. Geotermikus energia a hőszolgáltatásban......................................................................... 118 6.3. Kiegészítő tüzelőanyag-forrás: biomassza ......................................................................... 121

6.3.1. Szilárd biomassza......................................................................................................... 122 6.3.1.1. Kommunális hulladék........................................................................................... 122

6.3.2. Folyékony biomassza.................................................................................................... 123 6.3.3. Biogáz............................................................................................................................ 124

6.4. Hűtőgépek és hőszivattyúk. Klimatizálás.......................................................................... 125 6.4.1. Hűtő és hőszivattyú körfolyamatok ............................................................................ 125

6.4.1.1. Kompresszoros hűtőgép és hőszivattyú............................................................... 125 6.4.1.2. Abszorpciós hűtőgép és hőszivattyú .................................................................... 129

6.4.2. Klimatizálás.................................................................................................................. 131 6.4.2.1. Távhűtő hálózatok ................................................................................................ 133

TÁVHŐHÁLÓZAT ..................................................................................................................................................................... 135 7.1. A hőhordozó szállítása......................................................................................................... 135

7.1.1. A forróvíz szállítása kétcsöves távhőrendszerben...................................................... 135 7.1.1.1. Súrlódási tényező .................................................................................................. 136 7.1.1.2. Alaki ellenállás tényező........................................................................................ 136 7.1.1.3. A víz áramlási sebessége ...................................................................................... 136 7.1.1.4. A hálózat hidraulikai számítása .......................................................................... 137 7.1.1.5. A szivattyúzás energiafelvétele............................................................................ 137

7.1.2. A gőz szállítása ............................................................................................................. 137 7.2. Víz hőhordozójú távhőrendszerek nyomástartása............................................................. 138

7.2.1. A nyugalmi nyomás megválasztása ............................................................................ 139 7.2.2. A nyomástartás módszerei........................................................................................... 140


7.2.3. A víz térfogatának kompenzálása............................................................................... 141 7.3. A távhőhálózat hővesztesége .............................................................................................. 142

7.3.1. Forróvizes távhőhálózat .............................................................................................. 142 7.3.1.1. Az egyes hőszállítási módok hőátvitelét befolyásoló tényezők .......................... 142 7.3.1.2. A távhőhálózat hővesztesége ............................................................................... 143

FOGYASZTÓI HŐKÖZPONTOK.................................................................................................................................................. 145 8.1. Hőfogadó állomás ................................................................................................................ 145 8.2. A fogyasztói hőközpontok kapcsolása ................................................................................ 146 8.3. Víz-víz hőcserélők ................................................................................................................ 150

8.3.1. Köpenycsöves hőcserélők............................................................................................. 150 8.3.2. Növelt hőátadású csöves hőcserélők ........................................................................... 150 8.3.3. Lemezes hőcserélők...................................................................................................... 151

FORRÓVIZES TÁVHŐRENDSZEREK .......................................................................................................................................... 153 9.1. A hőellátási módok összehasonlítása ................................................................................. 153 9.2. A közvetlen és kapcsolt energiafejlesztés összehasonlítása ............................................. 155

9.2.1. A kapcsolt energiafejlesztés minden haszna a villamos energiában jelentkezik .... 158 9.2.2. A kapcsolt energiafejlesztés minden haszna a hőben jelentkezik ............................ 158

9.3. Változó tömegáramú távhőrendszerek .............................................................................. 159 9.4. Alap- és csúcshőforrás együttműködése ............................................................................ 165

9.4.1. Soros kooperáció........................................................................................................... 166 9.4.2. Párhuzamos kooperáció ............................................................................................... 166 9.4.3. Távolsági kooperáció.................................................................................................... 170

9.5. Az alap- és csúcshőforrás hőteljesítménye......................................................................... 172 9.6. Hőtárolók ............................................................................................................................. 173

9.6.1. Forróvíz tárolók............................................................................................................ 174 9.6.2. Gőztárolók..................................................................................................................... 176

9.6.2.1. Változó nyomású tároló ........................................................................................ 176 9.6.2.2. Állandó nyomású tároló........................................................................................ 177

A TÁVHŐELLÁTÁS GAZDASÁGI ÉRTÉKELÉSE ............................................................................................................................179 10.1. Alapfogalmak..................................................................................................................... 179 10.2. A távhőellátás működési költségei ................................................................................... 179

10.2.1. A távhő állandó költsége............................................................................................ 179 10.2.2. A távhő változó költsége ............................................................................................ 181 10.2.3. A távhő összköltsége és egységköltsége.................................................................... 182 10.2.4. A távhő előállításának költsége ................................................................................ 182

10.2.4.1. Fűtőmű ................................................................................................................ 182 10.2.4.2. Fűtőerőmű ........................................................................................................... 182

10.3. A távhőellátás árbevétele.................................................................................................. 183 10.3.1. Rendelkezésre állási, ill. teljesítménydíj .................................................................. 183 10.3.2. Hődíj............................................................................................................................ 184 10.3.3. Költségfedezeti ár....................................................................................................... 184 10.3.4. A távhő termelői ára kapcsolt energiafejlesztésnél ................................................. 185

10.4. A távhőellátás szervezeti felépítése ................................................................................. 185 10.5. Beruházási döntések ......................................................................................................... 186

10.5.1. A beruházások mennyiségi értékelése...................................................................... 187 10.5.2. A távhő ellőállításának egységköltsége .................................................................... 189

10.6. A hőforrások közötti terheléselosztás .............................................................................. 190

FELHASZNÁLT FORRÁSOK....................................................................................................................................................... 193


1. JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK

1.1. Jelölések Fontosabb fogalmak jelölései (az itt nem szereplő jelölések megnevezését és mértékegységét első előfor

helyükön adjuk meg) Jel Megnevezés Mértékegység

A felület m2 b fajlagos beruházási költség Ft/W B beruházási költség Ft

pc izobár fajhő J/(kg·K)

C éves szintre vonatkoztatott összes költség Ft E villamos energia J h fajlagos entalpia J/kg k hőátviteli tényező W/(m2·K) fajlagos költség Ft/... m tömegáram kg/s p nyomás bar tüzelőanyag hőár Ft/J, Ft/GJ P villamos teljesítmény W q fajlagos hőfelhasználás 1 q térfogati fajlagos hőigény W/m3 Q hő J Q hőteljesítmény (hőáram) W

r párolgáshő J/kg s fajlagos entrópia J/(kg·K) t hőmérséklet °C időpont s T abszolút termodinamikai hőmérséklet K T termodinamikai átlaghőmérséklet K

kiy hőkiadás miatti fajlagos villamosenergia-kiesés 1 α hőátadási tényező W/(m2·K) leírási hányad 1/a η hatásfok általában 1 Φ felületi hőcserélő BOŠNJAKOVIĆ-féle hatásossága 1 τ időtartam s/a σ fajlagos villamos energia mennyiség 1

F e

1.j e z e t

dulási

JELÖLÉSEK ÉS MEGHATÁROZÁSOK

Fontosabb indexek és jelölések (az itt nem magyarázott jelöléseket első előfordulási helyükön ismertetjük)

Jelölés Megnevezés, magyarázat a állandó költségtag A alap- (hőforrás) b belső- CS, cs csúcs- (hőforrás, hőigény) e előremenő ell ellennyomású... E villamos energia alrendszer jellemzője É égőtér f fogyasztás, fogyasztói oldal, fűtés FE fűtőerőmű FK forróvízkazán FM fűtőmű GM gázmotor GT gázturbina hmv használati melegvíz H hőforrás alrendszer jellemzője hőszivattyú HH hőhasznosító kazán jellemzője KE kondenzációs erőmű l a külső levegő állapotára vonatkozó... m mennyiségi (hatásfok) melegvíz Q hőkiadás alrendszer, hőre vonatkoztatott Q2 hőelvonás alrendszer t hőforrásból kiadott... T turbina alrendszer, gőzturbina TMK karbantartási (költségtag) (Tervszerű Megelőző Karbantartás) ü üzemanyag, üzemanyaggal bevitt energia v visszatérő; veszteség; változó költségtag veszt veszteség 0 névleges állapotú; ideális



1.2. Meghatározások Mivel a szakmában a szakkifejezések használata nem egységes, a

következőkben megadjuk az egyes fogalmak – szerzők által használt – meghatározásait.

Hőellátás: a fogyasztók ellátása a szükséges hőmérsékletű és mennyiségű hővel. A hőfejlesztő berendezés területi elhelyezkedése (következésképpen a fogyasztók száma, hőteljesítménye, stb.) alapján

– egyedi, – központi és – táv- hőellátás különböztethető meg. Egyedi hőellátás: egy fogyasztó saját hőigényének kielégítése. Központi hőellátás: kis területen több fogyasztó (többszintes lakóépület/ek/)

együttes hőigényének kielégítése. Távhőellátás: nagy területen a fogyasztói sokaság (városrész, város, régió)

együttes hőigényének kielégítése. Hőigény: a fogyasztók elvárásainak kielégítéséhez szükséges hőmérsékletű és

mennyiségű hő. A fogyasztók elvárása (időben változó) gazdasági és szocio-kulturális kategória. Két alapvető fogyasztó csoport különböztethető meg:

– lakossági-kommunális, – ipari-technológiai. Lakossági-kommunális fogyasztók: a helyiségek elvárt hőmérsékletének

biztosítása fűtési hővel és a fogyasztók elvárt hőmérsékletű és mennyiségű melegvízzel való ellátása. Ennek megfelelően

– fűtési és – használati melegvíz hőigény különböztethető meg. Ipari-technológiai fogyasztók: az ipari technológiák biztosítása megfelelő

hőmérsékletű és mennyiségű hővel. A két alapvető hőigény kielégítése különböző hőhordozóval – a lakossági-kommunális általában vízzel, – az ipari-technológiai általában vízgőzzel történik, de előfordulnak kivételek (gőzfűtésű radiátorok ill. forróvizes

technológiai fogyasztók). Vízfázisban ( )tcp ∆ a fajlagos energiahordozó-képesség kb. egy nagyságrenddel kisebb, mint gőzfázisban (r, h∆ ).



A víz hőhordozót – hőmérséklete alapján – a szakma megkülönbözteti: – melegvíz (névleges előremenő hőmérséklete te0 ≤ 115 °C), – forróvíz (névleges előremenő hőmérséklete te0 > 115 °C). Névleges előremenő/visszatérő víz hőmérséklet: a méretezési külső levegő

hőmérséklethez (tl0) tartozó előremenő (te0 a fogyasztó felé menő) és visszatérő (tv0, fogyasztótól visszajövő) víz névleges hőmérséklete.

A különböző lakossági-kommunális hőellátási módok eltérő névleges előremenő/visszatérő víz hőmérséklettel üzemelnek:

– egyedi hőellátás: melegvíz (te0/tv0= 90/70, 70/40 °C, stb.), – központi hőellátás: melegvíz (te0/tv0= 110/70, 90/70 °C, stb.), – távhőellátás: forróvíz (te0/tv0= 130/70, 150/70 °C, stb.). Az ipari-technológiai rendszerekben az előremenő hőhordozó vízgőz, a

visszatérő hőhordozó csapadékvíz (kondenzátum). A távhőellátás a rendszerstruktúrája alapján (1–1. ábra) három alrendszerre

osztható:

H HS HF

Q.

tQ.

f

Q.

szv

1–1. ábra. A távhőellátás rendszerstruktúrája

– hőfejlesztés alrendszer (H): a megfelelő hőmérsékletű és mennyiségű hő előállítása a hőforrásban;

– hőszállítás alrendszer (HS): az előállított hő eljuttatása a hőforrástól távolabb levő, területileg szétszórt fogyasztókhoz;

– hőfelhasználás alrendszer (HF): a fogyasztó(k)hoz érkezett hő felhasználása az aktuális igények kielégítésére.

A távhőellátás hőmérlege

fszvt QQQ += (1.1)

mutatja, hogy a szállítási veszteség (Q ) a távhőellátás velejárója. A szállítási veszteség a csővezeték hálózat méretének növekedésével nő. Egyedi hőellátásnál szállítási veszteség gyakorlatilag nincs, központi hőellátásnál pedig lehet (pl. egy többemeletes lakóépületben a szállítási veszteség a közös helyiségek fűtésére fordítódik, tehát nincs, ill. több lakóépület együttes hőigényének kielégítésénél a lakóépületeket összekötő vezeték hővesztesége a környezetbe távozik).

szv

A hőforrás két alapvető típusa (1–2. ábra) különböztethető meg:



– fűtőmű (a) csak hőt, – fűtőerőmű (b) kapcsoltan (együtt) hőt és villamos energiát ad ki.

Q.ü

Qü

Q.

t

Qt

FMQ.ü

Qü

FEQ.

tQ

t

PE

a., b.,

Fűtőmű Fűtőerőmű

1–2. ábra. A hőforrások típusai

A hőkiadás energetikai jellemzője a fajlagos hőfelhasználás, amely hőtelje-sítményre

t

ü

QQ

q = , (1.2)

ill. hőre

t

üQQq = (1.3)

egyaránt meghatározható, s általában qq ≠ .

A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai a vezetékek száma szerint (1–3. ábra):

– egycsöves (a, esetleg fűtés (f) és használati melegvíz (hmv, előremenő), ma már nem jellemző),

– kétcsöves (b, fűtés (f) és használati melegvíz (hmv) együtt (előremenő/visszatérő), ma a leggyakoribb),

– háromcsöves (c, fűtés (f, előremenő/visszatérő) és használati melegvíz (hmv, előremenő) külön-külön),

– négycsöves (d, fűtés (f, előremenő/visszatérő) és használati melegvíz (hmv, előremenő/visszatérő) külön-külön).

A vezetékek funkciója szerint (1–4. ábra) megkülönböztethető – elosztó hálózat (a): a fogyasztókkal közvetlenül kapcsolatban levő vezeték

hálózat (a víz előremenő/visszatérő hőmérséklete azonos a fogyasztó által megkívánttal);

– gerincvezetékek (b): a városi hőforrásokat összekötő, az együttműködésüket szolgáló vezetékek (a forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete – ha nem kapcsolódik hozzá fogyasztó – eltérhet a fogyasztó által megkívánttól);

– tranzitvezeték (c): a városon kívül levő hőforrást a városi távhőhálózattal összekötő vezetékek (a forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete eltérhet a fogyasztó által megkívánttól).



f

HF

a.,

hmv

HF

b.,

f

hmv

HF1

c.,

f

HF2hmv

HF1

d.,

f

hmvHF2

1–3. ábra. A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai

a vezetékek száma szerint (HF: hőforrás)

FHK i

a.,

HF1 HF2

HF3

elosztó hálózat

elosztó hálózatelosztó hálózat

b.,

HF városi távhőrendszer

c.,

1–4. ábra. A víz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai a

vezetékek funkciója szerint (HF: hőforrás)



Forróvizes távhőellátásnál a hőfogyasztás alrendszer a fogyasztói hőközpontok sokasága. A fogyasztói hőközpontban a primer forróvíz felmelegíti a szekunder fűtési és használati melegvizet, miközben lehűl. A fogyasztói hőközpontok két alapvető típusa különböztethető meg (1–5 ábra):

– közvetett (indirekt), – közvetlen (direkt). Közvetett fogyasztói hőközpontok (a): A forróvíz és a melegvíz rendszerek

hidraulikailag szét vannak választva, a hőátvitel felületi hőcserélőkben történik. Közvetlen fogyasztói hőközpontok (b): A forróvíz és a melegvíz fűtési rendszer

hidraulikailag össze van kötve, a hőátvitel a forróvíz és a melegvíz összekeverésével történik. A használati melegvíz előállítása azonban itt is hidraulikailag különválasztott, felületi hőcserélőkben történik.

f R

(szekunder)fűtési melegvíz

hmv

ivóvíz hálózat

(primer)

forróvíz

a., e

v

R

ivóvíz hálózat

hmv

(szekunder)fűtési melegvíz

e

v

(primer)

forróvíz

b.,

1–5. ábra. A fogyasztói hőközpontok elvi kapcsolása (R: radiátor)



A vízgőz hőhordozójú szállítás alrendszer típusai: – gőz vezeték(ek) (előremenő), – kondenzátum vezeték, hálózat (visszatérő, el is maradhat). A vízgőz hőhordozó – közvetlenül vagy – közvetve (hőcserélőn keresztül) kerül felhasználásra.


F

2. HŐIGÉNYEK

2.1. Hőfelhasználás A nemzetközi statisztikai adatok szerint a hasznosított energia 60..

hőként kerül felhasználásra. A felhasznált hő mennyiségét jelebefolyásolja a klíma. Mérsékelt égövben a felhasznált hő kb. 50 %-a fűtés50 %-a technológiai célra fordítódik. A fűtési hő több, mint 50 %-a 15..20 %-a ipari létesítmény, a többi járművek, kommunális intézményekgazdasági szektorok fűtésére fordítódik. A technológiai hő kb. 80 %-a az ip5..8 %-a a háztartásokban (pl. főzés), a maradék egyéb területekenfelhasználásra. A felvillantott nemzetközi statisztikai adatok mutatjákmeghatározó szerepét az energiagazdálkodásban, a hővel való gazdáfontosságát.

2.2. Fűtési hőigény A fűtési hőigényt alapvetően a külső (környezeti) levegő hőmérséklete ha

meg.

2.2.1. KÜLSŐ (KÖRNYEZETI) LEVEGŐ HŐMÉRSÉKLET Magyarország a mérsékelt égövben helyezkedik el, a 44..47. szélessé

között. Klimatikus viszonyait jól szemlélteti az adott és annál hidegebbhőmérséklet előfordulási időtartama a levegő hőmérséklet függvényében 2–1. ábrát, (BÜKI, 1980)). A +12 °C-nál hidegebb levegő hőméelőfordulásának időtartama jól lefedi a fűtési szezont: hazánkban dekoktóber 15. és április 15. között, amely fél évnek, azaz 4380 h/a-nek (365 na(8760 h/a) fele) felel meg.

Magyarországon a névleges minimális levegő hőmérséklet alapján körzetet különböztetnek meg (2–2. ábra):

tl0=–15 °C, tl0=–13 °C, tl0=–11 °C. A távhőrendszer és a hőellátó berendezések tervezése, kiválasztása a n

minimális levegő hőmérsékletre (tl0) meghatározott hőigényre történik. Mérvadó levegő hőmérséklet a napi átlagos hőmérséklet, am

meghatározása a hazai gyakorlatban:

4

2 l21hl14hl7hl

tttt

++= , (

a 7, 14 és 21 órakor mért levegő hőmérsékletek átlagával történik.

2.e j e z e t

70 %-a ntősen re, kb. lakás,

, egyéb arban, kerül a hő lkodás

tározza

gi kör levegő (lásd a rséklet larálva pos év

három

évleges

elynek

2.1)

HŐIGÉNYEK

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

-15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11Levegő hőmérséklet, °C

Előfordulás időtartama, h/a

2–1. ábra. Az adott vagy kisebb napi átlagos levegő hőmérséklet előfordulási időtartama

Magyarországon

-11 °C-13 °C

-15 °C

2–2. ábra. Magyarország körzetei a névleges minimális napi átlagos levegő hőmérséklet alapján A környezeti levegő hőmérséklet azonban hosszú idő alatt az urbanizáció

következtében változhat. Példaként Kelenföld hozható fel. Azonos átlagos levegő hőmérsékletű években a XX. század elején 1..2 °C-al alacsonyabb levegő hőmérsékleteket mértek Kelenföldön, mint az 1980-as években (KOVÁCS). Az eltérés oka a megépült városrész fűtésének hővesztesége, amely megnövelte a környezeti levegő hőmérsékletét.

2.2.2. EGYEDI HELYISÉG Egy helyiség folyamatos fűtésének fajlagos térfogati hőigényét (q ) elvileg a f

sbszvf qqqqq −−+= (2.2)

összefüggéssel lehet meghatározni, ahol


HŐIGÉNYEK

– a helyiséget határoló felületeken keresztül távozó hőveszteség ( ) és vq

– a helyiség szellőztetésekor a nyílászáró(ko)n kilépő meleg levegővel távozó hőveszteség ( ); szq

mely két hőveszteséget részben kompenzálja – a helyiségben tartózkodók és tevékenységük hőfejlődéséből (q ) valamint b

– a napsugárzás hatásából (q ) eredő hőnyereség. s

Az egyes összetevők konkrét meghatározása gyakorlatilag lehetetlen. Állandóan fejlődő tervezési irányelvek, szabványok léteznek, amelyek betartása egyre inkább kötelező. De ezek csak a jövőre vonatkoznak, s a meglévő lakásállomány évtizedeken át alakult ki különböző előírásokkal.

Az újabb tervezési irányelvek elsősorban -t kívánják csökkenteni megfelelő hőszigeteléssel, és az épületek megfelelő tájolásával q -t növelni. De ismertek olyan törekvések is, hogy a helyiségben tartózkodók hőérzetét javítsák megfelelő ruházattal.

vq

s

Az egyedi helyiség fűtési hőigénye a térfogat alapján

, (2.3) ][ lf tqVQ f=

ill. a határoló falakon keresztül történő hőátvitel alapján

, (2.4) [ ] )( lbszélf ttAwkQ −=

ahol k a helyiség belső levegője és a külső környezeti levegő közti hőátviteli tényező,

amely – adott határoló felületnél – elsősorban a külső levegő áramlásától, a szél sebességétől (wszél) függ,

V a helyiség térfogata, A a helyiség határoló felülete, tb a helyiség belső elvárt levegő hőmérséklete, amely lakóhelyiségben 20..22 °C,

de pl. egy kórház helyiségeiben 24..26 °C, tl a külső (környezeti) levegő hőmérséklete. A hazai előírások a helyiségek fűtési hőigényét jelenleg a névleges külső levegő

hőmérsékletre ( l0t ) és az egységnyi térfogatra vonatkozó fajlagos hőigénnyel (q ) rögzítik, amelyre a fűtőberendezések (kazán, radiátorok, stb.) kiválasztása történik.

f0

2.2.3. LAKÓÉPÜLET A lakóépületben több helyiség van. Ezekben a hőveszteség-áram elvileg

különböző, mert a külső határoló felület a mérvadó. Ezen kívül emeletes házakban más-más tb hőmérsékletet kell biztosítani a lakásban, és pl. a lépcsőházban. Ennek következménye, hogy a lakások elhelyezkedése szerint eltérő lesz az egyes lakások fűtési hőigénye.


HŐIGÉNYEK

2.2.4. FOGYASZTÓI HŐKÖZPONT A fogyasztói hőközpont fűtési hőigénye számos, esetleg különböző hőszigetelésű

lakóépület, s azon belül számos különböző elrendezésű lakás, valamint több kommunális létesítmény (óvoda, iskola, kórház, stb.) helyiségeinek együttes hőigényét elégíti ki. Az egyedi helyiségek, lakások, lakóépületek, fogyasztói hőközpontok az épületgépészet, a forróvizes távhőrendszer az energetika szakterülete.

2.2.5. TÁVHŐRENDSZER A távhőrendszer több fogyasztói hőközpont, s ezáltal az egyedi fogyasztók

sokaságának, általában egymástól is eltérő hőigényét elégíti ki. Ha a távhőhálózat hőveszteségét figyelmen kívül hagyjuk, akkor a hőfejlesztés (H), a fogyasztói hőközpontok (FHK) és az egyedi fogyasztók sokaságának (fogyasztók) aktuális fűtési hőmérlege:

fogyasztók)(][

FHK])[][(][

H])[][(][][

1lbff

1lf

1lmvlme,m

1fk

lvlelfltf

⇒−=

⇒=−=

⇒=−=

∑∑

∑∑

==

==f

ff

k

k

k

kplk

k

k

p

ttAktQ

ttttctmQ

ttttctmtQ

, (2.5)

ahol lt a külső levegő napi átlagos hőmérséklete, k a hőforráshoz tartozó fogyasztói hőközpontok száma, f az adott fogyasztói hőközponthoz tartozó egyedi fogyasztók száma, index m melegvíz, f forróvíz. A mérleg kielégítése minden fogyasztó számára azonos módon gyakorlatilag lehetetlen.

2.3. Használati melegvíz hőigény A használati melegvíz hőigényt alapvetően a fogyasztók száma és a fogyasztói

szokások határozzák meg.

2.3.1. EGY FOGYASZTÓ Elv az egy lakásra, fogyasztóra (a hazai adatok szerint átlagosan 3,5 fő, 3 db

csaptelep) eső használati melegvíz (hmv) felhasználás:

)( ivóvízhmvhmvhmv ttcmq p −= , (2.6)

ahol

hmvm az egy fogyasztóra eső órás átlagos használati melegvíz felhasználás, amelyet – tapasztalatok alapján megállapított – normák szerint határoznak meg,

thmv ≅ 45 °C, a használati melegvíz fogyasztónál megkövetelt hőmérséklete, tivóvíz a hálózati ivóvíz hőmérséklete, amelynek éves terjedelme 5..20 °C; a hmv

méretezési hőmérséklete 10 °C.


HŐIGÉNYEK

A tapasztalatok azt mutatják, hogy a használati melegvíz igény naponta jelentősen ingadozik: az éjszakai minimális (esetleg zérus) felhasználástól, az esti csúcs maximális felhasználásáig sokszorosan változik. A heti és szezonális ingadozása is megfigyelhető:

– a hét végén a fogyasztás jelentősebb, mint hét közben, – télen nagyobb, mint nyáron (de egyes körzetekben vannak ennek

ellentmondó adatok is).

2.3.2. FOGYASZTÓI HŐKÖZPONT A fogyasztói hőközpontok használati melegvíz hőcserélői számos egyedi

fogyasztó hmv hőigényét elégítik ki. A hmv igény jelentős ingadozását gyakran hőtárolókkal mérséklik.

2.3.3. TÁVHŐRENDSZER A távhőrendszer több fogyasztói hőközpont, időben változó hmv hőigényét

elégíti ki. A hmv igény ingadozásának mérséklésére felhasználható a forróvizes távhőrendszer hőtároló képessége is. Ha a távhőhálózat hőveszteségét figyelmen kívül hagyjuk, akkor a hőfejlesztés (H), a fogyasztói hőközpontok (FHK) és a egyedi fogyasztók sokaságának aktuális hmv hőmérlege a nyári időszakban, amikor csak hmv hőszolgáltatás van:

fogyasztók

][]45[(][][

FHK])[]45[(][][

nyárH])[(][][

1tárolt,

ivóvízhmv1

,hmv1

hmv

1ivóvízhmv,hmv

1hmv,

vefhmv,

⇒±

±−==

⇒−==

⇒−=

∑

∑∑

∑∑

=

==

==

k

kk

p

h

hh

k

k

k

kpk

k

kk

p

Q

tttctmtQ

tttctmtQ

tttctmtQτ

(2.7)

ahol t az idő, k a fogyasztói hőközpontok száma, h a használati melegvíz fogyasztók száma. Itt is megállapítható, hogy a mérleg kielégítése minden fogyasztó számára azonos módon gyakorlatilag lehetetlen.

A távhőrendszer használati melegvíz szolgáltatásának méretezését – a budapesti statisztikai adatok feldolgozásával – az MSZ 0985004 szabvány tartalmazza, amely a fogyasztók számától függően adja meg az egy órai, ill. az egy perces csúcshőfelhasználást, az átlagos csúcshőteljesítményt. A szabvány már tartalmazza azt a felismerést, hogy 1, ill. 5 % valószínűséggel vannak kielégítetlen fogyasztók is.

2.4. Kétcsöves forróvizes távhőrendszer hőigénye A leggyakoribb kétcsöves távhőrendszerben a hőfejlesztés alrendszerben a

távhőrendszer együttes, fűtési és használati melegvíz hőigényét kell kielégíteni a hőveszteséggel együtt, azaz

][][][ lveszthmvlft tQtQtQQ ++= . (2.8)


HŐIGÉNYEK

A hőigények kielégítése két időbeli szakaszra bontható: – fűtési szezon (fűtés és használati melegvíz) és – nyár (használati melegvíz). Mivel fűtési szezonban meghatározó részaránya a fűtési hőigénynek van, a

hőigény változása alapvetően a külső levegő hőmérséklet függvénye.

2.4.1. NÉVLEGES (TERVEZÉSI) HŐIGÉNY A távhőrendszereket hosszútávra, a jelen és a jövőbeli várható névleges

hőigényekre hozzák létre, eleve számolva a bővítés lehetőségeivel. Ennek következtében a kezdeti időszakban a hőfejlesztés, hőszállítás alrendszer túlméretezett, amely elvileg az új fogyasztói hőközpontokkal, fogyasztókkal időszakosan bővül. A fogyasztói hőigények jelentősebb bővülésével idővel szükség lehet a hőforrás bővítésére, ill. a fogyasztói hőigények tervezettnél kisebb bővülése esetén a hőfejlesztés és a hőszállítás alrendszer túlméretezett maradhat. A távhőrendszer névleges levegő hőmérséklethez tartozó jellemzői:

cs0Q névleges fogyasztói csúcshőigény,

te0/tv0 névleges előremenő/visszatérő forróvíz hőmérséklet (hazánkban két típusa különböztethető meg: 130/70 °C ill. 150/70 °C, de külföldön más rendszerek (pl. 120/80 °C) is előfordulnak),

f0m a névleges keringtetett forróvíz tömegáram, amely számítható:

)( v0e0

cs0f0 ttc

Qm

p −= . (2.9)

Ismerve az éves névleges hőigény változását ( ) m évente korrigálható. cs0Q∆± f0

2.4.2. NÉVLEGES FŰTÉSI SZABÁLYOZÁSI DIAGRAM Mivel a fűtési hőigény a külső levegő hőmérséklet függvényében változik, az

MSZ 0985007 szabvány megadja a névleges fűtési szabályozási diagram összefüggését:

l0b0

lb0

p0p0pv

sv0pv0s0

p0b0b0sv0se075,0

pe 22

ttttq

tqtt

ttttqttttqt

−−

=

∆−=

−+

∆−∆++

−

+=

(2.10)

ahol

bb0 tt = =20 °C a fűtött helyiség névleges megkövetelt belső hőmérséklete,

q a helyiség, lineárisan változó relatív hőigénye ( l0t -nál =1), q

tpe0/tpv0 a primer forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete (130/70 °C rendszerben csak fűtésre 130/80 °C, 150/70 °C rendszerben csak fűtésre 150/80 °C)


HŐIGÉNYEK

tpe/tpv a primer forróvíz előremenő/visszatérő hőmérséklete, ∆tpo = tpe0–tpv0 a primer forróvíz névleges hőmérsékletkülönbsége, tse0/tsv0 = 90/70 °C, a szekunder melegvíz névleges előremenő/visszatérő

hőmérséklete, ∆ts0 = tse0–tsv0 = 20 °C, szekunder melegvíz névleges hőmérséklet-különbsége,

l0t a névleges, lt az aktuális napi átlagos levegő hőmérséklet.

A névleges fűtési szabályozási diagramot tl =+12 °C és tl0 =–15 °C külső levegő hőmérséklet tartományban a 2–3. ábra szemlélteti.

Névleges szabályozási diagram

0102030405060708090

100110120130140150

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10-11-12-13-14-15Napi átlagos környezeti levegő hőmérséklet, °C

Forróvíz hőmérsékletek, °C

)C80/150(e °t

)C80/130(e °t

)C80/150C;80/130(v °°t

2–3. ábra. Névleges fűtési szabályozási diagram

A három- és négycsöves távhőrendszerekben (csak fűtési hőigény) a forróvíz hőmérsékletek lényegében megegyeznek a szabályozási diagram hőmérsékleteivel. A kétcsöves távhőrendszerek tényleges szabályozási diagramja azonban eltér a használati melegvíz hőigény miatt, s az eltérés mértéke függ

– a fogyasztói hőközpontok kapcsolásától, – a hmv és a fűtés hőteljesítmény arányától. A nyári használati melegvíz hőigény kielégítése érdekében a forróvíz névleges

előremenő hőmérséklete távhőrendszerenként eltérő, te = 60..65 °C, míg a visszatérő a hmv hőigények függvényében kialakul.

2.4.3. TÉNYLEGES HŐIGÉNY Adott távhőrendszerben adott, napi átlagos külső levegő hőmérséklethez

meghatározható a napi előállított hő tényleges mennyisége: )( lt tQ ⇒ [GJ/nap], amelyből az órás átlagos hőteljesítmény


HŐIGÉNYEK

]MW[4,86

]GJ/d[]s/h[3600]h/d[24

]GJ/d[ ttt

QQQ =⋅

= , (2.11)

amely a fűtés és a hmv együttes hőteljesítményét mutatja. Ennek statisztikai feldolgozása megadja a külső levegő hőmérséklet függvényében a hőfejlesztés hőigényét.

A használati melegvíz órás átlagos hőteljesítménye a nyáron kiadott hő mennyisége alapján számítható:

]MW[]s/h[3600]h/nyár[

]GJ/nyár[

nyár

thmv ⋅

=τ

QQ , (2.12)

amelyet a téli időszakban (tl<0 °C) gyakran 1,2 tényezővel megnövelnek. A távhőrendszer hőigénye

])[][(][)2,1(][ lvlelfhmvflt ttttctmQQtQ p −=+= , (2.13)

amely elvileg a keringtetett forróvíz tömegáramának és az előremenő/visszatérő forróvíz hőmérsékletének napi átlagos levegő hőmérséklettől függő változásával kielégíthető. Ha = áll., akkor ez tfm e/tv vagy ve ttt −=∆ szabályozását jelenti (állandó tömegáramú távhőrendszer).

A tényleges hőigények és az előremenő, ill. visszatérő hőmérsékletek az adott távhőrendszerre jellemzően eltérhetnek a névleges értékektől, ahogy azt a kelenföldi távhőrendszer példáján a 2–4. ábra, ill. a kőbányai városközpont példáján a 2–5. ábra mutatja.

2.4.4. A HŐFEJLESZTÉS NAPI DIAGRAMJA Ugyan az adott napra az átlagos külső levegő hőmérséklet azonos, a

hőforrásokban a napi hőfejlesztés mégsem egyenletes. Általában három napszak különböztethető meg:

– éjjel, – nappal, – esti csúcs, s a távhőrendszer méretétől (hőtároló képességétől) függően változik a

teljesítmény változtatások időpontja (pl. 2–6. ábra). A hőforrásban naponta előállított hő mennyisége

( )∫=24

0t dttQQ (2.14)

a hőteljesítmények idő szerinti integrálja.

2.4.5. A HŐFEJLESZTÉS ÉVI TARTAMDIAGRAMJA A különböző évek energiagazdálkodásának összehasonlítására az éves szinten

kiadott hő mennyisége szolgál, amely a napi hőmennyiségek összege


HŐIGÉNYEK

. (2.15) ∑=365

1napt,évt, QQ

0

50

100

150

200

250

300

350

400


Hőteljesítmény, MW

0102030405060708090

100110120130



t e

t v

t e t v-

2–4. ábra. A kelenföldi (130/70 °C) távhőrendszer tényleges hőteljesítménye és forróvíz

hőmérsékletei 1983-ban ( m = áll. =6570 t/h) a fűtési szezonban (BME HRI) f


HŐIGÉNYEK

0

10

20

30

40

50

60



0102030405060708090

100110120130140150



et

vt

ve tt −

2–5. ábra. A Kőbánya városközpont (150/70 °C) távhőrendszer tényleges hőteljesítménye és

forróvíz hőmérsékletei 1983-ban (m =áll.=840 t/h) a fűtési szezonban (BME HRI) f


HŐIGÉNYEK

Q.

τ, h0 6 12 18 24

2–6. ábra. A hőforrás napi hőteljesítmény változásának elvi diagramja E mellett a napi hőteljesítmény-idő diagramokból meghatározható az egyes

hőteljesítmények fennállásának időtartama az adott évben, a hőteljesítmény tartamdiagram (2–7. ábra).

Q.

τ, h/a0 4360 8760fűtési szezon

t

Q.

cs

τcs

Q.

t = f (τ)

nyár 2–7. ábra. A hőfejlesztés évi hőteljesítmény tartamdiagramja

A Q görbe alatti terület szintén az évi előállított hőmennyiséget adja )(t τf=

, (2.16) ∫= ττ d)(tévt, QQ

amelyből meghatározható a hőfejlesztés kihasználtságát jellemző paraméter, a

cs

évt,cs Q

Q=τ (2.17)

csúcskihasználási óraszám, amely megmutatja, hogy a hőforrás Qt,év hő előállítása mellett a csúcsteljesítményével hány órát üzemelt volna. (A 2–


HŐIGÉNYEK

7. ábrán a görbe alatti terület (folytonos vonal) és a Q téglalap (szaggatott vonal) területe azonos).

)(t τfQ = cscs τ−

A hazai forróvizes távhőrendszerek össz-hőigényre vonatkozó csúcskihasználási óraszáma általában 2700..2800 h/a, amelyből a fűtés csúcskihasználási óraszáma 2100..2200 h/a, míg a használati melegvízé 500..600 h/a.

A távhőrendszer hőigényét több hőforrás (hőfejlesztő berendezés) elégítheti ki. A 2–8. ábra a hőfejlesztés olyan évi tartamdiagramját mutatja, amelyben két különböző hőforrás üzemel, Q és Q beépített hőteljesítménnyel. Az előállított hő évi mennyisége

A0 CS0

(2.18) csCSCS0csAA0tCStAévt, ττ QQQQQ +=+=

a két hőforrásban előállított hő összege, mely alapján megkülönböztethető a két hőforrás hőfejlesztésének évi csúcskihasználási óraszáma

CSo

tCScsCS

A0

tAcsA ill.

QQ

QQ

== ττ , (2.19)

amely általában nem azonos. A hőforrás kihasználása alapján – alap- és – csúcs- hőforrás különböztethető meg. Az alaphőforrás nagy (>3500..4000 h/a), míg a

csúcshőforrás kis (<500..1000 h/a) csúcskihasználási óraszámmal üzemel. A 2–8. ábrán

, (2.20) cs0CS0A0 QQQ >+

amely a teljesítménymérleg „pontatlanságait” mutatja: A névleges (gyártó által megállapított) teljesítmény általában nem azonos a tényleges maximális teljesítménnyel. A hőforrás tartalék teljesítménye pedig általában a csúcshőforrásban szerepel.

2.4.6. A FORRÓVIZES TÁVHŐHÁLÓZAT HŐVESZTESÉGE Megfelelő állapotú távvezeték hálózat elfogadható hővesztesége a kiadott

hőteljesítményre vonatkoztatva

)%83(kiadott

veszt …=QQ ,

ahol a kisebb értékek a nagyobb hőigényekre vonatkoznak; ill. hőre

)%74(kiadott

veszt …=QQ .


HŐIGÉNYEK

Q.


t

τcsCS

Q.t = f (τ)

nyár

csAτ

Q.CS0

Q.A0

Q.cs0

2–8. ábra. Alap- és csúcshőforrás a rendszer évi hőteljesítmény tartamdiagramjában

Mivel a távhőellátás velejárója a hőveszteség – a komplex energiahasznosítás keretében – a veszteséghő egyéb célú hasznosítása egyre inkább szükségszerűség (pl. távvezeték a városi utak alatt, s az utak sózása helyett a hőveszteség olvasztja meg a havat az utakon).

2.4.7. A LAKOSSÁGI-KOMMUNÁLIS FORRÓVIZES HŐIGÉNY KIELÉGÍTÉSE A különböző fogyasztók hőérzete különböző, elvileg minden fogyasztó maga

ismeri, hogy milyen belső levegő hőmérsékletnél érzi jól magát. Ezen kívül a használati melegvíz igény is időben jelentősen változik. Nem ismerjük a távhőhálózat tényleges állapotát (hőveszteségét) sem. Tehát a hőforrás hőteljesítményét csak bizonyos hibával tudjuk meghatározni.

Ha a fogyasztókat sokaságként kezeljük, akkor a fogyasztók hőigénye és a hőfejlesztés alrendszer hőteljesítménye között a következő statisztikai mérlegnek kell fennállni

)()(fvesztt fvesztt Q

fQQ sQsQsQ +++=+ ∑ , (2.21)

ahol s a hőteljesítmények szórása. Az egyes fogyasztók hőigényét tehát csak bizonyos szórással lehet kielégíteni, amelynek következménye, hogy az egyes fogyasztók igényük felett (pl. túlfűtött helyiség), mások igényük alatt (pl. alulfűtött helyiség) részesednek.

A mérleghez való igazodás úgy biztosítható, azaz az elégedetlen fogyasztók száma úgy mérsékelhető, hogy a fogyasztók hőérzetük, azaz hőigényük alapján maguk rendeződjenek el a sokaságban. Ennek műszaki feltétele, hogy az egyes fogyasztókat el kell látni szabályzókkal és hőmennyiség-mérőkkel, hogy maguk állítsák be a hőfelhasználásukat. Közgazdasági következménye pedig, hogy a fogyasztók a felhasznált hő mennyisége alapján fizessék a hődíjat.


HŐIGÉNYEK

2.5. Ipari-technológiai hőigény Az ipari-technológiai hőigény alapvetően az ipari termeléstől függ, a tél-nyár

szezonális ingadozás minimális. Az ipari-technológiai folyamatok folyamatosak (pl. a kőolaj feldolgozása a vegyiparban) vagy szezonálisak (pl. cukor- és konzervgyártás az élelmiszeriparban). Hazánkban jellemző a műszakváltás körüli igény csökkenés és az alacsony műszakszám (1980-as években napi 1,3).

A hőigényt az ipari-technológiai folyamathoz illeszkedve lehet ténylegesen meghatározni: gőz tömegáram (ritkábban hőteljesítmény)-hónap/év tartamdiagram a hőfelhasználás elemzésére.

Az ipari-technológiai folyamatoknál viszont nem a hő abszolút, hanem fajlagos mennyisége

=

termékdb/kggőzkgg

TM

g ill.

=

termékdb/kgkJ

TQq (2.22)

a meghatározó, amely az egységnyi termékre vonatkozó gőz- vagy hőfelhasználást mutatja.


F

3. FŰTŐMŰVEK A fűtőműveknek három típusa különböztethető meg: – forróvizes fűtőmű, – ipari kazántelep, – nukleáris fűtőmű. A következő alfejezetekben részletesebben tárgyaljuk a forróvizes fűtőmű

az ipari kazántelepek jellemzőit. A nukleáris fűtőművekről, melyek a bejövőn belül nem épülnek hazánkban, nem ejtünk szót.

3.1. Forróvizes fűtőmű

3.1.1. FORRÓVÍZKAZÁNOK A forróvízkazánokban a tüzelőanyag kémiailag kötött energiájából – a

során – felszabaduló hő a nyomás alatti víz (nyomottvíz) felmelegítését szKét alapvető típusa különböztethető meg:

– nagyvízterű láng- és füstcsöves forróvízkazánok (kisebb, max. 15..2hőteljesítménnyel),

– vízcsöves (kisvízterű) forróvízkazánok (20..30 MWt-nál nhőteljesítménnyel).

A nyomottvíz állapot fenntartása érdekében a forróvízkkényszeráramlásúak.

3.1.1.1. Nagyvízterű forróvízkazánok A nagyvízterű forróvízkazánokban a láng a lángcsőben, a füst

füstgázcsövekben áramlik (3–1. ábra), míg a forróvíz a kazán köpenyterénagy víztérfogatban) kis áramlási sebességgel mozogva a magas hőmérfémfelületekkel érintkezve felmelegszik. A forróvíz cirkulációjától függően

– természetes (a, sűrűségkülönbség hatására létrejövő áramlás) és – kényszer (b, szivattyú által fenntartott áramlás) cirkulációjú forróvízkazán különböztethető meg. A természetes cirkulációjú forróvízkazánokban a forróvíz áramlási seb

(wvíz) kicsi, ezért a nyomásesés ( )2vízwp ∼∆ és a vízoldali hőátadási tényező

( )8,0vízvíz w∼α . Mivel a vízoldali hőátadási tényező kicsi, a fémfelület hűté

kielégítő, ezért a lángcsövek vízzel érintkező felületének hőmérsékletjelentősen meghaladhatja a víz nyomásához tartozó telítési hőmérs(ts[pvíz]), így a víz határrétegében gőzbuborékok keletkeznek. A kelegőzbuborékok ugyan kondenzálódnak az áramlási magban, a forrótömegében, de meglétük kismértékben növeli a víz áramlási sebességéfokozza a természetes cirkulációt és növeli αvíz értékét.

3.e j e z e t

vek és látható

z égés olgálja.

0 MWt

agyobb

azánok

gáz a ben (a

sékletű

essége is kicsi se nem e (tfalk) ékletet tkezett víz fő

t, ezzel

FŰTŐMŰVEK

A természetes cirkulációjú forróvízkazánokban az áramlás névleges és névlegeshez közeli tömegáramoknál stabil, de kisebb tömegáramoknál az áramlás labilissá válik. A labilis áramlás megszüntetéséhez szivattyús keringtetés szükséges.

Kényszercirkulációnál a víz áramlási sebessége (wvíz), a vízoldali nyomásesés (∆p) és a vízoldali hőátadási tényező (αvíz) – a természetes cirkulációhoz képest – megnő, s megfelelő keringtetéssel minden tömegáramnál stabil áramlás biztosítható.

lángcső

víztér

tüzelőanyag és égési levegő ellátás

természetes cirkuláció

q.

tki

tbe

forróvíz

forróvíz

füstcsövek

lángcső

égő

füstgáz

3–1. ábra. Nagyvízterű forróvízkazán sémája és elvi működési vázlata

3.1.1.2. Vízcsöves forróvízkazánok A kényszercirkulációs vízcsöves forróvízkazánok (3–2. ábra) besugárzott

tűztérrel és konvektív hőátadó felületekkel rendelkeznek. A tűztér oldalán vagy/és fenekén helyezkednek el az égők, a tűzteret körülvevő membránfalak elosztó-hőátadó-gyűjtőcső konfigurációjúak, és vízoldalról sorosan vagy párhuzamosan vannak összekötve. A tűztér sugárzási hőjének hatására a konvektív hőátadó csövekben felmelegedett víz tovább melegszik. A tűztérből kilépő füstgáz pedig konvektív hőátadással hűl le, miközben felmelegíti a forróvizet és az égéshez szükséges levegőt.

3.1.2. A VÍZOLDALI NYOMÁS MEGVÁLASZTÁSA A forróvízkazánokban – a természetes cirkulációnál megengedett lokális

forrástól eltekintve – a hőhordozó elvileg mindig vízfázisban kell legyen. Ehhez biztosítani kell a forróvíz megfelelő nyomását. A forróvízkazánba belépő víz minimális nyomása:

– természetes cirkulációnál: [ ]C]105[e0sFKmin °+= …tpp ,


FŰTŐMŰVEK

– kényszercirkulációnál: [ ]C]30[e0sFKmin °+= tpp .

égők

besugárzottfelületek

konvektívfelületek

gyűjtőcső

hőátadó cső

elosztócső

füstgáz

víz belépés

víz kilépés

kényszercirkuláció

q.

tki

tbe

3–2. ábra. Vízcsöves forróvízkazán elvi sémája

3.1.3. A FORRÓVÍZKAZÁN ÜZEMÉT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK A forróvízkazánok csúcshőforrásként lettek kifejlesztve. Ezt tükrözik a

nagyvízterű (pl. Láng HLF) és a vízcsöves (orosz PTVM, KVGM) forróvízkazánok névleges adatai is. A névleges adatok (hőteljesítmény, kilépő/belépő hőmérséklet, víz tömegáram, nyomásesés, méretezési/engedélyezési nyomás) mellett mindegyik forróvízkazán névleges adataihoz tartozik a legkisebb belépő vízhőmérséklet, amely a Láng HLF kazánoknál 90 °C, míg az orosz vízcsöves kazánoknál 70 °C (alapüzemű, sorosan kapcsolt fűtőfelületeknél) ill. 110 °C (csúcsüzemű, párhuzamosan kapcsolt fűtőfelületeknél). A forróvízkazán energetikai jellemzőinek változását a terhelés függvényében a PTVM-50 kazán példáján a 3–3. ábra szemlélteti.

A kisebb hőteljesítményektől a nagyobb hőteljesítmények felé csökken a kazán hatásfoka, s ennek megfelelően nő a kazánból kilépő füstgáz hőmérséklete, hiszen

ü

vesztFK

ü

FKFK 1

QQ

QQ

−≅=η , (3.1)

a forróvízkazán veszteségei közül meghatározó a füstgázzal távozó hőveszteség

)( lfgkifgfgfüstgázveszt, ttcmQ p −= , (3.2)

ahol a füstgáz tömegárama, fgm pfgc a füstgáz átlagos izobár fajhője tfgki..tl hőmérséklet intervallumban, tfgki a füstgáz kilépő, tl a környezeti levegő hőmérséklete.


FŰTŐMŰVEK

Energetikailag tehát kedvező a forróvízkazánok részterhelésen való üzemeltetése, de ennek határt szab a füstgáz részterhelésen alacsonyabb hőmérséklete (a 3–3. ábra jelleggörbéjét – feltehetőleg – a víz megengedett minimális belépő vagy annál nagyobb hőmérsékletére határozták meg). Tovább csökkentené a füstgáz kilépő hőmérsékletét, ha a forróvízkazánt alaphőforrásként üzemeltetnénk, mivel a visszatérő forróvíz hőmérséklete – a névleges kivételével –mindig kisebb, mint forróvízkazánba belépő víz megkövetelt minimális hőmérséklete.

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

0 20 40 60 80 100Relatív hőteljesítmény, %

Hatásfok, %

Gáztüzelés

Olajtüzelés

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 20 40 60 80 100Relatív hőteljesítmény, %

Olajtüzelés

Gáztüzelés

Kilépő füstgázhőmérséklet, °C

3–3. ábra. A PTVM-50 forróvízkazán hatásfoka és a kazánból kilépő füstgáz hőmérséklete a

relatív hőteljesítmény függvényében (BÜKI, 1980) A forróvízkazánból kilépő füstgáz megengedett hőmérsékletét a tüzelőanyag

kéntartalma, a füstgáz harmatpontja határozza meg (thp az a hőmérséklet, amelynél a füstgázban levő kéndioxidok (SO2 és SO3) a füstgázban levő vízzel (H2O) reakcióba lépve kénes- (H2SO3) vagy kénsavként (H2SO4) kondenzálódnak


FŰTŐMŰVEK

a harmatpontnál alacsonyabb hőmérsékletű felületeken, vagy a már kondenzálódott vízcseppekbe beoldódnak a gáz halmazállapotú kénoxidok). A füstgáz harmatpontja 130..150 °C. Tehát kéntartalmú tüzelőanyagban a füstgáz forróvízkazánból kilépő hőmérséklete minden terhelésen

(3.3) .C150130hpfgki °=> …tt

Hazánkban a forróvízkazánok tüzelőanyaga szénhidrogén (széntüzelésű forróvízkazánok pl. Lengyelországban üzemelnek nagyobb számban). A földgáz kéntartalma elvileg zérus (mikromennyiségben azonban tartalmazhat kenet), a fűtőolaj viszont %-os nagyságrendben tartalmaz kenet. Ennek következtében a földgáztüzelésű forróvízkazánból kilépő füstgáz hőmérsékletét elvileg nem korlátozza a kéntartalom (tfgki≤thp), míg az olajtüzelésűét igen (tfgki>thp). Tekintettel arra, hogy forróvízkazánú fűtőműveket alternatív tüzeléssel építik (alapvetően földgázzal, de földgáz korlátozásnál a fűtőműben tárolt fűtőolajjal), az alternatív tüzelésű forróvízkazánokból kilépő füstgáz hőmérsékletére is általános követelmény a kilépő füstgáz 130..150 °C-os minimális hőmérséklete.

3.1.4. A FORRÓVÍZKAZÁNOK ÜZEMVITELE: A VÍZHŐMÉRSÉKLETEK SZABÁLYOZÁSA A külső levegő hőmérsékletének függvényében jelentősen változik a fűtési

hőigény (0,23..1,0)Q valamint az előremenő/visszatérő forróvíz hőmérséklete. Ugyanakkor a forróvízkazánok üzemi követelményeit

cs0

– FKminFK mm ≥ és

– , FKvminFKbevíz, tt ≥

is ki kell elégíteni, azaz minden üzemállapotban a forróvíz tömegárama és a kazánba lépő forróvíz hőmérséklete nem lehet kisebb a megkövetelt minimális értéknél.

Tömegáram korlát a természetes cirkulációjú nagyvízterű forróvízkazánoknál, a vízcsöves forróvízkazánok párhuzamosan kapcsolt felületeinél és a változó tömegáramú távhőrendszerek forróvízkazánjainál léphet fel. A kazánba lépő forróvíz hőmérsékletének korlátja pedig olaj- és alternatív tüzelésű, alaphőforrásként üzemelő forróvízkazánokban áll fenn.

3.1.4.1. Kisteljesítményű gáztüzelésű forróvízkazán Azoknál a kisebb teljesítményű nagyvízterű forróvízkazánoknál, ahol a

tüzelőanyag kizárólag földgáz és tvFKmin≤tv0, az előremenő forróvíz visszakeverésével lehet kielégíteni a követelményeket (3–4. ábra). Ennél a szabályozásnál feltétel, hogy te=teFK.


FŰTŐMŰVEK

KSZ

te

tv

Q.

FM

Q.

FKFK

t vFK

m. Mm.

f

teFK = te

3–4. ábra. Az előremenő forróvíz visszakeverésének elvi sémája gáztüzelésű forróvízkazánoknál

(FK-forróvízkazán, KSZ-keringtető szivattyú) A kapcsolásra felírható hőmérlegek: fűtőműből ki- és oda belépő forróvíz:

, (3.4) )( vefFM ttcmQ p −=

forróvízkazán:

, (3.5) )( vFKeFKFKFK ttcmQ p −=

ahol a fűtőműből kilépő forróvíz, m a visszatérő forróvíz melegítésére, az előremenő forróvízből visszakevert tömegáram,

fm M

MfFK mm +=m a forróvízkazánba lépő víz tömegárama. A két hőteljesítmény természetesen azonos:

FKFM QQ = . (3.6)

A fűtési forróvíz szabályozási diagramja alapján a mérlegegyenletekkel meghatározható a forróvízkazán szabályozási diagramja (3–6. ábra).

Nagyobb levegő hőmérsékletek (te<tvFKmin) tartományában meg kell növelni a forróvíz névleges előremenő hőmérsékletét. Kisebb levegő hőmérsékleteknél pedig – tvFKmin-tól függően – előállhat, hogy tv>tvFKmin, s ebben a tartományban már nem szükséges az előremenő forróvíz visszakeverése.

3.1.4.2. Olaj és alternatív szénhidrogén tüzelésű forróvízkazán A hőigények és a forróvízkazán üzemi követelményeinek együttes kielégítését a

hazai fűtőművekben, ahol a forróvízkazánok alaphőforrások, a forróvíz kétirányú visszakeverésével (3–5. ábra) oldották meg.

A kapcsolásra felírható hőmérlegek: fűtőmű be- és kilépő forróvíz:

, (3.7) )( vefFM ttcmQ p −=

fűtőmű visszatérő és forróvízkazán előremenő vezeték:

, (3.8) )( veFK ttcmQ p −=


FŰTŐMŰVEK

forróvízkazán:

, (3.9) )( vFKeFKFKFK ttcmQ p −=

ahol a fűtőműből kilépő forróvíz, fm Hf mmm −= a forróvízkazán előtti vezeték tömegárama, a visszatérő forróvíz előrekevert tömegárama a tHm e-nél nagyobb hőmérsékletű forróvíz hűtésére, RFK mmm += a forróvízkazánba lépő víz tömegárama, a forróvízkazánból kilépő visszakevert tömegáram a tRm vFKmin-nál kisebb hőmérsékletű forróvíz felmelegítésére. A három hőteljesítmény természetesen itt is azonos:

FKFM QQQ == . (3.10)

Q.

KSZ

t e

tv

Q.

FM

Q.FK

FK

t vFKm.FK

m.

m.R

m.H

tv

RSZ m.f

t eFK

;

3–5. ábra. A forróvíz kétirányú visszakeverésének elvi sémája forróvízkazánoknál (FK-forróvízkazán, KSZ-keringtető szivattyú, RSZ-recirkulációs szivattyú)

A fűtési forróvíz szabályozási diagramja alapján a mérlegegyenletekkel meghatározható a forróvízkazán szabályozási diagramja (3–7. ábra).


FŰTŐMŰVEK

0102030405060708090

100110120130140150

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10-11-12-13-14-15

C,víz °t

C,l °t

vt

vkorrt

vFKt

névle,t

eFKt ekorrt

0

0,5

1

1,5

2

2,5

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10-11-12-13-14-15

C,l °t

f/mm

ff / mm

fM / mm

3–6. ábra. 150/80 °C névleges hőmérsékletű forróvizes távhőrendszer és gáztüzelésű

forróvízkazán szabályozási diagramja az előremenő forróvíz visszakeverésével (tvFKmin=70 °C)


FŰTŐMŰVEK

0102030405060708090

100110120130140150

12 -15C,l °t

C,víz °t

)C70/130(e °t)C70/130(eFK °t

)C70/150(eFK °t

vFKt

)C70/150(e °t

)C70/150;C70/130(v °°t

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

12 -15

f/mm

C,l °t

ff / mm

)C70/150(// fRfH °= mmmm

)C70/130(// fRfH °= mmmm

3–7. ábra. 130/70 °C és 150/70 °C forróvizes távhőrendszer és olajtüzelésű forróvízkazán (tvFKmin=90 °C) hőmérséklet és tömegáram ( m ) szabályozási diagramja a forróvíz

kétirányú visszakeverésénél HR m=


FŰTŐMŰVEK

3.1.5. FORRÓVÍZKAZÁNÚ FŰTŐMŰVEK A fűtőműben – az ellátás biztonsága és az időben növekvő hőigények miatt –

több forróvízkazán üzemel. A 3–8. ábra két forróvízkazánnal működő fűtőmű elvi kapcsolását szemlélteti.

FK1 FK2

előremenő

visszatérő

PKPG

PSZ

KSZ

H Qa.,

előremenő

visszatérőKSZ

RS RS

NYT PKRVT

H Qb.,

3–8. ábra. Földgáz- (a) és olaj vagy alternatív (b) tüzelésű forróvízkazánú fűtőmű elvi kapcsolása (FK-forróvízkazán, KSZ-keringtető szivattyú, PSZ-pótforróvíz szivattyú, PK-pótforróvíz-készítő

technológia, RSZ-recirkulációs szivattyú, NYT-nyomástartó berendezés, RVT-részáramú forróvíz tisztító)

A fűtőműben két alrendszer különböztethető meg: – hőközlés (H) és – hőkiadás (Q). A hőközlés alrendszerben a forróvízkazánok, a hőkiadás alrendszerben a

forróvíz fogyasztókhoz való eljuttatásának szerepét biztonságosan ellátó berendezések (keringtetés, nyomástartás, a vízveszteségek pótlására pótforróvíz készítés, a folyamatosan elszennyeződő forróvíz tisztítására részáramú forróvíz


FŰTŐMŰVEK

tisztítás) vannak, amelyeket részletesebben a Távhőhálózat c. fejezetben tárgyalunk.

3.2. Ipari kazántelepek A kisebb hőigényű technológiai folyamatok hővel való ellátását általában a

nagyobb energiahordozó képességű telített vagy túlhevített vízgőzzel elégítik ki. A gőzkiadású ipari kazántelep elvi kapcsolását a 3–9. ábra szemlélteti.

GK1 GK2

GF1

GF2KL

KLR2

R1

pótvíz

csatornába

TSZGTT

CSSZ

KT PK

NYSZKG

3–9. ábra. Gőzkiadású ipari kazántelep elvi kapcsolása (GK-gőzkazán, TSZ-tápvíz szivattyú, GTT-gáztalanítós táptartály, KG-kazánvíz kigőzölögtető, R-gőznyomáscsökkentő szelep, GF-

gőzfogyasztó, KL-kondenzleválasztó, KT-kondenzvíz tartály, CSSZ-csapadékvíz szivattyú, PK-pótvíz-készítő technológia, NYSZ-nyersvíz szivattyú)

A gőzkiadású ipari kazántelepeken a gőzt gazdasági és biztonsági okokból általában több gőzkazánban állítják elő. A fejlesztett gőz nyomása általában azonos, ezért különböző nyomású fogyasztóknál szükséges a gőz nyomásának (esetleg hőmérsékletének) csökkentése, amelyet nyomáscsökkentő szelepekből (esetleg tápvíz befecskendezéses gőzhűtőkből) álló redukálók végeznek. A gőz a vezetékeken keresztül a fogyasztókhoz kerül, ahol hőjét (túlhevítettségi és párolgáshőjét) leadva kondenzálódik. A keletkezett kondenzátum kondenzleválasztón és a kondenzvezetéken keresztül visszakerül a kazántelepre, a kondenzvíz tartályba. Mivel a folyamat nyitott, állandó a kondenzvíz veszteség, ezért folyamatos a pótvíz-készítő technológia pótvíz termelése és a kondenzvíz veszteségnek megfelelő pótvíz bevezetése a kondenzvíz tartályba (vagy közvetlenül a gáztalanítós táptartályba). A gáztalanítós táptartályba belépő csapadékvíz (és pótvíz) a gáztalanítóban felmelegszik, amelyhez a gőzt a kazánban fejlesztett gőzből nyomáscsökkentéssel biztosítják. A gáztalanító nyomása általában 1,1..1,3 bar, ezért a gáztalanítós táptartályból kilépő víz hőmérséklete 103..108 °C. A tápvizet a tápvíz szivattyú szállítja a gőzkazánokba. A gőzkazánban a tűztér/füstgáz oldal hője felmelegíti a tápvizet, elgőzölögteti a kazánvizet és túlhevíti a gőzt (telítettgőz-kazánoknál a túlhevítő elmarad). Az elgőzölögtetőben betöményedő kazánvizet folyamatosan vagy szakaszosan leiszapolják a kazánvíz kigőzölögtetőbe (pKG=pGTT+∆pvezeték KG-GTT között), ahonnan a keletkezett gőzt a gáztalanítós táptartályba vezetik, a kigőzölögtetőben betöményedett kazánvizet pedig minimum 55 °C-ra lehűtve (pl. a pótvizet


FŰTŐMŰVEK

felmelegítve) a csatornába engedik. Ipari kazántelepek energiagazdálkodása szempontjából meghatározó a kondenzvíz gazdálkodás és a hulladékhő hasznosítás.

3.2.1. KONDENZVÍZ GAZDÁLKODÁS A kondenzvíz veszteség gazdasági hatása kettős: – egyrészt a pótvíz ( )pm készítés költsége (szerepe növekvő),

– másrészt a gőzkazánban a veszteség miatt szükséges többlethő

, (3.11) )( pvkpvesztvk hhmQ −=∆

amely a pótvíz visszatérő kondenzátum hőmérsékletére való felmelegítéséhez szükséges. Egycsöves, csak előremenő gőzvezetéknél nyilvánvalóan nincs visszatérő kondenzátum.

Kétcsöves gőz/kondenzátum vezetékrendszer Ha a fogyasztónál a gőz közvetlenül érintkezik a fogyasztóval, akkor a

kondenzáció során elszennyeződhet. A szennyeződés mértékétől függően a kondenzvíz vagy ismételten felhasználható vagy már a fogyasztónál a környezetbe kell engedni. A víztisztító eljárások fejlődésével egyre kevesebb az olyan szennyezőanyag, amely nem távolítható el a vízből. Ebben az esetben a visszatérő kondenzátumot külön vagy a pótvízzel együtt tisztítani kell.

Ha a fogyasztónál a gőz közvetve (felületen keresztül) érintkezik a fogyasztóval, akkor a kondenzáció során elvileg a hőhordozó nem szennyeződik, és tisztítás nélkül ismételten felhasználható.

A visszatérő kondenzátum tömegáramától függően: =0 ⇒ m , tvk / mm gGTTpt mm +=

0< <1 ⇒ mtvk / mm gGTTpvkt mmm ++= , (3.12)

=1 ⇒ m , tvk / mm gGTTvkt mm +=

azaz ha nincs visszatérő kondenzátum, akkor a gáztalanítós táptartályba lépő tápvíz tömegárama megegyezik a pótvíz tömegáramával, ill., ha a teljes kondenzátum tömegárama visszatér, akkor a pótvíz tömegárama zérus. A két szélső eset között legvalószínűbb a kondenzveszteség esete, amelynél a gáztalanítós táptartályba lépő tápvíz tömegárama a visszatérő kondenzátum és a pótvíz tömegáramából tevődik össze. (A hazai statisztikai adatok szerint a visszatérő kondenzátum részaránya 0,2..0,3, miközben a fejlett országokban 0,6..0,7).

3.2.2. HULLADÉKHŐ HASZNOSÍTÁS Ipari kazántelepen számos hulladékhő keletkezik (pl gáztalanítós táptartály

páragőze, kondenzleválasztók, kondenztartályok gőze, környezetinél magasabb hőmérsékletű csapadékvizek). Általánosságban az mondható, hogy ezek összegyűjtése, az energetikai folyamatban való hasznosítása („a részletekre való fokozott figyelem”) a hulladékhő hasznosítás feladata, amelyhez a konkrét


FŰTŐMŰVEK

kazántelep és fogyasztóinak ismerete szükséges. (Pl. a 3–9. ábrán ilyen, ma már általános hulladékhő hasznosítás a gáztalanító kisegítő fűtése a kazánvíz kigőzölögtetőben keletkező gőzzel, a pótvíz felmelegítése a kigőzölögtetőből kilépő vízzel).

3.2.3. A FŐBERENDEZÉSEK HŐMÉRLEGE Gőzkazánra a következő egyenletek írhatók fel:

)]['()( GTTtElGTTtggGK

GK

GKü

hphmhhmQ

QQ

−+−=

=η (3.13)

ahol a hőhordozó által felvett hőteljesítmény, hGKQ g a gőzkazánból kilépő gőz entalpiája, htGTT a tápvíz entalpiája a gáztalanítós táptartály után, h’[pE] a telített víz entalpiája a kazán elgőzölögtetőjében, a kazánból kilépő gőz, a kazánvíz leiszapolásának tömegárama.

gm lm

Gáztalanítós táptartály

][)]['()]['(

][])['(

GTTpgbepGTTpbevkGTTvk

GTTKGgGTTgRGTTg

prmhphmhphm

prmphhm

+−+−=

=+− (3.14)

ahol a kazánban fejlesztett, a gáztalanítós táptartályba lépő gőz, a kigőzölögtetőből kilépő gőz, a gáztalanítós táptartályba lépő kondenzátum,

pótvíz, m a gáztalanítós táptartályból kilépő páragőz tömegárama, h

GTTgm KGgm

vkm

pm pg gR a GTT-be lépő gőz, h’[pGTT] a GTT-ben levő telített víz, hvkbe a GTT-be lépő kondenzátum, hpbe a GTT-be lépő pótvíz entalpiája, r[pGTT] a víz párolgáshője a gáztalanítós táptartály nyomásán.

Kigőzölögtető ]['][][' KGKGvGTTKGKGgEl phmpphmphm +≈′′= , (3.15)

ahol a kazánvíz leiszapolás, m a kigőzölögtetőből kilépő telített gőz, a kigőzölögtetőből kilépő telített víz tömegárama, h"[p

lm gKG

vKGm KG] a telített gőz entalpiája a kigőzölögtető nyomásán (közel azonos a GTT nyomásával), h’[pKG] telített víz entalpiája a kigőzölögtető nyomásán.

3.2.4. GŐZKAZÁNÚ FŰTŐMŰVEK A forróvízkazánú fűtőművek mellett léteznek gőzkazánú fűtőművek is (pl. ipari

kazántelepekről történő forróvizes hőkiadásnál). Attól függően, hogy gőzkazánban termelt gőz

– keverő hőcserélőben vagy – felületi hőcserélőben kondenzálódva melegíti fel a forróvizet – közvetlen érintkezésű (3–10/a. ábra) vagy


FŰTŐMŰVEK

– közvetett érintkezésű (3–10/b. ábra) forrás oldali hőközpont különböztethető meg.

GKpótvíz

KH

te

tv

TSZ KSZ

QHa.,

H Q

GK pótvíz

TSZ

R

CSSZ

FH1

FH2

f

hmv

GTT

te

tv

tehmv

tvhmv

KSZ

KSZ

b.,

3–10. ábra. Közvetlen (a) és közvetett (b) forrás oldali hőközpont elvi sémája gőzkazánú

fűtőműben (GK-gőzkazán, KSZ-keringtető szivattyú, TSZ-tápvízszivattyú, KH-keverő hőcserélő, FH felületi hőcserélő, GTT-gáztalanítós táptartály, R gőznyomáscsökkentő)

Közvetlen érintkezésű forrás oldali hőközpontnál a gőzkazán és a forróvíz (melegvíz) rendszer hidraulikailag egyesítve van a keverő hőcserélőben, ezért a kazán gáztalanítós táptartálya elmaradhat, hiszen a kazán tápvíz és a forróvíz (melegvíz) közös gáztalanítása a keverő hőcserélőben történik. Ugyanide kerül bevezetésre a közös pótvíz is. Közvetett érintkezésű forrás oldali hőközpontnál a gőzfogyasztók között szerepelhet a fűtési és használati melegvíz hőcserélő is, amelyek kondenzátuma a gáztalanítós táptartályba kerül.


FŰTŐMŰVEK

3.3. A fűtőművek energetikai jellemzői Az energetikai jellemzők alatt, olyan paramétereket értünk, melyek szemléletes

képet nyújtanak a vizsgált létesítmény hatékonyságáról, ugyanakkor lehetővé teszik az összehasonlítást más, hasonló funkciót betöltő létesítményekkel.

Q.

ü

Q.

HFvesztQ.

FMveszt

HF

PFM

Q.

FM

PFM

Q.

ü

Q.

HFveszt Q.

FMveszt

Q.

FM

H Q

3–11. ábra. A fűtőmű energiaáramai és energiafolyam diagramja

A fűtőművek energiáramait a 3–11. ábra szemlélteti, ahol

– a tüzelőanyaggal bevitt hőteljesítmény (Q ), ü

– a hőforrás hővesztesége (Q ), vesztHF

s ez alapján a hőforrás fajlagos hőfelhasználása

vesztHFü

ü

HF

ü

HFHF

1QQQ

QQq

−===

η; (3.16)

– a fűtőmű hővesztesége (Q ), vesztFM

– a fűtőmű hőteljesítménye (Q ), FM

s ez alapján a fűtőmű fajlagos hőfelhasználása

vesztFMvesztHFü

ü

FM

üFM QQQ

QQQq

−−== ; (3.17)

s ennek következtében . HFFM qq ≥


FŰTŐMŰVEK

A forróvíz- és gőzkazánok kielégítő hatásfoka 0,85..0,92 (a nagyobb értékek a földgáztüzelésű kazánokra jellemzők), a fűtőmű relatív hővesztesége 0,01..0,05 (a kisebb értékek a forróvízkazánú, a nagyobb a gőzkazánú fűtőművekre jellemzők). Ezért a fűtőművek kielégítő fajlagos hőfelhasználása:

– forróvizes fűtőmű: 1,15..1,25, – ipari kazántelep: 1,20..1,30, Definiálható még a fűtőmű fajlagos villamos energia felhasználása:

FM

FMFM Q

Py = , (3.18)

ahol PFM a fűtőmű villamos energia rendszerből vételezett villamos teljesítménye. yFM várható értéke 0,01..0,04. Az energiaáramokat a fűtőművekben meghatározott időszakokra (pl hónap) összesítik, s így a mérlegben az energia mennyiségek szerepelnek.


F

4. GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK A kiadott villamos energia és hő mennyisége alapján az ener

létesítmények két alapvető csoportba sorolhatók: – erőmű: villamos energiát fejlesztő létesítmény; – fűtőerőmű: kapcsoltan (együtt) hőt és villamos energiát fejlesztő létesíAz erőművi hőkörfolyamat munkaközege alapján – gőz (vízgőz) munkaközegű, – gáz (füstgáz ≡ nagy mennyiségű levegő és kis mennyiségű tüzel

égéstermékeinek keveréke) munkaközegű, valamint – kombinált gáz-gőz (a két körfolyamat összekapcsolása va

gázkörfolyamat hulladékhőjének hasznosítása) munkaközegű; erőmű vagy fűtőerőmű különböztethető meg. Az erőművi blokkok elsődlegesen villamos energia szolgáltatás

létesülnek, ezért a blokk teljesítményét az országos villamos energia rebővítésének szempontjai és biztonságos üzemvitelének követelményei hatámeg. Természetesen az erőművekből is megoldható a helyi hőigények kieléazonban a kiadott villamos energia mennyisége legalább egy nagyságrnagyobb a hő mennyiségénél. Ezért a szolgáltatott villamos emennyiségében a hőkiadás miatt bekövetkező csökkenés nem számottevő.

A fűtőerőművi blokkok elsődlegesen hőszolgáltatás vagy együttes villamos energia szolgáltatás céljából létesülnek, ezért a létesülő teljesítményét a helyi hőigény szabja meg. A blokk villamos teljesítmáltalában az aktuális hőigény határozza meg. Fűtőerőművi blokkokszolgáltatott hő és villamos energia mennyisége tehát összemérhető.

A fűtőerőművekből kiadott hőt a hőhordozó szállítja a fogyasztókhoz. Fhőhordozónál a gőzkörfolyamat munkaközege és a hőhordozó hőcserélőkön keresztül érintkezik, míg gőz hőhordozónál ma mgőzkörfolyamat munkaközege és a hőhordozó azonos. Korábban gőztranszformátorokat (turbinában expandált gőz-kiadott gőz hőcseralkalmaztak.

4.1. A fűtőblokkok fejlődése A felépítésüktől függően a fűtőerőművi blokkok többféle változata ismer

fejlődésüket a hő-mechanikai energia átalakító berendezés, a gőztfejlődésén keresztül illusztráljuk forróvizes hőkiadásnál.

A távhőszolgáltatás kezdeti időszakában általában elvételes-kondegőzturbinák üzemeltek. E gőzturbina sajátossága az volt, hogy a fűtési hőcfűtő gőz a gőzturbina egy közel állandó nyomású, szabályozott megcsapo

4.e j e z e t

getikai

tmény.

őanyag

gy a

céljára ndszer rozzák gítése, enddel nergia

hő- és blokk ényét

nál a

orróvíz felületi

ár a felületi élő) is

etes. A urbina

nzációs serélőt lásáról

GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK

érkezett (4–1. ábra). Az elvételes-kondenzációs fűtőblokk a következő tulajdonságokkal rendelkezik. Előnye, hogy hő és villamos teljesítménye egymástól függetlenül és kellően széles tartományban változtatható, a hőigények változásait kellő rugalmassággal képes követni, valamint villamos teljesítményének rendelkezésre állása a villamos energia rendszer számára kifejezetten jónak mondható. Hátránya az elvételi nyomásról történő fojtással, valamint az egyfokozatú forróvíz melegítéssel járó nagyobb energiaveszteség, amelynek következménye a villamosenergia-fejlesztés kisebb hatásfoka. Így az elvételes kondenzációs gőzturbinák egyre többet veszítettek versenyképességükből az egyre nagyobb és jobb hatásfokú kondenzációs gőzturbinákkal szemben.

E hátrányok kiküszöbölése és a versenyképesség javítása érdekében az elvételes-kondenzációs gőzturbinát továbbfejlesztették. A továbbfejlesztés két fő iránya (4–1. ábra)

– az ellennyomású ill. – a kondenzációs fűtőturbina létrehozása volt. Az ellennyomású fűtőturbina esetében – elmaradt az elvétel és a kondenzátor nyomása közti termikus-mechanikai

energia átalakítás, amely amúgy is rossz hatásfokú volt, – valamint az irreverzibilitások mérséklése érdekében az elvételes-

kondenzációs turbina közel állandó elvételi nyomása helyett változó ellennyomást alkalmaztak, és az egyfokozatú forróvíz melegítést kétfokozatú melegítés váltotta fel.

A kondenzációs fűtőturbina esetében a többfokozatú forróvíz melegítést úgy oldották meg, hogy a megfelelő nyomású átömlő gőzvezetékből vagy a tápvízelőmelegítők megcsapolásaiból gőzt vettek el a fűtési forróvíz felmelegítésére. Ezzel a fűtőblokk villamos teljesítménye – a tiszta kondenzációs blokkhoz képest – kismértékben csökkent, mert a hőkiadás többlet gőzelvétele miatt kisebb a munkát végző gőz tömegárama az utolsó turbina fokozatokban.

Végül a nagy teljesítményű aszimmetrikus ikeráramlású fűtőturbinák egyesítették az ellennyomású és a kondenzációs fűtőturbinákat. Az ilyen gőzturbinájú fűtőblokk ellennyomású és kondenzációs üzemmódban egyaránt működhet. Ellennyomású üzemmódban a közép- és kisnyomású ház átömlő gőzvezetékeiben a csappantyúk zárva vannak, pontosabban csak annyi, ún. öblítő gőzt engednek át, amennyi a kisnyomású turbina forgatásához szükséges (a turbinába lépő gőz tömegáramának 6..8%-a). Az öblítő gőz pedig a kondenzátorban kondenzálódik. Az aszimmetrikus középnyomású ház két végén lép ki a különböző nyomású gőz fő tömege, amely a két fűtési hőcserélőben kondenzálódva felmelegíti a fűtési forróvizet. Kondenzációs üzemmódban a fűtési hőcserélők nem üzemelnek, a közép- és kisnyomású ház átömlő gőzvezetékeiben a csappantyúk pedig nyitva vannak, így a gőz fő tömege a kondenzátorban kondenzálódik.



Elvételes-kondenzációs fűtőturbina

te tvFűtésihőcserélő

Tápvízelőmelegítőrendszer

FojtásSzabályozottelvétel

Ellennyomású fűtőturbina

te tv

Fűtésihőcserélők


Szabályozatlanelvétel

Kondenzációs fűtőturbina

te tv



Szabályozatlanelvétel

Aszimmetrikus ikeráramú fűtőturbina

te tv



Nagynyomásúturbina

Kisnyomású turbinák

Fűtőturbina

4–1. ábra. A fűtőturbinák fejlődése



4.2. Az ellennyomású fűtőblokkok

4.2.1. FORRÓVIZES HŐKIADÁS A forróvizes hőkiadású ellennyomású fűtőblokk elvi kapcsolását, fő

berendezéseit, alrendszereit és az energiaátalakítás folyamatait a 4–2. ábra szemlélteti. A fűtőblokk fő berendezései és ezek jellemző energetikai folyamatai:

– Gőzkazán (GK): A tüzelőanyag kémiailag kötött energiája a tűztérben az égése során felszabadul, s a keletkező nagy hőmérsékletű (1100..1500 °C) füstgáz lehűtésével (170..220 °C) a belépő tápvíz túlhevített gőzként lép ki a kazánból.

– Gőzturbina (T): A nagy nyomású (40..100 bar) és hőmérsékletű (400..500 °C) gőz termikus energiája mechanikai (forgási) energiává alakul, miközben nyomása és hőmérséklete (termikus energiája) csökken. (Zárójelben a hazai ellennyomású blokkok jellemző adatainak tartományai szerepelnek.)

– Generátor (G): A gőzturbina mechanikai energiáját villamos energiává alakító berendezés, amelyet a hálózatra adás előtt a távvezeték feszültségszintjére kell transzformálni (Tr).

A gőzturbinához tartoznak a fűtési hőcserélők (FH1, FH2), a megcsapolásos kisnyomású (KE) és nagynyomású (NE) tápvízelőmelegítők valamint a gáztalanítós táptartály (GTT), mert mindegyik fűtése a gőzturbina megcsapolásaiból történik. A vízfázisú munkaközeg szállítását a főkondenzvíz (FSZ), a tápvíz (TSZ) és a csapadékvíz (CSSZ) szivattyúk végzik.

Az energiaátalakítás folyamatai alapján négy alrendszer különböztethető meg (BÜKI, 1983):

– Hőközlés alrendszer (H), ahol a tüzelőanyag kémiai energiájának nagy részét hőátvitellel a munkaközeg veszi fel;

– Turbina alrendszer (T), ahol a gőz expanziójával a termikus-mechanikai energia átalakítás történik,

– Villamos energia átalakítás alrendszer (E), ahol a mechanikai energia szállítható villamos energiává alakítása történik,

– Hőkiadás alrendszer (Q), ahol a turbinából kilépő vízgőz kondenzációs hőjét hőátvitellel a fűtési forróvíz veszi fel, amelyet a keringtető szivattyúk (KSZ) szállítanak a fogyasztókhoz.



H

Qü

.

QF

.

Q1

.

PT

P εönfogyasztás

T

Q

E

PFE

QFE

.

tv

te

KSZFH2 FH1

SZ

CSSZ

KE

GTT

TSZ

NE

GK TG

Tr

a.,

H T E

Q

11

ellT0 1 Q

TT

P

−=

11

ellT0 Q

TT

Q =

ü

vHmH 1

QQ

−=η

84,077,0T …=η

T

vEmE 1

PP

−=η

TT0T ηPP =

( ) T0TT0T 1 PQQ η−+=

FEP

FEQ

üQ 1Q

11T

vQmQ ≈−=

Q

Qη

b.,

4–2. ábra. A forróvizes hőkiadású ellennyomású fűtőblokk elvi kapcsolása, főberendezései,

alrendszerei (a) és energiafolyam ábrája (b)

4.2.1.1. Teljesítménymérleg A négy alrendszer alapján felírhatók, az egyes alrendszerek teljesítmény –

meghatározott időszakokra (nap, hó, év) energia – mérleg egyenletei. Hőközlés alrendszer

üümHt11

ümHüü

vHvHü1

)(

1

Hmhhm

QQQ

QQQQ

η

η

≈−

=

−=−=

(4.1)

ahol



üüü HmQ = a hőközlés alrendszerbe a tüzelőanyaggal bevitt hőáram,

1Q a hőközlés alrendszerből kilépő, a turbina alrendszerbe belépő hőáram,

−==

ü

vH

ü

1mH 1

QQ

QQη a hőközlés alrendszer (mennyiségi) hatásfoka,

vHQ a hőközlés alrendszerben nem hasznosult, veszteség hőáram,

1m a gőzkazánból kilépő gőz tömegárama,

tm a kazánba lépő tápvíz tömegárama,

h1, a gőzkazánból kilépő gőz, ht a gőzkazánba lépő tápvíz fajlagos entalpiája,

üm a tüzelőanyag tömegárama,

Hü a tüzelőanyag fűtőértéke. (A második mérlegegyenlet közelítő összefüggés, mert általában m , mivel

a kazánban különböző célokra pl. leiszapolás, koromfúvás stb. munkaközeg elvétel történik.)

t1 m≤

Turbina alrendszer A termikus-mechanikai energia átalakítás alrendszer mérlegegyenleteit

hőmérséklet-entrópia és entalpia szemlélettel egyaránt megadjuk. Az előbbi jól szemlélteti a folyamat termodinamikai lehetőségeit, az utóbbi a számításokra alkalmas módszer.

Hőmérséklet-entrópia szemlélet (BÜKI, 1983) A 4–3. ábra T–s diagramban ábrázolja a 4–2. ábrának megfelelő ellennyomású

gőzkörfolyamatot. A hőközlés a gőzkazánban t-1 pont között, a termikus-mechanikai energia átalakítás, a gőz expanziója a gőzturbinában az 1-ell pont között, a gőz kondenzációja a fűtési hőcserélőkben ell-ell’ pont között, míg a tápvízelőmelegítés a megcsapolásos tápvízelőmelegítőkben az ell’-t pont között történik. A szemléltetés érdekében egyszerűsítettük a 4–2. ábrán látható gőzkörfolyamatot: a tápvízelőmelegítéstől, a fűtési hőcserélő második fokozatától és a szivattyúzástól eltekintettünk, tehát a hőközlés az ell’-1 pont között történik. Tételezzük fel, hogy a gőzkörfolyamat reverzibilis (1-ell0-ell’: a gőzturbinában izentropikus (s1=sell0) expanzió, munkaközeg áramlása miatt nincs nyomásesés, nincs munkaközeg veszteség és végtelen felületű a fűtési hőcserélő). A hőközlés termodinamikai átlaghőmérsékletének bevezetésével

)()(

ell'11

ell'11

ell'1

ell'11 ssm

hhmSQ

T−−

=∆∆

=−

− , (4.2)

és feltételezve, hogy az expanzió a nedves mezőben fejeződik be, azaz ][ ellsell pTT = (4.3)

az ideális gőzkörfolyamat termikus-mechanikai energia átalakításának hatásfoka, a CARNOT-hatásfok



1

ellC 1

TT

−=η , (4.4)

megadja a termodinamika II. főtételének megfelelően a ell1 T−T hőmérséklethatárok között végbemenő termikus-mechanikai energia átalakítás maximális hatásfokát.

ell'

2' 220

t

T

1

ellT

1T

2T

s

ell0 ell

4–3. ábra. Ellennyomású és kondenzációs gőzkörfolyamat T–s diagramja

A valós folyamatok azonban nem reverzibilisek, ezért a termikus-mechanikai energiaátalakítás mindig irreverzibilis energiaveszteségekkel jár: a turbinában a gőz expanziója irreverzibilis (sell>s1) az áramlás (nyomásesés, súrlódás) és a hő disszipációja miatt, amelyet a turbina belső hatásfokával fejezhetünk ki, amely egy fokozatot feltételezve

ell01

ell1T hőeséslehetséges

hőesésténylegeshhhh

−−

==η . (4.5)

A fentiek alapján a turbina alrendszer mechanikai teljesítménye

1T1

ell1TCT 1 Q

TT

QP ηηη

−== . (4.6)

Entalpia szemlélet Az entalpia szemlélet a turbina fokozatokra, a fűtési hőcserélőkre, a

tápvízelőmelegítőkre és a kapcsolásra külön-külön felírt anyag- és hőmérlegek együttes megoldásával (hőséma számítás) határozza meg a bonyolult kapcsolású, zártnak feltételezett rendszer, a hőkörfolyamat egyes berendezéseinek anyag- és hőáramait valamint a turbina mechanikai teljesítményét. A turbina alrendszer mechanikai teljesítménye entalpia szemlélettel

, (4.7) jj

n

jjjj

n

jjj hhmhhmP η)()( 0

11,g

11,gT −=−= ∑∑

=−

=−



ahol j=1...n a turbina fokozatok száma,

jgm , a j-ik fokozat gőz tömegárama,

hj-1 a megelőző fokozatból kilépő, a j-ik fokozatba belépő gőz fajlagos entalpiája, hj a j-ik fokozatból kilépő gőz fajlagos entalpiája, hj0 a j-ik fokozatból kilépő gőz elméleti fajlagos entalpiája sj0=sj-1 izentropikus

expanzió esetén,

joj

jjj hh

hh−

−=

−

−

1

1η a j-ik turbina fokozat hatásfoka (a hőséma számításnál ismert).

Villamos energia átalakítás alrendszer

εηηηηη

η

TrGmTmE

mETFE

== PP

, (4.8)

mely összefüggésben PT a turbina alrendszerből kilépő, a villamos energia alrendszerbe belépő

mechanikai teljesítmény, PFE a fűtőblokk hálózatra adott villamos teljesítménye,

T

FEmE P

P=η a villamos energia átalakítás alrendszer (mennyiségi) hatásfoka,

T

TmmT P

P=η a turbinatengely súrlódásából adódó veszteség hatásfoka, amely

elvileg a turbina alrendszerben lép fel, de ide soroljuk, mert a turbina alrendszerben csak a termikus-mechanikai energia átalakítás folyamatait vizsgáltuk;

Tm

GG P

P=η a generátor,

G

TrTr P

P=η a transzformátor hatásfoka;

Pε a fűtőblokk villamos energia önfogyasztását (pl. szivattyúk hajtásához, a tüzelőanyag ellátáshoz, stb. szükséges villamos energia) jellemző villamos teljesítmény,

FE1

PPε

εη −= a villamos energia önfogyasztását kifejező hatásfok.

A 4–2. ábrán feltüntetett főberendezések mennyiségi veszteségeit kifejező hatásfokok a következők:

– a gőzturbina mechanikai veszteségei: mTη = 0,98..0,99;

– a generátor veszteségei: mGη = 0,99..0,995;

– a villamos transzformátor veszteségei: mTrη = 0,99..0,995;

– a villamos önfogyasztást kifejező hatásfok: εη = 0,9..0,96.



Hőkiadás alrendszer Hőmérséklet-entrópia szemlélet

( ) 11

ell0TTT1T 1 Q

TT

PPQQ +−=−= η , (4.9)

ahol T0T )1( Pη− a hő-mechanikai energia átalakítás termodinamikailag lehetséges, de a turbina alrendszer berendezéseinek veszteségei (súrlódásos áramlás, hőátadás, keveredés) miatt mechanikai energiává át nem alakult hőáram, 1Q1ell )/( TT a termodinamikailag mechanikai energiává át nem alakítható hőáram.

Entalpia szemlélet

, (4.10) )''(

)'()'(

FH1FH2gFH2

FH2gFH2gFH2FH1gFH1gFH1T

hhm

hhmhhmQ

−+

+−+−=

ahol az első két tag a turbina ellennyomásáról és megcsapolásáról fűtött fűtési hőcserélőkben kondenzálódott gőz hőárama, míg a harmadik a nagyobb nyomású fűtési hőcserélő ellennyomású fűtési hőcserélőbe visszavezetett csapadékvizéből kigőzölgő gőzének hőárama.

A fűtőblokk hőteljesítménye

, (4.11) )( vefFETmQ ttcmQQ p −==η

ahol

TQ a turbina alrendszerből kilépő, a hőkiadás alrendszerbe belépő hőáram,

FEQ a fűtőblokk hőteljesítménye,

gFH1m az FH1 fűtési hőcserélőbe, az FH2 fűtési hőcserélőbe lépő gőz tömegáram,

gFH2m

fm a keringtetett fűtési forróvíz tömegárama,

hgFH1 az FH1 fűtési hőcserélőbe, hgFH2 az FH2 fűtési hőcserélőbe lépő gőz entalpiája,

h’FH1 az FH1 fűtési hőcserélőből, h’FH2 az FH2 fűtési hőcserélőből kilépő csapadék entalpiája,

te a fűtőblokkból kilépő, tv a fűtőblokkba belépő fűtési forróvíz hőmérséklete, cp a víz izobar fajhője,

11T

vQ

T

FEmQ ≅−==

Q

Q

QQ

η

FET Q≅

a hőkiadás (mennyiségi) hatásfoka, amely a hőmérleg

(Q ) alapján közel egy,

vQQ a hőkiadás hőveszteség árama.



4.2.1.2. A fűtési forróvíz felmelegítésének fokozatszáma Tervezésnél a fűtési forróvíz felmelegítésének fokozatbeosztása elvileg – számtani (∆t=tki–tbe=áll., az egyes fűtési hőcserélőkben közel azonos a víz

felmelegedése és r≈áll. mellett a gőz tömegárama), ill.

– mértani ( .be

ki állTT

==q , az egyes fűtési hőcserélőkben közel azonos

irreverzibilitás miatti energiaveszteségek) sorozat szerint történhet. Mindkét elvi lehetőség a valóságban torzul a

csapadék visszavezetések és keveredések, valamint a felületi hőátvitel irreverzibilitásai miatt. Eltekintve a fokozatbeosztás elméleti megfontolásainak ismertetésétől, csak közöljük a gyakorlatban kialakult fokozatszámot (a fokozatbeosztás megválasztása a részletes hőtechnikai tervezés feladata). Ha a forróvíz névleges felmelegedése (∆t0) a fűtési hőcserélőben

– ∆t0 < 40 °C, egyfokozatú, – ∆t0 = 40..60 °C kétfokozatú, – ∆t0 > 60 °C háromfokozatú felmelegítést alkalmaznak.

4.2.1.3. A fűtőturbinák kialakítása, üzemviszonyai Míg a távhőszolgáltatás kezdeti korszakában viszonylag kis teljesítményű

egységeket (1..20 MWe) építettek, addig az újabban üzembe álló, korszerű ellennyomású egységek villamos teljesítménye 50..200 MWe határok között mozog. E blokkok felépítése a kisebb teljesítménynek, az újrahevítés és a kisnyomású turbinaház elmaradásának következtében egyszerűbb, mint a nagyteljesítményű kondenzációs blokkoké.

Az ellennyomású fűtőturbinák egy- és kétházas kivitelben készülnek. Az egyházas kivitelű turbina esetében a forgórészt csak egyirányú axiális erő terheli, aminek kiegyenlítéséről gondoskodni kell. Kétházas kivitel esetén az axiális erők részben vagy egészében kiegyenlítik egymást.

A fűtőblokk teljesítményét a fűtési hőigény szabja meg

( ) )()( lfFEFE tfQfPQ == , (4.12)

amely a fűtési menetrendnek megfelelően döntően a külső levegő hőmérséklet függvénye. Az aktuális hőigényt általában – a gőz kezdő jellemzők állandósága mellett – az ellennyomású turbina gőznyelésével szabályozzák, azaz

( )FEFE111 .].[var PQálltállpm ⇒=== . (4.13)

A turbina gőznyelése mellett a visszatérő és az előremenő forróvíz hőmérséklete szabja meg a turbina ellennyomását, így a kiadható hő- és villamos teljesítményt is, amely között termodinamikai kapcsolat van. A 4–4. ábra a kétfokozatú fűtés megvalósítására mutat két jellegzetes példát.

A kisebb teljesítményű hőszolgáltató egységek (PFE<100 MWe) általában a 4–4./a. ábra szerinti egyirányú gőzárammal épülnek. A pmegcs nyomású



megcsapolásig a teljes gőzáram expandál (eltekintve a tápvízelőmelegítők megcsapolásaitól), ezután már csak az ellennyomás (pell) gőzárama. Egyirányú kialakításnál a két fűtési hőcserélő közötti fokozatbeosztás csak a névleges terhelésen optimális, mert a fűtőgőz nyomásai részterhelésen csökkennek, következésképpen a forróvíz felmelegedési viszonyai módosulnak, ami az energetikai hatékonyság romlását és a turbina hatásfokának csökkenését vonja maga után.

te tv

FH2 FH1

1p

gellgmegcs mm + gellm

megcsp ellp

tk

a., egyirányú gőzáram

te tv

FH2 FH1

1p

gell,1mgell,2m

ell,1pell,2p*kt

b., aszimmetrikus ikeráram

4–4. ábra. Ellennyomású fűtőturbinák kétfokozatú forróvizes hőkiadással Az egyirányú ellennyomású fűtőturbina üzemviszonyai a hőteljesítményével

(4.14)

])['][()(

])['][()(

)(

megcsmegcsggmegcskefmegcs

ellellggellvkfell

vefmegcsellFE

phphmttcmQ

phphmttcmQ

ttcmQQQ

p

p

p

−=−=

−=−=

−=+=

(az FH2 csapadékának visszavezetésétől FH1-be eltekintettünk) és a fűtési hőcserélők kihasználási tényezőjével

p

p

cmkA

cmkA

etpt

ttpt

tt

etpt

ttpt

tt

f

FH2

f

FH1

)(

kmegcss

FH2

kmegcss

keFH2

)(

vells

FH1

vells

vkFH1

1][][

1][][

−

−

−=−

∆=

−−

=Φ

−=−

∆=

−−

=Φ

(4.15)

jellemezhető. Névleges üzemállapotban a fűtőturbina és a fűtési hőcserélők üzemviszonyai optimálisak, hiszen megfelelnek a tervezés optimális állapotának. A hazai fűtőturbinák azonban az üzemidő nagyobb részében általában részterhelésen üzemelnek.

Részterhelésen a fűtési hőkiadás jellemzőit a fűtőturbina STODOLA-féle száma és a fűtési hőcserélők kihasználási tényezője határozza meg. Vizsgáljuk meg a részterhelések turbina üzemvitelére gyakorolt hatását állandó forróvíz tömegáram mellett! Tételezzük fel, hogy részterhelésen az egyes fűtési hőcserélők kihasználási tényezője változatlan (kismértékben k, s ezáltal is változik). A névleges üzemállapotban és a részterhelésen érvényes fűtőgőz nyomások között a STODOLA-féle összefüggés teremt kapcsolatot, azaz

Φ



2nmegcs,

2n1,

2rmegcs,

2r1,

2

n1,

r1,

pp

ppmm

−

−=

2

nell,2

nmegcs,

2rell,

2rmegcs,

2

ngell,

rgell,

pp

ppmm

−

−=

, (4.16)

ahol az r index a részterhelésre, az n index a névleges állapotra utal. Részterheléseknél általában p1,r=p1,n, ezért pmegcs[tsmegcs] kisebb mértékben csökken, mint pell[tsell]. A kihasználási tényezők feltételezett azonossága alapján a forróvíz felmelegedése a két fűtési hőcserélőben az optimálishoz (a névleges állapotnak megfelelő arányhoz) képest megváltozik, a nagyobb felmelegedés az FH2-ben következik be az FH1 rovására, azaz a részterheléseknél

optr,FH1,rFH1, tt ∆<∆ optr,FH2,rFH2, tt ∆>∆ , (4.17)

minek következtében m , (4.18) optr,gell,rgell, mm < optr,gmegcs,rgmegcs, m>

ahol a fűtési hőcserélők optimális felmelegedése részterhelésen

( )rv,re,nv,ne,

nFH1,optr,FH1, tt

ttt

t −−

∆=∆ ; ( rv,re,

nv,ne,

nFH2,optr,FH2, tt

ttt

t −−

)∆=∆ (4.19)

lenne, s az optimális gőz tömegáram az ehhez a felmelegedéshez tartozó gőz tömegáram. A fűtési hőcserélőket fűtő két megcsapolás között az m gőzáram nagyobb mértékben változik, mint a hőterhelés, ami jelentős mértékben rontja a turbina e fokozatának hatásfokát. A kedvezőtlen hatások kiküszöbölése miatt nagyobb (P

gell

FE>100 MWe) egységteljesítményeknél a 4–4/b. ábra szerinti aszimmetrikus ikeráramú fűtőturbinákat építenek.

Az aszimmetrikus ikeráramlás biztosítja, hogy az egyes fűtési hőcserélőkre eső felmelegedés megosztása minden esetben az optimális érték körül maradjon. Írjuk fel ebben az esetben is a két ágra érvényes STODOLA-féle összefüggést, azaz

2nell2,

2n1,

2rell2,

2r1,

2

ngell2,

rgell2,

pp

ppmm

−

−=

2

nell1,2

n1,

2rell1,

2r1,

2

ngell1,

rgell1,

pp

ppmm

−

−=

. (4.20)

E két egyenletből kifejezve az azonos p1,r nyomást

( )

( )2nell1,

2n1,

2

ngell1,

rgell1,2rell1,

2nell2,

2n1,

2

ngell2,

rgell2,2rell2,

ppmm

p

ppmm

p

−

+=

=−

+

, (4.21)

továbbá nem követünk el jelentős hibát, ha azzal a közelítéssel élünk, hogy a gőzturbinába belépő gőz nyomása jóval nagyobb, mint a fűtési hőcserélők ellennyomása (p1>>pell1 vagy p1>>pell2). Ebben az esetben felírható, hogy

ngell1,

rgell1,

ngell2,

rgell2,

mm

mm

≈ (4.22)



továbbá, ha a névleges terhelésen igaz, hogy m ngell2,ngell1, m≅ , akkor minden más terhelési állapotra is igaz, hogy m rgell2,rgell1, m≅ .

Az aszimmetrikus kialakítással tehát biztosítható, hogy részterhelésen egyik ág gőzárama se változzon nagyobb mértékben, mint ami a teljesítmény-változásból adódik. Kisebb teljesítményű (100 MWe alatti) turbinák gőzáramát azért nem célszerű két részre osztani, mert rövid lapátozású és emiatt igen kedvezőtlen hatásfokú turbina fokozatokhoz jutnánk.

4.2.2. GŐZÖS HŐKIADÁS Gőzös hőkiadásnál, melynek elvi felépítését és alrendszereit a 4–5. ábra

mutatja, a turbina ellennyomásából kilépő gőz nem az erőműben, hanem a fogyasztónál kondenzálódik. Ennek következtében - a hőközlés, a turbina és a villamos energia átalakítás alrendszer forróvizes hőkiadással azonos kialakítása és energiaáramai mellett - a hőkiadás alrendszer eltér a forróvizes hőkiadásétól. Mivel gőzt adunk ki a fogyasztóhoz, ahol az kondenzálódik, a fogyasztótól visszatérő kondenzátumot az erőműben fogadni kell, az elveszett kondenzátumot pedig pótvízzel pótolni kell a csapadékgyűjtő tartályban (CSGYT). A csapadékgyűjtő tartályból indul a gőzkörfolyamat, tehát ez a CSGYT a forróvizes hőkiadású ellennyomású gőzkörfolyamat FH1 fűtési hőcserélőjével és a kondenzációs gőzkörfolyamat kondenzátorával jellegében azonos feladatú berendezés.

CSGYT

TE

GK T

pótvíz

FKSZ

üQ1Q

FEQfQ

ellpellQ

TPFEP

vesztk,m

Hη

mEη

mQη

H T E

Q

4–5. ábra. A gőzös hőkiadású ellennyomású fűtőblokk elvi kapcsolása, fő berendezései és

alrendszerei A turbinában expandált gőz nyomása (4.23) gtvfell ppp ∆+=

a fogyasztó nyomásánál minimálisan a blokk és a fogyasztó közti gőz távvezeték nyomásesésével (∆pgtv) nagyobb. A hőelvonás termodinamikai átlaghőmérséklete (kondenzveszteség nélkül)



)()(

ell'ellgell

ell'ellgell

ell'ell

ell'ellell ssm

hhmSQT

−

−=

∆∆

=−

− (4.24)

nagyobb, mint forróvizes hőkiadásnál (a hazai fűtőturbináknál 4..16 bar). Entalpiákkal a turbina alrendszerből kilépő hőáram

. (4.25) ])[],[( ellell'gellgellgellgellT phtphmQ −=

A hőkiadás alrendszer mennyiségi hatásfokát ηmQ a forróvizes hőkiadással azonosra véve, a kondenzátum mennyiségi veszteségét a pótvíz, míg hőveszteség áramát

, (4.26) ],[],['( fkFKSZfkgellellgellveszt tphtphmQ gell −=

a turbina alrendszer tápvízelőmelegítői pótolják, mert a gőzkörfolyamat induló, a csapadékgyűjtő tartályból kilépő főkondenzátum hőmérséklete

][ ellsfk

ppvkvkfk pt

cmtcmtcm

tp

pp <+

= (4.27)

kisebb, mint az ellennyomáshoz tartozó telítési hőmérséklet, miközben a csapadékgyűjtő tartály tömegáram mérlege

gellpvkfk mmmm =+= , (4.28)

ahol az index fk a főkondenzátumra, vk a visszatérő kondenzátumra, p a pótvízre vonatkozik.

4.2.3. ENERGETIKAI JELLEMZŐK Az energiaátalakítás hatékonysága az energetikai jellemzőkkel mutatható meg.

Az ellennyomású gőzkörfolyamatok egyiken ergetikai jellemzője a fajlagos villamos energia mennyisége

FE

FEell Q

P=σ , (4.29)

amely valós gőzkörfolyamatoknál hőmérséklet-entrópia szemlélettel (BÜKI, 1983)

( )

( ) mQ1

ell

1

ellT

mET1

ell

ümHmQ1

ell

1

ellT

ümHmET1

ell

ell

11

1

11

1

ηη

ηη

ηηη

ηηησ

+

−−

−

=

=

+

−−

−

=

TT

TT

TT

QT

TT

T

QT

T

, (4.30)

ill. entalpia szemlélettel



( ) mQFH1FH2gFH2FH2gFH2gFH2FH1gFH1gFH1

mE1

01g,

ell )''()'()'(

)(

η

ηη

σhhmhhmhhm

hhmnj

jjjjj

−+−+−

−

=∑=

=−

, (4.31)

amit egyes szerzők energiahatékonysági mutatónak vagy áramszámnak is neveznek. Reverzibilis ellennyomású gőzkörfolyamatnál a fajlagos villamos energia mennyisége

1)(

)()(

ell

1

ell'11ell

ell'11ell1

T0

T0ell0 −=

−−−

==TT

ssmTssmTT

QP

σ , (4.32)

ill.

)(

)(

ell'ell01

ell011ell0 hhm

hhm−

−=σ , (4.33)

a termikus-mechanikai energia átalakítás termodinamikai lehetőségei által ell1 TT − hőmérséklet határok között megszabott jellemző.

A másik elterjedten használatos jellemző az ellennyomású villamos energia fejlesztés hatásfoka

mEmH

mHellü

ellell 1

ηη

η

η =−

=QQ

P , (4.34)

amely az ellennyomású fűtőblokk tényleges villamos teljesítményének és a villamos energia előállítás feltételezett tüzelőhőáramának a hányadosa. A villamosenergia-fejlesztés tüzelőhőáramát annak feltételezésével határozzák meg, hogy a blokk hőteljesítményét a kazán állítja elő, tehát az ehhez a hőáramhoz tartozó gőz tömegáram nem expandál a gőzturbinában, azaz nem vesz részt a termikus-mechanikai energia átalakítás folyamatában.

A gyakorlatban gyakran a kiadott teljesítmények (energiák) és a bevitt tüzelőhőáram (energia) hányadosaként határozzák meg az ellennyomású fűtőblokk energiafejlesztésének (bruttó) hatásfokát

ü

FEFEFE Q

QP +=η . (4.35)

Reverzibilis ellennyomású gőzkörfolyamatnál

1

1

T0T0

T0T0

ü0

T0T0

ü0

FE0FE0FE0

T0ü0

T0ü0

T0ü0

T0

ell0üo

ell0ell0

=++

=+

=+

=

=−−

=−

=−

=

QPQP

QQP

QQP

QQQQ

QQP

QQP

η

η, (4.36)

mert Q . T0T010ü0 QPQ +==

A definíciókból megállapítható, hogy – ηell-nél a nevezőben a villamosenergia-fejlesztés feltételezett tüzelőhőárama

szerepel,



– ηFE-nél a számlálóban a nem azonos használati értékű villamos energia és hő teljesítményének összege szerepel;

tehát ez a két hatásfok nem a villamos energia előállítás tényleges hatásfoka, hanem konvenció alapján kialakult hatásfok, amely a kapcsolt energiafejlesztés termodinamikai hasznát teljes egészében a villamos energia előállításában érvényesíti. Ennek következtében az ellennyomású villamos energia előállítás ill. a fűtőblokk energiafejlesztésének hatásfoka mindig lényegesen nagyobb, mint a kondenzációs villamosenergia-fejlesztés hatásfoka, azaz

ü

KEKEFEell ill.,

QP

=>> ηηη . (4.37)

A gyakorlatban elterjedten használják még az ellennyomású fűtőblokk villamos energia előállításának fajlagos hőfelhasználását is

kWh

kJ,36001

FEFE η

=q . (4.38)

A kondenzációs villamos energia előállítás fajlagos hőfelhasználása

kWh

kJ,36001

KEKE η

=q , (4.39)

megmutatja, hogy 1 kWh villamos energia előállításához mennyi kJ tüzelőhőt használnak fel. Az ellennyomású villamos energia előállítás fajlagos hőfelhasználása – a hatásfok definíciója értelmében – egy olyan nem valós hőfelhasználás, amely a kapcsolt energiafejlesztés termodinamikai hasznát teljes egészében a villamos energia előállításában érvényesíti.

Az energetikai jellemzők közül az ellennyomású gőzkörfolyamat termodinamikai lehetőségeit teljes körűen a fajlagos villamos energia mennyisége mutatja meg, mert a kondenzációs erőművi blokkok villamos energia előállításának hatásfokához

mETmH1

2

ü

ümHmET1

2

ü

KEKE 1

1ηηη

ηηηη

−=

−

==TT

Q

QTT

QP (4.40)

hasonlóan ugyanazok a jellemzők szerepelnek benne ( 2T a kondenzációs gőzkörfolyamat hőelvonásának termodinamikai átlaghőmérséklete).

4.2.3.1. A fajlagos villamos energia mennyiségét befolyásoló tényezők Az ellennyomású gőzkörfolyamat ellσ -jét meghatározó tényezők tehát

ugyanazok, mint a kondenzációs gőzkörfolyamat hatásfokát meghatározó tényezők:

– a hőközlés minél nagyobb termodinamikai átlaghőmérséklete ( 1T ):

– a gőz kezdő jellemzők ( és t ) növelésével, 1p 1

– megcsapolásos tápvízelőmelegítéssel a kazánba lépő tápvíz minél nagyobb hőmérsékletével,



– >130 bar kezdő nyomásnál újrahevítéssel; 1p

– a hőelvonás termodinamikai átlaghőmérsékletének ( ellT ) csökkentésével, melyet azonban megszab a hőigény hőmérsékletszintje;

– a gőzturbina, a villamos energia átalakító berendezések és a hőkiadó berendezések minősége, a minél kisebb mennyiségi átalakítási veszteségekkel.

Míg a kezdeti időkben épített kis fűtőblokkoknál a fajlagos villamos energia mennyisége ( ell )σ 0,2..0,3 volt, addig az újabb blokkokra e jellemző 0,4..0,5 körüli értékre javult. Az igen nagy egységteljesítményű (200 MWe) fűtőblokkok esetében e mutató értéke elérheti a 0,55 értéket is.

Az ellennyomású fűtőblokk energetikai jellemzői a hőteljesítmény és a hőkiadás hőmérsékletének függvényében, azaz a fogyasztói igényektől függően változnak, ezért a fűtőblokkok energetikai megítéléséhez nem elegendő az energetikai jellemzők névleges értékét alapul venni, hanem ezek időbeni (terhelésfüggő) változásait is figyelembe kell venni. A gyakorlatnak megfelelően éves időtartamot véve, a fajlagos villamos energia mennyiség éves átlagos értéke

∫

∫== 8760

0FE

8760

0FE

FE

FEell

d)(

d)(

ttQ

ttP

QEσ . (4.41)

4.2.3.2. Az ellennyomású és a kondenzációs gőzkörfolyamat összehasonlítása A kondenzációs és ellennyomású gőzkörfolyamat különbözőségének

illusztrálására összehasonlítjuk a két gőzkörfolyamat néhány meghatározó jellemzőjét.

A 4–3. ábrán a tápvízelőmelegítés nélküli reverzibilis kondenzációs gőzkörfolyamat az 1-20-2’-1, míg az irreverzibilist az 1-2-2’-1 pontok jellemzik. A kondenzációs és az ellennyomású gőzkörfolyamat között az alapvető eltérést – azonos felépítés és gőz kezdő jellemzők ( ) mellett – a kondenzáció és az ellennyomás eltérő nyomása okozza.

11 , tp



A kondenzációs és az ellennyomású gőzkörfolyamat összehasonlítása Jellemző Kondenzációs Reláció Ellennyomású

Hőközlés termodinamikai átlaghőmérséklete ell'1

ell'11 ss

hhT

−−

= ≠ '21

'211 ss

hhT−−

=

Hőelvonás nyomása p2=f[kondenzációs berendezés, thv vagy tl] <

forróvizes hőkiadás pell=f[fűtési hőcserélő, tv(tl)] gőzös hőkiadás pell=f(pf+∆pvezeték]

Hőelvonás termodinamikai átlaghőmérséklete

)( 22 pfT = <

)( ellell pfT =

Mechanikai teljesítmény PTKE > PTFE Villamosenergia-fejlesztés hatásfoka mETCmHKE ηηηηη = TC

FE

KE ηηηη

= mEmHell ηηη =

A kondenzációs gőzkörfolyamat hőelvonásának termodinamikai átlaghőmérsékletét a kondenzációs berendezésen keresztül a hűtővíz (a külső levegő) hőmérséklete szabja meg. A maximális mechanikai teljesítmény érdekében a hőelvonás minimális termodinamikai átlaghőmérsékletére törekszünk. Ez a hőmérséklet azonban már alacsony a hő hasznosítására. Az ellennyomású gőzkörfolyamatnál a hőelvonás termodinamikai átlaghőmérsékletét a fűtési hőcserélőkön keresztül a visszatérő (a fűtési hőcserélőbe belépő) fűtési forróvíz hőmérséklete és felmelegedése határozza meg, amely nagyrészt szintén a külső levegő hőmérséklet függvénye. A fűtési hőcserélőkből kilépő forróvíz hőmérséklete már megfelel annak a hőmérsékletszintnek, amellyel a hőigény kielégíthető, ezért minimálisan 20..30 °C-al nagyobb a kondenzátorból kilépő hűtővíz hőmérsékleténél. A kiadott gőz nyomása mindig nagyobb 1 bar-nál, így a gőzös hőkiadású ellennyomású fűtőblokk hőkiadásának termodinamikai átlaghőmérséklete nagyobb, mint a forróvizes hőkiadású fűtőblokké. Tehát azonos felépítésű és gőz kezdő jellemzőjű ellennyomású gőzkörfolyamatnak mindig kisebb a mechanikai teljesítménye, mint a kondenzációs gőzkörfolyamaté, a hőfelhasználás magasabb hőmérsékletszintje miatt 2ell T>T . Az ellennyomású gőzkörfolyamat villamos energia előállításának – definíció szerinti nem valós – hatásfoka pedig 1 ( )TC/ ηη -el nagyobb, mint a kondenzációs gőzkörfolyamaté.

A hazai erőművi blokkok villamos energia előállításának átlagos hatásfoka 0,34 (0,24..0,38), ill. fajlagos hőfelhasználása 10 590 kJ/kWh (15 000..9 730 kJ/kWh), ahol a kisebb hatásfokok (nagyobb fajlagos hőfelhasználások) a széntüzelésű 50 MW-os, a nagyobb hatásfokok (kisebb fajlagos hőfelhasználások) a szénhidrogén tüzelésű 200 MW-os kondenzációs blokkokhoz tartoznak. (A megadott hatásfokok évi átlagos hatásfokok.)

∫

∫== 8760

0ü

8760

0KE

ü

KEKE

d)(

d)(

ttQ

ttP

QEη , (4.42)

amelyek kisebbek, mint a névleges teljesítményhez tartozó hatásfokok.



A hazai ellennyomású fűtőerőművi blokkok hatásfoka 0,55..0,7, ill. fajlagos hőfelhasználása 6 550..5 140 kJ/kWh között változik. Ezek a hatásfokok is éves átlagos hatásfokok, azaz

∫

∫ ∫+

=+

= 8760

0ü

8760

0

8760

0FEFE

ü

FEFEFE

d)(

d)(d)(

ttQ

ttQttP

QQEη , (4.43)

szintén kisebbek, mint a névleges teljesítményhez tartozó hatásfokok.

4.2.4. ÉRTÉKELHETŐ VILLAMOS TELJESÍTMÉNY Az ellennyomású fűtőblokkból kiadott villamos energia mennyisége a

hőigényeknek megfelelően változik és általában . ( ) FE,nFE PtP <

Névleges értékét ( )nFE,P ott éri el, ahol a fűtőblokk egész évben a névleges teljesítményen üzemel. Az éves átlagos villamos teljesítmény

FE,n

8760

0FE

FE 8760

d)(P

ttPP <=

∫, (4.44)

tehát általában kisebb a névleges villamos teljesítménynél, s a fűtőblokk kihasználásától függően (0,5..0,7) . A fűtőblokk azonban eleme a villamos energia rendszernek is. Az ellennyomású fűtőblokkok villamos teljesítményének helyi hőigényektől való függését az értékelhető villamos teljesítmény fogalma veszi figyelembe. A villamos energia rendszer teljesítmény mérlegében a fűtőblokk értékelhető villamos teljesítménye

nFE,P

FEértFE, PP = , (4.45)

azt fejezi ki, hogy az ellennyomású fűtőblokk – hőigények változása miatt – korlátozottan rendelkezésre álló villamos teljesítménye a villamosenergia-rendszer milyen teljesítményű, állandóan rendelkezésre álló kondenzációs blokkjával tekinthető egyenértékűnek.

Egyes ellennyomású fűtőblokkok azonban túlterhelhetők ( )( )nFE,FE PtP > a nagynyomású tápvízelőmelegítők kikapcsolásával, ami az energetikai jellemzők ( ellell , )ησ csökkenése mellett rövid ideig többlet villamos teljesítmény igénybevételét ( )nFE,FEFE PPP −=∆ teszi lehetővé.

Az értékelhető villamos teljesítmény, mint energetikai mutató jelentősége mára már jelentősen csökkent. Ez a jelentőség vesztés két fő okkal magyarázható:

– egyrészt, a villamosenergia-igények csökkenése miatt a rendszerben megnőtt a kihasználatlan (tartalékban álló) kapacitások nagysága,



– másrészt, a társaságok egymás között, ill. a szállítóval szerződéses viszonyban állnak és ezekben a szerződésekben rögzítik a villamos- és hőteljesítmény nagyságát.

4.2.4.1. Segédkondenzáció, segédhűtés A túlterhelés növelheti ugyan az ellennyomású fűtőblokk értékelhető villamos

teljesítményét, de nem képes feloldani a hőkiadás és a villamos energia szolgáltatás közötti merev kapcsolatot. A beépített villamos teljesítmény kihasználásának növelése

– gőzös hőkiadásnál segédkondenzációval, ill. – forróvizes hőkiadásnál segédhűtéssel érhető el (4–6. ábra). Gőzös hőkiadásnál (4–6/a. ábra) akkor alkalmazható a segédkondenzáció,

amikor a gőzigény részleges, ezért a gőzturbina részterhelésen üzemel vagy nincs fogyasztói hőigény és a gőzturbina nem üzemel, valamint a villamos energia rendszerben szükség van a fűtőblokk villamos teljesítményére,. Ehhez egy általában nem üzemelő, szükség esetén rövid időn belül üzembe helyezhető kondenzátorra van szükség. Segédkondenzációs üzemmódban a gőzturbina a maximális gőznyelésével (villamos teljesítményével) üzemel, és a fogyasztó által nem igényelt gőz a segédkondenzátorban kondenzálódik. A fűtőblokk üzemi jellemzői

FEmaxFEgfgellmaxgSKmax11 , PPmmmmm =⇒−== (4.46)

függetlenné váltak a hőigénytől és a növekmény villamos teljesítmény (4.47) )( gfFEFEmaxFE mPPP −=∆

a villamos energia rendszer rendelkezésére áll. Forróvizes hőkiadásnál (4–6/b. ábra) azonos feladatot lát el a segédhűtés. Ha

fűtőblokk részterhelésen üzemel és a villamosenergia-rendszerben szükség van a teljesítményére, akkor a turbina gőznyelése (a blokk villamos teljesítménye) a maximális értékére növelhető, és a többlet hőteljesítményt a szükség esetén üzembe helyezhető segédhűtő víz-víz hőcserélő vonja el. A segédhűtés (SH) az FH1 fűtési hőcserélőbe lépő forróvíz hőmérsékletének további csökkentésével, csökkenti az ellennyomást, növelve ezzel a fűtőblokk villamos teljesítményét. A fűtőblokk üzemi jellemzői

FEmaxFEellellSHvvSH

SHfFEmax11

)(és,

PPppttQQQmm

=⇒<<

+== (4.48)

szintén függetlenné váltak a hőigénytől és a növekmény villamos teljesítmény

(4.49) )(),( fFEvSHSHFEmaxFE QPtQPP −=∆

a villamosenergia-rendszer rendelkezésére áll.




a.,

pótvíz

CSGYT

SK

visszatérő

kondenzátum

te

tv


FH1FH2

b.,

SH

4–6. ábra. Az ellennyomású fűtőblokk elvi kapcsolása segédkondenzációval (a) és segédhűtéssel (b)

4.2.5. ELLENNYOMÁSÚ FŰTŐBLOKK PÉLDÁK Az üzemelő, ill. tervezett ellennyomású fűtőblokkok esetében a fűtési forróvíz

felmelegítését általában két fokozatban oldják meg. A korszerű blokkokban a kezdőparaméterek viszonylag szerényebbek, mint a hagyományos kondenzációs erőművekben: a kezdőnyomás 90..130 bar, a kezdőhőmérséklet 500..530 °C; újrahevítést ezekben a blokkokban nem alkalmaznak, ezzel szemben viszonylag nagyszámú tápvízelőmelegítővel rendelkeznek. A 4–7. ábra a pécsi erőmű 35 MWe, a 4–8. ábra a finn espoo-i erőmű 90 MWe-os ellennyomású fűtőblokk kapcsolását és főbb, névleges állapotbéli paramétereit mutatja.

1

2

3 4 5

5 4 3 2 1

FH1FH2

110 °C 62 °C

1,17 bar1,71 bar

95 bar, 535 °C

G

4–7. ábra. A pécsi erőmű 30 MWe-os ellennyomású fűtőblokkjának elvi kapcsolása

és névleges paraméterei (ERŐTERV, 1985)



127 bar/530 °C

100 kg/s

250/160 °C

81/90 MW

81 MW

4–8. ábra. A finn espoo-i erőmű 90 MWe-os ellennyomású fűtőblokkjának kapcsolása (PUSKÁS)

4.3. Kondenzációs fűtőblokkok Kondenzációs fűtőblokkoknál a kondenzációs gőzkörfolyamat négy alrendszere

(hőközlés, turbina, villamos energia átalakítás és hőelvonás (Q2) alrendszere) egy további alrendszerrel, a hőkiadás alrendszerrel egészül ki (4–9. ábra). A hőkiadás alrendszer elemei ugyanazok, mint az ellennyomású fűtőblokknál azzal a kiegészítéssel, hogy forróvizes hőkiadásnál a hőkiadásra elvett gőz csapadékát nem a kondenzátorba, hanem a tápvízelőmelegítés megfelelő hőmérsékletű szakaszára, míg gőzös hőkiadásnál vagy a kondenzátorba vagy külön előmelegítőn keresztül vezetik vissza a tápvízelőmelegítés megfelelő hőmérsékletű szakaszára.

4.3.1. TELJESÍTMÉNYMÉRLEG Hőközlés alrendszer A hőközlés alrendszer teljesítménymérlege a (4.1)-el azonos. Turbina alrendszer A termikus-mechanikai energiaátalakítás alrendszer mérlegegyenleteit – a

kapcsolás bonyolultsága miatt – csak entalpia szemlélettel adjuk meg. A turbina alrendszer mérlegegyenlete

(4.50) TQTQ2T1 QQPQ ++=

ahol

TQ2Q a turbina alrendszerből a hőelvonás alrendszerbe lépő hőáram,

TQQ a turbina alrendszerből a hőkiadás alrendszerbe lépő hőáram,



míg a turbina alrendszerből a villamos energia átalakítás alrendszerbe lépő mechanikai teljesítmény

(4.51)

hjj

jjj

n

jjjj

n

jj

mmm

hhmhhmP

,g,g,g

011

,g11

,gT )()(

−=

−=−= −=

−=

∑∑ η

ahol

hm g, a j-ik megcsapoláson hőkiadás céljára (h index) kivett gőz tömegárama, míg a többi jellemző megegyezik a (4.7) egyenlet jellemzőivel.

A hőkiadás tehát csökkenti a turbina mechanikai teljesítményét, de csökkenti a hőelvonás alrendszerbe lépő hőáramot is.

Villamos energia átalakítás alrendszer mETFE ηPP = (4.52)

ahol PFE a kondenzációs fűtőblokk hálózatra adott villamos teljesítménye, míg ηmE és a benne szereplő jellemzők meggyeznek a (4.8) jellemzőivel.

Hőelvonás alrendszer

(4.53) ∑∑=

=

=

=−−=

−=≅−=kh

hh

mt

tt

p

mmmm

ttcmQphhmQ

1,g

1,g1gK

hvbehvkihv22gKgKTQ2 )(])['(

ahol

2Q a hűtővízzel a környezetbe távozó hőáram,

1m a turbinába lépő gőz, a kondenzátorba lépő gőz, a t=1..m tápvízelőmelegítőbe lépő gőz,

gKm tm ,g

hm ,g a h=1..k hőkiadásra menő gőz tömegárama,

hvm a kondenzátor hűtővíz tömegárama,

hgK a kondenzátorba lépő gőz, h’[p2] a kondenzátorból kilépő, a kondenzátor nyomásához (p2) tartozó telített víz fajlagos entalpiája,

thvbe a kondenzátorba lépő hűtővíz, thvki a kondenzátorból kilépő hűtővíz hőmérséklete.

Hőkiadás alrendszer, forróvíz hőhordozó

(4.54) )(])['( vefFE,g1

,gTQ ttcmQphhmQ phh

kh

hh −=≅−= ∑

=

=

ahol

FEQ a kondenzációs fűtőblokkból kiadott hőteljesítmény,

hm ,g a h=1..k megcsapolásról fűtési forróvíz felmelegítésére menő gőz tömegárama,



hg,h a h=1..k megcsapolás gőzének fajlagos entalpiája, h’[ph] a fűtési hőcserélőből kilépő, a fűtőgőz nyomásához (ph) tartozó telített víz

fajlagos entalpiája, tv a fűtőblokkba lépő forróvíz, te a fűtőblokkból kilépő forróvíz hőmérséklete. (A mérlegegyenletben a nagyobb nyomású fűtési hőcserélő csapadékának

visszavezetéséből kigőzölgő hőáramtól a kisebb nyomású fűtési hőcserélőben eltekintettünk.)

Gőz hőhordozó

(4.55) ∑=

=−=

kh

hhhhhh phtphmQ

1,g,g,g,gTQ ])['],[(

ahol

hm ,g a h=1..k megcsapolásból a fogyasztónak kiadott gőz tömegárama,

hg,h a h=1..k megcsapolás gőzének fajlagos entalpiája, h’[ph] a kiadott gőz nyomásához (ph) tartozó telített víz fajlagos entalpiája. Az ellennyomású fűtőblokkal megegyezően a kondenzátum mennyiségi

veszteségét a pótvíz, míg hőveszteség áramát a turbina alrendszer tápvízelőmelegítői pótolják, mert a csapadékgyűjtő tartályból a főkondenzátumba visszavezetett kondenzátum (pótvíz és visszatérő kondenzátum keverékének) hőmérséklete

(4.56) ][ hminsk ptt <

kisebb, mint a kiadott gőz (több nyomásnál a legkisebb) nyomásához tartozó telítési hőmérséklete, ezért általában a kiadott gőz kondenzátumának visszavezetése a gőzkörfolyamatba vagy a kondenzátorba, vagy külön előmelegítőn keresztül a tápvízelőmelegítés megfelelő hőmérsékletű szakaszára történik.



GK

H

NE

GTT

FH2 FH1

T E

tv

te

Q

Q2

a.,

KE

GK

H

NE

GTT

T E

Q

Q2

b.,

CSGYT

KE

pótvíz

4–9. ábra. A forróvizes (a) és gőzös (b) hőkiadású kondenzációs fűtőblokk elvi kapcsolása,

főberendezései és alrendszerei



4.3.2. KONDENZÁCIÓS FŰTŐBLOKKOK TÍPUSAI A kondenzációs fűtőblokkoknak két fő típusa ismeretes. A kiadott és a

kondenzátorban elvont hőáram aránya alapján

– részleges (Q ) és 1/ 2FE <Q

– teljes (Q ) 1/ 2FE >Q

hőkiadású fűtőblokk különböztethető meg.

4.3.2.1. Részleges hőkiadás A részleges hőkiadás a turbina átömlő gőzvezetékéből vagy megcsapolásaiból

történhet. Az elvétel nyomásának szabályozása alapján – szabályozott és – szabályozatlan elvétel különböztethető meg (4–10. ábra).

Fojtás

a.,

ep

Gőzfogyasztó

et vt

fmQ

P

e1p

b.,

e2p

4–10. ábra. Részleges hőkiadás a gőzturbina szabályozott (a) és szabályozatlan (b) elvételéről A szabályozott elvétel a turbina átömléséből elvett, fojtott (szabályozott

nyomású gőzzel) történik, mert a gőzfogyasztó – a gőzturbina terhelésétől függetlenül – általában állandó nyomású gőzt igényel. Ezért a turbina minden terhelésén biztosítani kell, hogy

, (4.57) távvezetékfelvétel ppp ∆+≥

amely a fojtás miatt a hő-mechanikai energiaátalakításnál nagyobb irreverzibilitás miatti vesztesével jár. A szabályozott elvétel forróvizes és gőzös hőkiadásnál egyaránt alkalmazható, bár forróvizes hőkiadásnál nagyok az irreverzibilis veszteségek a fűtési hőcserélő nagyobb hőfokrése (ts–tki) miatt. A szabályozott elvétellel rendelkező kondenzációs blokkot elvételes-kondenzációs blokknak nevezik.

A szabályozatlan elvételt forróvizes hőkiadásnál alkalmazzák, ahol a fűtési hőcserélők fűtése a turbina tápvízelőmelegítőinek szabályozatlan megcsapolásairól elvett többletgőzzel történik. A fűtési forróvíz felmelegítése – az ellennyomású blokkokkal megegyezően – egy-, két- és háromfokozatú lehet. Általában kétfokozatú szabályozatlan elvételű fűtési forróvíz melegítést



alkalmaznak. Háromfokozatú fűtés esetén a harmadik fokozat általában szabályozott elvételű, mert üzeme csak a rövid időtartamú csúcshőigények kielégítésénél szükséges. Az üzemidő alapján fűtési alap- és csúcshőcserélők különböztethetők meg. Ennek megfelelően az alaphőcserélők fűtése általában szabályozatlan, a csúcshőcserélő fűtése pedig szabályozott elvételről történik.

A kondenzációs blokk hatásfokát kétféleképpen befolyásolhatja a részleges hőkiadás:

– hatásfok növekedés a hőelvonás hőáramának és nyomásának csökkenése miatt,

– hatásfok csökkenés a turbina fokozati hatásfokainak csökkenése miatt a többletgőz elvétel miatti kisebb tömegáramok következtében.

Ezért a részleges hőkiadást ott alkalmazzák, ahol a fűtési hőigény a turbinába lépő hőáramhoz képest kicsi. Ez a nagynyomású kondenzációs blokkokra jellemző.

A hazai 200 MWe-os blokkok is rendelkeznek ilyen hőkiadásssal: – a mátrai erőmű IV. blokkjából max. 20 MWt forróvizes hőkiadás, – a paksi atomerőmű gőzturbináiból max. 30 MWt forróvizes hőkiadás. Ezen nagy erőműveink mellett olyan kicsi a városfűtés hőigénye, hogy a

hőkiadás ellenére a blokkok tiszta kondenzációs blokkoknak tekinthetők.

4.3.2.2. Teljes hőkiadás A kondenzációs blokk szinte teljes gőzárama igénybe vehető a fűtési hőcserélők

fűtésére. Ennek érdekében a kisnyomású turbinarész átömlővezetékébe torlasztást iktatunk, ahogy azt a 4–11. ábra szemlélteti. A fűtési hőcserélők és tápvízelőmelegítők azonos megcsapolásokon helyezkednek el, ami – reakciós turbináknál – gondot okozhat az optimális nyomásviszonyok kialakításában. a.,

et vt

fm

Q

Pögm

b.,

et

vt

fmQ

Pögm

4–11. ábra. Teljes hőkiadás torlasztással kondenzációs blokkból egy- (a) és kétfokozatú (b)

forróvíz felmelegítéssel A torlasztó csappantyún átengedett, a turbina kisnyomású részét forgató ún.

öblítögőztől eltekintve, a blokk gyakorlatilag ellennyomású fűtőblokként üzemeltethető. Figyelembe kell azonban venni a torlasztó csappantyún át a kisnyomású házba jutó m öblítőgőzt, ami a kiadott hőteljesítményhez képest ög



6..8 % veszteséget jelent. A gőz elvételi nyomása a hőigényeknek megfelelően változtatható.

Kondenzációs üzemben a torlasztó csappantyú teljesen nyitott állapotban van, így a villamos energia fejlesztés hatásfokát érdemben nem rontja. A torlasztó csappantyú nem szabályoz, csupán fűtési ill. kondenzációs üzemmódot állít be. A korszerű kondenzációs fűtőblokkok teljesítményei és paraméterei közelítőleg megegyeznek a villamosenergia-szolgáltatás céljára létesített korszerű kondenzációs blokkok jellemzőivel.

A legelterjedtebb kétcsöves forróvizes távhőrendszerhez csatlakozó kondenzációs fűtőblokkokat (4–11. ábra) egy (a) és általában két (b) fűtési alaphőcserélővel építik. Villamos csúcsidőszakban a fűtési hőkiadás kiiktatható, míg a csúcs hőigények kielégítésére csúcshőcserélő építhető be. Egyszerűsége mellett másik előnye e kialakításnak, hogy fűtő és kondenzációs üzemben a turbina üzemviszonyai gyakorlatilag azonosak.

A két- és többfokozatú fűtés kialakítása összetettebb feladatot jelent, mint az egyfokozatú, hisz a fűtési hőcserélők megcsapolásainak optimális nyomásviszonyait nem csak névleges, hanem részterhelésen is biztosítani kell. Az optimális nyomásviszonyok könnyen beállíthatók akciós lapátozású turbináknál az egyes fokozatok elé épített forgatható tárcsákkal. Ebben az esetben egy fúvókán vagy a teljes gőzáram áthalad, vagy nem áramlik át gőz.

Reakciós lapátozású turbináknál is megvalósítható a kétfokozatú fűtési hőkiadás, de ennek a megoldásnak az üzemviszonyai már nem lesznek egyformán kedvezőek fűtési és kondenzációs üzemben. Torlasztó csappantyú csak a reakciós turbinák átömlővezetékében helyezhető el, emiatt a két fűtési megcsapolás közötti nyomásviszonyt nem tudja befolyásolni. A STODOLA-féle összefüggés értelmében ezt a nyomáskülönbséget a fokozaton áthaladó gőz tömegárama határozza meg, ami kb. fele a kondenzációs üzem gőzáramának. Emiatt a fűtési megcsapolások közötti nyomáskülönbség a kondenzációs üzemben közel kétszerese a fűtési üzemmódbeli nyomáskülönbségnek. Ha az optimális nyomáskülönbséget fűtőüzemre állítjuk be, akkor kondenzációs üzemben e két fokozat között megnő a tápvíz felmelegítése, ha az optimálást kondenzációs üzemre végezzük el, akkor fűtőüzemben válhat túlzottan eltérővé a forróvíz felmelegedése. Reakciós turbinák esetében ez a veszteségforrás kiiktatható, ha a fűtőturbina (megfelelő turbinaház) aszimmetrikus ikeráramú házzal készül. E kialakítás előnyeit a 4.1. alfejezetben ismertettük.

4.3.3. ENERGETIKAI JELLEMZŐK A kondenzációs fűtőblokkok energetikai jellemzője – a hazai szakirodalomban –

a fajlagos villamos energia kiesés (BÜKI, 1980)

FE

FEFEFEFE

FE

kiki

]0[]0[Q

QPQPQP

y>−=

== , (4.58)

ill.



∫

∫∫ >−=

== 8760

0FE

8760

0FEFE

8760

0FEFE

FE

kiki

d)(

d)](0[d)](0[

ttQ

ttQPttQP

QEy , (4.59)

amely megmutatja, hogy mekkora villamos energia kiesés terheli a hőkiadást a tiszta kondenzációs üzemmódhoz képest, ahol

yki az adott teljesítményre vonatkozó, kiy az éves átlagos fajlagos villamos energia kiesés,

Pki az adott hőteljesítménynél kiesett villamos teljesítmény, Eki az évi kiesett villamos energia mennyisége,

FEQ a fűtőblokk hőteljesítménye,

QFE a fűtőblokkból kiadott hő évi mennyisége. A fajlagos villamos energia kiesés, mint energetikai jellemző veszített korábbi

jelentőségéből: egyrészt a rendszerszintű összehasonlításoknál, mert villamos energia rendszerünkben viszonylag jelentős tartalék van a kiesett villamos energia pótlására (az erőművek beépített és a csúcsigény villamos teljesítmény aránya 1,2-1,25), tehát kevésbé érzékeny a kiesett villamos energia mennyiségére, mint korábban, másrészt a kiadott hő részaránya jelentősen befolyásolja ezt az energetikai jellemzőt.

A hazai részleges hőkiadású nagy teljesítményű kondenzációs blokkoknál az előállított villamos energia mennyiségéhez képest jelentéktelen a kiadott hő mennyisége (paksi nukleáris) ill. a (mátrai, dunamenti, tiszai) 200 MW-os konvencionális blokkoknál. Erőmű szinten a nem kiterhelt blokkokból általában pótolható a kiesett villamos teljesítmény, azaz az erőmű villamos teljesítménye érzéketlen a hőkiadásra

KEFEki 0 PPy =⇒≅ , (4.60)

ezért az erőmű és blokkjai tiszta kondenzációs tekinthetők. Az elvételes kondenzációs fűtőblokkoknál FEnkiFEért )1( PyP −= (4.61)

a blokk értékelhető villamos teljesítménye a névleges kondenzációs teljesítményéhez képest az évi átlagos fajlagos villamos energia kiesésének részarányával csökken, tehát itt megmaradt a szerepe az yki-nek.

A teljes hőkiadású blokkok – az öblítő gőz kivételével – lényegében ellennyomású blokkok. Ezért a hőkiadás σell-el is jellemezhető, nem szükséges az yki használata.

Ugyanakkor yki-nek a blokkból való hőkiadás érzékenységének vizsgálatánál a szerepe felértékelődött: úgy kell megvalósítani egy adott blokkból történő hőkiadást, hogy a megkívánt hőteljesítmény (hő) mellett a kiesett villamos teljesítmény (energia) minimális legyen.



4.3.4. KONDENZÁCIÓS FŰTŐBLOKK PÉLDÁK A hazai kondenzációs blokkokból való részleges hőkiadásra jó példa a paksi

atomerőmű K-220-44 gőzturbinájából a fűtésre kiadott hő a turbina szabályozatlan elvételű megcsapolásaiból (4–12. ábra). Az atomerőmű építésénél minden gőzturbinához kiépítették a fűtési hőcserélőket, de ma már csak négy gőzturbinával üzemelnek. A maximális névleges fűtési hőigény 30 MWt, így négy gőzturbina bármelyikéből kielégíthető. Az atomerőműből történő hőkiadás biztonsága automatikusan megvalósul, mert nem állhat elő olyan állapot, amelynél radioaktív szennyeződések kerülhetnek a fűtési forróvízbe. Gőzfejlesztő lyukadás esetén, ha a gőzbe aktivitáshordozók kerültek át, a fűtési hőcserélőkben a nyomásviszonyok olyanok, hogy pvíz(t) > pgőz(t), azaz a forróvíz nyomása minden időpillanatban nagyobb a fűtőgőz nyomásánál, tehát a gőzfejlesztő lyukadással egyidejű fűtési hőcserélő lyukadásnál mindig a fűtési forróvíz kerül az aktivitáshordozókat tartalmazó csapadékba.

A 4–13. ábra a pécsi erőmű 35 MWe-os elvételes kondenzációs fűtőblokkjának kapcsolását mutatja. A fűtőblokkból két szabályozott nyomású elvétel lehetséges:

– 11 bar ipari gőz kiadására és – 2 bar egyfokozatú forróvíz melegítésre. A 4–14. ábra a pécsi erőmű 60 MWe-os, a kianyomású ház átömlő vezetékébe

beépített torlasztással teljes hőkiadásra átalakított kondenzációs fűtőblokkjának kapcsolását szemlélteti.

pótvíz

E8 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1

GTT

NNY

CS TH1 TH2

KT

KNY KNY

2 db K

5 db

3 db

GF

Leiszapolás

3 db

CSUHKSZ

KSZ

alapcsúcs

város feléfűtési hőcserélők 4–12. ábra. A paksi atomerőmű K-220-44 gőzturbinájának és hőkiadásának kapcsolása



G

11 barTechnológiai gőzkiadás

Fűtés

35 MW

2 bar

4–13. ábra. A pécsi erőmű 35 MWe-os elvételes-kondenzációs fűtőblokkjának elvi kapcsolása

(ERŐTERV, 1985)

6 2 3 5,4

F

F1

123456

FCS

FCS

Fűtés

4–14. ábra. A pécsi erőmű 60 MWe-os kondenzációs fűtőblokkjának elvi kapcsolása

(ERŐTERV, 1985)



4.4. Fűtési hőcserélők A fűtőblokkok forróvizes hőkiadásának közvetlen hőfejlesztő berendezése a

fűtési hőcserélő, amelyet számos szakirodalom fűtőkondenzátornak is nevez. A fűtési hőcserélőkben a forróvíz felmelegítése a turbinában expandált gőzzel történik, hasznosítva a gőz párolgáshőjét (kondenzációs hőjét).

A gőzfűtésű hőcserélők gőzoldali hőátadása pg≥1 bar nyomásnál elvileg három zónára osztható (4–15/a. ábra):

– gőzhűtő (GH): a fal külső hőmérséklete nagyobb a gőz nyomásához tartozó telítési hőmérsékletnél (tfalk>ts[pg]), a gőzoldal konvektív hőátadását alapvetően a gőz áramlási sebessége határozza meg, s a hőátadási tényező αg≈102 W/(m2·K) nagyságrendű;

– intenzív kondenzációs (IK): tfalk<ts[pg], a gőz kondenzálódik a felületen, a gőzoldali kondenzációs hőátadást alapvetően a (tfalk-ts) hőmérséklet-különbség határozza meg, s a hőátadási tényező αk≈104 W/(m2·K) nagyságrendű;

– csapadékhűtő (CSH): a gőz már vízfázisú, a csapadékoldali hőátadást alapvetően a csapadék áramlási sebessége határozza meg, s a hőátadási tényező αcs≈103 (W/m2·K) nagyságrendű.

Ezen zónáknak megfelelően alakítják ki a hőcserélők konstrukcióját, s ez alapján beszélhetünk gőzhűtőről, kondenzációs hőcserélőről és csapadékhűtőről. A megcsapolásos tápvízelőmelegítőkben gyakran e három zónát azonos berendezésbe építik.

A gőzfűtésű hőcserélők gőzoldali hőátadása pg<1 bar nyomásnál, amikor levegő kerül a vákuum nyomású gőzbe, viszont csak két zónára osztható (4–15/b. ábra):

– intenzív kondenzációs: ahol a levegő nem befolyásolja a kondenzációt, mert részaránya kicsi ( ), így a gőz intenzíven kondenzálódik α

2gll 10/ −<= mmε

IK≈104 W/(m2·K) nagyságrenddel; – levegőhűtő (LH): ahol a nem kondenzálódott levegő részaránya már jelentős

( ), és a levegő megakadályozza a gőz és a hőátadó felület érintkezését, ezért a gőz-levegő keverék gőzének további kondenzációja vákuumszivattyúval megszívott áramlással történik α

2gll 10/ −≥= mmε

LH≈102 W/(m2·K) nagyságrenddel.

A fűtési hőcserélők gőzének névleges nyomása általában 1 bar-nál nagyobb, amely részterhelésen 1 bar alá csökken. Kétfokozatú fűtésnél kisebb terhelésen akár mindkét hőcserélő vákuum nyomású lehet. Mint említettük a hazai fűtőblokkok, különösen az ellennyomású fűtőblokkok üzemidejük nagy részében részterhelésen üzemelnek. Ezért – a minimális levegő bekerülésre való törekvés mellett – a gőzoldal konstrukcióját mind túlnyomásos, mind vákuum nyomásra alkalmassá kell tenni:

– ellennyomású blokknál ki kell építeni a legkisebb nyomású fűtési hőcserélő légelszívását,



– kondenzációs blokknál pedig a fűtési hőcserélők légelszívását a kondenzátorba kell bekötni. Ezen kívül a hőcserélők gőzoldali (köpenyoldali) közegáramlását megfelelően kell szervezni.

t

A

t

AIK IKGHCSH LH

ststg2t

g2t

g1t

bet

kit

a., b.,

bet

kit

4–15. ábra. Gőzfűtésű hőcserélők hőmérséklet-felület diagramja túlnyomásnál (a) és

vákuum nyomásnál (b) A fűtési hőcserélők a csőköteg elrendezése alapján – fekvő (vízszintes) és – álló (függőleges) elrendezésűek lehetnek. Mindkét típus hőátviteli tényezője – megfelelő

konstrukciós kialakításnál – lényegében azonos, azaz a felületük is közel azonos. A forróvíz névleges felmelegedési hőmérséklete (∆t0=tki–tbe) alapján

– merevcsőfalas: két merev csőfal egyenes csövekkel (∆t0<40 °C), – úszófejes: egy merev és egy mozgó csőfal egyenes csövekkel vagy – U-csöves: egy csőfal U-csövekkel (∆t0>40 °C) konstrukciókat alkalmaznak. A nagyobb méretű (A>500..5000 m2) fűtési hőcserélők két csőfalasak, a kisebb

méretű (A<500 m2) fűtési hőcserélők lehetnek U-csövesek is. A számos fűtési hőcserélő konstrukció közül két korszerű, hazai gyártású

konstrukciót mutatunk be, amelyben a gőzoldali közegáramlások jól szervezettek. A TRANSELEKTRO RÖCK álló, radiális gőz áramlású és gyűrűs vízáramlású fűtési hőcserélőjébe (4–16. ábra) a fűtési forróvíz alul lép be úgy, hogy az első vízút a csőköteg belső csöveiből van kialakítva, a második vízút pedig a szélső csövekből, ahova a felső fordulókamrából lép be a víz. A második vízútban felmelegedett víz az alsó kamra külső gyűrűjén keresztül lép ki a hőcserélőből. A gőz a hőcserélő felső részén lép be, egyenletesen eloszlik egy kiegyenlítő térben, majd a köpenytérbe lépve egyenletesen eloszlik a hőcserélő magassága és kerülete mentén a köpeny és a csőköteg között. A víz gyűrűs áramlása a csőkötegben és a gőz egyenletes eloszlása a csőköteg körül lehetővé teszi, hogy minden kondenzációs kamrában (két terelőlemez közti térben) közel azonos gőz tömegáram kondenzálódjon. Az intenzív kondenzációs zóna a csőköteg, míg a levegőhűtő zóna keverő típusú, ahol a csőkötegből kilépő gőz-levegő keverék gőzének nagyobb részét a csőkötegben kondenzálódott, és a telítési hőmérséklethez képest aláhűlt víz kondenzálja. Ezáltal a csapadék közel



telítési hőmérsékletre melegszik vissza, s egyidejűleg termikusan gáztalanítódik. A maradt gőz-levegő keverék (páragőz) elszívása gőz- vagy vízsugár légszivattyúval a levegőhűtő zóna belső teréből és a csapadékszint feletti térből történik. Az alsó csőfalon összegyűlt csapadék a köpenytér alján távozik a hőcserélőből.

Az ABB fekvő csőkötegénél (PUSKÁS) a csőköteg a fűtési hőcserélő szimmetriatengelyéhez képest lefelé el van tolva (4–17. ábra). A fűtési forróvíz az alsó vízkamrába lép be a csőköteg alsó csöveiből álló első vízútba, majd a fordulókamrán át a csőköteg felső csöveiből álló a második vízútba. A második vízútban felmelegedett víz a felső vízkamrán keresztül lép ki a hőcserélőből. A gőz a hőcserélő felső részén lép be, egyenletesen eloszlik a hőcserélő hossza és kerülete mentén a köpeny és a csőköteg közötti térben. A csőköteg eltolása és az első vízút alsó elrendezése, valamint a gőz egyenletes eloszlása a csőköteg körül lehetővé teszi, hogy minden kondenzációs kamrában közel azonos gőz tömegáram kondenzálódjon. A csőköteg nagy része az intenzív kondenzációs zóna, míg a maradó rész a levegőhűtő zóna, amelyet az első vízút csöveinek egy részéből alakítottak ki. A levegőhűtő alulról részben nyitott, oldalról és felülről lemezekkel zárt, felületi hőcserélő. A levegőhűtő zónában a csőkötegből ideterelt gőz-levegő keverék gőzének nagyobb részét a csőköteg leghidegebb felülete kondenzálja. A mindkét zónában kondenzálódott vizet a csapadékzsomp gyűjti össze és a telítési hőmérséklethez képest aláhűlt vizet a nagyobb nyomású fűtési hőcserélő csapadékából kigőzölgő gőz melegíti közel telítési hőmérsékletre, s egyidejűleg termikusan gáztalanítja. A maradt gőz-levegő keverék (páragőz) elszívása gőz- vagy vízsugár légszivattyúval a levegőhűtő zóna végéből történik. A csapadékot a zsompból a csapadékszivattyú szállítja el.

A fűtési hőcserélő hőteljesítménye

kis

bes

bekiln

lngggggbekifFH

ln

])['],[()(

tttt

ttt

tkAphtphmttcmQ p

−−

−=∆

∆=−=−=

, (4.62)

ahol a korábbiakban megadott jellemzőkön kívül tbe a fűtési hőcserélőbe lépő, tki a fűtési hőcserélőből kilépő víz hőmérséklete, k a fűtési hőcserélő hőátviteli tényezője, A a felülete, ∆tln a hőátvitel logaritmikus hőmérsékletkülönbsége. A fűtési hőigény időbeli változását – állandó forróvíz tömegáram mellett – a

fűtési hőcserélőbe lépő víz hőmérséklete és megkívánt felmelegedése határozza meg, amely a gőz nyomásával és tömegáramával biztosítható. A hőcserélők felülete állandó, ezért a hőátviteli tényező alapvetően αg-n keresztül és a logaritmikus hőmérsékletkülönbséggel igazodik a hőteljesítményhez. A csapadékszint növelésével azonban a hőcserélő működő felülete is változtatható, amelyet gyakran alkalmaznak fűtési csúcshőcserélőknél (elárasztásos vízszintszabályozás).



fűtésiforróvíz

gőz

csapadék

páragőz elszívás

fűtésiforróvíz

A A

B B

gőz

A-A

B-B

4–16. ábra. A TRANSELEKTRO RÖCK álló fűtési hőcserélőjének áramlási képe

fűtési

forróvíz

fűtőgőz

csapadékvíz

nagyobb nyomásúcsapadékvíz páragőz

elszívás

A

A

A-A

4–17. ábra. Az ABB fekvő fűtési hőcserélőjének áramlási képe



4.5. Fűtőerőművek A hazai fűtőerőművek több, kisebb teljesítményű fűtőblokkal üzemelnek. A

hőkiadás üzembiztonsága és gazdaságossága érdekében – az eddig bemutatott – blokk kapcsolások módosulnak a rendszer adta előnyök kihasználásával, az ún. gyűjtősínes kapcsolás eredményeként.

Az üzemviteli adatok alapján a gőzerőművi blokkok leggyakrabban meghibásodó berendezése a gőzkazán. A gőzkazánok meghibásodásainak energiafejlesztésre gyakorolt hatása a gőzkazánok tápvíz és gőzoldalról való összekapcsolásával mérsékelhető. Ennek feltétele, hogy a gőzkazánok tápvíz és gőzoldali nyomása (hőmérséklete) közel azonos legyen (4–18. ábra).

Forróvizes hőkiadásnál a különböző típusú fűtőblokkok hőkiadás alrendszerei (fűtőközpontjai) a közös visszatérő és előremenő ágon összekapcsolhatók. A 4–19. ábra ellennyomású, elvételes-kondenzációs és kondenzációs fűtőblokk forróvíz oldali összekapcsolását mutatja. Az összekapcsolással elérhető, hogy az erőmű a hőkiadást kedvező gazdasági és biztonsági jellemzőkkel végezze (persze több fűtőblokkhoz megfelelő nagyságú hőigény is szükséges). Például nyáron, a kis hőigényeknél elegendő az elvételes-kondenzációs blokk üzeme, míg az ellennyomású blokk áll, a kondenzációs turbina pedig tiszta kondenzációs üzemben működik. Nagyobb hőigények esetén a blokkok között a gazdaságos terheléselosztással a hőteljesítmény elosztható.

Gőzös hőkiadásnál is alkalmazható a gyűjtősín. Az összekötés feltétele ebben az esetben is a gőznyomások azonossága. Az összekapcsolással itt is biztosítható, hogy a gőzigényeknek megfelelő gőzkiadást a gőzturbinák kedvező gazdasági és biztonsági jellemzőivel végezzük. Több kisebb teljesítményű gőzturbina esetén közös tápvízrendszer is megvalósítható gyűjtősínes megcsapolásokkal. Ezen kívül közös visszatérő kondenzátum fogadó és feladó rendszer készíthető.

A csúcshőigények – a szabályozott elvételek mellett – a fűtőerőműbe épített csúcs gőz- és forróvízkazánokkal is kielégíthetők, sőt a tartalék hőkapacitások is e két berendezésbe építhetők. A fűtőerőműben több távhőrendszer-feladat (keringtetés, nyomástartás, víztisztítás) gazdaságosabban és biztonságosabban megoldható, mint fűtőműben. A kis teljesítményű blokkokból álló fűtőerőmű adta előnyök szemléltetésére a kelenföldi erőmű (4–20. ábra) kapcsolását mutatjuk be. A kelenföldi erőmű két nyomásszinten ad ki technológiai gőzt.. A fűtési hőkiadás 130/80 °C-os névleges hőmérsékletű rendszerben történik. (Korábban rendelkezett egy állandó hőmérsékletű 180/100 °C-os ipari forróvízellátó rendszerrel is.) A csúcsigények kielégítésében több forróvízkazán (2 db 58 MW, 1 db 116 MW és 1 db 209 MW teljesítményű) is részt vesz.



tápvíelőmelegítőrendszerei

Tápvíz-gyűtősín

Gőzgyűjtősín

Gyűtősínesgőzös hőkiadás

Ellennyomású és

kondenzációs turbinák

visszatérő

pótvízKözös kondenzfogadó

és tisztító

kondenzátumok

forróvizes hőkiadás

Ellennyomású éskondenzációs

turbinák Gyűtősínes

4–18. ábra. Gőz- és tápvíz-gyűjtősínes fűtőerőművi elvi kapcsolása

előremenő ág

visszatérő ág 4–19. ábra. Forróvíz gyűjtősín kialakítása



40 bar; 410 °C

19 MW 5 MW 15 MW

c b a

15 MW

c b a

6 MW 6 MW

6 bar230 °C

15 bar300 °C

6x55 t/h

4x80 t/h 2x65 t/h

pótvíz

180/100 °C

Vízelőkészítés

5x19,8

58MW

58MW

116MW

209MW

b

a

b

a

130/80 °C

64 MW 64 MW

c

MW

4–20. ábra. A kelenföldi erőmű kapcsolása

4.5.1. HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK TERHELÉSVÁLTOZTATÁSA A hazai fűtőerőműveket gyakran éri az a vád, hogy a villamosenergia-rendszer

szempontjából rugalmatlanok, terhelésüket a fűtési igények kielégítése mereven behatárolja, így nem képesek kellő módon részt venni a változó villamos terhelésvitelben. Ez a megállapítás azonban csak a tisztán ellennyomású blokkokból álló fűtőerőműre igaz. Az olyan fűtőerőműben ahol egyaránt találhatók ellennyomású és kondenzációs egységek, a berendezések eltérő jellegéből (jelleggörbéjéből) adódóan lehetőség van korlátozott mértékétű belső terheléselosztásra, ezáltal a hő- és villamos-teljesítmények merev kapcsolatának bizonyos mértékű feloldására. Ennek vizsgálatához tekintsük a 4–21. ábrát, melyen a két blokk – ellennyomású és elvételes-kondenzációs – elvi kapcsolása, valamint villamos teljesítmény-hőteljesítmény ( )QP − diagramja látható. Az ábrán felvázoltuk a két blokktípus karakterisztikáját (Bejelölve a szabályozás elvi módját, mely kondenzációs blokk esetében a hő- és villamosenergia-igények alapján, míg ellennyomású blokk esetében a hőigények alapján történik.), valamint a megfelelő belső terheléselosztással megvalósítható üzemi tartományt, melyen belül a villamosenergia-rendszer igényei (menetrend) és a hőigények alapján a mindenkor megfelelő üzemállapot kialakítható. A következőkben egy tényleges hőszolgáltató erőmű, a Pécsi Erőmű kapcsán is bemutatjuk ezt a lehetőséget.



Ellennyomású blokkKondenzációs blokk

ell.

kond.

Q

P max.

max.min.

min.

üzemitartomány

4–21. ábra. Elvételes-kondenzációs és ellennyomású fűtőblokk elvi kapcsolása és

terhelési diagramja (JÁROSI)

A Pécsi Erőmű gerincét jelentő négy blokk közül kettő torlasztásos kondenzációs fűtőblokk (V. és VI.), egy elvételes-kondenzációs egység (IV.), egy pedig változó ellennyomású fűtőblokk (III.). A blokkok kazántápvíz és frissgőz-vezetéke egymással össze van kötve, ún. gyűjtősínes kapcsolású (4–22/a. ábra). Mind a négy rész alkalmas hő (forróvíz és gőz hőhordozóval) és villamos energia kiadásra, a csúcsigények kielégítését 3 db. 25 t/h teljesítményű gőzkazán segíti. A 4–22/b. ábra segítségével nyomon követhetjük, hogy az ilyen különböző típusú blokkokból álló erőművi egység hogyan képes viszonylag rugalmasan kielégíteni a hő- és villamosenergia-igényeket. Az erőmű által értékesített két termék – hő és villamos energia – a pillanatnyi terhelését azonos egységben (MW) mérjük fel a terhelési diagram két tengelyére. A négyblokkos erőmű terhelési (üzemi) tartományát a 4–22/b. ábrán az ABCDE pontokat összekötő vonal határolja. Az A pont mutatja a legkisebb kondenzációs terhelést, melyet a IV. kondenzációs blokk jellemzői határoznak meg. A B pont a legnagyobb kondenzációs terhelést mutatja, amikor is a három kondenzációs blokk turbinája maximális terhelésen üzemel. Az AB vonal a tiszta kondenzációs üzemet jelenti. A C pont a maximális villamos teljesítményű (190 MW, az erőmű névleges villamos teljesítménye) üzemállapotot jelenti, melyet a fűtőturbina üzembeállításával lehet elérni. A BC vonal az erőmű teljes villamos kiterhelésének határa a kis hőteljesítmények tartományában. A D pont a legnagyobb hőterhelés pontja. A kazánok teljesítményét növelve a hőkiadás növekedésével együtt csökken a villamos



teljesítőképesség, mivel a hőkiadás a kondenzációs gépek rovására történő gőzelvétellel növelhető. A CD vonal az erőmű (tkp. a kazánok) maximális terhelhetőségének határa. Az E pont az erőmű legkisebb villamos terhelési állapotát mutatja. A DE vonal az erőmű minimális kondenzáció melletti – legjobb hatásfokú – terhelhetőségét jelzi. Az AE vonal az egyik 160 t/h-s kazán minimális terhelésének vonala a IV. gép üzeme mellett.

60 MW

3x25 t/h

60 MW

240 t/h 240 t/h

VI. blokk V. blokk35 MW

IV. blokk

160 t/h

35 MW

160 t/h

III. blokk

Csúcskazánok

4. FHK98 MW

2. FHK98 MW

100 MW

1. FHK35 MW

3. FHK100 MW

Fűtési hőkiadás

Gőzkiadás

0

50

100

150

200

250

0 100 200 300 400

Villamos teljesítmény, MW


A E

B

CD

Üzemi tartomány

4–22. ábra. A Pécsi Erőmű egyszerűsített kapcsolása (a) (KAMARÁS)

és üzemi terhelési diagramja (b) (STRÓBL, 1993). A csúcsüzemű berendezések szürke színnel jelölve


5. GÁZ ÉS GÁZ-GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK Az elterjedt gőz munkaközegű erőművi blokkok mellett az utóbbi időben

számban a kombinált ciklusú blokkok létesítése került előtérbe. A komciklusú blokk alap hőerőgépétől függően

– gázturbinás és – gázmotoros egység különböztethető meg. Az alap hőerőgép termikus-mechanikai

átalakításának veszteséghőjét víz (vízgőz) hőhordozóval vagy körfolyamatban hasznosítják. Az alkalmazási tartományokat az 5–szemlélteti: a gázmotorok a szűkebb (0,5..25 MW), a gázturbinák (0,5..200 MW) mechanikai teljesítmény tartományban alkalmazhat0,5..25 MW mechanikai teljesítmény tartományban a gázmotorok hatásfokmint a gázturbináké. Ugyanakkor a gázmotorok veszteséghője a füstgáz mhűtővízben és a kenőolajban van, ezért a hőhasznosítás általábanvízmelegítésre fordítódik, azonban gázmotorok esetében is van lehkombinált ciklus kialakítására, azonban csak bizonyos korlátok közgázturbinák kilépő füstgázának hőárama vízmelegítés mellett gőzfejlesztfordítható.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

10 100 1000 10000 100000

GM

GT

Villamos hatásfok

Villamos teljesítmény, kW 5–1. ábra. Gázturbina és gázmotor alkalmazási területe

(GM: gázmotor, GT: gázturbina) (BERCSI, 1997)

5.F e j e z e t

, nagy binált

energia vízgőz

1. ábra széles

ók. A a jobb, ellett a csak etőség ött. A ésre is

GÁZ ÉS GÁZ-GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK

5.1. Gázturbinás hőszolgáltató blokkok A gázturbinás hőszolgáltató blokkok széleskörű elterjedését az anyagtudomány

bizstosította azáltal, hogy – a gázturbina lapátok nikkel bázisú szuperötvözetből készültek, – a gázturbina lapátokat kerámia-bevonattal látták el, mely kiegészült a lapátok hatékony hűtésével (ez a komprimált levegővel való

ún. filmhűtés). E három megoldás lehetővé tette az egyre nagyobb füstgázhőmérséklettel való tartós üzemelést. A gázturbinába lépő füstgáz hőmérséklete 800..850 °C-ról először 1000..1100, majd a későbbiekben 1200..1400 (1500) °C-ra növekedett. Ezen fejlesztések a gázturbinákat versenyképessé tették a gőzturbinákkal.

A gázturbinák esetében megkülönböztetünk – ipari gázturbinákat, melyek kialakításánál a cél a lehető leghosszabb

folyamatos üzemidő elérése, ennek következtében paramétereik mérsékeltek (füstgáz belépő hőmérséklet 1000..1400 (1500) °C, nyomásviszony 6..20 (30), kilépő füstgáz hőmérséklet 470..570 (620) °C, hatásfok 16..36 %);

– aeroderivatív (járműhajtó) gázturbinákat, ahol a cél a minél kisebb tömeg és a minél nagyobb teljesítmény elérése volt, ezért paramétereik nagyobbak, mint az ipari gázturbinákéi, azonban ez a karbantartás rovására történt (belépő hőmérséklet: 1100..1400 °C, nyomásviszony: 20..35; kilépő füstgázhőmérséklet: 400..450 °C, hatásfok: 24..42 %).

A nyílt ciklusú, általában egytengelyes kivitelű ipari és energetikai gázturbinák stabil földi üzemre, generátor hajtására létesülnek, ezért kialakításukban – az aeroderivatív (repülőgépet hajtó) gázturbinákhoz képest – a minél hosszabb karbantartási ciklus az irányadó a tömegük növelésével. A nyílt ciklusú gázturbinába lépő füstgáz hőmérsékletének a növelése és az ehhez a füstgáz hőmérséklethez tartozó optimális nyomásviszony (p1/p2=6..30) megválasztása a gázturbinás körfolyamat termikus hatásfokát 20..25 %-ról 35..45 %-ra javította.

A füstgáz munkaközeg nagyobb kilépő hőmérséklete gazdaságossá tette a kilépő füstgáz hőjének hasznosítását. A gázturbinás hőszolgáltató blokkok tovább csoportosíthatók a füstgázok hőtartalmának hasznosítási módja szerint: – gázturbinás fűtőblokkokról beszélünk, ha hőhasznosítás kizárólagos módja

víz vagy gőz hőhordozó formájában történő hőkiadás; – gáz-gőz fűtőerőművi blokkokról akkor beszélünk, amikor a gázturbinából

kilépő füstgáz hőjét gőzfejlesztésre fordítjuk, mely gőz azután egy (ellennyomású vagy kondenzációs) gőzkörfolyamatban munkát végez, valamint a gőz munkaközegű erőműveknél leírt módon hőszolgáltatás is történik.

5.1.1. NYÍLT CIKLUSÚ GÁZTURBINÁK A gáz-gőz hőszolgáltató blokkok esetében kizárólagosan nyílt ciklusú

gázturbinákat alkalmaznak. A gázturbinák teljesítményétől függően a szakma – ipari (PGT≤50 MWe) és



– erőművi (PGT>50 MWe) gázturbinákat különböztet meg. A nyitott körfolyamatban (5–2. ábra) a

kompresszor (K) környezeti állapotú levegőt szív be, majd azt a megfelelő nyomásra komprimálja. Az égőtérben (É) a komprimált levegőben nagy légfelesleggel (a légfelesleg tényező λ>4) ég el a tüzelőanyag, majd a 6..30 bar nyomású, igen nagy hőmérsékletű (1000..1400 °C) füstgáz a gázturbinában (T) közel a környezeti nyomásig expandál. A gázturbinába lépő füstgáz adott t1 maximális hőmérsékleténél a nyomásviszonynak (p1/p2) optimuma van, s erre történik a gázturbina konstrukciós kialakítása. A gázturbinából kilépő, még mindig nagy hőmérsékletű (470..570 °C) füstgáz, amely hőhasznosítás nélkül a környezetbe távozik, ill. hőhasznosításnál elvileg a környezeti hőmérsékletig lehűthető.

A reverzibilis nyitott gázturbinás körfolyamatot a T diagramban a 30-40-1-20, a valós körfolyamatot pedig a 30-3-4-1-2 pontok mutatják. A levegő komprimálása a 3-4 pont között a kompresszorban, a tüzelőanyag égése a 4-1 pont között az égőtérben, míg a füstgáz expanziója az 1-2 pont között a gázturbinában történik. A valós körfolyamat termikus-mechanikai energia átalakításának irreverzibilitásai:

S−

– nyomáscsökkenés a légköri levegő kompresszorba való belépésénél , ezért a levegő komprimálása a légkörinél (p( 30K ppp −=∆ ) 0) alacsonyabb

(p3) nyomásról indul; – a komprimálás irreverzibilitásaiból adódó veszteségek, melyet a

kompresszor hatásfoka fejez ki

34

340K hh

hh−−

=η ; (5.1)

– nyomáscsökkenés az égőtérben (∆pÉ=p4–p1), ezért az égőtérbe lépő komprimált levegő (p4) és tüzelőanyag (pü) nyomása nagyobb a kilépő füstgázénál (p1);

– az expanzió irreverzibilitásaiból adódó veszteségek, melyet a turbina hatásfoka fejez ki

201

21T hh

hh−−

=η ; (5.2)

– nyomásnövekedés a füstgáz gázturbinából való kilépésénél (∆pT=p2–p0), ezért a füstgáz expanziója a légkörinél (p0) nagyobb (p2) nyomáson fejeződik be.

A kompesszor mechanikai teljesítménye

K

3403343K1)()(

ηhhmhhmP −=−= , (5.3)

ahol m a kompresszorba lépő levegő tömegárama. l3 m≡



A turbina mechanikai teljesítménye

T2011211T )()( ηhhmhhmP −=−= , (5.4)

ahol ü3fg1 mmmm +== a turbinába lépő füstgáz (a levegő és a tüzelőanyag keverékének) tömegárama.

A gázturbinás blokk villamos teljesítménye ( ) TrGmGTKTGT ηηηPPP −= , (5.5)

ahol ηmGT a gázturbina (kompesszor és turbina együtt) forgásának súrlódásából adódó mennyiségi veszteséget kifejező hatásfoka, ηG a generátor, ηTr a transzformátor hatásfoka.

A gázturbina égőterébe a tüzelőanyaggal bevitt hőáram

( )mÉ

üü4311üüü1)(

ηhmhmhmHmQ +−== , (5.6)

ahol Hü a tüzelőanyag fűtőértéke, hü a tüzelőanyag fajlagos entalpiája ηmÉ az égőtér hőveszteségét kifejező mennyiségi hatásfok.

A gázturbinás blokk villamos energia előállításának hatásfoka

( )[ ]

mÉüü4311

TrGmGTK

3403T2011

ü

GTGT 1

1)()(

η

ηηηη

ηη

hmhmhm

hhmhhm

QP

+−

−−−

== . (5.7)

A korszerű gázturbinák hatásfoka a teljesítményüktől függően ηGT=0,25..0,33, ahol a nagyobb hatásfokok az erőművi gázturbinákat jellemzik. A 10..20 fokozatú centrifugális kompresszorok hatásfoka ηK=0,80..0,84, a 3..4 fokozatú gázturbinák hatásfoka ηT=0,82..0,86, míg a mennyiségi veszteségeket kifejező hatásfokok rendre: ηmGT=0,98..0,99, ηG=0,985..0,99, ηTr=0,99..0,995, ηmÉ=0,995.



hőcserélő

4

2 (2T)

1

3

2HHHQ

üQ

GTP

vtet

K T

É

T p = áll.

p = áll.0

11

3

2040

nyomáscsökkenés a hőközlés során

nyomáscsökkenés a levegő beszívás során

a turbina belsőirrevezibilitásai

irrevezibilitásai

p3

4

p4

p222T

2H

nyomásnövekedés a kilépés/hőhasznosítás miatt

Tüzelőanyag

hasznosított hő

a kompresszor belső

1T

2T

S0S 1SHHQ

K

É

T

K0K

11 P

−

η

K0PKP

( ) ümÉ1 Qη−

T0P( ) T0T1 Pη−

TP

netT,P

( ) netT,TrG1 Pηη−

2Q

GTP

HHQ

2HQ

üQ

5–2. ábra. Nyílt ciklusú gázturbina kapcsolása, diagramja és energiafolyam ábrája ST −



A gázturbinák teljesítménye érzékeny a levegő hőmérsékletére, ezért névleges teljesítményüket tl=+15 °C levegő hőmérsékletre adják meg. A gázturbinák üzemviteli karakterisztikájához tartozik

– PGT=f(tl), amely a levegő hőmérséklet csökkenésével általában nő, – ηGT=f(PGT), s a hatásfok maximális értéke általában a névleges

teljesítményhez tartozik, – PGT=PGTmax..PGTmin, amely a korábbi gázturbináknál viszonylag szűk

[PGT=(0,75..1,1)PGTn], az újabb gázturbináknál azonban már szélesebb üzemi tartományt [PGT=(0,35..1,1)PGTn] ölel fel.

Az ipari és energetikai gázturbinák tüzelőanyaga általában földgáz (a jó minőségű kőolaj termékek (pl. kerozin) is megfelelnek, de túlságosan drágák), az alapüzemű gázturbináknál jobb minőségű fűtőolaj rövid időtartamú kiegészítő tüzelésével. A gázturbinák a nagy füstgáz hőmérsékletek miatt érzékenyebbek a karbantartásra, mint a gőzturbinák. A gyártók előírása szerint tízezer egyenértékű (az indításokat és leállásokat súlyozottan figyelembe vevő) üzemóránként a kompresszor és a turbina lapátok bevonatainak valamint az égőtér kerámialapjainak ellenőrzése, negyvenezer egyenértékű üzemóra után az alaposabb ellenőrzés mellett szükség esetén lapátbevonat felújítás, az égőtérben kerámialap cserék. Az ellenőrzésekkel és a felújításokkal együtt a gázturbinák garantált élettartama 120..150 ezer egyenértékű üzemóra (kb. 15 év), s alapüzemű gázturbinák élettartama hoszabb, mint a csúcsüzeműeké.

5.1.2. HŐHASZNOSÍTÓ HŐCSERÉLŐK A gázturbinás körfolyamat termodinamikailag mechanikai energiává át nem

alakítható hőárama

)( 012120 ssTmQ −= , (5.8)

ahol ,)()(

011

20112 ssm

hhmT

−−

= a körfolyamat – a légköri nyomás (p0≈1 bar) által

meghatározott – hőelvonásának termodinamikai átlaghőmérséklete; és a hő-mechanikai energiaátalakítás „tökéletlensége” miatti hőárama

(5.9) ),,,,( TTÉKK2 pppfQ ∆∆∆=∆ ηη

együttesen

)()( 02fgfg02fg2202 ttcmhhmQQQ p −=−=∆+= (5.10)

a füstgázzal veszteséghőáramként a környezetbe távozik, ahol h0 a környezeti levegő fajlagos entalpiája, t0 pedig hőmérséklete, fgpc a füstgáz átlagos izobár fajhője a t2–t0 hőmérséklettartományban. A körfolyamatból kilépő füstgáz 500..620 °C-os hőmérséklete indokolja ennek hőáramnak a hasznosítását. A hőhasznosító hőcserélőben a füstgáz lehűl, miközben hőjét átadja eddig víz (újabban – meghatározott ipari technológiáknál (pl. olajtartály fűtés, vulkanizálás) – thermoolaj) felmelegítésére. Ezáltal a hőhasznosítóban a gázturbinából kilépő füstgáz hőáramának egy része hasznosul, pl. forróvizes távhőrendszerben



)()( vefHH2H2fgfg2HH ttcmQttcmQ pp −==−=η , (5.11)

ahol a hőhasznosító hőteljesítménye, a hőhasznosítás hatásfoka.

HHQ 2HHHH /QQ=η

A hőhasznosító hőcserélő hőteljesítménye

, (5.12) lnhőhordozófüstgázHH tkAQQQ ∆=∆=∆=

ahol k a füstgáz és a hőhordozó közti hőátviteli tényező, A a hőhasznosító hőcserélő felülete, ∆tln a hőátvitel hajtóereje, a logaritmikus hőmérséklet-különbség. E három tényező közül meghatározó a hőátviteli tényező értékének megfelelő megválasztása. A hőátviteli tényező értékét alapvetően a füstgáz oldali hőátadási tényező határozza meg (k≈αfg). Az átvihető hőáram növelése érdekében fokozni kell a füstgázoldali hőátadás intenzitását, ami az áramlási sebesség növelésével tehető meg. Az áramlási sebességnek azonban határt szab a hőhasznosító füstgázoldali nyomásesése ( )2

fg~ wp∆ , ami nem lehet nagyobb 0,03..0,05 bar-nál, mert megnő a gázturbinából kilépő füstgáz nyomása (p2T), s ezáltal csökken a gázturbina mechanikai teljesítménye. Ennek megfelelően a füstgáz átlagos áramlási sebességét úgy választják meg, hogy a füstgázoldali hőátadási tényező αfg≈101..102 W/(m2·K) nagyságrendű legyen.

Az 5–3. ábra a hőhasznosító hőcserélő közegáramait és t–Q diagramját szemlélteti. A hőhasznosítóban a lehűlő füstgáz és a felmelegedő közeg áramlását kizárólagosan ellenáramban szervezik. Ha a hőhasznosítóban leggyakrabban használt vizet a lehűlő füstgázzal fázisváltozás nélkül melegítjük fel, akkor a csövekben áramló víz hőátadási tényezője αvíz≈103 W/(m2·K) nagyságrendű. Ha a vizet telítési hőmérsékletre melegítjük, elgőzölögtetjük majd túlhevítjük (leggyakoribb megoldás, ezért nevezik hőhasznosító kazánnak), akkor a hőhasznosító kazánban három felületszakasz különböztethető meg:

– vízhevítő (tápvízelőmelegítő) (VH) αvíz≈103 W/(m2·K) nagyságrenddel, – elgőzölögtető (E) αforrás≈104 W/(m2·K) nagyságrenddel, – gőztúlhevítő (TH) αgőz≈102 W/(m2·K) nagyságrenddel. Azokon a felületszakaszokon, ahol a füstgázoldali hőátadási tényező

nagyságrenddel kisebb, mint a vízgőzoldali, ott a hőátadó felületet kell növelni füstgázoldalról különböző bordázattal. Ezért bordázottak a tápvízelőmelegítő és elgőzölögtető felület csövei kívülről, miközben a gőztúlhevítő csövei esetében a bordázás elmaradhat.

Több hőhasznosító kazánban póttüzelést is alkalmaznak. A póttüzelés megnöveli a hőhasznosító felületekhez érkező füstgáz átlagos hőmérsékletét

fgfg

üp2p

pcmQ

tt∆

+≅ , (5.13)

s erről a hőmérsékletről indul a füstgáz lehűlése.



t

.QHH

t2

t2H

lehűlő füstgáz

Q.

t∆

minimálishőfokrés

(TH) (E) (VH)

t2p

.Qüp

te

tv

pinch-point

Füstgáz2T

2H

2 (2p)te

tv

.Qüp

.QHH

5–3. ábra. A hőhasznosító hőcserélő közegáramai és hőmérséklet-hőteljesítmény diagramja

A hőhasznosító hőcserélő tehát lehetővé teszi a füstgázzal távozó veszteséghő nagyobb részének hasznosítását, miközben a gázturbinás blokk villamos teljesítménye kismértékben csökken

( ) TrGmGT3432T11KTFE )()( ηηηhhmhhmPPP −−−=−= ,

mert a hőhasznosítóban áramló füstgáz nyomásesése miatt p2T>p2, ezért h2T>h2, így (h1-h2T)<(h1-h2), miközben a kompresszor teljesítménye és a hatásfokok gyakorlatilag változatlanok maradnak.

5.1.3. GÁZTURBINÁS FŰTŐBLOKKOK A gázturbinából kilépő füstgáz hőjét csak hőként, hőhordozóval hasznosítjuk. A

hőhordozó fázisváltozásától függően – forróvíz (vagy thermoolaj) hőhasznosító hőcserélő és – gőz hőhasznosító kazán különböztethető meg (5–4. ábra). Forróvizes távhőrendszerekbe a forróvízkazánok mellé (helyett) a hőhasznosító

hőcserélő beilleszthető. Alkalmazásának indokoltsága nagyobb arányú forróvizes hőigénynél van. A hőhasznosító hőcserélő felülete kisebb, mint a gőzkazáné, mert az alacsonyabb te/tv hőmérséklet miatt nagyobb a hőátvitel logaritmikus hőmérsékletkülönbsége. Ilyen gázturbinás fűtőblokkok üzemelnek például Finnországban.

Ipari erőműveknél, kazántelepeknél, ahol meghatározó jelentőségű a gőzigény, a gőzkazánok mellé létesíthető hőhasznosító gőzkazán. A gőz nyomását és hőmérsékletét a fogyasztó nyomása és hőmérséklete valamint a távvezeték nyomásesése, hővesztesége határozza meg. A hőhasznosító kazán kapcsolásához tartozik a gáztalanítós táptartály, amelynek fűtése vagy a kiadott gőzből, vagy az elgőzölögtető dobból elvett telített gőz redukálásával történik, mert a gáztalanítós táptartály nyomása általában 1,1..1,2 bar, így a hőhasznosító kazánba lépő tápvíz hőmérséklete 103..105 °C.



5.1.4. GÁZ-GŐZ FŰTŐERŐMŰVI BLOKKOK A hőhasznosító kazánban fejlesztett gőz a fűtőgőzturbina munkaközegeként

villamos energiát fejleszt, míg a gőzturbina megcsapolásai hőkiadásra szolgálnak. Az 5–5. ábra a nyílt ciklusú gázturbinás és az ellennyomású gőzkörfolyamat kombinációjának elvi kapcsolását, T diagramját, a hőhasznosító kazán t–Q diagramját és a kombinált fűtőblokk energiafolyam ábráját szemlélteti. A gőzkörfolyamat hőhasznosító kazán póttüzelése nélküli kezdőhőmérsékletét (t

S−

1) a gázturbinából kilépő füstgáz hőmérséklete (t2) és a hőátadáshoz szükséges minimális hőmérsékletkülönbség (∆t) együttesen szabja meg. A kezdőnyomás (p1) értékét a hőhasznosítóba belépő tápvíz hőmérséklete (t3), a hőátvitelhez szükséges minimális hőmérséklet-különbség (∆t) és a hőhasznosítóból kilépő gáz hőmérséklete (t2H) határozza meg. A távozó füstgázt a kezdőnyomás csökkentése nélkül is jobban lehűthetjük, ha az 5–6. ábra szerint a gőzfejlesztő felületek után még egy forróvízmelegítőt (FVE) is kapcsolunk, melyben a visszatérő fűtési forróvizet tv-ről t -ra melegítjük fel. *

v

hőcserélő

4

2

1

3fűtési

2H

HHQ

ÜQ

GTP

vt

et

a.,

FHK

forróvíz(thermoolaj)

4

2

1

3

2H

HHQ

ÜQ

GTP

kondenzgyűjtőés tisztító

GTT

gőzös hőkiadás

b.,

5–4. ábra. Forróvizes (a) és gőzös hőkiadású (b) gázturbinás fűtőblokk kapcsolása



HHQ

üQ

GTP

vt

et

Hőhasznosítókazán

TP

ellQ

3

4 1

2

2H

1

3

FH2 FH1

ell

ell'

t

.QHH

t2

t2H

Q.

t3

t1

t"1 t'1

T 1

3

4 2

2H

gázkörfolyamat1

1"1'

ellell'3

gőz-körfolyamat

S

üQ

GT0PGTP

GT0TrGmGT )1( Pηηη−

HHQ

ümÉ )1( Qη− füstgázQ

ellQ

TPT0P

T0TrGmT )1( Pηηη−

Gőzkörfolyamat

2Q

5–5. ábra. Nyílt ciklusú gázturbinás és ellennyomású gőzkörfolyamat kombinációjának elvi

kapcsolása, T diagramja, a hőhasznosító kazán hőmérséklet-hőteljesítmény diagramja és a kombinált fűtőblokk energiafolyam ábrája

S−



HHQ

üQ

GTP

vt

et

Hőhasznosítókazán

TP

ellQ

3

4 1

2

2H

1

3

FH2 FH1*vt

FVEQ

t

Q.

QHH

t2

t2H

.TH E VH

t3

t1

FVE

*vt

vt

5–6. ábra. Nyílt ciklusú gázturbinás és ellennyomású gőzkörfolyamat kombinációjának elvi

kapcsolása a hőhasznosítóban forróvízmelegítővel és a hőhasznosító kazán hőmérséklet-hőteljesítmény diagramja

A gáz-gőz fűtőerőművi blokkoknál a gőzkörfolyamat kezdőjellemzői alacsonyabbak, mint a konvencionális gőzerőművi blokkoknál. Konvencionális gőzkörfolyamatnál az alapvető feladat – adott gőz kezdőjellemzőknél – a hőközlés termodinamikai átlaghőmérsékletének növelése, a minél nagyobb körfolyamat hatásfok érdekében. Ezt alapvetően a kazánba lépő tápvíz minél nagyobb hőmérséklete, azaz a többfokozatú megcsapolásos tápvízelőmelegítés biztosítja. Kombinált erőművi blokkoknál viszont az alapvető feladat a gázturbinából kilépő



füstgáz veszteséghőáramának minél nagyobb mértékű hasznosítása, a hőhasznosítóból kilépő füstgáz minél kisebb hőmérsékletével. Ez viszont a hőhasznosítóba lépő tápvíz minél alacsonyabb hőmérsékletével biztosítható. Az 5–7. ábra a hőhasznosító kazán t– diagramját szemlélteti két esetben: a hőhasznosító kazánba lépő tápvíz hőmérséklete az egyik esetben t

Q

1 >

3, a másik esetben és t , azaz az egyik esetben nincs, míg a másik esetben van tápvízelőmelegítés. Tápvízelőmelegítés nélkül a gőz elérhető nyomása nagyobb, mint tápvízelőmelegítéssel, azaz , s a gőzkörfolyamat szempontjából meghatározó – az adottságokhoz képest (t

*3t

*33 t<

*1pp2, t2H és t3, ∆t) – a minél nagyobb kezdő

nyomás elérése. A gázturbinából kilépő füstgáz 500..550 °C-os hőmérséklet intervallumában a hőhasznosító kazánban elérhető maximális kezdő nyomás – póttüzelés nélkül – 40..50 bar. Ezért a gőz munkaközegű fűtőturbinák egyszerű kivitelűek és elmarad a tápvízelőmelegítés a gáztalanítós táptartály fűtése kivételével.

t

Q.

QHH

t2

t2H

.t3

t1

t*3

p1

p*1

5–7. ábra. A hőhasznosító kazán hőmérséklet-hőteljesítmény diagramja a tápvíz két

belépő hőmérsékleténél Az ilyen módon megépített kombinált fűtőerőművi blokkok energetikai

szempontból kedvezőbbek, mint a gázturbinás fűtőblokkok. Az 5–5. és 5–6. ábrán bemutatott kombinációt igen sok régi fűtőgőzerőmű felújításakor alkalmazták, ahol is meghagyták a még üzemképes fűtőgőzturbinát és az elavult gőzkazán helyett egy gázturbinát telepítettek hőhasznosító kazánnal.

A lehűlő füstgázok hőjének minél jobb hasznosítása érdekében nem csak egy, hanem két, esetenként három nyomásszinten is fejlesztenek gőzt, melyet azután megfelelően kiképzett gőzturbinában hasznosítanak. Természetesen a gázturbina után kacsolt gőzkörfolyamat a korábban megismert módon lehet ellennyomású vagy kondenzációs kialakítású fűtőblokk is. A változó hőigények minél jobb kielégítése és a gőz kezdő jellemzők növelése érdekében a hőhasznosító kazánban póttüzelés is alkalmazható.



5.1.5. ENERGETIKAI JELLEMZŐK A gáz-gőz fűtőerőművi blokkok energetikai hatékonyságának jellemzésére

egyrészt – az ellennyomású fűtőblokk energiafejlesztésének hatásfokával azonos módon – az ún. bruttó hatásfok szolgál

üFE

FEFEFE Q

QP +=η , (5.14)

amely a fűtő- és fűtőerőművi blokk által kiadott villamos és hőteljesítmény (energiák) összegeinek és a bevitt összes tüzelőanyag hőáramának a hányadosa, azaz gázturbinás fűtőblokkoknál

HHGTGTü

HHGTFE )1( ηηηη −+=

+=

QQP , (5.15)

ill. a gázturbinás fűtőerőművi blokkoknál

)(

)(

üpü

FVEellTGTFE QQ

QQPP+

+++=η . (5.16)

A hőhasznosítás mértékétől függően ηbr=0,6..0,9 között változhat, s a kisebb értékek inkább a gázturbinás fűtőblokkokra, míg a nagyobb értékek a gázturbinás fűtőerőművi blokkokra vonatkoznak. Másrészt – a gőzerőművi fűtőblokkokhoz hasonlóan – a fajlagos villamos energia mennyiségét használják, amely

FE

FEG/G Q

P=σ (5.17)

a fűtő- vagy fűtőerőművi blokknál fejlesztett összes villamos és hő- teljesítményének (energiáknak) a hányadosa, amely gázturbinás fűtőblokkoknál

( ) HHGT

GT

HH

GTG/G 1 ηη

ησ

−==

QP , (5.18)

ill. a gázturbinás fűtőerőművi blokkoknál

)( FVEell

TGTG/G QQ

PP+

+=σ , (5.19)

ahol PT a gőzturbina villamos teljesítménye. A hő- és a villamos teljesítmény (energia) arányától függően σG/G=0,6..1,5 között változhat, s a kisebb értékek inkább a gázturbinás fűtőblokkokra, míg a nagyobb értékek a gázturbinás fűtőerőművi blokkokra vonatkoznak. σG/G értéke tehát – a gőzerőművi fűtőblokkoktól eltérően – egynél nagyobb is lehet (nagyobb arányú villamosenergia-fejlesztés a hőhöz képest).

5.1.6. A GÁZ-GŐZ FŰTŐERŐMŰVEK SZABÁLYOZÁSA A hőszolgáltató kombinált blokkoknál a gázturbina és a hőhasznosító vagy a

hőhasznosító kazán és a gőzturbina között merev a kapcsolat, azaz a blokk a gázturbina nélkül nem üzemelhet. A merev kapcsolat oldható a hőhasznosító kazán füstgázoldali megkerülésével (5–8. ábra), így a gázturbina külön,



villamosenergia fejlesztésre, hőhasznosítás nélkül is üzemeltethető. A hőhasznosító kombinált blokkok üzemét azonban alapvetően a hőigény határozza meg.

GTG

Megkerülő vezeték

Vízbefecskendezés

Lapátelállítás

Tüzelőanyag-áram csökkentés

Egyes felületek kiiktatása

5–8. ábra. Gázturbina és hőhasznosító kazán szabályozási lehetőségei

A hőigény időbeli változásának követésére elvileg a következő lehetőségek kínálkoznak:

– A gázturbina teljesítményének szabályozása: részterheléseknél előbb lapátállítás (levegőáram csökkentés) a kompresszorban, majd tüzelőanyagáram csökkentés az égőtérben. A legtöbb gázturbinánál a teljesítmény szabályozásának lehetősége viszonylag szűk, ezért csak kismértékben alkalmazható módszer.

– A hőhasznosító hőcserélőn áthaladó füstgázáram szabályozása a megkerülő vezetékben levő szelep állításával. Elvileg megfelelő lehetőség, de számos kombinált blokknál a megkerülő vezeték nem épül meg.

– A kombinált blokk hőteljesítményének megválasztása úgy, hogy tartós hőigényre méretezik, s az ennél nagyobb hőigényeket más hőforrásokkal elégítik ki (lásd: 9.4. alfejezet).

További szabályozási lehetőséget jelent egyes felületek kiiktatása a hőhasznosító kazánban, valamint a fejlesztett gőz hőmérsékletének vízbefecskendezéses szabályozása. A kombinált blokkok üzemvitelénél általában e szabályozási lehetőségek kombinációját alkalmazzák kiegészítve a gőzerőművi gyűjtősínes kapcsolások adta lehetőségekkel.



5.1.7. MEGVALÓSÍTÁSI PÉLDÁK Az 5–9. ábra a gázturbinás fűtőblokk megvalósítására mutat példát. Ebben az

esetben a gázturbina forróvízkazánokkal és hőtárolóval együttműködve elégíti ki az igényeket.

130 MW

G

Füstgázhőcserélő

70 MW

115 °C

Városfűtés

50 °C

csúcskazánokFöldgáztüzelésű

3x16 MW

Gázturbina

KSZ

Hőtároló10000 m 3

95 °C

50 °C

nyomástartás

5–9. ábra. Kouvola-i (Finnország) gázturbinás fűtőerőmű (LINDHOLM)

Az 5–10. ábrán a Schwarza-i ipari erőmű példáján keresztül mutatjuk be a gőz és gáz-gőz kombinált ciklusú blokkok együttműködését. Látható, hogy a gőzös alapváltozat esetében (tiszta ellennyomású blokk) a kiadható villamos és hőteljesítmény egymással szoros kapcsolatban áll. Az egyik megváltozása kényszerűen maga után vonja a másik megváltozását is. A közbekapcsolt gőzkazánnal együttműködő kombinált ciklusú blokk esetében már – bizonyos mértékig – függetleníthető egymástól a hő és a villamosenergia-szolgáltatás. Ebben az esetben lényegesen nagyobb hő- és villamos teljesítmények érhetők el, mint a tisztán kombinált ciklusú esetben.

Az 5–11. ábrán látható drezdai „Nossener Brücke” kombinált ciklusú városi fűtőerőműben kétfokozatú póttüzelés segítségével oldották meg a hő és villamosenergia igények rugalmas követését. A póttüzelés első fokozata (P1) a gőzkörfolyamat megfelelő mennyiségű és minőségű gőzzel való ellátását szolgálja, míg a második fokozat (P2) a fűtési forróvíz melegítést hivatott ellátni. Ez a fűtőerőmű egyaránt ellát városfűtési célokat 150/70 °C-os távhőrendszeren keresztül, valamint technológiai gőzigényeket (GF) is kielégít a 20 bar-os gőzrendszerén át.



G

G

Gőzös alapváltozat

G

Kombinált ciklusú blokk közékapcsoltgőzkazánnal

G

G

Kombinált ciklusú blokk

Hőfogyasztó

min

min

max

max

P

Q.

P

Q.

üzemi tart.

min

min

max

max

P

Q.

üzemi tart.

min

min

max

max

5–10. ábra. Schwarza ipari erőmű lehetséges bővítései és villamos teljesítmény-hőteljesítmény (gőz tömegáram) diagramjai (CZINKÓCZKY)

A Dunamenti Erőmű (DE) a Dunai Finomítónak (DUFI) 17 bar nyomáson, maximálisan 460 MW, minimálisan 150 MW teljesítményű ipari gőzellátást biztosít állandó üzemmel. Ezt a feladatot régebben egy más erőműrész, valamint egyes blokkok megcsapolásai biztosították. A gázturbinás bővítés után a változó hőigényeket egy kombinált ciklusú erőműblokkal elégítik ki, ahol a felesleges gőzt egy kondenzációs turbinában dolgozzák fel. Ennek az erőműblokknak a kapcsolását, valamint a hőhasznosító kazán hőmérséklet-hőteljesítmény diagramját mutatja az 5–12. ábra egynyomású gőzfejlesztésnél. A Dunamenti G1 blokk főbb jellemzői: villamos teljesítmény: 205 MWe egyidejű 10,3 MWt hőkiadásnál; a bevitt tüzelőhő: 445,1 MW.

Mint azt már korábban láttuk nem csak egy, hanem két (egyes esetekben három) nyomásszinten is lehetséges gőzfejlesztés a gázturbina után kapcsolt hőhasznosító kazánban. A Dunamenti Erőműbe tervezett kétnyomású hőhasznosítóval ellátott, G2 jelű kombinált ciklusú blokk hőkapcsolását és hőmérséklet-hőteljesítmény diagramját mutatja az 5–13. ábra. Ennek a blokknak a G1 blokkal azonos feladatot (technológiai gőzszolgáltatás) kell ellátnia, de a füstgáz hőjének jobb hasznosítása érdekében két nyomásszinten történik gőzfejlesztés. A blokk főbb jellemzői: villamos teljesítmény: 219,6 MWe; tüzelőhő: 445,1 MW; hőkiadási: 10,3 MWt.



GG

P2P1

G

P2P1

G

P2P1

GF

80 bar/500 °C

20 bar

73 MW

80 MW

80 MW

80 MW

150 °C

100..130 °C

60..70 °C

GTT

40 MW

415 MW25 MW

5–11. ábra. A drezdai „Nossener Brücke” kombinált ciklusú hőszolgáltató erőmű kapcsolása GF:

gőzfogyasztó, GTT: gáztalanítós táptartály, P1: póttüzelés első fokozata, P2: póttüzelés második fokozata (CZINKÓCZKY)



G 143 MWGT

G 62 MW

9,1 kg/s

554 °C504 kg/s

15 °C495 kg/s

80 kg/s

0,047 bar

363,5 °C

208,5 °C

17 bar 310 °C

Technológiaigőzkiadás

205 MW

1,7 bar192 °C GTT

GTT-be

ST

114 °C

3,5 kg/s

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250

554

Hőmérséklet, °C


220

76

110114

363,5

208,5 (17 bar)

5–12. ábra. A Dunamenti Erőmű G1 blokkjának hőkapcsolása és hőmérséklet–hőteljesítmény

diagramja (egynyomású változat; GT: gázturbina, ST: gőzturbina, GTT: gáztalanítós táptartály) (ERŐTERV, 1989)



PGT=143 MW

kisnyomású gőz (17/310)

nagynyomású gőz (76 bar, 520 °C)

PT = 54,3 MW

554 °C504 kg/s

126 °C

PT= 22,3 MW

technológiai

pótvíz

gőzkiadás

17 bar

GTT

GT

ST1 ST2

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250

23618 49,2 69,7 95,2 191,2 193,760

100110

203

218,5

126,4

208

288303 293,2

208

350

520


Hőmérséklet, °C

5–13. ábra. A Dunamenti Erőmű G2 blokkjának hőkapcsolása és hőmérséklet–hőteljesítmény

diagramja (kétnyomású változat; GT: gázturbina, ST1, ST2: gőzturbina, GTT: gáztalanítós táptartály) (ERŐTERV, 1989)



G

65,9..85 MW920..980 °C

190 bar535 °C

39,3 bar535 °C

G

VÁROSFŰTÉS: 1 TJ/h (277 MW)

129 °C

67 °C0,02..0,03 bar

312..377,55 MW

GTT

GTK

LEGTE

NE

KE

Torlasztás

Távozófüstgáz160 °C

5–14. ábra. Wien-Simmering kombinált ciklusú kondenzációs fűtőerőmű (KE: kisnyomású

előmelegítők, GTT: gáztalanítós táptartály, NE: nagynyomású előmelegítők, K: kazán, LE: levegő előmelegítő, GTE: gázfűtésű tápvízelőmelegítő) (CZINKÓCZKY)

Gázturbina és gőzkazán egyik összekapcsolási lehetősége a gázturbina füstgáznak a gőzkazánba történő bevezetése. Ennél a megoldásnál, melyet az 5–14. ábra mutat, a gázturbina kilépő 500..580 °C hőmérsékletű és 15..16 % O2 tartalmú füstgázát előmelegített égési levegőként a kazán nyomólég ventillátorának meghagyásával (egyes esetekben kiiktatásával) új elosztó légszekrény közbeiktatásával vezetjük a kazán égőihez. E módszer alkalmazásának előfeltétele, hogy a kazán még jelentős maradék élettartammal rendelkezzen. Előnye, hogy megmaradhat a kazán eredeti tüzelőanyaga, ami egyes esetekben akár szén is lehet, bár ebben az esetben a megnövekvő füstgázsebesség miatt eróziós problémák léphetnek fel a fűtőfelületeken.

Az 5–15. ábra a Pegus-11 (Utrecht) kombinált fűtőerőművi blokk kapcsolását mutatja, ahol a gáz- és a gőzturbinák azonos tengelyen, leválasztható tengelykapcsolókkal üzemelnek (az ábrán csak a gőzturbinánál ábrázolva). Ezzel az aszimmetrikus ikeráramlású fűtőgőzturbinát úgy fejlesztették tovább, hogy az öblítő gőz veszteség is megszűnt. Ezt egyrészt a generátor elhelyezése (közép- és kisnyomású turbinaház között), másrészt a turbina és a generátor kettős tengelykapcsolója teszi lehetővé. Ellennyomású (hőkiadású) üzemmódban a kisnyomású átömlő vezetékben levő csappantyú zárva van és a kisnyomású házat a generátorról a kettős tengelykapcsoló lekapcsolja, így a gőzturbina kisnyomású ház és kondenzátor nélkül üzemel. Kondenzációs üzemmódban a fűtés szünetel



(nincs gőzelvétel fűtésre), a csappantyú nyitva van és a kisnyomású ház is forgatja a generátort a saját tengelykapcsolóján keresztül. A gőzkörfolyamat hőforrása a gázturbina hőhasznosító kazánja, amely lehetővé teszi a tápvíz kettős bevezetését: hőkiadásnál FH1 fűtési hőcserélőből, kondenzációs üzemmódban pedig a kondenzátorból.

Régi (városi) fűtőerőmű gázturbinával való feljavításának (angol kifejezéssel: repowering) egyik jellegzetes példája a Kelenföldi fűtőerőmű (5–16. ábra). A gázturbina hőhasznosító kazánja nem csak gőzfejlesztési feladatokat lát el, hanem részt vesz a fűtési forróvíz felmelegítésében is.

PGT=140 MW

kisnyomású gőz

nagynyomású gőz

FH1FH2 FH3 188 MW

tengelykapcsolók

PT=80 MW

fűtési hőkiadás

5–15. ábra. A Pegus-11 (Utrecht) kombinált fűtőblokkjának kapcsolása kettős tengelykapcsolóval

és ellennyomású-kondenzációs fűtőturbinával (GYARMATI)


GÁZ ÉS GÁZ-GŐZ MUNKAKÖZEGŰ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰVEK 40 bar; 410 °C

19 MW 5 MW 15 MW

c b a

15 MW

c b a

6 MW 6 MW

6 bar230 °C

15 bar300 °C

6x55 t/h

4x80 t/h 2x65 t/h

pótvíz

180/100 °C

Vízelőkészítés5x19,8

58MW

58MW

116MW

209MW

b

a

b

a

130/80 °C

64 MW 64 MW

c

MW

136 MW

Gőz-

75 MW

Fűtésihőcserélő

VH

E

TH

befecskendezés

5–16. ábra. A Kelenföldi Fűtőerőmű kapcsolása a gázturbinás bővítés után (RUDOLF)

5.2. Gázmotoros fűtőblokkok

5.2.1. ALKALMAZÁSI TERÜLETEK A kis és közepes távhőrendszerek gazdaságos és környezetbarát üzemeltetési

módjának egyik megvalósítási lehetősége a gázmotorokkal történő egyidejű hő és villamosenergia-szolgáltatás. E módszer alkalmazása nem csak helyi, hanem országos szinten is számottevő előnyökkel – primer energiahordozó megtakarítás és szennyezőanyag kibocsátás csökkentés – jár. A gázmotoros fűtőblokkok alkalmazási területe a kapcsolt energiafejlesztés azon területeit fedi le, melyeket nem lehet gazdaságosan kielégíteni fűtőerőműből, s ezek a következők:

– Alacsony hőmérsékletszinten történő fűtési hőfejlesztés az egyidejűleg biztosított villamosenergia-ellátás mellett, pl. fedettuszodák, sportlétesítmények, iskolák, kórházak, nagyobb lakónegyedek.

– A magas villamosenergia-árak – leginkább közepes méretű üzemeknél – jó lehetőséget teremtenek a gázmotoros fűtőblokkok létesítéséhez.

– Nagyobb ipari létesítmények esetében elsősorban a villamosenergia-ellátás az elsődleges az egyidejű hőhasznosítás mellett.

– A 2 MWe feletti teljesítményű gázmotorok különösen fűtőerőművi bővítéseknél alkalmazhatók, ha ez együtt jár a fűtőerőműhöz tartozó körzet villamosenergia-önellátásának kiépítésével (Magyarországon ez a módszer szervezeti hiányosságok miatt még nem valósítható meg).

– A forróvizes távhőrendszerek néhány MWt teljesítményű, egész éves üzemű használati melegvíz hőigényének kielégítése gázmotoros fűtőblokkal.



– A gázmotoros fűtőblokkok létesítése szennyvíztisztító-biogáz és szemétlerakó depóniagáz (ezeket részletesebben lásd a 6. fejezetben) hasznosítására mindinkább előtérbe kerülő kérdés. Ennek oka egyrészt a tüzelőanyag lényegében ingyenes rendelkezésre állása, másrészt az elfáklyázás túlzottan nagy károsanyag kibocsátása. A rothasztótornyok fűtése valamint az iszap és az elfolyó szennyvíz kezelése állandó hőterhelést biztosít.

– A viszonylag alacsony hőmérsékletszinten rendelkezésre álló termálvizek gázmotor – és esetenként hőszivattyú – alkalmazásával felhasználhatóvá tehetők fűtési célokra.

5.2.2. A GÁZMOTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS ÜZEME Az energiaátalakító berendezés tényleges megvalósítása alapján gázmotorok

esetében alkalmazhatunk – szikragyújtású (OTTO-motor) elven működő berendezést az alsó teljesítmény

tartományban (13..5500 kWe); – kompressziós gyújtású (DIESEL-motor) elven működő gázmotorokat a közepes

(600..15800 kWe) és valódi DIESEL-motorokat (gázolajjal üzemelő) a nagyobb (2300..250000 kWe) teljesítmény tartományban.

A valóságos körfolyamatokat p–V diagramban az 5–17. ábra mutatja. Az egyes munkaütemek motoronként a következők: a→b (I. ütem): üzemanyag-levegő keverék beszívása, b→c (II. ütem): a keverék sűrítése, c: gyújtás, c→d: a keverék robbanásszerű égése közel állandó térfogaton, d→e (III. ütem): az égéstermék expanziója, e: kipufogószelep nyitása, e→f: kipufogás állandó térfogat mellet, f→a (IV. ütem): az égéstermék kitolása a munkatérből.

a→b (I. ütem): a friss levegő beszívása,b→c (II. ütem): a beszívott levegő komprimálása, c→d (III. ütem): az üzemanyag folyamatos befecskendezése és égése közel állandó nyomáson, d→e: az égéstermék expanziója, e: kipufogószelep nyitása, e→f: kipufogás állandó térfogat mellet,f→a (IV. ütem): az égéstermék kitolása a munkatérből.

A számításokhoz ún. helyettesítő körfolyamatokat alkalmazunk, melyek egyszerű állapotváltozások sorozatából épülnek fel és bizonyos egyszerűsítéseket és elhanyagolásokat – esetünkben a beszívás és az égéstermék kitolása – alkalmaznak. A két motor helyettesítő körfolyamatát T–s diagramban az 5–18. ábra mutatja.

A két motor helyettesítő körfolyamata a következő ütemekből áll: Szikragyújtású: 1→2: adiabatikus kompresszió, 2→3: hőközlés állandó térfogat mellett, 3→4: adiabatikus expanzió, 4→1: hőelvonás állandó térfogat mellet.

Kompressziós gyújtású: 1→2: adiabatikus kompresszió, 2→3: hőközlés állandó nyomás mellett, 3→4: adiabatikus expanzió, 4→1: hőelvonás állandó térfogat mellet.



a.,

abf

e

c

d

V

p

p0

Vmin Vmax

levegő+üzemanyag

füstgáz

gyújtógyertya

b.,

a b

c d

e

f

Vmin Vmax V

p

levegő

füstgáz

üzemanyag befecskendezés

5–17. ábra. A szikragyújtású (a) és a kompressziós gyújtású (b) motor valóságos körfolyamata p–V diagramban

a.,

s

T

qbe

qel

v = áll.p = áll.

v = áll.

p = áll.1

2min

max

1

2

3

4

w

b.,

s

T

qbe

qel

v = áll.p = áll.

v = áll.

p = áll.1

2min

max

1

2

3

4w

5–18. ábra. A szikragyújtású (a) és a kompressziós gyújtású (b) motor helyettesítő körfolyamatának T–s diagrambeli képe

A körfolyamatok jellemzőinek számítását a következő összefüggésekkel végezhetjük el:

Szikragyújtású: Mivel sem a hőközlés, sem a hőelvonás

során nincs munkavégzés, továbbá mindkettő állandó térfogaton következik be, ezért

( 23Vbe TTcq −= ))

, (5.20)

( 14Vel TTcq −= . (5.21)

Mivel az expanzió és a kompresszió adiabatikus és reverzibilis továbbá

Kompressziós gyújtású: Mivel a hőközlés izobár folyamat,

ezért ( )23p23be TTchhq −=−= , (5.26)

és a hőelvonás izochor, ezért ( )14Vel TTcq −= . (5.27)

Mivel az expanzió és a kompresszió adiabatikus és reverzibilis, továbbá



adiabatikus és reverzibilis, továbbá és v , így írható, hogy v v2 = 3 1v4 =

TT

vv

TT

vv

1

2

2

1

14

3

3

4

1

=

= =

− −κ κ

. (5.22)

A körfolyamat termikus hatásfoka

ηTh,Obe

be el

be= =

−wq

q qq

. (5.23)

Vezessük be az

rVV

vvV = =max

min

1

2 (5.24)

ún. kompresszióviszonyt, mellyel a termikus hatásfok

η κTh,OV

= − −11

1r (5.25)

alakban írható fel.

v v2 3= és v v4 1= , így írható, hogy

TT

vv

TT

vv

1

2

2

1

14

3

3

4

1

=

= =

− −κ κ

. (5.28)

A körfolyamat termikus hatásfoka

ηTh,Dbe

be el

be= =

−wq

q qq

. (5.29)

Vezessük be a

rvvV,e = 3

2 (5.30)

ún. előzetes expanzióviszonyt, mely azt mutatja meg, hogy az izobár égés alatt a munkaközeg térfogata hányszorosára növekszik.

Így a DIESEL-körfolyamat termikus hatásfoka

( )ηκκ

κ

Th,DV

V,e

V,e= −

−

−

−1

1 1

11r

r

r. (5.31)

A gázmotor mechanikai teljesítménye ( elbe11GM qqmwmP − )== . (5.32)

A füstgázzal távozó, hasznosítható hő

. (5.33) el1GMfg, qmQ =

Mivel a valóságban sem a kompresszió, sem az expanzió nem adiabatikus, továbbá gondoskodni kell a motor optimális hőmérsékletéről, ezért további hasznosítható hőként megjelenik a hűtővíz hőtartalma. A megfelelő kenés biztosításához a kenőolaj hőmérsékletét is szabályozott értéken kell tartani, így annak hőtartalma is hasznosítható.

A továbbiakban vizsgáljuk az 5–19. ábrán feltüntetett TBG 620 típusú gázmotoros blokkfűtőerőmű felépítését és működését. Ahogy az a kapcsolási vázlatból is látható a berendezés a tüzelőanyaggal bevitt energia igen nagy részét képes hasznosítani. Egyrészt villamos energiát szolgáltat 34 % körüli hatásfokkal, ami megközelíti a korszerű kondenzációs erőművek hatásfokát, másrészt hasznosítja a motor hűtővizének, kenőolajának és a távozó kipufogógáznak a hőtartalmát, melyet energiafolyam-diagramként az 5–20. ábra szemléltet. Az energiagazdálkodási mutató ( )σ értéke 0,6..1,1 között változhat (a nagyobb érték a nagyobb teljesítményű gépekre vonatkozik). Amennyiben csak a villamos energia oldaláról vizsgálnánk a gázmotort, akkor is versenyképes lehet kisteljesítményű gázturbinás hőerőművel. Az energetikai berendezések megítélésének egyik alappillére a környezetre gyakorolt hatás. E hatások közül a leglényegesebb a kibocsátott szennyezőanyagok mennyisége. Az üzemanyagok



elégetése során keletkező nitrogén-oxidok, szén-monoxid és elégetlen szénhidrogének mennyiségének csökkentésére többféle módszer is rendelkezésre áll:

– Sztöchiometrikus keverék és háromutas katalizátor alkalmazása. – 1,2..1,5 közötti légfelesleg szelektív katalizátorral és ammónia

befecskendezéssel, ahol az ammónia a nitrogén-oxidokat semlegesíti, míg a szén-monoxid és elégetlen szénhidrogének mennyisége a határérték alatt marad.

– Nagy légfelesleggel történő ún. lean-burn égetés oxidációs katalizátorral vagy anélkül. Ebben az esetben a nagy légfelesleg miatti többlet kompressziós munkát a turbófeltöltő kompenzálja.

A gázmotor jelleggörbéit, melyeket hagyományos szívó és turbófeltöltővel szerelt motorra adunk meg az 5–21. ábra tartalmazza. Ezen az ábrán a légfelesleg tényező függvényében láthatjuk az effektív középnyomást, a villamos hatásfokot, valamint a kibocsátott káros anyagok koncentrációját.

A gázmotorok telepítése előtt meg kell vizsgálni, hogy azok milyen módon illeszthetők be a jelenlegi energiaellátó rendszerbe (pl. csatlakozási lehetőségek), valamint milyen a gazdasági hatásuk. Több különböző teljesítményű berendezést vizsgálva a következő megállapításokat tehetjük:

– az egységteljesítmény növekedésével csökken a berendezés fajlagos beruházási költsége;

– az egységteljesítmény növekedésével csökken a berendezés fajlagos üzemeltetési költsége.

Természetesen ezen ismeretek alapján nem mondható ki egyértelműen, hogy a lehető legnagyobb teljesítményű gázmotort alkalmazzuk, mivel annak az üzemeltetése lenne a leggazdaságosabb. Egy adott távhőrendszer esetében a döntést

– az éves kihasználási óraszám (hőigények); – az üzemanyag ára és rendelkezésre állása; – a hőár; – a villamos energia átvételi ára figyelembevételével elvégzett gazdaságossági számítás alapján lehet meghozni.



GÁZMOTOR

égési levegő

gáz/olaj

katalizátor és hangtompító

füstgáz

keverő

turbófeltöltőkémény

kipufogógázhőcserélő

hűtöttkipufogógázcső hűtővíz/fűtési melegvíz

hőcserélő

tv

te (90 °C)

(70 °C)

keverékhűtő

olajhűtő

vészhűtő

5–19. ábra. Deutz TBG 620 gázmotoros blokkfűtőerőmű (szikragyújtású motor)

(DEUTZ gyártmányismertető) A gázmotoros blokkfűtőerőműveket relatíve alacsony beruházási és

üzemköltségük miatt, valamint amiatt, hogy teljes terhelésen a legkedvezőbb mind az energetikai hatékonyságuk, mind pedig a károsanyag-kibocsátásuk alapüzemű hőforrásként célszerű üzemeltetni, és a csúcsigényeket más hőforrásból fedezni. A változó hőigények kielégítése – részben – megoldható több gázmotor beépítésével. A beépítendő berendezés egységteljesítményét a nyári (HMV) hőigények határozzák meg. Az 5–22. ábrán egy olyan távhőrendszer kialakítását láthatjuk, ahol két gázmotorral oldották meg a hőigények nagy részének kielégítését, míg a csúcsigények fedezeteként egyrészt egy beépített hőtároló, másrészt egy forróvízkazán szolgál. Az ehhez a kapcsolási vázlathoz tartozó hőteljesítmény tartamdiagramot az 5–23. ábra mutatja, ahol bejelöltük az egyes berendezések működési tartományait.



Tüzelőanyaggal bevezetett energia: 100 %

Mechanikaienergia: 36 %

GENERÁTORVeszteség1,5 %

Villamos energia34,5 %

Hő (füstgáz+hűtővíz+olaj)veszteség

1,5 %

Sugárzási

Hűtővíz+olaj

Füstgáz

62,5 %

26 % 36,5 %

Vízhűtésűturbótöltő

10 %

HŰTŐVÍZHŐCSERÉLŐVeszteség

0,3 %

FÜSTGÁZHŐCSERÉLŐ

Hasznosítható hő

Veszteségek4 %

58,2 %

üQ

GMP GMQ

5–20. ábra. Gázmotoros blokkfűtőerőmű energiafolyam-diagramja

5.2.3. ÜZEMÁLLAPOTOK, SZABÁLYOZÁSI LEHETŐSÉGEK A gázmotorok üzemállapotának beállítása, ill. szabályozása többféle módon

történhet, ezek a következők: 1. A hőigény alapján történő szabályozás során a mindenkori (pillanatnyi)

hőigények kielégítése az elsődleges. Ebben az esetben biztosítani kell, hogy a kiadott villamos energia mindenkor korlátozás nélkül felhasználható legyen.

2. A villamos teljesítmény alapján történő szabályozás akkor kerül előtérbe, ha a villamosenergia-igények a meghatározók (pl. nem lehetséges külső táplálás). Ebben az esetben már a gép kiválasztásánál figyelembe kell venni a villamos teljesítmény igények alakulását (napi és éves tartamdiagram).

3. Az üzemanyag mennyiség alapján különösen szennyvíz-biogáz és szeméttelep-depóniagáz felhasználás alapján történhet a szabályozás.

4. Csúcsigények kielégítése alapján szabályozott üzemmel a költséges, külső beszerzés váltható ki.

5. Vészüzemmód. A szünetmentes áramellátást igénylő fogyasztók (pl. kórházak) esetén állhat elő ilyen üzemállapot.



Effektív középnyomás, bar

Villamos hatásfok, %

Károsanyag-tartalom, ppm

4

8

12

30

34

38

Légfelesleg tényező0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

NOx

CO

maximális hatásfok

lean-burn

szívó motor

szívó motor

feltöltött motor

Elégetlen szénhidrogének 5–21. ábra. Gázmotor jelleggörbék (ROSZIK)

5.2.4. ENERGETIKAI JELLEMZŐK A gázmotorok energetikai hatékonyságának jellemzésére ugyanazokat a

mutatókat alkalmazhatjuk, mint a gázturbinás blokkok esetében, azaz a bruttó hatásfokot

ü

GMGMFE Q

QP +=η , (5.34)

melynek értéke 0,75..0,93 között változhat. Az energiagazdálkodási mutató

GM

GMG/G Q

P=σ (5.35)

a kialakítástól függően 0,6 és 1,1 között mozoghat.



A villamos hatásfok

ü

GMGM Q

P=η (5.36)

értéke 0,28..0,46 tartományban változhat a berendezés teljesítményétől függően.

füstgáz

földgáz

1. gázmotor 2. gázmotor forróvízkazánhőtároló

FOGYASZTÓ

visszatérő

előremenő

villamos energia

5–22. ábra. Gázmotor, forróvízkazán és hőtároló lehetséges együttműködése

Q.

t, h/a0 8760

t

Q.

cs

1. gázmotor

2. gázmotor

csúcskazán+hőtároló

5–23. ábra. Hőteljesítmény tartamdiagram az 5–22. ábra szerinti kapcsolási vázlathoz


F

6. KIEGÉSZTŐ HŐFORRÁSOK. HŰTÉS ÉS KLIMATIZÁLÁS Ebben a fejezetben azokat a technológiákat ismertetjük, melye

hagyományos tüzelőanyag-bázison üzemelő hőellátó rendszekiegészíthetjük, ill. egyes esetekben helyettesíthetjük. Szintén e fejtérünk ki – a teljesség igénye nélkül – az elterjedőben lévő hűtési (klimatrendszerekre.

Az eddig tárgyalt elterjedt hőforrások (szénhidrogén-tüzelésű fűtőművekkombinált gáz-gőz fűtőerőművek) mellett egyes helyeken gazdaságokiegészítő hőforrások, tüzelőanyagok alkalmazása. A kiegészítő hőfalkalmazásához két feltétel megléte szükséges:

– a hulladékhő (hőszivattyú), geotermikus energia, tüzelésre alhulladékok rendelkezésre állása,

– a kiegészítő hőforrás környezetében megfelelő hőigényű ipari lakossági-kommunális fogyasztó rendelkezésre állása.

6.1. Napenergia hasznosítás a hőszolgáltatásban Magyarország szerény potenciális energiaforrása a felszínt érő napsu

mely inkább nyáron jelentős, télen pedig szinte elhanyagolhatóan csenapenergiát annak jellege miatt elsősorban az alacsony hőmérsékleten hőszolgáltatásban – használati melegvíz – lehet hasznosítani mint kiegésnem alternatív!) hőforrást. Mivel a sugárzás egyenletesen éri a felszínt, eza teljesítménysűrűség kis értéke miatt elsősorban az egyedi hőellátásbafelhasználni. A napsugárzás hasznosítása során beszélhetünk

– aktív hasznosításról, mely esetben gépészeti berendezések segítshőhordozó közeg felhasználásával juttatjuk el a hőt a fogyasztóhoz, ill

– passzív hasznosításról, amikor építészeti eszközökkel (pl. sugárzásehőtároló fal) gondoskodunk a nap sugárzási energiájának hővé alakítá

6.1.1. AKTÍV SUGÁRZÁSHASZNOSÍTÁS Az aktív napenergia hasznosítást megvalósító berendezés a napko

melynek elvi felépítését a 6–1. ábra mutatja. Az abszorbens (sugárzásekettős feladatot lát el, egyrészt hővé alakítja a nap sugárzási enemásrészt közvetíti azt a hőhordozó közegnek, ami esetek döntő többségébde bizonyos esetekben más közeg is lehet (pl. thermoolaj vagy leveáteresztő lemez is kettős funkciót tölt be: minimális veszteséggel átensugárzást, és szigetelést biztosít az abszorber és a környezet között. Az átlemez üvegből vagy műanyag lemezből készül egy vagy két rétegben. Ajobb hőszigetelés érdekében az áteresztő lemez és az abszorbens között teret is létrehozhatnak. A hőveszteség csökkentését szolgálja az abmögötti hőszigetelés, melybe a hőhordozó közeg csövei vannak beágya

6.e j e z e t

kkel a reinket ezetben izálási)

, gőz és s lehet orrások

kalmas

és/vagy

gárzás, kély. A történő zítő (és ért azt n lehet

égével, . lnyelő-sáról.

llektor, lnyelő) rgiáját, en víz,

gő). Az gedi a eresztő minél

légüres szorber zva. A

KIEGÉSZTŐ HŐFORRÁSOK. HŰTÉS ÉS KLIMATIZÁLÁS

hőhordozó áramoltatása történhet természetes cirkulációval vagy szivattyúzással.

A napsugárzás mint hasznosítható hőforrás intenzitása és a fogyasztói igények általában nincsenek összhangban, ezért hőtárolóról és/vagy kiegészítő hőforrásról (pl. melegvízkazán) kell gondoskodni (elegendő csak hőtárolót beépíteni ha a sugárzásból származó hő is elegendő a fogyasztói igények kielégítésére, pusztán az időbeliség jelent problémát). Amennyiben a napenergia hasznosításából származó hő olyan alacsony hőmérsékleten áll rendelkezésre, hogy azzal a fogyasztói igények nem elégíthetők ki, akkor hőszivattyú közbeiktatásával lehet a megfelelő hőmérsékletű hőhordozóról gondoskodni. Természetesen hőszivattyú alkalmazásának esetében is beépíthetünk kiegészítő hőforrást.

abszorbens

bevezetés kivezetéshőhordozó közeg

csővezetéke

hőszigetelés fényáteresztőborítólemezek

6–1. ábra. Napkollektor elvi felépítése (BALIKÓ)

6.1.2. PASSZÍV SUGÁRZÁSHASZNOSÍTÁS Mint azt már korábban, a hőigények tárgyalásánál említettük, az épület

határoló falain keresztül érkező napsugárzás csökkenti a fűtési hőigényt, ha épületünket tudatosan úgy alakítjuk ki (tájolás, építészeti eszközök, szerkezeti anyagok, intelligens fűtőberendezés stb.), hogy az így hasznosított sugárzási hő maximális legyen, akkor passzív napenergia hasznosításról beszélünk. A passzív napenergia hasznosítás egyik lehetséges eszköze az ún. tömegfal, ami viszonylag vastag (40..60 cm), nagy elnyelő és hőtároló képességgel rendelkező fal. A napsugárzás hatására ez a fal felmelegszik és a hő bizonyos késleltetéssel jut a fűtendő helyiségbe. A hőáram szabályozása történhet a külső felületen elhelyezett sugárzásvédő ernyőkkel, a falban kialakított szellőzőnyílásokkal, ill. a tömegfal és a fűtött tér közötti hőszigeteléssel. Egy másik lehetséges passzív hasznosítási módszer az utóbbi időben egyre terjedő előtét üvegház létesítése, melyeket többféle célra is hasznosíthatunk, pl. lakószobaként, növénytermesztésre, ill. tisztán energetikai célra.

6.2. Geotermikus energia a hőszolgáltatásban A geotermikus energiát – annak hőmérséklete alapján – a szakma két csoportra

osztja: – 150..380 °C-os nagy entalpiájú gőz vagy forróvíz (aktív geotermikus övezet),

amely villamos energia fejlesztésére is alkalmas;



– 150 °C-nál kisebb hőmérsékletű, kis entalpiájú forróvíz (passzív geotermikus övezet), amely közvetlen hőhasznosításra alkalmas.

Magyarország előkelő helyet foglal el a 100 °C alatti termálvizek hasznosításában. (A geotermikus energia hasonló mértékű hasznosítása Európában csak Izlandon és Franciaországban történik.) A hazai geotermikus hévizek termelését és hasznosítását az ország kedvező geotermikus és hidrogeológiai adottságai határozzák meg. A Kárpát- (vagy Pannon-) medencében a közelmúltban sikerült nagy entalpiájú geotermikus rezervoárok jelenlétét is kimutatni (6–2. ábra), ezek feltárása és hasznosítása a jövő feladata.

6–2. ábra. Nagy entalpiájú geotermikus tározók előfordulásának perspektivikus területei

Magyarországon (DOMOKOS) A kis entalpiájú geotermikus energia hasznosítása hazánkban két nagy

regionális kőzetrendszerből, mélyfúrású kutakból történik: – felső-pannóniai többszintes-többtelepes porózus rétegekből (homok-homokkő

formációkból), – mezozoós, főleg triászkori, töredezett-repedezett-karsztosodott

kőzetrendszerből (mészkőből és dolomitból). Az éves hévíztermelés a felső-pannóniai rezervoárokból kb. 80 millió m3, míg

triász karbonátos rendszerekből kb. 25 millió m3. A 30 °C-nál melegebb vizet adó kutak száma Magyarországon – a legutóbbi

felmérés szerint – 1164 db. A hévízkutak vízhozama változó: a kezdeti vízhozam néhány 100 liter/min-től a 3000 liter/min vízhozamot is elérte kutanként, s jellemző a szabadon kifolyó termelés. Mára a vízhozamok többnyire lecsökkentek és mesterséges vízkiemelést kell alkalmazni nagyon sok kútnál. Ennek oka a rétegenergia csökkenése, a vízben oldott gáz mennyiségének csökkenése, a víz utánpótlás elégtelensége vagy hiánya. A karbonátos kőzetekre telepített kutaknál pedig a bányászat okozott vízszintsüllyedést, de hozzájárult az elmúlt évtized szárazabb klímája is, a csapadék kevesebb mennyiségével. E problémák kezelésének legjobb módja a kinyert és lehűlt vizek visszajuttatása (visszasajtolása) a termelőrétegekbe, hiszen ilyen módon válhat a geotermikus energia újrahasznosuló, és hosszú távon is elegendő készletet biztosító



energiahordozóvá. A visszasajtolás többlet beruházási és üzemeltetési költséggel jár, amely némileg rontja a geotermikus energia korábban megszokott gazdaságosságát.

A kis entalpiájú geotermikus energia direkt hasznosítását Magyarországon 1540 MWt-ra becsülik, amelyből a mezőgazdaság 565 MWt-al, az egészségügy 581 MWt-al, az épületfűtés 75 MWt-al részesedik, míg egyéb célokra 319 MWt esik. A legrégibb hagyományai a balneológiai-gyógyászati hasznosításnak vannak. A kútállomány 40 %-a ennek szolgálatában áll. E hévízkutak mintegy 145 fürdőt látnak el melegvízzel.

A geotermikus energia városi távhőrendszerben való hasznosítására jó példa a hódmezővásárhelyi távhőrendszer (6–3. ábra). A kutakból kinyert hévizet egyrészt használati melegvízként, másrészt fűtésre hasznosítják.

Mátyás u.

Fűtési kút (régi)2300 m; 85 °C80 m /h3

ltp-i hálózatba

HÓDTÓ

5 bar hmv

HMV-kút1106 m; 43 °C80 m /h3

ltp-i hálózatba

5 bar hmv

Diszpécser központ

Fűtési kút2000 m; 80 °C90 m /h3

OLDAL-KOSÁR

ltp-i hálózatba5 bar

KÓRHÁZ

ltp-i hálózatba5 bar hmv

Strandhoz

Visszasajtoló kút

Fűtési vezeték HMV vezeték

3 bar

3 bar 3 bar

HMV-kút1306 m; 52 °C80 m /h3

6–3. ábra. A hódmezővásárhelyi geotermikus közműrendszer sémája (DOMOKOS)

Használati melegvíz A kutakból kinyert víz kémiai összetétele (közel ivóvíz minőség) lehetővé teszi,

hogy a termálvíz közvetlenül használati melegvízként kerüljön felhasználásra. Ehhez olyan kutak szükségesek, amelyekből a víz kifolyási hőmérséklete legalább 45 °C. Ennek a feltételnek az Oldalkosári (1306 m, 80 m3/h, 52 °C) és a Hódtói (1106 m, 80 m3/h, 43 °C) hmv kút is eleget tesz. A két hmv kutat DN 150-es hőszigetelt cső köti össze. A hmv kutak termelésének vezérlése a puffer tárolók vízszintjéről (vízoszlop nyomásáról) történik. Ezekben a tárolókban a vizet gáztalanítják is (elsősorban metán eltávolítás céljából). A tárolókból sínszivattyúk továbbítják a vizet a távvezetéken. Alapüzemben az Oldalkosári sínszivattyú (a Mátyás utcai végponton elhelyezett nyomástávadó (3 bar) által vezérelve) látja el használati melegvízzel a Mátyás, az Oldalkosár utcai fűtőművet és kórházi körzetet, míg a hódtói hmv kút a Hódtói fűtőművet. Csúcsüzemben a sín nyomásának csökkenése esetén (Mátyás utcai végponton 2,5 bar) a hódtói kút rásegít a DN 150-es hmv vezetékre.

A fűtőművekhez 3 bar-ral érkező használati melegvizet egyedi nyomásfokozással juttatják a lakótelepi hmv hálózatba. E szivattyúk vezérlését a



hálózati nyomásigény (5..5,5 bar) végzi. A kórházban a hmv fogadása a kazánház boilerében történik, s egyedi igény esetén lehetőség van további felmelegítésre földgázzal. A tárolók szintjének, a frekvenciaváltókkal ellátott szivattyúk üzemének, a rendszer paramétereinek, fogyasztásának képi megjelenítése a Hódtói diszpécserközpont számítógépén történik, ahonnan a legszükségesebb beavatkozások is elvégezhetők. A hmv rendszer évente 220..230 ezer m3 termálvizet szolgáltat, és 1 m3 víz szállításának átlagos villamos energia igénye 0,5..0,7 kWh.

Fűtés A geotermikus energia (Hódtói fűtési kút: 2000 m, 90 m3/h, 80 °C) fűtési

rendszerben való hasznosítását a sorbakapcsolt három fűtési rendszer:

– Hódtói lakótelep (te0/tv0=110/90 °C, ≈8,1 MW), cs0Q

– Oldalkosár úti lakótelep (te0/tv0=90/70 °C, Q ≈3,5 MW), cs0

– Kórházi körzet (te0/tv0=70/40 °C, Q ≈2,1 MW); cs0

csökkenő te0/tv0 névleges melegvíz hőmérsékletei és hőteljesítménye teszi lehetővé. E hőmérsékletlépcsők önmagukban automatikus szabályozottságot eredményeznek, ezért állandó a melegvíz tömegárama.

A fűtési termálkút vize a hódtói fűtőműbe is bevezetésre került a 43 °C-os hmv (hódtói hmv kút) 52 °C-osra melegítése céljából, amely egy felületi hőcserélőben történik. A szükséges termálvíz mennyiségét a hőcserélő elé épített motoros szelep – a kilépő hmv hőmérséklete alapján – állítja be. A fűtési termálvíz-hódtói hmv termálvíz hőcserélőből kilépő termálvíz 70..72 °C-al érkezik az Oldalkosár fűtőműbe, ahol a fűtési szezonban a lakótelep visszatérő hőmérsékletének függvényében adja át hőjét a lakótelepi melegvíz rendszernek (tl=–15 °C,

=0,4 MW (12 %), tfQ l=0 °C, =0,98 MW (40 %), tfQ l=+12 °C, =0,52 MW (100 %)).

fQ

Az oldalkosári fűtőműből kilépő termálvíz közvetlenül bekerül a kórház fűtési rendszerébe, s teljes egészében kielégíti a kórház fűtési hőigényét (tl=–15 °C,

=2,1 MW , tfQ l=0 °C, =0,77 MW, tfQ l=+12 °C, =0,21 MW). A 35-40 °C-ra lehűlt termálvíz végállomása a városi strandfürdő, ahol egy része fürdőmedencéket lát el, nagyobb hányada pedig visszasajtolásra kerül az 1700 m-es mélységű rétegekbe a visszasajtoló kútban. A Hódtói fűtési kút frekvenciaváltó búvárszivattyúját a kút melletti gáztalanító-tároló vízszintje vezérli. A tárolóból a két, különböző teljesítményű szivattyú (tél: hmv+fűtés; nyár: hmv) állandó tömegárammal szállítja a kút vízét a hőellátó rendszerbe. A geotermikus energia évente 40 000 GJ hőt szolgáltat és 1 m

fQ

3 termálvíz szállításának villamosenergia-igénye itt is 0,5..0,7 kWh.

6.3. Kiegészítő tüzelőanyag-forrás: biomassza A földet érő napsugárzás nem csak közvetlenül hasznosítható, hanem az általa

létrehozott biomassza is alkalmas arra, hogy energetika célokra felhasználjuk. Biomasszának tekintjük a következőket:



– elsődleges biomassza a természetes növényzet; – másodlagos biomassza az állatvilág és az állattenyésztés termékei és

hulladékai; – harmadlagos biomassza a biológiai eredetű termékek felhasználása és

átalakítása során keletkező újabb termékek és hulladékok, valamint az emberi települések szerves hulladékai.

A következőkben a biomassza hőellátás céljára történő hasznosításával foglalkozunk.

Kiegészítő tüzelőanyag forrásként felhasználhatunk szilárd anyagokat (pl. fa, szalma stb.), folyékony halmazállapotú anyagokat (pl. alkoholok és növényi olajok), valamint gáznemű anyagokat (pl. szennyvíziszap bomlásából származó metán).

6.3.1. SZILÁRD BIOMASSZA A szilárd biomassza csoportba soroljuk a tűzifát, az erdészet és a faipar

melléktermékeit és hulladékait, a szántóföldi növénytermesztés melléktermékeit (szalma, kukorica- és napraforgószár, kukoricacsutka stb.), az élelmiszeripari növényfeldolgozás szilárd hulladékait, valamint a települési szerves hulladékokat. A szilárd biomassza legegyszerűbb hasznosítása az elégetés. Ez történhet egyedileg kályhában, kandallóban és kazánban, ill. központosított hőellátás esetén kifejezetten erre a célra kiképzett kazánban. Mivel a mezőgazdasági hulladékok nagy területen szétszórtan és kis sűrűségű formában jelennek meg, ezért összegyűjtésükről és brikettálásukról kell gondoskodni.

A fa és fahulladékok egy más hasznosítási lehetősége az elgázosítás (pirolízis), melynek végterméke a fagáz. Az elgázosításra többféle módszer áll rendelkezésre. Az egyik esetben oxidáló közegek nélkül végzünk hőbontást, melynek során a nagy széntartalmú anyagok lebomlanak és depolimerizálódnak. Eredményül fagázt, faszenet, kátrányt és kátrányos vizet kapunk. Egy másik módszer esetében magas hőmérséklet mellett oxidáló közeg is jelen van a reakció során. A folyamatban a fa bomlik és polimerizálódik, kis molekulájú gázok és szénhidrogének képződnek. Az oxidáló közeg jelenléte miatt a szilárd anyag mennyisége erőteljesen csökken, így az esetleg nem kívánatos faszén és kátrány mennyisége alacsony szinten tartható. Az ilyen módszerekkel előállított fagáz nagy nitrogén és szén-dioxid tartalmú, ennek eredményeképpen a fűtőérték 10..12 MJ/m3. A fagázt – a versenyképesség érdekében – igen jó hatásfokú gépben, célszerűen gázmotorban hasznosíthatjuk.

6.3.1.1. Kommunális hulladék Az emberi tevékenység által keletkezett hulladékok négy csoportba sorolhatók

(STRÓBL, 1998): – kommunális szemét (a háztartási, a csomagolási, a közutak tisztítási, a

piacok, kiállítások többnyire darabos maradványai), – veszélyes hulladékok (azon darabos, pasztás és folyékony ipari és

kommunális maradványok, amelyek veszélyeztetik az egészséget, levegő-, víz- és talajszennyezők, robbanóképesek vagy gyúlékonyak),



– vizes iszap a szennyvízkezelés maradványa, amelyet vagy deponálnak vagy, a mezőgazdaságban hasznosítanak vagy, komposztálnak vagy, elégetnek, ill. biogáz fejlesztésre használják fel,

– egyéb hulladékok (építőipari szemét (sitt), használt autók, elektronikai ipari maradványok).

A termikus hasznosítás alapvető feladata a hulladék térfogatának jelentős mértékű csökkentése. Vannak országok, ahol a hulladékkezelésben a termikus hasznosítás aránya már nagyobb, mint a deponálásé (Japán 73 %, Dánia 71 %, Svájc 77 %, Svédország 55 %). Jelenleg a termikus hasznosításban meghatározó a háztartási szemét elégetése.

A termikus hasznosítás szempontjából a hulladékok jellemzői: – nagy az inert anyag (salak, víz, CO2, N2 stb.) részaránya, – sok káros anyagot (S, Cl, F stb.) tartalmaz, – kicsi az illó részaránya és – heterogén az összetétele. A háztartási szemét összetétele területenként változó, s ennek megfelelően az

átlagos fűtőérték 6..10 MJ/kg tartományban változik. A leggyakoribb termikus hulladékkezelés az egyszerű elégetés. A háztartási szemét eltüzelésekor leggyakoribb a rostélytüzelés.

A kommunális szemét termikus hasznosításának hazai példája a budapesti (rákospalotai) szemétégetőmű, amelynek névleges teljesítménye 1200 t szemét/nap. A szemétégetőben 4 db kazán van, s a hengerrostélyú, membránfalas, dobos, természetes cirkulációjú háromhuzamú kazánok maximális teljesítménye 15 t/h szemét ill. 40 t/h (40 bar, 445 °C) gőz. Az égetést földgázégők stabilizálják. A budapesti szemét fűtőértékének terjedelme 4,2..9,65 MJ/kg. A szemetet bunkerokba ürítik, ahol darabolják a kazánba való adagolás előtt. A salakból elektromágnes választja ki a vasat (kb. 13.000 t/év, amit újrahasznosítanak), míg a salakot bálázzák és a lerakótelepen deponálnak. A szemét térfogata átlagosan tizedére csökken. A túlhevített gőz 24 MW villamos teljesítményű elvételes kondenzációs turbinában expandál, s az elvétel a fűtési szezonban kielégíti a káposztásmegyeri lakótelep hőigényét.

6.3.2. FOLYÉKONY BIOMASSZA A folyékony biomassza csoportjába soroljuk a szántóföldi növényekből

(kukorica, búza, cukorrépa stb.) előállított alkoholokat és a növényi (napraforgó, repce, szója stb.) olajokat. Hőellátás céljára történő hasznosításuk nem annyira jelentős, mint a közlekedésben motorhajtóanyagként betöltött szerepük, de ennek ellenére gázmotorokban kapcsolt energiafejlesztésre felhasználhatók. Az alkoholok közül a metanol és az etanol vehető figyelembe mint kiegészítő tüzelőanyag. Fűtőértékük jóval kisebb, mint a benziné (etanol: 27 MJ/kg, metanol: 20 MJ/kg), ezért 10..15 %-nál nagyobb mértékben csak speciális motorokban alkalmazhatók. A növényi olajok fűtőértéke már lényegesen nagyobb, mint az alkoholoké (38..40 MJ/kg), így nagyobb arányban keverhetők a dízelolajhoz (20..25 %).



6.3.3. BIOGÁZ A biogáz szerves anyagok oxigénmentes környezetben (anaerob körülmények)

történő bomlásakor, ill. a biomassza zárt térben történő elgázosításakor (erjesztés, rothasztás) baktériumok közreműködésével fejlődő gáz. A biogáz előállításhoz felhasznált hulladék összetétele igen változatos lehet: fotoszintetikus, növényi és állati eredetű élelmiszermaradványok, fekália, szennyvíziszap. A hulladékot alkotó három fő komponens szénhidrátok, zsírok és fehérjék bomlása két fázisban megy végbe. Az első fázisban a komplex molekulákat egyszerű szerves savakra lebontó mikrobák fejtik ki hatásukat, míg a második szakaszban egy másik baktérium csoport ezeket az anyagokat bontja szét széndioxiddá, metánná és egyéb gázokká. A lebomlási folyamat 30..35 °C-on indul be, majd a későbbiekben a bomló szervesanyag hőmérséklete az 50..60 °C-ot is elérheti. A képződő gáz fűtőértéke 20..30 MJ/m3 között változhat. Legkisebb metántartalommal és így legalacsonyabb fűtőértékkel a települési hulladékokból nyert biogáz rendelkezik (50 % és 18 MJ/m3), ennél valamivel nagyobb az állati trágyából nyert biogáz metántartalma (65 % és 24 MJ/m3), legjobb eredményt szennyvíziszappal érhetünk el (70 % és 26 MJ/m3). A biogáz szén-dioxid tartalma 50..30 % között változhat. A biogázt általában tisztítják, így akár 98 %-os metántartalom is elérhető, ami már megfelel a földgáz minőségének.

A szeméttelepeken lerakott hulladékokból fejlődő gáz, az ún. depóniagáz kinyerésére a 6–4. ábra szerinti módszert mutatjuk be. Ebben az esetben a hulladékot prizmás módon rakják le, földdel egyenletesen lefedik, majd a gáz kinyerésére kutakat fúrnak, melyekbe perforált csöveket helyeznek el. A kutakat egy közös gázgyűjtő-vezetékbe kötik be. A gázt – ha szükséges tisztítás után – gázmotorban vagy gázturbinában hasznosíthatjuk a már korábban megismert módon.

Magyarországon a Fejérvíz Rt. szennyvíztisztítójában üzemel egy gázmotor, mely a szennyvíziszap rothasztásából származó biogázt hasznosítja. Ausztriában a Bécs melletti Rautenweg szeméttelepen működik, ill. kerül üzembe egy nagyteljesítményű, több gázmotorból álló rendszer, amely 25 000 háztartás villamos energiával való ellátását és 2000 lakás távfűtését biztosítja. A 4000 m3/h depóniagáz 7,9 MWe teljesítményű gázmotor beépítését teszi lehetővé.



Tisztítás

GázmotorGázturbina

gázkitermelő kút gyűjtővezeték

földtakaró hulladék 6–4. ábra. Szeméttelepi biogáz (depóniagáz) kitermelő kútrendszer (Bercsi, 1996)

6.4. Hűtőgépek és hőszivattyúk. Klimatizálás Az ember alapvető igénye, hogy önmaga körül lehetőleg mindig kellemes

környezetet biztosítson. Hideg időben ezt fűtés segítségével tehető meg, míg meleg időben (nyáron) a megfelelő közérzetet egyszerűbb esetekben egyszerű hűtéssel, míg igényesebb, kényesebb helyeken klimatizálással biztosítható. A klímakészülékek egyik fontos berendezése a hűtőgép. A hűtőgép mint hőerőgép alkalmas arra, hogy hőszivattyúként üzemeljen ez indokolja azt, hogy a következőkben párhuzamosan tárgyaljuk e két berendezés sajátosságait.

6.4.1. HŰTŐ ÉS HŐSZIVATTYÚ KÖRFOLYAMATOK

6.4.1.1. Kompresszoros hűtőgép és hőszivattyú A hűtőgép és hőszivattyú olyan hőerőgép, amelynek működése során a

hűtőközeggel (munkaközeg) műveletek olyan sorát végezzük el, hogy folyamatosan hőt szállítunk alacsonyabb hőmérsékletű helyről magasabb hőmérsékletű hely felé. A továbbiak vizsgáljuk az igen széles körben elterjedt gőz munkaközegű hűtőkörfolyamatot. Az egykomponensű kétfázisú munkaközeg alkalmazása azzal jár, hogy ebben az esetben a hőleadás közel izotermikus, a hőfelvétel pedig izotermikus lesz. Az ezt megvalósító berendezés elvi kapcsolását a 6–5. ábra mutatja. A munkafolyamat a következő lépésekből áll: az E elpárologtatóban megfelelően alacsony hőmérsékletszinten a munkaközeg elpárolog és hőt von a hűtött közegtől, az elpárologtatóból kilépő gőzt a GK gőzkompresszor az igényelt megfelelő magas hőmérsékletszintnek megfelelő nyomásra komprimálja, így juttatva azt a C kondenzátorba, ahol a munkaközeg cseppfolyósodik. A folyadék halmazállapotú hűtőközeg az F fojtószelepen keresztül jut az E elpárologtatóba. A hűtőkörfolyamatot figyelemmel kísérhetjük a 6–6. ábra diagramjában, ahol bejelöltük a magas és az alacsony hőmérsékletű közeg tényleges és termodinamikai átlaghőmérsékleteit, a kapcsolási vázlaton megadott pontokat, valamint a körfolyamat irreverzibilitásait. A kompresszoros hűtőkörfolyamatokat általában log p–h

ST −



diagramban szokás ábrázolni, mivel ebben a diagramban a fajlagos felvett és leadott hők, valamint a befektetendő mechanikai munka szemléletesen, szakaszokkal ábrázolhatók, ahogy azt a 6–7. ábra is mutatja.

A kompresszoros hűtő és hőszivattyú körfolyamat energiamérlegét a következő egyenletek fejezik ki. A hűtőközeg az elpárologtatóban fajlagosan

(6.1) 34a hhq −=

hőt vesz fel, a kondenzátorban fajlagosan 21m hhq −= (6.2)

hőt ad le, míg a kompresszió fajlagosan (6.3) 41H hhw −=

munkát igényel.

E

C

F GK

magas hőmérsékletű közeg

alacsony hőmérsékletű közega1a2

m2m1

12

3 4

hőleadás

hőfelvétel

hajtás

mQ

aQ

HP

6–5. ábra. Kompressziós hűtő és hőszivattyú körfolyamat elvi kapcsolása



10

1

2

3 4

m2

a1a2

m1

a kompresszió irreverzibilitásai irreverzibilis

hőleadás

fojtás okoztairrevezibilitás

irreverzibilishőfelvétel

T

S

mT

aT

6–6. ábra. Kompressziós hűtő és hőszivattyú körfolyamat T diagramja S−

10 12

3 4

h

log p izoterma izentropikus kompresszió

valóságoskompresszió

mq

aq Hw

6–7. ábra. Kompressziós hűtő és hőszivattyú körfolyamat log p–h diagramja

Amennyiben az igényelt hűtőteljesítmény , úgy a szükséges munkaközeg tömegáram

aQ

a

aH q

Qm = . (6.4)



Ha a berendezés hőszivattyúként üzemel, akkor a munkaközeg tömegáramát az igényelt fűtési hőteljesítmény, mQ alapján lehet meghatározni, azaz

m

mH q

Qm = . (6.5)

A munkaközeg tömegáramának ismeretében meghatározható a még ismeretlen hőáram, valamint a kompresszor hajtásához szükséges mechanikai teljesítmény, amit a

(6.6) HHH wmP =

összefüggéssel számíthatunk ki. A 6–6. és 6–7. ábrán feltüntettük mind a valóságos (4-1), mind pedig az

izentropikus (4-10) kompresszió állapotváltozási vonalát. E jelölések segítségévek a hűtőkompresszor hatásfoka

H

H0

41

410HK w

whhhh

=−−

=η (6.7)

egyenlet szerint értelmezhető. A hűtőgép és hőszivattyú körfolyamat energetikai hatékonyságának

jellemzésére – a 6–8. ábra jelöléseivel – a fajlagos hűtőteljesítmény, ill. a fűtési tényező szolgál. A fajlagos hűtőteljesítményt az

H

aa P

Q=ε (6.8)

összefüggéssel, míg a fűtési tényezőt az

H

mm P

Q=ε (6.9)

összefüggéssel lehet meghatározni.

aQ

HP

mQ

H0P

H0HK

11 P

−

η

6–8. ábra. Kompressziós villamos hajtású hűtő és hőszivattyú körfolyamat energiafolyam ábrája A hőszivattyú hajtását elláthatja egy gázmotor is, ebben az esetben a

hőszivattyúból kilépő magas hőmérsékletű közeg hőmérsékletszintjét a gázmotor segítségével emelhetjük. E megoldás elvi kapcsolását a 6–9. ábra, míg



energiafolyam diagramját a 6–10. ábra szemlélteti. Energetikai jellemzőit tekintve a fűtési tényezőt a következő összefüggéssel határozhatjuk meg:

ü

HGMHGM Q

Q=ε . (6.10)

a1a2

12

3 4

GM

mQ

aQ

GMP

GMQ

HGMQ

üQ

6–9. ábra. Gázmotor hajtású hőszivattyú elvi kapcsolása

üQ

GMP

GMQ

mQ

aQ

GMv,Q

HGMQ

6–10. ábra. Gázmotor hajtású hőszivattyú energiafolyam ábrája

6.4.1.2. Abszorpciós hűtőgép és hőszivattyú Az abszorpciós hűtési körfolyamatot megvalósító berendezés (6–11. ábra) – a

kompresszoros hűtőberendezéshez hasonlóan – kondenzátorból, elpárologtatóból, valamint fojtószelepből áll, a kompresszort ebben az esetben egy oldóból, egy kiűzőből és egy fojtószelepből álló berendezés helyettesíti. A munkaközeg ebben az esetben egy többkomponensű keverék közeg. A hűtési feladattal meghatározott alacsony hőmérsékletszinten az E elpárologtatóban a hűtőközeg megfelelően alacsony nyomáson elpárologva hőt von el a hűtendő alacsony hőmérsékletű közegtől. A keletkezett gőzt az A abszorberből (oldó), a K kiűzőből,



az SZ szivattyúból és az F1 fojtószelepből álló termokémiai kompresszor a hőleadás hőmérsékletszintjének megfelelő nyomáson üzemelő C kondenzátorba szállítja. Ehhez az abszorberben hőelvonás, a kiűzőben pedig megfelelően nagy hőmérséklet (fűtés) szükséges. A C kondenzátorban cseppfolyósodott hűtőközeg az F2 fojtószelepen keresztül jut az E elpárologtatóba. Az abszorbert fűtő és az elpárologtatóban alkalmazott közeg célszerűen azonos is lehet. Az abszorpciós hűtőgép energetikai jellemzésére az

be

aa Q

Q=α (6.11)

fajlagos hűtőteljesítmény, míg a hőszivattyú jellemzésére az

be

ma Q

Q=ς (6.12)

fajlagos fűtőteljesítmény szolgál, ahol Q a kiűzőben bevitt, be mQ a magas hőmérsékleten leadott, míg Q az alacsony hőmérsékleten felvett hőáram. a

E

C

F2

magas hőmérsékletű közeg

alacsony hőmérsékletű közega1a2

m2m1

SZF1

Khőbevitel

hőelvonásA

aQ

mQ

beQ

elQ

HP

6–11. ábra. Abszorpciós hűtő/hőszivattyú körfolyamat elvi kapcsolása

A hőszivattyúk alacsony hőmérsékletű hőhordozója, ill. hőforrása lehet – hulladékgőz, – alacsony hőmérsékletű termálvíz, – folyamatosan rendelkezésre álló folyóvíz, – szennyvíz, – levegő, – talajhő. (A talajhő hasznosítás során a talajba csővezetéket fektetnek és

ebben vizet vagy sólét keringtetnek.)



A hőszivattyúk jellegüktől fogva és az alacsony hőmérsékletű hőforrás teljesítményétől függően elsősorban egyedi hőellátásra, esetenként kisebb lakóközösségek, ill. kis- és közepes vállalkozások hőigényeinek kielégítésére alkalmasak. A hőszivattyúk elterjedését mindeddig akadályozta, hogy a munkaközegként leggyakrabban alkalmazott freon (R12) károsítja az ózonréteget. Ma már nem lehet ilyen hűtőközeggel berendezést létesíteni. A freon pótlására a klórmentes R134/a (tetrafluor-etán, CH2FCF3) gázt fejlesztették ki. Ez főleg kisebb hőmérsékleten megfelelő közeg, a hőszivattyúknál szokásos hőmérsékletszinten termodinamikai tulajdonságai lényegesen rosszabbak, mint az R12-é. Az ammónia (R717) igen régóta bevált, jó termodinamikai tulajdonságokkal rendelkező hűtőközeg, az atmoszférára gyakorlatilag nincs hatással. Újabban kísérleti jelleggel propánt (R290) is alkalmaznak hőszivattyúkban.

A hőszivattyúkkal – mint már korábban említettük – viszonylag alacsony hőmérsékleten célszerű hőt szolgáltatni, mivel az előremenő hőmérséklet növelésével a fajlagos fűtőteljesítmény csökken. 45 °C-os előremenő hőmérsékletnél 2,5..3,5 között, míg 70 °C-nál 2,1..2,8 között változik a fűtési tényező (a kisebb érték a levegő hőjét, míg a nagyobb érték valamilyen vízfolyás hőjét hasznosító berendezésre vonatkoznak). A villamos hajtású hőszivattyú csak akkor üzemeltethető gazdaságosan, ha kellően nagy fajlagos fűtőteljesítményt tudnak elérni, amivel a drágább villamos energia felhasználás kiválthat más, közvetlen hőfejlesztő berendezéseket.

6.4.2. KLIMATIZÁLÁS A klimatizálás (légkondicionálás) feladata, hogy az emberi tartózkodásra,

esetenként kényesebb berendezések elhelyezésére szolgáló helyiségekben mindenkor az előírásoknak megfelelő légállapotot biztosítson. Ezt úgy érhetjük el, hogy az adott helyiségbe bevitt levegőt különböző kezeléseknek vetjük alá: hűtés, fűtés, szárítás és nedvesítés. Ezeket a folyamatokat megvalósító berendezéseket klímakészülékeknek nevezzük. E berendezések igen fontos részei a hűtési és a fűtési hőcserélők, melyek a korábban ismertetett hűtőgépek/hőszivattyúk megfelelő részei (elpárologtató, ill. kondenzátor) lehetnek.

A levegővel végzendő műveleteket két példán keresztül mutatjuk be, egy téli és egy nyári üzemállapotra. Az állapotváltozásokat a klímatechnikában szokásos nedves levegő h-x diagramban szemléltetjük. Az első esetben vizsgáljunk egy frisslevegős, nedvesítővel és hővisszanyerővel kialakított klímakészüléket téli időszakban. A berendezésben lejátszódó folyamatot h-x diagramban és az elvi kapcsolást a 6–12. ábra mutatja. A beszívott külső A állapotú levegő és klimatizált térből távozó F állapotú levegő az R rekuperatív hőcserélőn áthaladva B légállapotot hoz létre a külső levegőben. Amennyiben szükséges, azt egy előfűtőn átvezetve C légállapotot kapunk. ezután egy adiabatikus nedvesítőkamra következik (a levegőbe vizet porlasztanak, az állapotváltozás során a nedves levegő fajlagos entalpiája közel állandó), amelyből kilépő levegő D állapotú (relatív páratartalma közel 95 %). Ezt követi az utófűtő melyben beállítjuk az E végállapotot, amit a klimatizált térbe juttatunk. Az ott lejátszódó állapotváltozást mutatja az EF vonal. A szükséges fűtési teljesítményt a



(6.13) ( BEA hhmQ −=f )összefüggéssel számíthatjuk ki. A következőkben vizsgáljuk egy frisslevegős, felületi hűtővel és nedvesítővel

kialakított központ üzemét nyáron. A kapcsolási vázlat és az állapotváltozás h-x diagramban a 6–13. ábrán látható. A külső A állapot levegő a léghűtőn áthaladva az AC egyenes mentén szenved állapotváltozást, majd a hűtőt B állapotban hagyja el. A levegő ezután egy nedvesítő kamrába kerül, ahol =0,95-ig nedvesítik. Az innen távozó D állapotú levegő az utófűtőben felmelegszik és ez az E állapotú közeg jut a klimatizált térbe, melyet F állapotban hagy el.

ϕ

Mint az a két kapcsolás összevetéséből látható, a különbség csupán a téli üzemben működő rekuperációs hőcserélő. Nyári üzemben ezt kiiktatva egy megfelelően kialakított hűtőgép segítségével – mely hőszivattyúként is üzemeltethető – ugyanaz a berendezés láthatja el a fűtési és hűtési feladatokat. A kereskedelmben kapható klímakészülékek fejlettebb típusai – az egyszerű ablakklímakészüléktől kezdődően – képesek mindkét üzemmódban működni.

x

h

A

B

C

D

E

F

utófűtő (UF)

előfűtő (EF)

rekuperátor (R)

A B C D E

F

Klimatizálttér

R EF UF

Nnedvesítő (N)

1=ϕ

6–12. ábra. Frisslevegős, nedvesítővel és hővisszanyerővel (rekuperátor) kialakított

klímakészülék üzeme télen



x

h

A

B

C

D

E

F

utófűtő (UF)

hűtő (H)

A B D E

F

Klimatizálttér

H UF

N

nedvesítő(N)

a hűtőközeg hőmérséklete

1=ϕ

6–13. ábra. Frisslevegős, nedvesítővel és felületi hűtővel kialakított klímakészülék üzeme nyáron

6.4.2.1. Távhűtő hálózatok A távhőellátáshoz hasonlóan a hűtési igények is kielégíthetők központosítottan

a fogyasztók sokaságánál, ún. távhűtő hálózatok létesítésével (FAZEKAS). A távhűtés technológiája a világ néhány országában, így mindenekelőtt az Amerikai Egyesült Államokban, Japánban, a Német Szövetségi Köztársaságban és Franciaországban kipróbált és széles körben alkalmazott technológia.

A távhűtő rendszereknek alapvetően két fő típusa különíthető el attól függően, hogy a hűtés a fogyasztói csatlakozó állomásokon telepített hűtőberendezésekben vagy pedig központilag történik. Így beszélhetünk – decentralizált és – centralizált távhűtő hálózatokról. Decentralizlát rendszerekben a fogyasztói állomásokon

lévő abszorpciós hűtőgépek működtetéséhez szükséges hőt a távfűtő hálózat szolgáltatja, ebben az esetben tehát hőt szállítanak a hűtési igénnyel bíró fogyasztók felé. A hűtőgépekben lehűtött hűtőközeget a szekunder hűtőhálózaton juttatják el a megfelelő helyre, általában klímakészülékekhez. A decentralizált hálózatok megfelelő terhelést biztosítanak az alacsony hőigényű időszakban, de hátrányuk, hogy meglehetősen bonyolult és pontos szabályozást igényelnek. Centralizált távhűtőrendszerben az alacsony hőmérsékletű hőhordozót (vizet) keringtetik a hálózatban, melyet a távhűtő központban kompressziós, esetenként abszorpciós berendezésben hűtenek.

Gazdaságossági vizsgálatok azt mutatják, hogy távhűtés alkalmazása ott előnyös, ahol – a hőt villamos energiával együtt (kapcsoltan) fejlesztik, – az éves hűtési csúcskihasználási óraszám 1000 h/a alatt van és



– az épület már eleve a távfűtő hálózatra van csatlakoztatva. A megvalósított távhűtőrendszerekben a hűtési hőmérsékletlépcső általában

6/12 °C, az abszorpciós berendezések munkaközege az esetek döntő többségében lítium-bromid vizes oldata (régebbi berendezésekben ammónia-víz keverék), a hűtőközeg víz, míg a kiűző fűtésére szolgáló közeg hőmérséklete 90..110 °C közötti. Az ingadozó igények minél jobb követése érdekében e hálózatokban is találhatók tárolók, ún. hidegtárolók. A rövid idejű hidegtárolók szigetelt tartályokból állnak, míg a hosszú távú hidegtárolók esetében nagy mennyiségű hűtőközeget hűtenek le természetes úton, s a lehűtött közeget hosszabb ideig tárolják természetes tárolóban. Klasszikus megoldása ennek a télen felszínre hozott és ott lehűtött, majd a vízzáró talajrétegek közé visszaszivattyúzott rétegvíz.


F e

7. TÁVHŐHÁLÓZAT A hőhordozó szállítása az előzőekben megismert hőfejlesztő létesítménye

fogyasztókig a távhőhálózatban történik. A forróvizes távhőhálózatban a vhőforrás(ok)tól számos, területileg szétszórt fogyasztói hőközponthozeljuttatni, miközben a hőforrások is kooperálhatnak egymással. Ezért knégycsöves rendszerekben zárt hálózatok alakultak ki, míg egy- és háromcrendszerekben a használati melegvíz hálózat nyitott. A gőz-kondenzátum hkevésbé kiterjedt, mint a forróvizes távhőhálózat: a hőforrástól általában afogyasztóig menő vezetékpár (nagyobb átmérőjű gőz, kisebb kondenzátujellemző. A hőhordozó szállításának velejárója a hőhordozó nyomáseséhővesztesége.

7.1. A hőhordozó szállítása

7.1.1. A FORRÓVÍZ SZÁLLÍTÁSA KÉTCSÖVES TÁVHŐRENDSZERBEN A víz hőhordozó szállításának nyomásesése a hálózatban (a geod

nyomáskülönbségek elhanyagolásával):

2

2

1 1,b

in

i

m

jj

i

ii

wdL

pρ

ςλ

+=∆ ∑ ∑

= =, (7

ahol n az Li hosszúságú és db,i belső átmérőjű vezetékszakaszok száma, λi vezetékszakasz súrlódási tényezője, m az alaki ellenállások (szelepek, árairányváltozások) száma, ζj a j-ik alaki ellenállás áramlási tényezője, ρ sűrüsége, wi a víz áramlási sebessége az i-ik vezetékszakaszon.

A forróvizes távhőhálózat területi elrendeződése (topográfiája) a fogyhőközpontok területi elhelyezkedésének megfelelően általában bonyoluleggyakoribb kétcsöves távhőrendszer előremenő/visszatérő ágában a foszét- és összefolyásánál biztosítani kell a nyomások azonosságát.

A forróvíz maximális nyomása a keringtető szivattyú (KSZ) után, a minimKSZ előtt van (7–1. ábra). A forróvíz wi sebességgel való áramlása következa nyomás folyamatosan csökken az előremenő/visszatérő ágban. A ma máregészében tipizált fogyasztói hőközpontoknak – azonos forróvíz tömegáramazonos a nyomásesése ( )npp FHKFHK1 ∆∆ … . (Természetesen az egyes fogyhőközpontokban – a hőteljesítményüktől függően – eltérő a forróvíz tömegáígy nyomásesése is.). Ha a legtávolabbi (n-ik) fogyasztói hőközpont nyomásvesszük mérvadónak, akkor a közelebbi (1...n-1) fogyasztónál különböző méalaki ellenállással (szelep fojtással) kell biztosítani a fogyasztói hőköszükséges, tényleges nyomásesését:

nnwpppp nnnnn .....1,

2

2FHK

FHKFHKtényFHKve =+∆=∆=−ρς . (7

7.j e z e t

ktől a izet a kell ét- és söves

álózat z egy m) a se és

etikus

.1)

az i-ik mlási a víz

asztói lt. A rróvíz

ális a tében teljes nál –

asztói rama, esését rtékű zpont

.2)

TÁVHŐHÁLÓZAT

KSZ

pmax p

1e

p1vp

min

∆ pFHK1

pne

pnv

∆ pFHK n

m.

f

7–1. ábra. Forróvizes távhőhálózat vonalas nyomáslefutása

Mivel a forróvíz áramlási sebességeit – adott vezetékeknél – a tömegáram határozza meg, a fogyasztói hőközpontok megfelelő nyomásesésének beszabályozása kiterjedt hálózatnál a tömegáramok beállítását eredményezi. Állandó tömegáramú távhőrendszereknél ez lényegében egyszeri beállítást, míg változó tömegáramnál elvileg minden tömegáramnál új beállítást jelent.

7.1.1.1. Súrlódási tényező A súrlódási tényező

==

b

b ;Redkwd

fυ

λ (7.3)

a csőben áramló víz REYNOLDS-számától és cső belső felületének relatív érdességétől függ, ahol k az átlagos érdesség. A csőben áramló víz sebessége a gyakorlatban kizárólag turbulens áramlást eredményez.

7.1.1.2. Alaki ellenállás tényező A különböző szerelvények, szelepek, ívek alaki ellenállás tényezőit mérésekkel

határozták meg, amelyeket áramlástani kézikönyvek tartalmaznak. A fogyasztói hőközpontoknál jelentős szerepe van a szelepek beállított fojtásának.

7.1.1.3. A víz áramlási sebessége A víz áramlási sebessége

)(

42b tdmwρπ

= (7.4)

a sűrűségén keresztül kismértékben függ a hőmérséklettől. Ez a hidraulikai számításoknál nem okoz jelentős számítási hibát, mert a súrlódási és alaki ellenállás tényezők hibája a sűrűségváltozás mértékénél nagyobb. Az áramló víz kielégítő áramlási sebessége 1..2 m/s.


TÁVHŐHÁLÓZAT

7.1.1.4. A hálózat hidraulikai számítása A bonyolult topográfiájú csővezeték hálózatok stacioner hidraulikai

számítására számítógépi programok készültek, amelyek tartalmazzák: – a hálózat konfigurációját, – a hálózati elemek geometriai adatait (csővezeték hossz, belső átmérő,

érdesség), – a szerelvények, áramlási irányváltások, rendezetlenségek alaki ellenállás

tényezőit; és valamilyen iterációs eljárással - adott szivattyú helynél és nyomásnál -

meghatározzák az egyes csővezetékekben áramló víz tömegáramát, nyomásesését, a távhőhálózat nyomásváltozásának lefutását.

7.1.1.5. A szivattyúzás energiafelvétele A keringtető szivattyú villamos teljesítménye

SZ

hálózatfSZ 2

ηpV

P∆

= , (7.5)

ahol ρ

ff

mV = a forróvíz térfogatárama a hőforrásban, ∆phálózat a hálózat

nyomásesése a távhőrendszerben, ηSZ a szivattyú hatásfoka. A szivattyúzás villamos energia felvétele

, (7.6) ∫=2

1

d)(SZSZ

t

t

ttPE

az időben változó teljesítmény adott időszakra vonatkozó integrálja.

7.1.2. A GŐZ SZÁLLÍTÁSA Távhőellátás hőhordozó közegeként nem csak a forróvíz, hanem a gőz is

számításba jöhet, elsősorban technológiai hőigények kielégítése céljából. A gőzszállítás során fellépő nyomáscsökkenés mind a gőzfejlesztés, mind pedig a szállítás jellemzőit befolyásolja (BÜKI, 1980). A nyomásesés állandó hőmérsékleten ( ).beg, állt = történő szállításkor a

+−−=∆

dL

pp

pw

pp λρ

kig,

beg,

beg,

2bebe

beg, ln211 (7.7)

összefüggéssel határozható meg, ahol a nyomás, beg,p beρ a sűrűség, az áramlási sebesség a vezetékbe való belépéskor, d a gőzvezeték átmérője, L a vezetékszakasz hossza, pedig a nyomás a vezetékszakaszból való kilépéskor. Amennyiben a túlhevített gőz szállítása nem izotermikusan történik, azaz t , akkor a nyomáskülönbség meghatározására a

bew

kig,p

.beg, áll≠


TÁVHŐHÁLÓZAT

beg,

g2bebebeg,

2kig,

2beg, T

TdLwppp λρ≈− (7.8)

közelítő formula szolgál. Telített gőz szállítása esetén a következő egyenlettel számítható a nyomásesés:

dLwp

mm

pp λρ 2bebebeg,

beg,

kig,2kig,

2beg, ′′

′′

′′≈− , (7.9)

ahol a belépő és a kilépő gőz tömegáram különbsége adja a kivált kondenzátum mennyiségét

. (7.10) kig,beg,k mmm ′′−′′=

A gőz belépő sebességét úgy célszerű megválasztani, hogy kilépéskor ne lépje túl a 40..50 m/s értéket, mivel nagy sebességeknél a nyomásesés értéke jelentősen megnő. A gőzvezeték hőveszteségét a

( kgggvesztg, TTkLdZQ ′−= π ) (7.11)

egyenlettel, míg a visszatérő kondenzvezeték hőveszteteségét a

( kkkkvesztk, TTkLdZQ ′−= π ) (7.12)

összefüggéssel határozhatjuk meg. A fenti összefüggésekben , és 1g >Z 1k <Z korrekciós tényezők. A hőveszteség csökkenti a szállított gőz entalpiáját

g

vesztg,g m

Qh =∆ . (7.13)

A gőznyomáscsökkenés és entalpiaváltozás alapján meghatározhatók a kilépő gőz jellemzői, valamint a kiváló kondenzmennyiség. A gőzvezetékekben a szállítás közbeni kondenzáció miatt ún. kondenzgyűjtő és –elvezető szerelvényeket kell beépíteni.

7.2. Víz hőhordozójú távhőrendszerek nyomástartása A nyomástartás feladata, hogy a zárt hidraulikai (forróvíz, melegvíz) körökben

kialakuló nyomásmező irányított legyen, és ez az állapot mind üzemközben, mind üzemszünetben, mind tranziens állapotban – az adott tervezési követelmények között – kellő üzembiztonsággal állandóan fennmaradjon. A megfelelő nyomástartás hiánya depressziós, kavitációs és kigőzölgési veszélyt jelent, ill. nem megengedett nyomásnövekedést okoz. Ezért a nyomástartó berendezés a hálózat minden pontjában és minden időpillanatban

– akadályozza meg a gőzképződést, azaz ( ) ( ttptp ,,, vízhálózat s,hálózat rr > ), – ne lépje túl a megengedett nyomást, azaz phálózat (r,t) < peng, – továbbá a víz térfogatváltozásait is kompenzálja.


TÁVHŐHÁLÓZAT

7.2.1. A NYUGALMI NYOMÁS MEGVÁLASZTÁSA Az MI 0985002 sz. műszaki irányelv szerint víz nyugalmi nyomásának ki kell

elégíteni (7–2. ábra) peng ≥ pN ≥ pNmin = pHFmin + pG + a∆pmax + pB (7.14) egyenlőtlenséget, ahol peng a megengedett (engedélyezési) nyomás, amely a csővezeték névleges

nyomásának (PN) kiválasztásával ismert, pN a nyugalmi nyomás, pNmin minimális nyugalmi nyomás, pHFmin a hőforrás minimális nyomása (lásd 3.1.2. szakasz; fűtőkondenzátoroknál

pHFmin=ps(te0)), pG a hálózat maximális geodetikus nyomása: gHp ρmaxG ∆= ,

∆Hmax a távhőrendszer állandó nyomású pontja és a maximális magasságú fogyasztó közti geodetikus szintkülönbség,

ρ a víz méretezési sűrűsége (ts ≤ 100 °C ρ=990 kg/m3, ts > 100 °C ρ=950 kg/m3), g a nehézségi gyorsulás; ∆pmax a hálózatban a víz keringtetésének maximális nyomásesésű (legtávolabbi)

fogyasztója, a a nyomástartás típusától függő tényező:

a ≤ 1 ⇒ felsőpontos, 0 ≤ a < 1 ⇒ közbensőpontos, a = 0 ⇒ alsópontos nyomástartás;

pB a tranziens folyamatok és a nyomástűrések miatti biztonsági járulék:

Rendszer térfogat,m3 <1000 1000..5000 5000..10000 >10000 pB egylépcsős szivattyúzás 0,6 1,2 1,6 2,0 többlépcsős szivattyúzás - 1,4 2,0 2,3


TÁVHŐHÁLÓZAT

p

bar

t, °C

1

100

p = f ( ts s )

pB

pmax

∆

pG

pHFmin

tHFmin

pNmin

pN

pmeg

(PN)

7–2. ábra. A víz nyomás-hőmérséklet diagramja (MI 0985002)

7.2.2. A NYOMÁSTARTÁS MÓDSZEREI Forróvizes távhőrendszerekben a forróvíz nyomása három módszerrel

biztosítható. Statikus nyomástartás (saját gőzpárnás nyomástartás): a nyomást a

hőforrásban kialakuló gőzpárna biztosítja. Jellemző a nagyvízterű gőzkazánnal vagy keverőkondenzátorral üzemelő távhőrendszerekre.

Dinamikus nyomástartás: a nyomást külön nyomástartó szivattyú biztosítja. Jellemző a forróvízkazánokkal üzemelő távhőrendszerekre. A nyomástartás szabályozott jellemzője az állandó nyomású pont nyomása, amely a pótvíz be- ill. elvezetésével biztosítható. Az állandó nyomású pont helyzetétől függően:

– alsópontos (pa), – felsőpontos (pb), – közbenső vagy műpontos (pk), nyomástartás különböztethető meg (7–3. ábra). A dinamikus nyomástartás veszélyessége abban van, hogy villamos energia

kiesésnél azonnal megszűnik a nyomásviszonyok uralhatósága, mert megszűnik a nyomástartó szivattyú hajtása.

Kvázistatikus nyomástartás: külön nyomástartó edényben gőzpárnás nyomástartás és szabályzókon keresztül kapcsolat a hidraulikai rendszerrel. A kvázistatikus nyomástartás egyesíti a statikus és dinamikus nyomástartás előnyeit:

– azonos biztonság a statikus (gőzpárnás) nyomástartással, – szabályzókkal műpontos nyomástartás a rendszerben. Jellemző a fűtőerőművi forróvizes hőkiadásra.


TÁVHŐHÁLÓZAT

A forróvíz betáplálásától és elvételétől függően – alsópontos betáplálás, felsőpontos túlömlés (7–4. ábra), – alsópontos betáplálás, alsópontos túlömlés, – felsőpontos betáplálás, alsópontos túlömlés különböztethető meg.

FK

FK

fk

ap

a

pk

pf

7–3. ábra. A dinamikus nyomástartás változatai

NYT

biztonsági szelep

visszatérő ág

gőz

7–4. ábra. A gőzpárnás nyomástartás elvi sémája alsópontos betáplálással és

felsőpontos túlömléssel

7.2.3. A VÍZ TÉRFOGATÁNAK KOMPENZÁLÁSA A távhőrendszer víztérfogata időben változhat

pleeresztvízvesztRvízvíz d],[d],[)()( mmm

ttpVtptVtM ±−−==

ρρ (7.15)

– a VR térfogatú rendszerben a nyomás és/vagy a hőmérséklet változás

hatására bekövetkező víztérfogat változás

tV

dd

Rρ , és


TÁVHŐHÁLÓZAT

– a keringtetett forróvíz veszteségei ( ) és leeresztései (m ) miatt, vízvesztm leereszt

amelyet a pótvíz be- vagy elvezetésével ( ) kell kompenzálni. A különböző leeresztéseket vízgazdálkodási szempontból célszerű összekötni a víztisztítási feladatokkal.

pm

7.3. A távhőhálózat hővesztesége

7.3.1. FORRÓVIZES TÁVHŐHÁLÓZAT A távhőhálózat hőveszteségét a hőszállítás módja, mely történhet – talajszint felett (szabad vezeték), – földben védőcsatornában, – földben talajban; befolyásolja. A hőátvitel – a számos befolyásoló tényező jellemző adatainak

hiányos ismerete miatt – csak kielégítő pontossággal számítható.

7.3.1.1. Az egyes hőszállítási módok hőátvitelét befolyásoló tényezők Szabadvezeték Jellemző a városon kívül levő hőforrás és a városi rendszer közti szállításra. A hőátviteli tényező k = f(tl, wszél, te, tv, wvíz, ..., hőszigetelés állapota) a környezeti levegő hőmérsékletétől (tl), a szél sebességétől (wszél), a forróvíz

előremenő (te) és visszatérő (tv) hőmérsékletétől, a víz áramlási sebességétől (wvíz) és a hőszigetelés állapotától függ.

Vezetékek a védőcsatornában Jellemző a nagyvárosokban korábban (1950..1980 között) épült nagyobb méretű

vezetékekre. A hőátviteli tényező k = f(tlcs, ωlcs, szellőző aknák távolsága, száma, wlcs, ttalaj, talaj összetétele,

λtalaj, te, tv, wvíz, ..., hőszigetelés állapota), értéke függ a védőcsatornában tartózkodó levegő hőmérsékletétől (tl), a

védőcsatornában áramló levegő nedvesség tartalmától (ωlcs) sebességétől (wlcs), a szellőző aknák távolságától, számától, a talaj hőmérsékletétől (az 1 m-nél mélyebb fektetésnél szezonális ingadozása minimális ttalaj=6..10 °C), összetételétől és eredő hővezetési tényezőjétől (λtalaj), a forróvíz előremenő (te) és visszatérő (tv) hőmérsékletétől, a víz áramlási sebességétől (wvíz) és a hőszigetelés állapotától függ.

Vezetékek a talajban Jellemző az 1980-as évek óta elterjedt műanyag csővezetékekre, de számos,

korábban fektetett acélcső is a talajban fut.


TÁVHŐHÁLÓZAT

A hőátviteli tényező k = f(ttalaj, talaj összetétele, λtalaj, te, tv, wvíz, ..., hőszigetelés állapota) a talaj hőmérsékletétől, összetételétől és eredő hővezetési tényezőjétől (λtalaj), a

forróvíz előremenő (te) és visszatérő (tv) hőmérsékletétől, a víz áramlási sebességétől (wvíz) és a hőszigetelés állapotától függ.

Mindhárom fektetési módnál jelentős befolyással bír a hőszigetelés állapota. A csövek hőszigetelése idővel elhasználódik, helyenként környezeti hatásokra (szél, nagy nedvesség tartalom a csatornában, agresszív talaj) megrongálódik, amelynek eredményeként az elvárhatónál nagyobb lesz a távhőhálózat hővesztesége.

7.3.1.2. A távhőhálózat hővesztesége A forróvíz eltérő hőmérséklete miatt eltérő az előremenő

, (7.16) )][( kl,e1

,e,eev, tttAkQ i

i

iii −= ∑

=

ill. a visszatérő ág

, (7.17) )][( kl,v1

,v,vvv, tttAkQ i

i

iii −= ∑

=

hőveszteség árama, ahol ke,i az i-ik előremenő ág, kv,i az i-ik visszatérő ág vize és a környezet közti

hőátviteli tényezője, amelynek elfogadható értékei: ke≈1,2..2,5 W/(m2·K), ill. kv≈1,2..3,0 W/(m2·K) az eltérő szigetelés miatt; A az i-ik előremenő ág, Av,i az i-ik visszatérő ág hőátvivő felülete, te,i(tl) az i-ik előremenő ágban, tv,i(tl) az i-ik visszatérő ágban áramló forróvíz – környezeti levegő hőmérséklettől (tl) – függő hőmérséklete, tk a környezeti hőmérséklet, amely

e,i

– szabad vezetéknél tk=tl, – védőcsatornában tk=tlcs, – talajban tk=ttalaj. A távhőhálózat hőveszteség árama

(7.18) )( l1

,vv,1

,ev,veszthál, tfQQQi

ii

i

ii =+= ∑∑

==

– adott távhőhálózat szigetelési állapot mellett – alapvetően a külső levegő hőmérséklet függvénye. Az n-ik fogyasztói hőközpontban az előremenő víz hőmérséklete

pif

i

ii

n cm

Qtt

,

1,ev,

eHF,e

∑=−= (7.19)

kisebb, mint a hőforrásból kilépő forróvíz hőmérséklete, ill. a hőfejlesztés alrendszerbe visszatérő víz hőmérséklete


TÁVHŐHÁLÓZAT

pi

i

ii

n cm

Qtt

,f

1,vv,

,vHFv,

∑=−= (7.20)

a fogyasztói hőközpontokból kilépő, elvileg különböző hőmérsékletű víz összekeveredésének és a visszatérő vezeték hőveszteségének az eredménye.

A távhőhálózat számított hővesztesége a veszteség áramok meghatározott időszakra vonatkozó integrálja

, (7.21) tQtQQt

t

n

ii

t

t

n

ii dd

2

1

2

1 1,vv,

1,ev,veszt ∫∑∫∑

==+=

amely összehasonlítható a korábbi azonos tl hőmérsékletű időszakok tényleges hőveszteségével. A tényleges hőveszteség

(7.22) ∑=

−=n

iQQQ

1fFHKtHFveszt

a hőforrásból kiadott és a hőforráshoz tartozó n fogyasztói hőközpontban felhasznált mért hő különbsége. Amennyiben jelentős az eltérés, a távvezeték különböző szakaszain végzett mérésekkel meg lehet állapítani a nagyobb hőveszteség okát, az egyes vezetékszakaszok hőszigetelésének állapotát.


F

8. FOGYASZTÓI HŐKÖZPONTOK A fogyasztói hőközpontok feladata, hogy összeköttetést teremtsenek a for

távhőrendszer és a fogyasztó között. A hőközpont hőfogadóból és fogközpontból áll. A fogyasztói hőközpontok kialakításánál előnyben kell résza közvetett kapcsolású központokat. Közvetlen kapcsolású hőközponindokolt esetben, egyedi elbírálás alapján létesíthető. A fogyasztói hőközárt rendszerként kell kialakítani, azaz a töltő-, ürítő- és légtelenítő vezkívül a primer oldalon más, vízelvezetésre szolgáló vezetéket és szerbeépíteni nem szabad. (A továbbiakban fogyasztói hőközpont alatt a hőnélküli fogyasztói központot értjük.)

8.1. Hőfogadó állomás A hőfogadó állomás a hőhordozó közeg átadására, mérésére, szabályozásá

fogyasztói központ távhőrendszerre való csatlakoztatására szolgál. A hőállomás elvi kialakítását a 8–1. ábra mutatja. A felsorolt feladatok eérdekében a hőfogadót el kell látni

– nyomásmérőkkel, – hőmérőkkel, – fogyasztónkénti hőmennyiség-mérőkkel, valamint – nyomáskülönbség és térfogatáram szabályozó berendezésekkel.

HM

Távhőrendszer HŐFOGADÓFogyasztóihőközpont

nyomásmérő

hőmérő

szűrő

térfogatáram-mérő

HM hőmennyiség-mérő

hőmérséklet érzékelő kombinált szabályozószelep

8–1. ábra. Hőfogadó állomás elvi kialakítása (FŐTÁV)

8.e j e z e t

róvizes yasztói esíteni t csak zpontot etéken

elvényt fogadó

ra és a fogadó llátása

FOGYASZTÓI HŐKÖZPONTOK

8.2. A fogyasztói hőközpontok kapcsolása A fogyasztói hőközpontokban lévő hőcserélőkben a távhőrendszer felől érkező

primer fűtési forróvíz lehűl és felmelegíti a szekunder fűtési melegvizet, valamint a használati melegvizet. A fogyasztói hőközpont hőmérlege

)()(

)(

ivóvízhmvhmvmvmemfhmvmf

veffFHK

ttcmttcmQQ

ttcmQQ

pp

p

−+−=+=

=−== (8.1)

elvileg mindig fennáll, de nézzük meg biztosítható-e minden tl-nél – a névleges szabályozási diagramhoz tartozó előremenő/visszatérő forróvíz hőmérsékleteknél – az egyes hőcserélők utáni megkívánt vízhőmérséklet (8–2. ábra).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

15 13 11 9 7 5 3 1 -1 -3 -5 -7 -9 -11 -13 -15Külső levegő hőmérséklet, °C

Vízhőmérséklet, °Cet

vt

met

mvt

tt ∆+hmv

I. tartományII. tartományIII. t.

8–2. ábra. 130/70 °C fűtési forróvíz előremenő/visszatérő (te/tv), 90/70 °C fűtési melegvíz

előremenő/visszatérő hőmérséklete (tme/tmv) és a használati melegvíz megkövetelt hőmérséklete a minimális hőfokréssel (thmv+∆t=2 °C) 45+2 = 47 °C a külső levegő hőmérséklet függvényében

A 130/70 °C névleges hőmérsékletű forróvizes távhőrendszerben a fűtési idényben (tl=12 °C tl=–15 °C intervallumban) – állandó tömegáramoknál – a forróvíz előremenő hőmérséklete te=130..51,3 °C, visszatérő hőmérséklete tv=70..37,5 °C, a fűtési melegvíz előremenő hőmérséklete tme=90..36 °C, visszatérő hőmérséklete tmv=70..31,4 °C intervallumban változik, miközben a használati melegvíz megkövetelt minimális hőmérséklete thmv=45 °C. A 8–2. ábra alapján a szabályozás a fűtési szezonban három részre osztható.

Az első működési tartomány a

pcmQttt

f

hmvhmvv +∆+>



eset, azaz, amikor a fűtési hőcserélőben lehűlt forróvíz hőmérséklete – a minimális hőfokréssel (∆t) együtt – elegendően nagy a használati melegvíz hőmérsékletének előállítására. (A 8–2. ábrán a hmv hőcserélőben 5 °C-os forróvíz lehűlést feltételezve tl=–15..+1 °C között, I. tartomány.) Ebben a tartományban a fűtési és hmv hőcserélő forróvíz oldalon sorbakapcsolva üzemel.

A következő működési tartomány a

pcmQttt

f

hmvhmvv +∆+≤

eset azaz, amikor a fűtési hőcserélőben lehűlt forróvíz hőmérséklete – a minimális hőfokréssel együtt – már nem elegendő a használati melegvíz hőmérsékletének előállítására. (A 8–2. ábrán a hmv hőcserélőben 5 °C-os forróvíz lehűlést feltételezve tl=+1..+12 °C között, II. tartomány.) Ebben a tartományban változtatni kell a fűtési és hmv hőcserélő sorbakapcsolásán. Attól függően, hogy ezt a változtatást milyen módon valósítják meg, különböző a fogyasztói hőközpontok kapcsolása. Közvetett fogyasztói hőközpontoknál

– sorrendcserélhetős és – kétlépcsős (elő- és utófűtő hmv) kapcsolású fogyasztói hőközpont különböztethető meg. Sorrendcserélhetős fogyasztói hőközpontokban egy fűtési és egy hmv hőcserélő

van. Hidegebb időjárásnál fűtési és hmv hőcserélő a sorrend (8–3/a. ábra), míg melegebb időjárásnál a két hőcserélő sorrendjét megcserélik: hmv és fűtési hőcserélő (8–3/b. ábra). A kétlépcsős kapcsolású fogyasztói hőközpontokban két hmv és egy fűtési hőcserélő van, a fűtési forróvíz áramlása szerint hmv2-fűtési-hmv1 sorrendben. Hidegebb időjárásnál hmv2 nem üzemel, és a fűtési forróvíz előbb a fűtési, majd a használati melegvizet melegíti fel. Melegebb időjárásnál a fűtési forróvíz előbb a használati melegvizet melegíti fel thmv1-ről thmv-re, majd a fűtési melegvizet, végül ismét a használati melegvizet tivóvíz-ról thmv1 hőmérsékletre, miközben te-ről tv-re hűl le (8–3/c. ábra).

Közvetlen fogyasztói hőközpontoknál csak használati melegvíz felületi hőcserélő van, s a számuk egy vagy kettő. Egy használati melegvíz hőcserélőnél (8–4/a. ábra) a visszatérő forróvíz melegíti fel a használati melegvizet. Hidegebb időjárásnál a visszatérő forróvíz hőmérséklete elegendő ehhez, míg melegebb időjárásnál az előremenő forróvízből kevernek annyit vissza, hogy a visszatérő forróvíz hőmérséklete megfelelő legyen. Két használati melegvíz hőcserélőnél (8–4/b. ábra) hmv1 a forróvíz visszatérő, hmv2 pedig az előremenő ágába van bekapcsolva. Hidegebb időjárásnál hmv2 nem üzemel, és a visszatérő forróvíz melegíti fel a használati melegvizet. Melegebb időjárásnál a visszatérő forróvíz tivóvíz-ról thmv1-re a hmv1-ben, majd az előremenő forróvíz thmv1-ről thmv-re melegíti fel a használati melegvizet. A fogyasztói hőközpontokban minden hőcserélő megkerüléssel van ellátva, s minden kapcsolás fontos elemei a keverőszelepek.



te

t

tmv

tme

tivóvíz

thmv

= 45 °C

a.,

vf hmv

te

te

tmv

tme

tivóvíz

thmv

= 45 °C

b.,

f hmv

te

te

tmv

tme

tivóvíz

thmv

= 45 °C

c.,

hmv2 hmv1

thmv1

f

8–3. ábra. Közvetett fogyasztói hőközpontok kapcsolása (MSZ 0985007)



a.,

te

tv

tivóvíz

thmv

tme

tmv

hmv

b.,

te

tv

tivóvíz

thmv

tme

tmv

hmv1

hmv2

8–4. ábra. Közvetlen fogyasztói hőközpontok kapcsolása (MSZ 0985007)

Nyáron csak a használati melegvíz hőcserélő üzemel, így a fogyasztói hőközpont hőmérlege

. (8.2) )()( ivóvízhmvhmvhmvveffFHK ttcmQttcmQQ pp −==−==

A 8–2. ábra hőmérséklet viszonyai mutatják, hogy a nyári időszakban (III. tartomány) – a t °C-hoz tartozóhoz képest – meg kell emelni a forróvíz előremenő hőmérsékletét (pl. a 8–2. ábrán t

12l +=e/tv=60/55 °C), mert – adott hmv

hőcserélő felület mellett – a fűtési szabályozási diagramhoz tartozó te túl közel van (thmv+∆t)-hez). A forróvíz hőmérsékletének nagyobb mértékű növelése pedig lehetővé teszi a keringtetett forróvíz tömegáramának nagyobb mértékű csökkentését.



8.3. Víz-víz hőcserélők A fogyasztói hőközpontokban – hazánkban – háromféle víz-víz hőcserélő típus

fordul elő: – köpenycsöves (1960-70-es években volt jellemző), – növelt hőátadású csöves (1980-as évek) és – lemezes (90-es években).

8.3.1. KÖPENYCSÖVES HŐCSERÉLŐK A köpenycsöves hőcserélőkben (8–5. ábra) a csőtérben – általában – a kisebb

tömegáramú vagy a nagyobb szennyezőanyag tartalmú víz (a tisztítások könnyebb elvégzése miatt), míg a köpenytérben a nagyobb tömegáramú vagy a kisebb szennyezőanyag tartalmú víz áramlik. A hőcserélő felület megválasztásánál törekedni kell arra, hogy a csőtéri (α∼w0,8) és a köpenytéri (α∼w0,6) hőátadási tényező közel azonos legyen, mert ez eredményezi – adott tömegáramok és hőmérsékletek mellett – a maximális hőátviteli tényezőt.

8–5. ábra. Áramlási kép a köpenycsöves hőcserélőben

8.3.2. NÖVELT HŐÁTADÁSÚ CSÖVES HŐCSERÉLŐK A növelt hőátadású csöves hőcserélők egyik típusa a spirálcsöves (pl. FŰTŐBER

SKRX, 8–6. ábra) hőcserélők. Az egyenes csőhöz képest a spirálcső az R/d (R a hajlítás sugara, d a cső külső átmérője) viszonytól függően 15..30 %-kal növeli a csőtéri hőátadási tényezőt. Az SKRX hőcserélők csőtéri hőátadási tényezőjét tovább növeli a csőtéri felület rovátkolása 0,2..0,3 mm mélységben. A rovátkák a fal mellett áramló víz nagyobb mértékű turbulenciáját eredményezik. A köpenytérben – a köpenycsöveshez képest – kisebb áramlási keresztmetszet növeli a köpenytérben áramló víz sebességét, s ezzel a hőátadási tényezőt.

A csőtérben – itt is – a kisebb tömegáramú vagy a nagyobb szennyezőanyag tartalmú víz, míg a köpenytérben a nagyobb tömegáramú vagy a kisebb szennyezőanyag tartalmú víz áramlik. A hőcserélő felület kiválasztásánál – e típusnál is – törekedni kell arra, hogy a csőtéri (α∼(1,15..1,3)w0,8) és a köpenytéri (α∼w0,6) hőátadási tényező közel azonos legyen, mert ez eredményezi – adott tömegáramok és hőmérsékletek mellett – a maximális hőátviteli tényezőt.



8–6. ábra. FŰTŐBER SKRX hőcserélő (gyártmányismertető)

8.3.3. LEMEZES HŐCSERÉLŐK Elterjedőben vannak a lemezes hőcserélők (8–7. ábra), amelyek kisebb

helyigényűek, és nagyobb hőátadási, hőátviteli tényezőkkel bírnak, mert a kisebb áramlási keresztmetszetek miatt nagyobbak az áramlási sebességek, mint a csöves hőcserélőkben.

A hőcserélőket a gyártók a felület nagysága szerint tipizálták. A hőcserélőkben a két vízáramot – ha ez lehetséges – ellenáramban kell szervezni a maximális logaritmikus hőmérsékletkülönbség (kisebb felület) biztosítása miatt. A hőcserélők csöveinek, lemezeinek anyagminősége ma már rozsdamentes acél, a fűtési és használati melegvíz agresszív szennyezőanyagai miatt bekövetkező korrózió minimalizálására. Ezen kívül a hőcserélők köpenycsöves ⇒ növelt hőátadású csöves ⇒ lemezes sorrendben érzékenyek a víz szennyeződéseire. (A hazai távhőrendszerekben a forróvíz általában tisztított, míg a fűtési és használati melegvíz általában tisztítatlan víz.)

A hőcserélők méretének (felület nagyságának) kiválasztása a névleges levegő hőmérséklethez (tl0) tartozó névleges előremenő/visszatérő forróvíz (te0/tv0) és melegvíz (tme0/tmv0, ill. tivóvíz,min/thmv) hőmérsékletekre valamint a névleges forróvíz (m ), melegvíz (m ) tömegáramokra történik. Ehhez számos gyártónak saját méretezési eljárása van. Azonban a hőcserélők a gyakorlatban általában a névleges állapottól eltérő hőmérsékletekkel, tömegáramokkal üzemelnek. Ezért a kiválasztott hőcserélők felületét több valós üzemállapotra is ellenőrizni kell, a felület állapot elszennyeződésének figyelembe vételével (különösen a hmv hőcserélőknél, de a fűtési hőcserélőknél is). Az ellenőrző számításoknál – a gyártók méretezési eljárása helyett – célszerű a víz-víz hőcserélők – hasonlósági kritériumokon alapuló – hőátadási tényező számítási eljárásait alkalmazni.

f0 hmv0m0 , m



8–7. ábra. Lemezes hőcserélő felépítése: 1 lemezcsomag, 2 bordázott lemezek ki és belépő

nyílásai, 3 szorító csavarok, 4 tömítés, 5 tartó rúd, 6 kezdőlemez, 7 fej be- és kilépő nyílással, 8 mozgólap csatlakozásokkal, 9 vezető rúd, 10 tartó keret (APV termékismertető)


F

9. FORRÓVIZES TÁVHŐRENDSZEREK Az előző fejezetekben megismerkedtünk a távhőellátás elemeinek (a hői

a különböző hőforrások, a hálózat és fogyasztói hőközpontok) kérdéserendszerelmélet szerint „a rendszer más és több mint a részek ö(L. BERTALANFFY), ezért ebben a fejezetben a távhőellátás rendszekérdéseivel foglalkozunk a legelterjedtebb forróvizes távhőrendszeren kere

9.1. A hőellátási módok összehasonlítása Egy mérsékelt vagy hideg égövi ország energiagazdálkodásában a távhő

jelentős szerepet játszhat. A forróvizes távhőellátás országos energiagazdálkodásban elfoglalt helyét szemlélteti a 9–1. ábra.

Tüzelőanyag ellátásQü

HőigényQh

HőfelhasználásQf

Villamosenergia-rendszerE

Kondenzációs erőművek

Villamos fűtés TávhőellátásQTH

hulladékhő, megújuló energiák, komm. és ip. hull.

Fűtőerőművek

Fűtőművek Egyhőellá

9–1. ábra. A távhőellátás energetikai-gazdasági modellje (BME HRI OKKFT tanulmány alapján)

Az energiagazdálkodás vizsgált rendszerei: – országos tüzelőanyag ellátó rendszer, – országos villamos energia rendszer, – egyedi hőellátás sokasága, a regionális távhőellátó rendszerek összesA hőfelhasználás és a hőigény szintjének megkülönböztetését – kü

tervezési, irányítási megfontolásból – az indokolja, hogy általában

hf QQ ≠

a hőigény és a hőfelhasználás nem esik egybe. Ennek számtalan mgazdasági oka lehet (pl. a lakóépületek állapota). Energiagazdá

9.e j e z e t

gények, ivel. A sszege” rszintű sztül.

ellátás szintű

editás

sége. lönösen

(9.1)

űszaki-lkodási

FORRÓVIZES TÁVHŐRENDSZEREK

szempontból egyaránt fontos a hőigény és a hőfelhasználás mérséklése. A hőigényt főleg műszaki intézkedésekkel (pl. jó szigetelésű épületek, vezetékek), míg a hőfelhasználást főleg közgazdasági intézkedésekkel (pl. energiatakarékos fogyasztói viselkedés elterjesztése) lehet csökkenteni.

A tüzelőanyag ellátó rendszer biztosítja a nemzetgazdaság primer energiaigényét. A primer energiahordozók (szén, olaj, földgáz és nukleáris fűtőanyag) a villamos energia rendszerben, az egyedi és távolsági hőellátásban és közvetlenül (pl. meghajtás) hasznosulnak.

A különböző hőellátási módok energetikai összehasonlítása a primer (primer energiahordozóra vonatkoztatott) fajlagos tüzelőhőfelhasználással történhet

f

üQ Q

Qq = , (9.2)

amely megmutatja, hogy az adott hőellátásnak mekkora a primer tüzelőhőfelhasználása a tüzelőanyag ellátó rendszerből.

A távhőellátás alternatívája az egyedi hőellátás. Az egyedi hőellátásnál a fogyasztók maguk szerzik be a tüzelőanyagot (szén, fa, olaj) és maguk hasznosítják. Az 1980-as években Ausztriában felmérést végeztek, hogy az egyedi hőellátásnak mekkora a primerenergiára vonatkoztatott fajlagos tüzelőhőfelhasználása, s azt találták, hogy

0,2f

üegyediQ, ≈=

QQq ,

azaz a tüzelőanyagok összes egyedi fogyasztóhoz való eljuttatása, a tárolási, szállítási veszteségek, az egyedi fogyasztóknál való rosszabb hatásfokú hasznosulása összességében 2 J/J primerenergiára vonatkozó átlagos fajlagos tüzelőhőfelhasználást eredményez. Nem valószínű, hogy Magyarországon jobb a helyzet, ezt a fajlagos energiafelhasználást elfogadhatjuk összehasonlítási alapnak. Ennél a fajlagos energiafelhasználásnál nagyobb a villamos fűtésre fordított primer fajlagos tüzelőhőfelhasználás

1,45,3)9,085,0)(92,085,0(34,0

11

berszrf

üvillamosegyedi,Q, …

……====

ηηηQQq ,

ahol ezt a villamos energia előállítás (ηr), a szállítás (ηsz) és a villamos fűtésű berendezés (ηber) veszteségei eredményezik. (Ennek ellenére az éjszakai fűtésű villanykályhák az 1970-es években alacsony ártarifával kedvezményezettek voltak a villamos energia rendszer nagyobb éjszakai teljesítményének biztosítása miatt.)

A lakossági egyedi fűtés területén egyre nagyobb részarányt képvisel a vezetékes földgáz. A földgázzal fűtött lakások primer fajlagos tüzelőhőfelhasználását

63,136,134,0

08,005,01)85,080,0)(99,095,0(

1

11

r

sz

bertf

üföldgázegyedi,Q,

…………

=

+=

=

+==

ηηηy

QQq



a tárolási (ηt) és a földgáz fűtésű berendezések (ηber) veszteségei valamint a szállítás (ysz) primerenergia felhasználása eredményezi.

A távhőellátás hőforrásai fűtőművek és gőz vagy kombinált gáz-gőz fűtőerőművek lehetnek. A távhőellátás primerenergia-felhasználását fűtőműveknél

6,13,134,0

04,002,01)08,104,1)(3,12,1(

)1(r

szFMf

üFMtávhő,Q,

………… =

+=

+==ηyqq

QQq

a hőfejlesztés (qFM), a hőszállítás (qsz) és a villamos energia felhasználás (y) primerenergia-felhasználása eredményezi, amely közel azonos a földgáztüzelésű egyedi hőellátáséval. A távhőellátás primer fajlagos tüzelőhőfelhasználását nemzetgazdasági szinten csökkenti a kapcsolt energiafejlesztés, mert

)()(),( FMü,KEü,FEü, QQEQEQQ +< , (9.3)

a fűtőerőműben felhasznált tüzelőhő mennyisége kisebb, mint ha a fűtőerőműben termelt villamos energiát és hőt külön-külön, kondenzációs erőműben és fűtőműben termelnénk meg. Tehát

FMtávhő,Q,FEtávhő,Q, qq < , (9.4)

és más kérdés, hogy ezt az energetikai „alapigazságot” az állami irányítás közgazdaságilag ez idáig nem tudta érvényesíteni.

A helyes állami irányításnak – az árakon keresztül – vissza kell tükrözni a különböző hőellátási módok primerenergiára vonatkozó (nemzetgazdasági) fajlagos tüzelőhőfelhasználását. Ezeken belül megférnek állami orientáló preferenciák is, amelyeket a tüzelőanyag árában érdemes érvényesíteni. Ugyanakkor a primer fajlagos tüzelőhőfelhasználás alapján történő összehasonlítás az egyre fontosabb környezeti hatásokat nem képes figyelembe venni. Valószínűsíthető, hogy a távhőellátás kevesebb káros anyag kibocsátással jár, mint az egyedi hőellátás.

9.2. A közvetlen és kapcsolt energiafejlesztés összehasonlítása A forróvizes távhőellátás energetikai hatékonyságát – adott hálózatnál és

fogyasztói hőközpontoknál – a hőfejlesztés energetikai hatékonysága (primer tüzelőhőfelhasználása) határozza meg. Nézzük meg milyen primer tüzelőhőmegtakarítást eredményez a kapcsolt energiafejlesztés.

A 9–2. ábra a csak hőt előállító fűtőmű, a csak villamos energiát előállító kondenzációs erőművi blokk és két (ellennyomású gőz és kombinált gőz-gőz) fűtőblokk energiafolyam ábráját mutatja. A szemléltetés végett a fűtőmű és a kondenzációs blokk egységnyi hőt és villamos energiát állít elő.



Közvetlen hőfejlesztés

FŰTŐMŰ

H Q

üQ

ü( )mH1 Qη− vesztFM,Q

FM 1 JQ =

KONDENZÁCIÓS ERŐMŰ

H T E

Q2

11

21 QT

T

−

11

2 QT

T

TP

2Q

( ) TmE1 Pη−

veszt2,Qü( )mH1 Qη−

KEE =

üQ(2,63..4)

(1,15..1,25)1 J

J)15,5..78,3(ü∑ =Q

Kapcsolt hő és villamosenergia-fejlesztés

(ELLENNYOMÁSÚ) FŰTŐERŐMŰ

H T E

Q

É

E

ET

KOMBINÁLT GÁZ-GŐZ HŐSZOLGÁLTATÓ ERŐMŰ

TK

HH

11

1 QT

T ell

−

11

QT

T ell

TP

ellQ

( ) ümH1 Qη−

( ) TmE1 Pη−

FEE =

FEQ =

ümÉ )1( Qη−TmE )1( Pη−

TP

vesztQHHQ

vesztHH )1( Qη−

ellQ

gTP

gTmE )1( Pη−

G/GE =

G/GQ =

ü)15,5..78,3( Qü)15,5..78,3( Q

(0,94..0,77) J

(1,7..2,54) J

(1,55..1,36) J

(0,71..1,32) J

üGTGT QP η=

9–2. ábra. A fűtőmű és a kondenzációs gőzerőmű, valamint az ellennyomású gőz és a kombinált gáz-gőz fűtőblokk energiafolyamábrái



A fűtőmű egységnyi hőjéhez tartozó tüzelőhő-felhasználás , )25,115,1(]1[ FMFMüFM …=== QqQ

míg a kondenzációs blokk egységnyi villamos teljesítményéhez tartozó tüzelőhő-felhasználás

463,2)25,038,0(

1]1[1KE

KEüKE …

…==== EQ

η,

így egységnyi hő és villamos energia előállításának tüzelőhő-felhasználása )15,578,3()00,463,2()25,115,1(üKEüFMü ……… =+=+= QQQ .

Látható, hogy a tüzelőanyag kb. 2/3-a a villamos energia előállítására fordítódik, s minél nagyobb a villamos energia fejlesztés hatásfoka, annál kisebb az egységnyi hő és villamos energia előállításához tartozó tüzelőhő.

A kapcsolt energiafejlesztés által elérhető tüzelőhő-megtakarítás meghatározásához ezt a tüzelőhő-felhasználást vesszük alapul, így a fűtőerőmű tüzelőhő-felhasználása (3,78..5,15) J/J. Ellennyomású gőz fűtőblokknál ebből a tüzelőhőből

)57,270,1()15,578,3)(5,045,0(

)77,094,0()15,578,3)(15,025,0(

üQFE

üEFE

………………

=====

QQQE

ηη

villamos energiát és hőt állíthatunk elő. Tehát az ellennyomású fűtőblokk a közvetlen hő és villamosenergia-fejlesztés azonos tüzelőhő-felhasználásából

)57,157,0()57,257,1(1]1[)23,006,0()77,094,0(1]1[

FEFM

FEKE

…………

−=−=−=+=−=−=

QQEE

,

6..23 %-kal kevesebb villamos energiát és 57..157 %-kal több hőt állít elő. Ugyanez kombinált gáz-gőz fűtőerőművi blokknál (ηHH=0,8)

)]32,171,0(

)15,578,3)(40,035,0(8,0)8,067,0()1()36,155,1(

)33,030,0()03,125,1()15,578,3)(10,015,0(8,0)8,067,0()15,578,3)(2,033,0()1(

ümQHHGTFE

ümEHHGTüGTTGTFE

…

…………

…………………

=

==−==

=+=+

+=−+=+=

QQ

QQEEE

ηηη

ηηηη

32,029,0)32,171,0(1]1[

)36,055,0()36,155,1(1]1[

FEFM

FEKE

+−=−=−=−=−=−=

…………

QQEE

,

azaz az ilyen létesítmény 55..36 %-kal több villamos energiát és 29 %-kal több, ill. –32 %-kal kevesebb hőt állít elő.

Az azonos tüzelőhő-felhasználású közvetlen hő és villamos energia előállításhoz képest tehát a kapcsolt energiafejlesztés

– ellennyomású fűtőblokkoknál kevesebb villamos energiát, de lényegesen több hőt állíthat elő,

– kombinált gáz-gőz fűtőblokkoknál több villamos energiát, és közel azonos mennyiségű hőt állíthat elő.



Minél alacsonyabb a villamos energia előállításának hatásfoka, annál nagyobb a hő részaránya, és azonos tüzelőhő-felhasználás mellett a gáz-gőz fűtőerőművi blokkoknál nagyobb az előállítható villamos energia és kisebb a hő részaránya, mint gőz munkaközegű fűtőerőművi blokkoknál.

Gőzkörfolyamatoknál a tüzelőhőt termodinamikailag nem lehet megosztani a hő és a villamos energia között, a megosztás csak szubjektív módon történhet, a két energetikailag szélső eset között. A megosztás elve a két energetikai jellemző (a hőfejlesztés fajlagos hőfelhasználása (qQ) és a villamos energia előállítás hatásfoka (ηE) között) a következő.

9.2.1. A KAPCSOLT ENERGIAFEJLESZTÉS MINDEN HASZNA A VILLAMOS ENERGIÁBAN JELENTKEZIK

A kapcsolt hőfejlesztés fajlagos hőfelhasználása (a hőfejlesztésre felhasznált „fiktív” tüzelőhő és az előállított hő hányadosa)

KFE

üQQ

1η

==QQ

q (9.5)

megegyezik a fűtőerőművi blokk gőzkazánjának fajlagos hőfelhasználásával, azaz a gőzkazánú fűtőművi hőfejlesztés fajlagos hőfelhasználásával. A villamos energia fejlesztés hatásfoka viszont

KEFEü

FEFEFE ηηη >=

+=

QQE (9.6)

az előállított hő és villamos energia összegének és a fűtőerőművi blokknál felhasznált tényleges tüzelőhő hányadosa. Itt tehát a villamos energia előállítás hatásfoka „fiktív”, amely lényegesen nagyobb a csak villamos energiát előállító kondenzációs gőzerőművek hatásfokánál (ηKE), hiszen – a nem azonos használati értékű – hő- és villamos energia mennyisége adódik össze.

9.2.2. A KAPCSOLT ENERGIAFEJLESZTÉS MINDEN HASZNA A HŐBEN JELENTKEZIK A kapcsolt hőfejlesztés fajlagos „fiktív” hőfelhasználása

KFE

E

FEü

FE

üQQ q

Q

EQ

QQ

q <−

==η (9.7)

a tüzelőhő valamint a villamos energia előállításához felhasznált „fiktív” tüzelőhő különbségének és a fejlesztett hő mennyiségének a hányadosa, amely kisebb a kazán fajlagos hőfelhasználásánál, sőt a korszerű blokkoknál qQ<1. Itt tehát a hőfejlesztés fajlagos hőfelhasználása „fiktív”, hiszen azt feltételezzük, hogy a villamos energiát nem a fűtőerőművi blokkban, hanem vagy a villamos energia rendszerben (ηE=ηr; hazánkban 1997-ben ηr≈0,34) vagy valamelyik összehasonlított kondenzációs erőművi blokkban (ηE=ηKE) állítjuk elő. A villamosenergia-fejlesztés hatásfoka viszont

KEü

FEE ηη <=

QE (9.8)



az előállított villamos energia és a fűtőerőművi blokknál felhasznált tüzelőhő hányadosa, kisebb a kondenzációs villamos energia fejlesztés hatásfokánál, hiszen a hő-mechanikai energia átalakítás a hőkiadás és nem a környezet által megszabott hőmérsékleten fejeződik be (EFE<EKE).

A két energetikailag szélső eset és a megosztás intervallumát szemlélteti a 9–3. ábra. A korábbi valamint a jelenlegi hazai és nemzetközi gyakorlat alapján a kapcsolt energiafejlesztés minden hasznát a villamos energia viseli. Hazánkban számos törekvés volt ennek megváltoztatására, de mind sikertelen maradt. Ennek valószínű magyarázata, hogy a villamos energia szakma erősebb, mint a távhő szakma, s – a fejlett országok gyakorlata alapján – nem a megosztás a megoldása a kapcsolt energiafejlesztés gazdaságossá tételének.

q Q

q K

1

Qü ηKE–

Q

Qü

ηKEE

Qü

E+Q 1

E

q Q=

ηEηE = ηFE=

9–3. ábra. A kapcsolt hő- és villamos energia fejlesztés energetikai hasznának intervalluma

9.3. Változó tömegáramú távhőrendszerek A forróvizes távhőrendszer hőteljesítményének

(9.9) )]()([)()()()( lvlelflvesztSZ,lHFlf ttttctmtQtQtQ p −=−=

kielégítése szempontjából két szabályozási módszer különböztethető meg: – a keringtetett víz tömegáramát tartjuk állandónak és az előremenő

vízhőmérsékletet változtatjuk, miközben a visszatérő víz hőmérséklete kialakul (minőségi szabályozás: m változótttáll =−=∆= vef ., )

– az előremenő víz hőmérsékletét tartjuk állandó értéken és a tömegáramot változtatjuk, miközben a visszatérő víz hőmérséklete kialakul (mennyiségi szabályozás: változótváltozómállt === vfe ,.,

tvátozómváltozótf

) vagy a visszatérő víz hőmérsékletét tartjuk a forróvíz szabályozási diagramnak megfelelően és a tömegáramot, előremenő víz hőmérsékletét változtatjuk (mennyiségi szabályozás: t változó==== eflv ,,)( ).



Ennek megfelelően a keringtetett forróvíz tömegárama alapján – állandó vagy – változó tömegáramú forróvizes távhőrendszer különböztethető meg. A hazai távhőrendszerek többsége – az adottságaiknak (keringtető szivattyúk,

fogyasztói hőközpontok, melegvíz fűtési rendszerek meglévő szabályozása) megfelelően – jelenleg állandó forróvíz tömegárammal üzemel. A fűtési szezon előtt beszabályozzák a távhőrendszer és elemei (hőforrás, vezetékek, fogyasztói hőközpontok) tömegáramait, melyet állandónak tartanak az egész szezonban. A hőigény kielégítését pedig az előremenő víz hőmérsékletével állítják be, miközben a visszatérő a hőigényeknek megfelelően kialakul. (Az állandó tömegáramú távhőrendszerekre vonatkoznak a forróvíz hőmérsékletek névleges szabályozási diagramjai, a Fogyasztói hőközpontok c. fejezetben közölt kapcsolások).

A változó tömegáramú távhőrendszerek elterjedése azon a felismerésen alapszik, hogy nagy forróvíz tömegáramoknál jelentős a forróvíz keringtetésének villamos energia felhasználása, amely a forróvíz tömegáramának csökkentésével mérsékelhető. Valószínűsíthető továbbá, hogy a változó tömegáram jobban illeszkedik a fogyasztók – a maguk igényei és lehetőségei által megszabott – hőigényeihez, s ezáltal mérséklődik az össz-hőfelhasználás. Ez utóbbinak azonban műszaki és közgazdasági feltételei vannak:

– kétcsöves szekunder fűtési rendszerek, – a fogyasztók termosztatikus radiátorszeleppel és önálló hőfogyasztásmérővel

való ellátása, – fordulatszám szabályozású forróvíz és melegvíz keringtető szivattyúk

alkalmazása, ezek szabályozása, – és valószínű, hogy a megépített távvezetékek sem elégítik ki a változó

tömegáramú távhőrendszer követelményeit (kisebb átmérő, vastagabb hőszigetelés szükséges).

Változó tömegáramú távhőrendszernél – a jelenlegi forróvíz szabályozáshoz viszonyítva – az előremenő víz hőmérsékletének emelése szükséges. Egyik alapeset (9–4. ábra folytonos vonal): az előremenő forróvíz hőmérsékletét állandónak tartjuk a fűtési szezonban (te=te0) és a visszatérő forróvíz hőmérséklete megegyezik a névleges szabályozási visszatérő hőmérséklettel, akkor a változó tömegáram

)]([

)()(ve

f tttctQtm

p −= ; (9.10)

ill. másik alapeset (9–4. ábra szaggatott vonal): ha a visszatérő forróvíz hőmérséklete megegyezik a névleges szabályozási visszatérő hőmérséklettel a fűtési szezonban, az előremenő forróvíz ugyan változik a levegő hőmérséklet függvényében te=f(tl), de a névleges szabályozási diagramnál magasabb hőmérsékletszinten, akkor a változó tömegáram



)]()([

)()(lve

f ttttctQtm

p −= ; (9.11)

ahol a hőteljesítmény és a forróvíz hőmérsékletek időben változnak. A gyakorlatban a két alapeset valamilyen kombinációját valósítják meg.

Például az előremenő forróvíz hőmérsékletét szakaszosan változtatjuk (9–5/a. ábra) vagy a kisebb (9–5/b. ábra) vagy a nagyobb (9–5/c. ábra) hőigények tartományában változtatjuk a keringtetett víz tömegáramát. Az állandó tömegáramú távhőrendszerek többsége nyáron – a fűtési szezonhoz képest – már ma is csökkentett keringtetett forróvíz tömegárammal és nagyobb előremenő forróvíz hőmérséklettel üzemel.

m. m./ 0 m. m.= 0

t l0 , °C+12

tvízte= te0= állandó

te= változó

f ( t l)te=

f ( t l)t =v

t l 9–4. ábra. Változó tömegáramú forróvizes távhőrendszer elvi szabályozási diagramja állandó előremenő hőmérsékletnél (folytonos vonal) és a névleges szabályozási diagramnak megfelelő

visszatérő hőmérsékletnél (szaggatott vonal) (BÜKI, 1997 alapján) Változó tömegáramú távhőrendszernél változik a fogyasztói hőközpontok

kapcsolása is. Egy lehetséges változtatást közöl a 9–6. ábra. A fogyasztói hőközpontba kisebb tömegáramú, nagyobb hőmérsékletű előremenő forróvíz érkezik. A fűtési szezonban a fűtési és használati melegvíz hőcserélő, míg nyáron csak a használati melegvíz hőcserélő üzemel. A hmv igények sokszoros ingadozása miatt itt is célszerű lehet a használati melegvíz tárolása. A fűtési és hmv hőigénynek megfelelően működik a hmv befecskendező szelep. A fűtési és hmv hőcserélőkre menő forróvíz tömegáramát mindaddig fojtják, ameddig a



kilépő forróvíz hőmérséklete el nem éri a visszatérő hőmérséklet elvárt értékét. A fűtési hőcserélőkhöz tartozó radiátorok termosztatikus szelepe is hasonló elven működik: a fogyasztó által megkívánt mértékben csökkenti a radiátoron átáramló melegvíz tömegáramát.



m. m./ 0

t l0 , °C+12

tvízte,max = te0

f ( t l)te=

f ( t l)t =v

t l

1

te

a.,

m. m./ 0

t l0 , °C+12

tvíz

te

f ( t l)te=

f ( t l)t =v

t l

1

b.,



m. m./ 0

t l0 , °C+12

tvíz

te

f ( t l)te=

f ( t l)t =v

t l

1

c.,

9–5. ábra. Változó tömegáramú távhőrendszer gyakorlati szabályozási diagramja szakaszosan

változó előremenő vizhőmérséklettel (a), a kis (b) és a nagy (c) hőigények tartományában változó tömegárammal (BÜKI, 1997 alapján)

Hazánkban jelenleg folyik az állandó tömegáramú forróvizes távhőrendszerek átállítása változó tömegáramúra, amelynek hatásai:

– A gőz munkaközegű ellennyomású fűtőblokk villamosenergia-fejlesztését csökkenti, mert a fűtőkondenzátorokban felmelegedő forróvíz tömegáramának csökkenése, az előremenő forróvíz hőmérsékletének növelése növeli a turbinából kilépő gőz nyomását.

– A fűtőművek részterheléseinél az alapüzemű forróvízkazán fajlagos hőfelhasználása kisebb, az előremenő forróvíz hőmérséklet nagyobb, s ezzel a visszatérő forróvíz előrekeverési tömegárama csökken, viszont a kisebb keringtetett forróvíz tömegáram a forróvízkazán elé nagyobb visszakevert tömegáramot igényel a forróvízkazán minimális tömegáramának biztosítása miatt.

A hőforrás, a hálózat és a fogyasztói hőközpontok hidraulikai szabályozása eltér az állandó tömegáramú távhőrendszerétől. A hidraulikai végpont(ok)ról vett jel alapján kell szabályozni a változó fordulatszámú forróvíz keringtető szivattyúkat. (DEZSŐ)

A változó tömegáramú távhőrendszer növeli az előremenő távvezeték hálózat hőveszteségét, hiszen t .][][ ee állmtváltozóm =>=

[v változóm, miközben a visszatérő

távvezetéké kisebb mértékben csökken ( t .][] v állmt =≤= ). Az állandó tömegáramokra megépült előremenő vezeték hálózatban ennek ellensúlyozására vastagabb hőszigetelés szükséges.



fűtés

fűtésszabályozó

befecskendező

nyomás és térfogatáramszabályozó

hőmennyiség-mérő

szelep (hmv)

hmv szabályzó

hmv

9–6. ábra. Változó tömegáramú távhőrendszer fogyasztói hőközpontjának

egy lehetséges kapcsolása (DANFOSS gyártmányismertető) A változó tömegáramú távhőrendszer csökkenti a forróvíz szállítás villamos

energia felhasználását, hiszen megépült távvezeték hálózatnál kisebb az áramlási sebesség, így a nyomásesés (∆phálózat∼w2) és kisebb a keringtetett víz térfogatárama (V ). A változó tömegáramú távhőrendszerek intelligens szabályozást igényelnek.

f

9.4. Alap- és csúcshőforrás együttműködése Nagyobb méretű forróvizes távhőrendszerekben, ahol több hőforrás üzemel, a

rendszerméret adta előnyök kihasználása a hőforrások együttműködése, kooperációja. További rendszerméret adta előny a kisebb beépített tartalék igény. (A hazai távhőrendszerek többsége széttagolt, így a méretük nem teszi lehetővé a kooperáció adta előnyök érvényesítését.)

Az alap- és csúcshőforrás együttműködése alapján – soros, – párhuzamos és – távolsági kooperáció valósítható meg. Az egyes kooperációk sajátosságait az állandó

tömegáramú távhőrendszerek példáján, a távvezeték hálózat hővesztesége nélkül (Q ) illusztráljuk. ft Q=



9.4.1. SOROS KOOPERÁCIÓ Az alap- (A) és csúcshőforrás (CS) soros kooperációjánál (9–7. ábra) a hőforrások

között nincs fogyasztói hőközpont, és általában a hőforrások azonos telephelyen vannak. (A hazai fűtőerőművekben ez az együttműködési lehetőség általában fennáll.)

A távhőrendszer hőmérlege és az előremenő forróvíz hőmérséklete:

. (9.12)

eeAveAnyárf,hmv

eeCSeAeCSfveAfCSAflAl

eeAveAfAflAl

CSAtf

)(nyár

)()(

)(

ttttcmQ

ttttcmttcmQQQtt

ttttcmQQtt

QQQQ

p

pp

p

=⇒−=

=⇒−+−=+=<

=⇒−==≥

+==

Az alaphőforrás maximális hőteljesítménye ( )AQ , mellyel tlA külső levegő hőmérsékletig egyedül kielégíti a hőigényeket. Ebben a tartományban az alaphőforrás hőteljesítményét kell változtatni a hőigényeknek megfelelően (te=teA). A fűtési szezonban és nyáron ( fm ) ( )nyárf,m a keringtetett forróvíz tömegárama állandó. tlA-nál kisebb környezeti levegő hőmérsékletnél szükség van a csúcshőforrás hőteljesítményére ( )CSQ is. Az alaphőforrásból kilépő forróvíz hőmérsékletét a csúcshőforrás teCS=te-re emeli.

9.4.2. PÁRHUZAMOS KOOPERÁCIÓ A külön telephelyen levő alap- (A) és csúcshőforrás (CS) párhuzamos

kooperációjánál (9–8. ábra) a hőforrásokat összekötő gerincvezetéken fogyasztói hőközpontok vannak, ezért az előremenő vezetékben mindenhol biztosítani kell a szabályozási diagramnak megfelelő előremenő forróvíz hőmérsékletet (te=teA=teCS). (A hazai távhőrendszerekben ez az együttműködési lehetőség általában nem áll fenn.)

A távhőrendszer hőmérlege, a forróvíz tömegáramai és előremenő hőmérsékletei:

t . (9.13)

eeAveAA0Athmv

eeCSeA

veCSCSveACSfAtflAl

eeACS0A0fveAfAtflAl

CSAtf

)(nyár

)()()(

)(

ttttcmQQQ

ttt

ttcmttcmmQQQt

ttmmmttcmQQQtt

QQQQ

p

pp

p

=⇒−===

==⇒

⇒−+−−===<

=⇒+=⇒−===≥

+==

Az alaphőforrás maximális hőteljesítménye ( )AQ , mellyel tlA külső levegő hőmérsékletig egyedül kielégíti a hőigényeket. Ebben a tartományban a rendszerben keringtetett névleges forróvíz tömegáram az alaphőforráson halad keresztül, amelynek hőteljesítményét változtatják a hőigényeknek megfelelően (te=teA). A keringtetett névleges forróvíz tömegáram az alap- és csúcshőforrás tl0-hoz tartozó tömegáramainak összege ( )CS0f mm A0m += . A tlA-nál kisebb környezeti levegő hőmérsékletnél szükség van a csúcshőforrás hőteljesítményére



( )CSQ is. Ebben a tartományban az alap- és a csúcshőforrás között megosztják a keringtetett forróvíz tömegáramát, mégpedig a hőigényeknek megfelelően: az alaphőforrásé , míg a csúcshőforrásé intervallum. A hőforrásokból kilépő forróvíz hőmérséklete viszont azonos (t

A0f mm … CS00 m…e=teA=teCS).



KSZ

A CS

FHK

Q.A Q

.CS

teA te

tv

m.

t l0 , °C+12 t l

tvíz

te

te=

tv

Q.

Q.hmv

Q.

f ( tl)=

Q.

A

Q.CS

Q.cs

teCS=teA

teAte

tv

m. f

m. f,nyár

te0

tv0

t lA

9–7. ábra. Az alap- és csúcshőforrás soros kooperációja (BÜKI, 1997)



Q.

m.

A

KSZ1

A

te

m.

CS

FHK1 FHK2CS

A

KSZ2

m.

t l0 , °C+12 t l

tvíz

te =

tv

Q.

Q.hmv

Q.

f ( t l)=

Q.

A

Q.CS

Q.CS

teCS= teA

te

tv

m. f

m. A0

te0

tv0

t lA

m. CS0

m. A0m. A =

m. A= + m. CS

9–8. ábra. Az alap- és csúcshőforrás párhuzamos kooperációja (BÜKI, 1997)



9.4.3. TÁVOLSÁGI KOOPERÁCIÓ A várostól távoli telephelyű alap- (A) és városban levő csúcshőforrás (CS)

távolsági kooperációjánál (9–9. ábra) a hőforrások között nincsenek fogyasztói hőközpontok, ezért az alaphőforrás előremenő tranzitvezetékében a forróvíz hőmérsékletét a szabályozási diagramtól (te) függetlenül lehet megválasztani. Hasonló a helyzet a városban levő hőforrások azon gerincvezetékeinél is, amelyhez nem csatlakoznak fogyasztói hőközpontok. Tehát az alaphőforrás előremenő forróvíz hőmérsékletét a fogyasztóktól függetlenül lehet megválasztani. (A hazai távhőrendszerekben ez az együttműködési lehetőség általában szintén nem áll fenn.)

A távhőrendszer hőmérlege, a forróvíz tömegáramai és előremenő hőmérsékletei:

nyárCS,nyárA,nyárf,

nyárf,

nyárA,nyárf,eAnyárA,e

veAnyárA,Athmv

AfCSeCSCSeAA

e

veCSCSveAAAtflAl

CSAff

vAfeAAe

veAAAtlAl

CSAtf

)(

)(nyár

)()(

)(

)(

mmm

cmtcmmtcm

t

ttcmQQQ

mmmcm

tcmtcmt

ttcmttcmQQQtt

mmmcm

tcmmtcmt

ttcmQQQtt

QQQQ

p

vpp

p

pf

pp

pp

p

pp

pf

+=⇒

⇒−+

=

−===

−=⇒+

=

−+−===>

+=⇒−+

=

−===>

+==

. (9.14)

Az alaphőforrás maximális hőteljesítménye ( )AQ

A

, mellyel tlA külső levegő hőmérsékletig egyedül kielégíti a hőigényeket. Ebben a tartományban a hőigényt az alaphőforrás hőteljesítményének változtatásával elégítik ki, az alaphőforráson keresztül haladó forróvíz tömegáramának ( ) a szabályozási diagramhoz tartozó előremenő forróvíz hőmérsékletnél nagyobb hőmérsékletre történő felmelegítésével (t

m

eA>te). A szabályozási diagramhoz tartozó előremenő hőmérséklet az alaphőforrásból érkező teA hőmérsékletű és a városi távhőrendszerben maradó, m Af m− tömegáramú, tv hőmérsékletű víz keveredésével alakul ki. A városi rendszerben keringtetett forróvíz tömegárama az alap- és csúcshőforrás tömegáramainak összege (m CSAf mm += ), amely a fűtési szezonban és nyáron is állandó. tlA-nál kisebb környezeti levegő hőmérsékletnél szükség van a csúcshőforrás hőteljesítményére ( )CSQ is. Ebben a tartományban az alaphőforrás maximális hőteljesítménnyel, állandó forróvíz tömegárammal és előremenő hőmérséklettel (teA=te0) üzemel, miközben a csúcshőforráson áthaladó forróvíz tömegáram is állandó, és az előremenő hőmérséklete a hőteljesítményével növekszik, de teCS≤te. A szabályozási diagramhoz tartozó előremenő forróvíz hőmérséklet az alaphőforrásból érkező

tömegáramú, tAm eA=te0 hőmérsékletű és a csúcshőforrásból érkező CSm



tömegáramú, teCS hőmérsékletű víz keveredésével alakul ki. (A 9–9. ábra szerint te0=teA0=teCS0 azonos, de más megoldások is lehetnek: pl. teA>te0).

Q.

m.

A

KSZ1

A

teA

m.

CS

FHKCS

A

teteCS

tv

m.

f

KSZ2

m.

t l0 , °C+12 t l

tvíz

te

tv

Q.

Q.hmv

Q.

f ( t l)=

Q.

A

Q.CS

Q.CS

teCS

teA

te

tv

m. f

m. Anyár

te0

tv0

t lA

m. CSm. A

m. A

9–9. ábra. Az alap- és csúcshőforrás távolsági kooperációja (BÜKI, 1997)



9.5. Az alap- és csúcshőforrás hőteljesítménye A hőforrások kooperációja adta előnyök csak a hőforrások megfelelő

hőteljesítményei mellett jelentkeznek. A 9–10. ábra egy forróvizes távhőrendszer hőigényének változását mutatja a külső levegő hőmérséklet (a) és a kihasználási óraszám (b) függvényében. Nyilvánvalóan hasonló jelleggörbe rajzolható fel a hőigényeket kielégítő hőforrások hőteljesítményére is a hőveszteségek figyelembe vételével.

Q.


Q.

cs

Q.

f= f (τ)

nyár

Q.

QA

QCS

+12 °C

Q.

f= f ( )t

l

tl

tl0

tlA

Q.

hmv

Q.

CS

Q.

A

a., b.,

9–10. ábra. A forróvizes távhőrendszer hőigényének változása a külső levegő hőmérséklet (a) és a

kihasználási óraszám (b) függvényében Az alaphőforrás (általában fűtőerőművi blokk) hőteljesítményét úgy kell

megválasztani, hogy a szolgáltatott hő minél nagyobb részarányát elégítse ki, azaz

)()(

)(

csCSCSCScsAA

csAAA

CSA

A

τττ

QQQQQQ

QQQ

A =+==

⇒+

. (9.15)

Az alap- és csúcshőforrások (általában forróvízkazánok) megfelelő hőteljesítmény arányát gazdaságossági számításokkal kell meghatározni a minél kisebb összköltségre való törekvés alapján. Ez különböző távhőrendszereknél különböző lehet, de néhány általánosítható tendencia megállapítható.

A rendszerméret növekedésével (Q ≥500..1000 MWcs t) a távhőrendszerek összekapcsolásaival: pl. a budapesti rendszerek egyesítéseivel) gazdaságossá válik a távolsági kooperáció nagy teljesítményű fűtőerőművi blokkal.

Közepes méretű rendszereknél (Q =50..300 MWcs t) a gőz munkaközegű vagy a gázturbinás kombinált hőszolgáltató blokk gazdaságosságához szükséges egy minimális hőteljesítmény, amelynél a kapcsolt energiafejlesztés energetikai előnyei gazdaságilag is realizálódnak. Az ellennyomású fűtőerőművi blokk hőteljesítményét – a blokk szabályozási tartományának figyelembe vételével – a fűtési szezon valamilyen kisebb teljesítményére gazdaságos választani. E hőteljesítmény mellett gyakran előfordul, hogy nyáron a fűtőerőművi blokkok üzeme gazdaságtalan. Elvételes kondenzációs fűtőerőművi blokkoknál viszont a – villamos energia meghatározó gazdaságossága és a hőigény kielégítésének rugalmassága miatt – a blokk teljesítményei szabadabban megválaszthatók.



Kis rendszereknél (Q =1..50 MWcs t) a gáz-gőz fűtőblokkok hőteljesítményét a használati melegvíz vagy a fűtési szezon minimális hőteljesítményére gazdaságos választani a nagy kihasználási óraszám biztosítása miatt.

9.6. Hőtárolók A hőszolgáltató erőművekbe általában nem építenek be hőtárolót, de esetenként

szükséges és gazdaságos lehet e berendezések alkalmazása. A hő tárolása valójában a hőhordozó közeg – mely lehet forróvíz vagy gőz – tárolását jelenti. A hőtároló berendezés a hőhordozó közeg és a megvalósítás módja szerint csoportosíthatók, ahogy azt a 9–11. ábra mutatja.

HŐTÁROLÓK

forróvíz tárolók gőztárolók

nyomás alattitárolók tárolók

atmoszférikus állandó nyomásútárolók(Marguerre-tároló)

változó nyomásútárolók(Ruths-tároló)

9–11. ábra. A hőtárolók csoportosítása A hőtárolás alapvető feladata a változó hőigények minél rugalmasabb követése

és a hőszolgáltató berendezés (forróvíz- vagy gőzkazán) állandó terhelés melletti üzemének biztosítása. Vizsgáljuk meg a 9–12. ábrán látható hőigény diagramot! A fogyasztás időben erősen változó jellege szükségessé teszi, hogy a hőfejlesztő berendezést a legnagyobb teljesítményre ( )maxQ méretezzük.

Q

τ

maxQ

Q

Q

hőfejlesztő berendezés hatásfoka

optimum

9–12. ábra. Időben változó hőigény terhelési diagramja (JÁSZAY)

A hőfejlesztő berendezés által szolgáltatott összes hőmennyiség a terhelési diagramon látható görbe alatti területtel jellemezhető, ebből megállapítható, hogy a hőigény egy Q -nál kisebb teljesítményű berendezéssel is ellátható lett volna, ha az igények időben egyenletesen léptek volna fel. Az időben egyenletes hőkiadás és a változó igények közötti különbségek áthidalására tárolót célszerű beépíteni a hőszolgáltató rendszerbe. Ebben az esetben a hőszolgáltató

max



berendezést az átlagos ( )Q hőteljesítményre méretezzük. Ha a hőigények ennél kisebbek, azaz a rendszerben hőfelesleg van, akkor ezzel a töltjük a tárolót, míg ennél nagyobb terhelések esetén kisütjük.

A leírtak figyelembevételével a Q teljesítményre méretezett hőfejlesztő berendezés nem csak beruházási költségeit tekintve lesz olcsóbb, hanem jobb hatásfokú üzeme következtében alacsonyabb üzemeltetési költséget is jelent. Tároló nélküli megoldásnál a Q teljesítményű berendezés néhány rövid időszakot kivéve a méretezési terheléstől eltérő terhelésen üzemel. Ebből következik, hogy üzemidőre vonatkoztatott átlagos hatásfoka feltétlenül kisebb lesz, mint a

max

Q teljesítményre méretezett berendezésé. A részterhelésen való üzemelés mellett – a tároló nélküli esetben – hatásfokromlást eredményez a teljesítmény folytonos változtatása. A változó terhelés melletti üzem erősen igénybe veszi a kazán szerkezeti elemeit, ezáltal csökkenti azok élettartamát. A hőtárolók jelentősége az utóbbi időkben – a változó terhelésvitelre alkalmas berendezések megjelenésével – csökkent.

Távhőrendszerben, fűtőerőműben a hőtároló beépítése a következő előnyökkel jár:

– növeli a fűtőerőmű értékelhető teljesítményét, – növeli a tüzelőanyag megtakarítást, – elősegíti a változó terhelésvitelt.

9.6.1. FORRÓVÍZ TÁROLÓK A csúcsigények kielégítésére alkalmazott forróvíz tárolók lehetnek

atmoszferikusak vagy nyomás alattiak. A víz nyomásának és így hőmérsékletének növelésével növelhető a fajlagos hőtároló képesség

( veT

TT ttc

VQq p −== ρ ) , (9.16)

ahol a tárolt hő, a tároló tartály térfogata, de a nyomás növelésével együtt jár a beruházási költségek növekedése is. Nagy térfogatú tárolók esetében az atmoszferikus nyomású berendezések alkalmazása gazdaságosabb.

TQ TV

A nagy méretű tartályokban a hideg és a meleg víz keveredik, ami csökkenti a tároló hatékonyságát

1tárolt

kisütottTároló <=

QQη . (9.17)

A keveredés megakadályozását vagy mérséklését egyrészt mechanikai szétválasztással, a hideg és a meleg víz közé helyezett, a vízzel azonos sűrűségű műanyag fóliákkal, másrészt a tárolók sorbakapcsolásával tehetjük meg (a tárolók méretének növekedésével nő a keveredési zóna mérete is). A tároló elvi felépítését, valamint a töltés és kisütés módját a 9–13. ábra mutatja, míg a kapcsolási lehetőségeket (egyedülálló, ill. sorbakapcsolt tárolók) a 9–14. ábra. Atmoszférikus nyomású tárolók esetében mindkét ágban (töltő és kisütő) kell szivattyút elhelyezni.



95 °C

55 °CTÖLTÉS

95 °C

55 °CKISÜTÉS

keveredési zóna

95 °C 55 °C

9–13. ábra. Forróvízes hőtároló elvi felépítése. A töltés és kisütés folyamata

et

vt

töltés

kisütés

ve pp <

et

vt

töltés

kisütés

ve pp >

egyedülálló hőtároló sorbakapcsolt hőtárolók 9–14. ábra. Forróvíztárolók kapcsolási módjai

Q

τ

igényeltQ

villamos csúcs

töltés kisütés

9–15. ábra. Hőtárolás a forróvizes távhőrendszerben

Maga a forróvizes távhőrendszer is alkalmas hőtárolásra, mivel a jól szigetelt vezetékekben nagy mennyiségű forróvíz található. Villamos csúcsidőszakban, amikor a rendszer összes villamos teljesítőképességére szükség van, kondenzációs hőszolgáltató erőművekben kiiktathatjuk a fűtési hőcserélők



gőzellátását, így többlet villamos teljesítményhez juthatunk. E módszer alkalmazásának feltétele, hogy villamos csúcsidőszak előtt megnöveljük a hőkiadást – feltöltjük a tárolót –, majd kikapcsoljuk a hőkiadást – a tároló kisütése –, a csúcsigények kielégítése után egy ideig újra több hőt adunk, azaz visszatöltjük a tárolót. Mindezeket a 9–15. ábra szemlélteti.

9.6.2. GŐZTÁROLÓK

9.6.2.1. Változó nyomású tároló A változó nyomású gőztárolók legelterjedtebb típusa a RUTHS-féle tároló. Ebben

a berendezésben a gőzt valójában nem gőz formájában, hanem nagynyomású telített víz formájában tárolják. A csúcsigények idején a tároló nyomásának folyamatos csökkenésével az ott lévő telített víz bizonyos hányada kigőzölög, így száraz telített gőzhöz jutunk. A tároló elvi felépítését a 9–16. ábra mutatja. A RUTHS-tároló egy kb. 80..90 %-áig vízzel töltött tartály. A gőz tárolása úgy történik, hogy a vízszint alatt elhelyezett perforált csövön keresztül a töltőgőzt bevezetjük a tárolóba, ahol az kondenzálódik és felmelegíti a tárolóban lévő vizet. A víz felett a mindenkori pillanatnyi hőmérséklethez tartozó telítési nyomás uralkodik. A töltési folyamat akkor ér véget, amikor a tároló nyomása eléri a töltőgőz nyomását. 1p

A töltési folyamat energiamérlegét a következő egyenlet fejezi ki: ( 1111TT hmmhmhm )T ′+=+′ , (9.18)

ahol m a tárolóban lévő víz tömege, T Th ′ a tárolóban lévő telített víz entalpiája, a tárolóba töltött gőz tömege, 1m 1h ′ a töltőgőz telítési nyomásához tartozó

folyadék entalpia. A tároló kisütése úgy történik, hogy a gőztérhez csatlakozó kisütő vezetéken

keresztül a tárolót egy, a töltési nyomásnál alacsonyabb nyomású gőzhálózathoz csatlakoztatjuk. Ebben az esetben a tárolóból történő gőzkiáramlás miatt csökken a nyomás a gőztérben. Ez a nyomáscsökkenés azt eredményezi, hogy a víz hőmérséklete meghaladja a fölötte uralkodó nyomáshoz tartozó telítési hőmérsékletet, azaz túltelítetté válik, minek következtében a folyadékból gőz képződik. Az elgőzölgéshez szükséges hőmennyiséget a tárolóban lévő folyadékból vonja el, emiatt az lehűl. A kisütés addig tart, amíg a tároló nyomása el nem éri a kisütővezetékben uralkodó legkisebb nyomást. A folyamatos töltési-kisütési periódusok következtében (mivel a távozó gőz entalpiája kisebb, mint a töltőgőzé) a tárolóban lévő víz mennyisége csökken, amit pótolni kell. A tároló tökéletlen szigetelése miatt oda gőz formájában hőt kell bevezetni, ez a gőzmennyiség akár több is lehet – hosszú töltés/kisütés periódusok esetében –, mint az előbb említett vízveszteség. Ebben az esetben az állandó vízszint érdekében leürítésről kell gondoskodni.

A kisütés folyamatát T–s diagramban a 9–17. ábra mutatja, melynek jelöléseivel a folyamat hőmérlege az alábbiak szerint írható fel:

( hmmh ′=′′ dd ), (9.19)

a kijelölt műveletet elvégezve és rendezve



rh

mm ′

=dd (9.20)

a tároló kisütési egyenletéhez jutunk. A fenti differenciálegyenlet integrálásával megkaphatjuk a tárolóból kisüthető gőzmennyiséget adott nyomások között:

′−−= ∫

1

2

dexp1Tki

p

p rhmm . (9.21)

9.6.2.2. Állandó nyomású tároló Az állandó nyomású gőztárolók gyakran alkalmazott típusa a MARGUERRE-

tároló, melynek elvi felépítését és működési módját a 9–18. ábra szemlélteti. Az állandó nyomású gőztárolás során valójában nem gőzt, hanem megfelelő hőmérsékletre előmelegített kazán tápvizet tárolunk. Maga a tárolóberendezés egy álló hengeres tartály (hasonló a forróvíztárolókhoz), melyben feltöltött állapotban előmelegített kazántápvíz, kisütött állapotban pedig hidegvíz (esetleg néhány tápvízelőmelegítőben előmelegített tápvíz) található. Alacsony gőzigény esetén a felesleges gőzzel előmelegítjük a tápvizet a tárolóban, míg csúcsigények esetén az előmelegítést kikapcsoljuk és a tárolóból előmelegített tápvizet juttatunk a kazánba. A tárolót úgy kell méretezni, hogy a leghosszabb időtartam alatt fellépő csúcsigény esetén ürülhet csak le. MARGUERRE-tároló több hazai fűtőerőműben (kőbányai, kispesti) is beépítésre került a hatvanas években, de ezeket a berendezéseket már leszerelék vagy átalakították.

töltővezeték

kisütővezeték1p

2pmennyiséghatárolófúvóka

ürítő és iszapolószelep

víztöltőszelep

9–16. ábra. RUTHS-tároló (⊕: csökkenő nyomásra zár, ⊖: növekvő nyomásra zár)



T

s

1p

2p

kilépő gőzállapotokh ′′

párolgáshőa tárolóban lévővíz hőtartalomváltozása

a tartályban lévővíz állapotah'

9–17. ábra. RUTHS-tároló kisütési folyamata vízgőz T–s diagramban

Gőzfogyasztó

Tároló

9–18. ábra. MARGUERRE-féle gőztároló (⊕: csökkenő nyomásra zár, ⊖: növekvő nyomásra zár)


10. A TÁVHŐELLÁTÁS GAZDASÁGI ÉRTÉKELÉSE

10.1. Alapfogalmak Költségek: Az előállítás (termelés) bemenő elemeinek (emberi munka,

termelőjavak, tőke) pénzben kifejezett értéke. Állandó (fix) költségek: azok a költségek, amelyek nem vagy csak kism

függnek a termék mennyiségétől, azaz a működési tevékenység alatt vállandóak.

Változó költségek: azok a költségek, amelyek az energiaszolgáltatássváltoznak.

Feltáratlan (rejtett) költségek: olyan költségek, amelyek a múltban meés nem tárhatók fel.

Árbevétel: egy időszakban (naptári évben) elért értékesítések ellenértékNyereség/veszteség: egy időszakban (naptári évben) az árbevétel

költségek különbsége. Határköltség (az energetikában szokásos elnevezése: növekménykölt

cselekvési változat eredményét a költségek (K) és a hozzátartozó natuváltozásának hányadosaként (∆K/∆N) kifejező mutató (MAYNARD).

A távhőellátás meghatározó költségei: – a rendszer és berendezéseinek elhasználódási költsége, a

értékcsökkenése – és a szolgáltatott hő költsége. Az értékcsökkenés a távhőrendszer létesítésének a költségével, a be

költséggel, míg a szolgáltatott hő a felhasznált tüzelőanyag mennarányos. Az előbbi független a szolgáltatott hő mennyiségétől, az utóbbvele. Ezért az értékcsökkenés állandó, a szolgáltatott hő változó vaköltség. (A gyakorlatban semmilyen költséget nem tartanak abszolút érállandónak vagy változónak, az adott művelet szempontjából valamelyik csoportba.) Az egyéb felmerülő állandó (dolgozók munkjárulékai, a vezetéssel, elszámolással, kutatással stb. kapcsolatos) kögazdasági vizsgálatainknál nem vesszük figyelembe.

10.2. A távhőellátás működési költségei

10.2.1. A TÁVHŐ ÁLLANDÓ KÖLTSÉGE Az értékcsökkenés (amortizáció) az állóeszközök (távhőrendszer bere

fizikai (elhasználódás) és funkcionális vagy erkölcsi (megváltozott igénymértékében beálló értékcsökkenése és a pótláshoz (újralétesítéshez) salapok képzése. Az értékcsökkenés fogalma azért bonyolult, értékcsökkenés két vetületét kell figyelembe venni:

10.F e j e z e t

anyagok,

értékben iszonylag

al együtt

rültek fel

e. ek és a

ség): egy rália (N)

rendszer

ruházási yiségével i arányos gy üzemi telemben sorolható abére és ltségeket

ndezései) ) kopása zükséges mert az

A TÁVHŐELLÁTÁS GAZDASÁGI ÉRTÉKELÉSE

– a berendezések, a rendszer összértéke csökken, mivel elhasználódik vagy avul, mert az idő múlik (valódi értékcsökkenés);

– értékcsökkenési leírás: pénzügyi okokból nyilván kell tartani a berendezések értékét (könyv szerinti érték).

A valódi érték és a könyv szerinti érték általában azonos az üzembehelyezés pillanatában. Az élettartam alatt azonban nem nagyon szükséges, hogy a valódi és a könyv szerinti érték azonos legyen. A értékcsökkenési leírásra, mint termelési költségre a nyereségszámításnál, (fejlett országokban az adózásnál is) valamint a beruházási alternatívák értékelésénél van szükség. A nyereségszámításnál (és az adózásnál) a könyv szerinti érték, a beruházási alternatívák értékelésénél a valódi érték, valamint a beruházás megtérülése és hozama érdekes (TORGENSEN).

A távhőrendszer (THR) beruházási költsége (10.1) FHKhálózatHFTHR BBBB ++=

a hőforrás (HF), a csővezeték hálózat és a fogyasztói hőközpontok (FHK) beruházási költségéből tevődik össze. (A fogyasztói hőközpontok beruházási költsége tartalmazza a lakásoktól a hőközpontokig menő vezetékek, szerelvények stb. létesítési költségét is. A lakásokban levő radiátorok, hmv csaptelepek ma már a lakók tulajdonát képezik.) A távhőrendszert több éven keresztül építik, s az üzemeltetés után is fogyasztók köt(het)nek rá vagy vál(hat)nak le róla. Ezért egyrészt ismert a távhőrendszer beruházási költsége az üzembehelyezés időpontjában, másrészt bizonyos időszakonként mindhárom alrendszere további berendezésekkel bővülhet, amelyek – az új berendezések üzembehelyezésének időpontjától – a távhőrendszer könyv szerinti értékét is növelik.

A távhőrendszer értéke az üzembehelyezés pillanatában az építkezés időtartama (általában több év) alatt felmerült költségek, üzembehelyezés időpontjára számított (diszkontált) költsége

(10.2) ∑−=

+=0

0 ])1(mn

nnn fBB

ahol a beruházás időtartama m év, (kezdete az n= –m-ik, befejezése, üzembehelyezése n=0-ik évben), Bn a beruházás éveiben felmerült tényleges (nominális) beruházási költségek, fn=Fn/100 az adott év és az üzembehelyezés éve közti inflációs ráta, Fn az adott év és az üzembehelyezés éve közti infláció. Az üzembehelyezés évében a valódi és a könyv szerinti érték általában azonos.

Az üzemeltetés során a távhőrendszer értéke az elhasználódás következtében csökken, s a csökkenés mértékét évente egyszer (a naptári év végén) az értékcsökkenési leírással veszik figyelembe. Az energetikai berendezéseknél, rendszereknél

– hazánkban a lineáris (az élettartam alatt évente azonos leírási hányad), míg – a fejlett országokban a dinamikus (üzembehelyezés után 1..3 évig kisebb,

4..15 évig nagyobb, esetleg a 10. évtől csökkenő, a 16. évtől minimális leírási hányad)



értékcsökkenési modellek működnek. Az értékcsökkenési leírás módszere meghatározza a működési élettartam alatti értéket és a selejt- vagy maradványértéket.

A energetikai berendezésekre a lineáris leírási hányad (αlsz) és hogy hány év alatt (nsz) kell leírni, a számviteli törvényben rögzített. A lineáris leírási hányad és az évek száma alapján a távhőrendszer könyv szerinti értéke az n=k-ik évben

0lsz0k BkBB α−= . (10.3)

A távhőrendszer alrendszereit (hőforrás, hálózat, fogyasztói hőközpontok) idővel bővítik. A hosszabb élettartam miatt az egyes alrendszerekbe beépülő új berendezések korszerűbbek, mint a meglévők. Az új beépült berendezések az üzembehelyezésük (aktiválásuk) évében növelik a rendszer könyv szerinti értékét: például ha az n=l-ik évben Bl0 összértékű berendezéssel bővült a távhőrendszer, akkor a könyv szerinti érték

[ ] 00lsz0 ll BBlBB +−= α , (10.4)

s a következő, n=l+1-ik évben már ez a könyv szerinti érték csökken a leírási hányadnak megfelelően

( )[ ] [ ]0lsz00lsz01 1 lll BBBlBB αα −++−=+ . (10.5)

Az új berendezések létesítése mellett gyakoribb a régi berendezések karbantartása. Minél elhasználtabb a távhőrendszer, annál nagyobb a karbantartási igénye. Minden évben összegezhető a karbantartásra fordított tényleges költség (CTMK). Ennek megfelelően a távhőellátás évi állandó költsége

, (10.6) TMK1

0,lsz,a CBCz

jjj += ∑

=α

ahol αlsz,j a j-ik berendezés (berendezéscsoport) leírási kulcsa, Bj,0 a j-ik berendezés (berendezéscsoport) beruházási költsége, CTMK az évi tényleges karbantartási költség.

A felújítások is lényegében karbantartások. A felújításoknál döntés kérdése, hogy a karbantartási költségek közé vagy a beruházási költségek közé sorolják. Általában a fő berendezések felújítása (kazán, turbina, stb.) inkább beruházás, míg a segédberendezéseké (pl. szivattyúk) inkább karbantartás.

10.2.2. A TÁVHŐ VÁLTOZÓ KÖLTSÉGE A távhő változó vagy üzemi költsége a kiadott hő mennyiségével arányos.

Ennek következtében az üzemi költségeket elvileg bármilyen időtartamra (óra, nap, hó, év) meg lehet határozni, de mivel az állandó költsége(ke)t naptári évre kell meghatározni, ezért a változó költségeket is naptári évre összegzik

EkQpC Eüüv += , (10.7)

ahol pü a tüzelőanyag fajlagos hőára, Ft/GJ; Qü a felhasznált tüzelőhő évi mennyisége, GJ/év; kE a felhasznált villamos energia ára, Ft/kWh; E a felhasznált villamos energia évi mennyisége, kWh/év.



A felhasznált tüzelőhő mennyisége

, (10.8) [∫ ∫ +==8760

0

8760

0fvesztQtQü d)()()(d)()( ttQtQtqttQtqQ ]

a hőforrás hőfejlesztésének fajlagos hőfelhasználásától (qQ) és a kiadott hő mennyiségétől (Qt) függ. A kiadott hőben – a fogyasztott hőhöz (Qf) képest – többletként szerepel a távhőellátás szállítási hővesztesége (Qveszt).

Gőz hőhordozónál a szállításnak nincs villamos energia felhasználása, míg forróvíznél jelentős: a felhasznált villamos energia mennyisége (eltekintve a hőfejlesztés villamos energia felhasználásától)

. (10.9) ∫=8760

0SZSZ d)( ttPE

(A Qü és ESZ kifejezésében szereplő összes paraméter elvileg az időben változik.) A hő változó költségét tehát alapvetően a hőfejlesztés minősége (minél kisebb qQ)

határozza meg. A forróvizes távhőellátásnál – a tüzelőanyagnál lényegesen kisebb mértékben – a villamos energia felhasználás is változó költségösszetevő. A villamos energia felhasználás költsége mellett a felhasznált víz költsége is változó költség, amely – kielégítő üzemvitelnél még ma is – nagyságrenddel kisebb a villamos energia költségénél.

10.2.3. A TÁVHŐ ÖSSZKÖLTSÉGE ÉS EGYSÉGKÖLTSÉGE A távhő összköltsége az állandó és változó költségek összege , (10.10) vCCC += aQ

amely a gyakorlatban kiegészül(het) a feltáratlan (rejtett) költségekkel is. A távhő tényleges egységköltsége az évi összköltség és a fogyasztónál felhasznált hő mennyiségének hányadosa

f

v

f

ava

f

QQ Q

CQCkk

QC

k +=+== , (10.11)

amelynél megkülönböztethető a távhő állandó (ka) és változó (kv) egységköltsége is.

10.2.4. A TÁVHŐ ELŐÁLLÍTÁSÁNAK KÖLTSÉGE

10.2.4.1. Fűtőmű Fűtőművekben csak hőfejlesztés történik, így az összes költség a hőfejlesztés

költsége. Ezért a fűtőmű költségei viszonylag egyszerűen meghatározhatók: . (10.12) FMEFMü,FMü,FMa,FM EkQpCC ++=

10.2.4.2. Fűtőerőmű Fűtőerőművekben kapcsoltan hő- és villamosenergia-fejlesztés történik, így az

összes költség két termékre, a hőre és a villamos energiára vonatkozik. Mivel a tüzelőhőt termodinamikailag nem lehet megosztani a hő- és a villamos energia



között, a megosztás csak szubjektív módon történhet, a két energetikailag szélső eset között. A fűtőerőművi kapcsolt energiafejlesztés költsége

FEü,FEü,FEa,FE QpCC += , (10.13)

nagyobb, mint az azonos tüzelőanyagú kondenzációs erőmű, és lényegesen nagyobb, mint az azonos tüzelőanyagú fűtőmű költsége.

10.3. A távhőellátás árbevétele A távhő fogyasztók két csoportra oszthatók: – lakossági és kommunális, valamint – ipari. A távhő fogyasztók között a hálózati veszteségek területén nincs olyan

különbség, mint a villamos energia fogyasztók között (ipari fogyasztók nagyobb feszültségszinten, azaz kisebb hálózati veszteséggel vételezik a villamos energiát). A hálózati hőveszteségeket – azonos szigetelésnél – alapvetően a vezetékek hossza határozza meg, amely alapján nem indokolt a fogyasztók megkülönböztetése.

A távhő ára elvileg – a rendelkezésre állás vagy teljesítmény és – a fogyasztott hő díjából (árából) tevődik össze.

10.3.1. RENDELKEZÉSRE ÁLLÁSI, ILL. TELJESÍTMÉNYDÍJ A távhőellátás állandó költségeit elvileg a lakossági-kommunális fogyasztók

rendelkezésre állási díja és az ipari fogyasztók teljesítménydíja hivatott fedezni

. (10.14) THRa,tdrd CÁÁ ≥+

A rendelkezésre állási díjat néhány éve vezették be hazánkban a lakossági-kommunális fogyasztóknál. (A rendelkezésre állási díj a nagyszámú távhő fogyasztónál lényegében az egyedi fogyasztók saját hőellátásának létesítési költségéhez hasonló, hosszú időtartamra elosztva). A lakossági-kommunális fogyasztók rendelkezésre állási díja tehát

, (10.15) ∑ ∑=

=12

1 1rd

n

nirÁ

az n fogyasztó által havonta fizetett és a naptári évre összegzett díja. Az ipari fogyasztóknál ez korábban is megvolt és teljesítménydíjnak nevezik. Az

alap- és csúcsteljesítménydíj megkülönböztetése indokolt, mert – a kihasználásuk miatt – eltérő az értéke a lekötött alap- (átlagos) és csúcshőteljesítménynek. Ezért az ipari fogyasztók teljesítménydíja

, (10.16) ∑ ∑ ∑

+=

=

=

=

=

12

1 1 1,cscs,aatd

mj

j

mj

jjj QtQtÁ



ahol ta az előre lekötött alap-, tcs a csúcshőteljesítmény díja, Ft/MW; Q a j-ik fogyasztó előre lekötött alap-, Q csúcshőteljesítménye, MW.

j,a

j,cs

10.3.2. HŐDÍJ A távhőellátás változó költségeit elvileg a lakossági-kommunális és az ipari

fogyasztók felhasznált hő után fizetett hődíja kell, hogy fedezze

. (10.17) THRv,hihl CÁÁ ≥+

A lakossági-kommunális fogyasztók hődíja

, (10.18) ∑ ∑∑ ∑=

=

=

=+=

12

1 1,hmvlhmv

6

1 1,flfhl

ki

ii

nj

ii QáQáÁ

az n számú fogyasztó által a fűtési szezonban (6 hónapon keresztül) és a k számú fogyasztó által a használati melegvíz (egész évben) hőért, havonta fizetett és a naptári évre összegzett díja, á a hő fogyasztói ára, Ft/GJ; Q a fogyasztott hő mennyisége, GJ/hónap. Az ipari fogyasztók hődíjának megállapítása

(10.19) ∑ ∑=

=12

1 1hhi

m

jjQáÁ

szintén a fogyasztott hő után történik. Tehát a fogyasztókkal való helyes elszámolás alapfeltétele a fogyasztónkénti hőfogyasztásmérés. (Hazánkban az ipari fogyasztóknál általában megvan, míg a lakossági-kommunális fogyasztóknál egyelőre csak fogyasztói hőközpontonként.)

10.3.3. KÖLTSÉGFEDEZETI ÁR Közgazdaságilag a hő árbevételének

, (10.20) NYCCÁ ++= THRv,THRa,

fedeznie kell a távhőellátás állandó és változó költségeit, valamint nyereséget kell biztosítania a távhőellátó vállalat(ok)nak. Ez az elv lassan érvényesül a hazai gyakorlatban is. A távhő MEH (Magyar Energia Hivatal) által irányadó árképzési elve a költségfedezeti módszer, azaz

NYCÁ += , (10.21)

az indokolt ráfordítások költségei mellett átlagos nyereség ( )NY érvényesíthető az árban. (A távhőellátás, mint regionális energiaellátás, ma már az önkormányzatok tulajdonában van, így az ár megállapítása az önkormányzatok feladata, a MEH elvei csak irányadóak.) Az indokolt ráfordítások elfogadtatása azonban alku kérdése: az állandó költségek képezhetik a vita tárgyát, a változó költségek nem. A költségfedezeti ár visszatükrözi a távhőrendszerek eltérő tulajdonságait (hőforrás energetikai-gazdasági hatékonyságát, a távhőrendszer kiterheltségét, a távvezetékek állapotát stb.), amelynek következtében indokolt, hogy az egyes távhőrendszerekben eltérő a távhő ára.

A távhő hazai gondjait jól szemlélteti a távhő fedezeti diagramja (10–1. ábra). A távhőellátás árbevétele csak akkor jelentkezik, ha van hőszolgáltatás, miközben



az állandó költségek szolgáltatás nélkül is fennállnak. Ezért nyereség csak akkor képződik, ha a szolgáltatott hő mennyisége nagyobb a fedezeti pontnál (Qfp). Ha a távhőrendszerek túlméretezettek, akkor általában nem érhető el a fedezeti pont, és a legtöbb hazai távhőrendszer túlméretezett (nem épült meg a tervezésnél elvárt számú fogyasztók egy része).

C, Á

C

Á Ca

Cv

Qfp Q

NY

10–1. ábra. A távhő fedezeti diagramja

Valószínűleg a távhő árképzésében hosszú távon marad a költségfedezeti módszer, mert adott ellátási körzetben nem teremthető meg a távhő piaca, amely alatt elsősorban a hőforrások versenye értendő.

10.3.4. A TÁVHŐ TERMELŐI ÁRA KAPCSOLT ENERGIAFEJLESZTÉSNÉL A fűtőerőmű árbevétele

( )NYCCC

ÁÁÁÁÁÁÁ QiQQ

++=>

>+++++=

FEv,FEa,FE

itdQlrdEtdPFE (10.22)

a villamos energia teljesítmény díjából (ÁtdE) és a kiadott villamos energia árbevételéből (ÁE), a lakossági hőfogyasztók ráeső rendelkezésre állási díjából (ÁrdQ) és a lakosság felé szolgáltatott hő árbevételéből (ÁQl), valamint az ipari fogyasztók teljesítmény díjából (ÁtdQi) és az ipari fogyasztóknak szolgáltatott hő árbevételéből (ÁQi) tevődik össze. A kapcsolt energiafejlesztés versenyképességét – a fejlett országok gyakorlata alapján – a villamos energia ára teremti meg, azaz olyan magas a villamos energia árbevétele, hogy lényegében fedezi a fűtőerőmű költségeit (CFE), ezért a fűtőerőműből kiadott hő a fűtőművi hőfejlesztésnél alacsonyabb áron is többlet árbevételt eredményez.

10.4. A távhőellátás szervezeti felépítése Adott városban ma már egy önkormányzati vagy magán tulajdonban levő

távhőellátó vállalat van hazánkban. A távhőellátó vállalatok rendelkeznek a vezeték hálózattal és fogyasztói hőközpontokkal. Attól függően, hogy van-e a városban egyéb jelentős hőforrás (közhasznú vagy ipari erőmű, fűtőmű) a



távhőellátó vállalat – saját hőforrás üzemeltetése helyett – megvásárolja a távhőt a hőszolgáltató vállalattól. Ez a modell érvényes néhány nagyvárosunkra (pl. Budapest: BE Rt.—FŐTÁV; Pécs: PE Rt.—PÉTÁV), és számos olyan kisvárosunkra, amely mellett erőmű vagy fűtőmű üzemel (pl. Százhalombatta DE Rt., Tiszaújváros TE Rt., Dunaújváros–DUNAFERR). Ebben az esetben a távhő költségei és árbevétele – megállapodás alapján – megoszlik a hőszolgáltató és a hőellátó vállalat között. A legtöbb távhőrendszernél a hőforrás is a távhőellátó vállalat tulajdona, így a felmerülő költségek és az árbevétel a távhőellátó vállalaté.

10.5. Beruházási döntések A beruházási döntés több lehetséges beruházási alternatíva közül egy vagy

néhány kiválasztását igényli. Beruházási döntést igényel a meglévő és már elhasznált berendezések cseréje, sőt az innováció is (régi technológia újjal történő felcserélése). Az innovációs döntés a legnehezebb, mert a meglévő berendezés még működik, s a cserével járó rejtett költségeket (pl. leszerelés) is el kell fogadni. Mindegyik beruházási döntésnél azonosak a kérdések:

– Megtérül-e a beruházás? – Mikor? – Mennyi lesz a hozama? A beruházás értékelését tárgyilagosan és mennyiségi alapon kell elvégezni.

Erre azonban nincs mindig lehetőség. Sőt ha van, akkor sem mindig kerül rá sor. Számos esetben fontosabbak a szubjektív elemek, mint az adott beruházás során realizálható nyereség. A presztízs, a morál, vagy a biztonság (fontos szempont az energetikában) mennyiségileg nehezen fejezhető ki. A nem mennyiségi közelítésmód fő hiányossága, hogy annak a lehetőségnek a választására bátorít, amely iránt a legnagyobb nyomást fejtik ki. Azonban a mennyiségi értékelés nem tudja mindig helyettesíteni az intuitív vagy a szubjektív szempontokat.

Egy beruházási döntésre az a jellemző, hogy nem lehet megfordítani. Ha rossz volt a döntés, annak egy ideig a nyereség látja kárát. Ha jó döntés született, a beruházás a várt idő alatt megtérül a többlettőkével együtt. Sikeresnek tekinthető a beruházás, ha lehetővé teszi a befektetett tőke megtérülését, és ezenkívül nyereséget is hoz. Általában minden berendezést azzal a szándékkal vásárolnak, hogy az kifizetődjék (TORGENSEN). A tőke visszatérül, ha

T [visszatérülés éve] > T [lekötés éve], azaz ha a visszatérülés évében visszakapott tőke nagyobb, mint a lekötés

évében befektetett vagy kölcsönadott tőke. A tőke visszatérülés, azaz a beruházások mennyiségi értékelése a kamat és a

kamatszámítások megértését igényli. Az idő és a pénz nem függetlenek egymástól. (A pénz mai értéke nem egyenlő az egy évvel ezelőtti pénz értékével, a ma meglévő pénzt ma lehet használni, pénzt lehet vele keresni.) A pénz használatáért fizetett (vagy kapott) összeg a kamat. A kölcsönadó tekintetében ez haszon vagy nyereség, míg a kölcsönvevőnél általában költség. A ma lekötött T tőke n év múlva



(10.23) nn iTT )1( +=

tőkének felel meg, ahol i=I/100 a relatív kamat, I a kamat %-ban (igen sok irodalom kalkulatív kamatlábnak nevezi). Az energetikai befektetéseknél a kamat alatt általában az inflációmentes, átlagos várható vagy megkövetelt nemzetgazdasági hozamot, reálkamatot értik, amelynek értéke – a nemzetközi gyakorlatban – 6..15 %/év között változik. Az energetikai befektetések, így a távhőellátás, megtérülési ideje általában hosszabb, de a hosszú távon meglévő és általában folyamatosan növekvő igények miatt biztonságosabb, mint az ipar egyéb szektoraié.

10.5.1. A BERUHÁZÁSOK MENNYISÉGI ÉRTÉKELÉSE A beruházásokról ma kell dönteni úgy, hogy a beruházás nyereséges legyen.

Ezért a beruházási döntések – a jövőre vonatkozó bizonytalan ismeretek miatt – meghatározott kockázattal bírnak. Ennek a kockázatnak a csökkentését szolgálja a beruházások mennyiségi értékelése a gazdaságossági mutatók alapján. Ma már hazánkban is inkább a dinamikus gazdaságossági mutatókat használják.

Nettó jelenérték (Net Present Value) A nettó jelenérték a beruházás döntésének (n= –m-ik év) időpontjára

∑∑−

== +−

+

+=

m

jj

jn

jj

jj

i

B

i

NYCNPV

00

,a

)1()1(,

vonatkozó beruházási költségek és a beruházás által elérhető bevételek (az újralétesítést fedező állandó költség és a nyereség összege) jelenlegi értéke (maradványérték nélkül, azaz az n-ik év végén a beruházás értéke zérus), ahol Bj a j-ik év beruházási költsége, Ca,j a j-ik év állandó költsége, NYj a j-ik év nyeresége, i a relatív reálkamat. A beruházási költségek j= –m (a beruházás megkezdésének éve) és j=0 (az üzembehelyezés éve), míg a bevételek a j=0 és az j=n (a működés utolsó éve) között lépnek fel. A jelenlegi értéket vagy a kamatos kamattal

, nn iVPV )1( +=

vagy a diszkonttényezővel

nn

iVPV

)1( +=

számítjuk attól függően, hogy a jelenlegi értéket melyik évre határozzuk meg. Ha például a jelenlegi értéket az üzembe helyezés évére (j=0) számítjuk, akkor

∑∑=

−==+−

+

+=

0

0

,a )1()1(

j

mj

nj

n

jj

jj iBi

NYCNPV ,

a beruházási költségeket „felkamatoljuk”, míg a bevételeket diszkontáljuk. A beruházási döntéseknél mind a beruházási költségek, mind a bevételek becsült értékek, tehát meghatározásuk bizonyos kockázattal bír.



Megtérülési idő (Payback Period) A megtérülési idő

]0[)1()1(

0

0

,a

0=⇒

+

+=

+

=

∑∑=

−

=in

i

NYC

i

BNPV

n

jn

jjm

jj

j ,

a beruházási költség (i=0 relatív kamatnál) visszatérülésének ideje, amely megmutatja, hogy a nettó jelenérték zérus értékénél a bevételekből a beruházási költség mennyi idő [év] alatt térül vissza.

Belső megtérülési ráta (Internal Rate of Return) A belső megtérülési ráta

][)1()1(

0

0

,a

0ni

jiNYC

i

BNPV

n

j

jjm

jj

j ⇒+

+=

+

=

∑∑=

−

=

,

az a relatív reálkamat, amelynél a működési ciklus (n üzemév) alatt a beruházási költség visszatérül.

Egy beruházás annál gazdaságosabb – minél nagyobb a nettó jelenértéke a beruházási döntésnél meghatározott

évre, – minél kisebb a megtérülési ideje és – minél kisebb a belső megtérülési rátája. A beruházási döntésekre ma már elkészítik a beruházási projekt kumulatív

pénzáramlási (cash flow) diagramját is (10–2. ábra) (nulla maradványértékkel).



idő, a

pénzérték

-m 0 n

i = 12 %

i = 0 %

megtérülési idő

megvalósításiidő

működési időtartam

teljes életciklus

10–2. ábra. A beruházás kummulatív cash flow diagramja

10.5.2. A TÁVHŐ ELLŐÁLLÍTÁSÁNAK EGYSÉGKÖLTSÉGE A villamos energetikai beruházási döntések hazai és nemzetközi gyakorlatában

elterjedt a villamos energia előállítás várható egységköltségének meghatározása és összehasonlítása a jelenlegivel. A villamos energiával azonos módon számítható a távhő egységköltsége is. A kamatszámítás alapján a hőforrás több évig elhúzódó beruházásánál a lekötött tőke értéke üzembehelyezés pillanatában

, (10.24) ∑=

−=+=

0

0 )1(j

mj

jj iBB

ahol a beruházás időtartama m év, (kezdete a j=–m-ik, befejezése, üzembehelyezése j=0-ik évben), Bj a beruházás egyes éveiben várt beruházási költség, i=I/100 relatív kamat, I kamat. A beruházási költség a vetítési alapja az energetikai létesítmények állandó költségének. A hazai gyakorlatban elterjedt lineáris leírási hányad n év alatt

1)1(

)1(l

−+

+= n

n

iiiα . (10.25)

Távhőrendszerekben a várt (tervezett) élettartam a hőforrásra n=25 év, a távvezeték hálózatra, mint közműre hosszabb (n=30..50 év), míg a fogyasztói hőközpontokra rövidebb (pl. n=15 év). A hőforrásra I=12 % reálkamat mellett az éves leírási hányad αl=0,127, ami azt jelenti, hogy n=25 év alatt a beruházási költség 3,175-szeresét kell visszapótolni (infláció nélkül). A hőforrás éves értékcsökkenése az energetikai berendezéseknél szokásos zérus maradványértékkel

0lleírás BC α= , (10.26)



amely a TMK költségekkel együtt adja a hőfejlesztés évi állandó költségét 0TMKla )( BC αα += , (10.27)

ahol a várható éves karbantartási hányad az energetikában αTMK=0,025 1/a. A hőforrásban előállított hő évi várható mennyisége

(10.28) ]GJ/a[10)3600]h/a[10][( 9csHF

60HFHF

−= τMWQQ

a hőforrás névleges teljesítményének (Q ) és a csúcskihasználási óraszámának (

0HF

csHFτ ) szorzata. Így a távhőfejlesztés állandó egységköltsége

csHFcsHF

0TMKl

HF

aa

)(τ

ααQ

BQCk +

== , (10.29)

ahol a hőforrás fajlagos beruházási költségének bevezetésével

0HF

0HF Q

Ba = , (10.30)

a hőfejlesztés állandó költsége

]Ft/GJ[10]/[

]Ft/W[)( 9

cs

HFTMKla as

akτ

αα += , (10.31)

már „függetleníthető” az adott beruházás ténylegesen felmerülő beruházási költségeitől. A várható fajlagos beruházási költség a múlt tényadataiból becsülhető, a csúcskihasználási óraszám pedig a hőforrás várható kihasználásából meghatározható. A hőforrás várható üzemköltsége

QüHF

vvü qp

QCkk === (10.32)

a tüzelőanyag várható fajlagos hőárából (pü) és a hőfejlesztés várható fajlagos hőfelhasználásából (qQ) számítható. A távhő egységköltsége alapján beruházás akkor gazdaságos, ha

. (10.33) jelenlegiüavárhatóQ, kkkk <+=

Fűtőművi hőfejlesztésnél , míg kapcsolt energiafejlesztésnél q meghatározása valamilyen megosztási filozófia alapján történhet.

FMQ qq = Q

10.6. A hőforrások közötti terheléselosztás A különböző hőforrások közti terhelés (teljesítmény) elosztás elvileg a

határköltségek azonosságán nyugszik. A távhőszolgáltatás határ- vagy növekményköltsége

QC

QCk

∆∆

=∆∆

=∆v

Q (10.34)

az állandó költségek hőfejlesztéstől független volta miatt a változó költség változásának és a hőteljesítmény változásának a hányadosa. A gazdaságos terheléselosztás feltétele



QnQ2Q1 ............ ∆∆ kkk ===∆ (10.35)

az üzemben tartott hőforrások határ- vagy növekményköltségének azonossága. A határköltség

QQp

QCk

d)(d

dd üüv

Q∆ == (10.36)

azonos tüzelőanyag (pü=áll.) mellett, amely a legtöbb hazai fűtőműre fennáll

∆=

+=== qpQqQqp

QQqp

QQpk üüü

üüQ d

dd

)(dd

d∆ , (10.37)

ahol q∆ a hőfejlesztő berendezés növekmény hőfelhasználása. A forróvízkazán és a gőzkazán hőfelhasználását és növekmény hőfelhasználását szemlélteti a 10–3. ábra. Mindkét kazán növekmény hőfelhasználásának állandósága mellett, a gőzkazán hőfelhasználása a teljesítmény növekedésével csökken, míg a forróvízkazáné növekszik. A hőfejlesztő berendezések azonos tüzelőanyaga mellett a gazdaságos terheléselosztás feltétele a

(10.38) nqqq ∆∆∆ === ............21

az üzemelő hőfejlesztő berendezések növekmény hőfelhasználásainak azonossága. Fűtőművek azonos típusú (jelleggörbéjű) kazánjainál a növekmény hőfelhasználások azonossága a hőteljesítmények azonosságát jelenti.

A fűtőerőművek mind a regionális távhő, mind az országos villamosenergia-fejlesztésben résztvesznek. Tehát itt „kényszerkapcsolat” van. Mindkét igény kielégítése mellett „erősebb” a villamos energia igények kielégítése (pl. ellennyomású fűtőturbina nagyobb majd kisebb villamos teljesítménye, a forróvizes távhőrendszer hőtárolóképességének kihasználása). Fűtőerőművi blokk és forróvízkazán gazdaságos terheléselosztás elve „magától” érvényesül azzal, hogy a fűtőerőművi blokk határköltségei kisebbek, mint a forróvízkazánoké. A gazdaságos terheléselosztás szerepe a hazai „szétforgácsolt” távhőrendszerekben kicsi, mivel a rendszer adta előnyök nem érvényesülhetnek.



Q.

Q.ü

Q.

Q.ü

Forróvízkazán Gőzkazán

Q.

q

Q.min Q

.0 Q

.

q

Q.min Q

.0

q

qq∆

q∆

Q.ü=q Q

Q.ü = Q

.0 Q

.ü = Q

.0

Q.ü=q Q

0 0

10–3. ábra. A forróvízkazán és a gőzkazán tüzelőhő-hőteljesítmény és hőfelhasználás-

hőteljesítmény diagramja (BÜKI, 1983)


FELHASZNÁLT FORRÁSOK ASUE: Blockheizkraftwerke. Rationeller Erdgaseinsatz, Hamburg,

1992. BALIKÓ S. – BIHARI P.: Energiagazdálkodás. Felsőfokú tankönyv,

Budapest,1998. BERCSI GÁBOR: Gázmotoros, gázturbinás kapcsolt energiatermelés

műszaki, gazdasági összehasonlítása. Magyar Energetika, 1997/. BERCSI G. – BAJNÓCZY G.: A biogáz keletkezése és energetika célú

hasznosítása. Magyar Energetika, 1996/6. BÜKI GERGELY: Fűtőerőművek és távhőrendszerek. Műszaki

Könyvkiadó, Budapest, 1980. BÜKI GERGELY: A közvetlen és a kapcsolt energiatermelés egységes

energetikai jellemzői és mozgásegyenletei hőmérséklet/entrópia-szemlélet alapján. Tanulmány, BME-HRI. Budapest, 1983.

BÜKI GERGELY: Energetika. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1997. CZINKÓCZKY BOTOND: Összekapcsolt gáz- és gőzturbinák c. előadásai a

Budapesti Műszaki Egyetemen, 1994. DEUTZ MWM: Gázmotor-rendszer TBG 620 (termékismertető) DOMOKOS NORBERT: Geotermikus energia hasznosítása hőszivattyúval a

hódmezővásárhelyi távhőrendszerben. Diplomaterv. BME Energetika Tanszék, Budapest, 1998.

ERŐTERV: Pécsi hőerőmű: Energetika a II. rekonstrukcióhoz. Budapest, 1985.

ERŐTERV: A Dunamenti Erőmű összetett erőműrendszerének üzemeltetése. Budapest, 1989.

FAZEKAS ANDRÁS: Néhány szó a távhűtő rendszerekről. Magyar Energetika, 1996/2.

FŐTÁV RT.: Hőközpontok kialakításának irányelvei. Magyar Energetikai Társaság Távhő Tagozat Tájékozatótó, 5. füzet, Budapest, 1994.

A fővárosi távhőrendszer vízáramának és hőmérsékleteinek vizsgálata. BME-HRI tanulmány. Budapest, 1984.

FÜLÖP ZOLTÁN (szerk.): Kalorikus gépek. Egyetemi jegyzet. Tankönyvkiadó, Budapest, 1991.

GYARMATI GY.: Adalékok a gázturbinákhoz. BME díszdoktori előadás. 1997. október 1.

JÁROSI MÁRTON: A távhőellátás és a villamosenergia-ipar. MVM Rt. Közleményei, 1994/3.

FELHASZNÁLT FORRÁSOK

JÁSZAY TAMÁS: Hőtárolók. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992. KAMARÁS BÉLA: Változtatható terhelés növelése a Pécsi Erőmű Rt.-ben.

MVM Rt. Közleményei, 1993/1-2. KAMARÁS BÉLA: Szénbázisú kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés a

Pécsi Hőerőműben. Magyar Energetika, 1996/1. KOVÁCS MARGIT: A nagyvárosok környezete. Gondolat, Budapest, 1985. LÁNG L.–JAKAB Z.: Hűtéstechnika. Műszaki Könyvkiadó, Budapest,

1980. LINDHOLM, O.–LIMANVOURI, J.: Ferwärmerunzeung druch eine

Gasturbine. VGB Kraftwerkstechnik, 1989/7. pp. 649..657. MAYNARD, H. B.: Gazdasági mérnöki kézikönyv. Műszaki Könyvkiadó,

Budapest, 1977. ŐSZ JÁNOS: Rugalmas üzemű fűtőkondenzátorok. Műszaki doktori

értekezés. Budapest, 1983. PUSKÁS JÓZSEF: A Láng Gépgyár által szállított berendezések a

finnországi Espoo város fűtőerőművéhez. Láng Gépgyár Műszaki Közlemények, 1976/1.

ROSZIK JÁNOS: Blokkfűtőerőmű a Ganz Motorból. Magyar Energetika, 1995/4.

RUDOLF VIKTOR: Korszerűsítések a Budapesti Erőmű Rt. erőműveiben. Magyar Energetika, 1994/4.

’SIGMOND GYÖRGY: A gázmotorok alkalmazási lehetőségei fűtési célokra Magyarországon. MET Távhő Konferencia Kiadványa, I. kötet, Eger, 1994.

STRÓBL ALAJOS: Hőszivattyú – eszköz az energiatakarékossághoz. Magyar Energetika, 1994/6.

STRÓBL ALAJOS: Terhelés-változtatások hőszolgáltató erőművekben (Példa a Pécsi Erőmű). Magyar Energetika, 1993/2.

STRÓBL ALAJOS: A hulladékok termikus kezelésének irányzatairól. Magyar Energetika, 1998/3.

A távhőellátás műszaki-gazdasági rendszermodelljei. A/1 OKKFT program 1/b alprogram 1/1/1 téma. BME-HRI tanulmány. Budapest, 1984.

TORGENSEN, P. E.–WEINSTOCK, I. T.: A vezetés integrált felfogásban. Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó, Budapest, 1979.


FELHASZNÁLT FORRÁSOK

SZABVÁNYOK ÉS MŰSZAKI IRÁNYELVEK MSZ 0985007: Forróvíz távfűtések névleges jellemzőinek

meghatározása. MSZ 0985004: A használati melegvíz csúcshőteljesítmény-igény

meghatározása. MI 0985002: Távhőrendszer nyomástartása.


Bihari, P. Ősz, J.:Hőellátás

Documents

Transcript of Bihari, P. Ősz, J.:Hőellátás