2001/11.

Technikai trendek és kilátások

Áttörések az erőműtechnikában

Büki Gergely

Az utóbbi évtizedekben megélt energiaválságok és energiaár-emelések sok nehézséget okoztak a gazdaságnak és a társadalomnak. De van kedvező hozadékuk is: jelentős hatásfokjavítást kényszerítettek ki. Például gépkocsik esetén könnyű észrevenni a benzinár és a fogyasztás közötti kapcsolatot, hiszen a 70-es évek olajár-emelkedése után az új gépkocsik fogyasztása látványosan, több mint felére csökkent. A pozitív hozadék - az egyre szigorodó környezetvédelmi előírásokkal párosulva - áttörést hozott az erőművek hatásfokában is.

Erőművek energetikai hatékonysága

Az elmúlt évtizedekben az erőművek hatásfoka a várt tendenciáknál erőteljesebben növekedett. Jelenleg a hazai erőműrendszer átlagos hatásfoka mintegy 35%, ami megfelel a korábbi legjobb gőzerőművek hatásfokának, az épülő kombinált gáz/gőzerőművek hatásfoka pedig már 55-60%. A jelentős hatásfokjavulásban átütő a szerepe a gázturbinák gyors fejlődésének, és az általuk előidézett versenyhelyzetnek.

A gázturbinák (GT) a legegyszerűbb Joule-körfolyamattal, de igen magas belépő gázhőmérséklettel (T1=1000-1500 0C) hódítottak teret (1. ábra). Saját hatásfokuk ugyan mérsékelt, de a kilépő magas hőmérsékletű gáz (T2=500-620 0C) hasznosításával energetikai jellemzőik jelentősen javíthatók. A kilépő hőt gőzerőműben lehet hasznosítani úgy, hogy a gázturbina és egy nagy gőzerőmű együttműködik (G+G), vagy a gázturbinához egy megfelelő nagyságú hőhasznosító gőzerőművet illesztünk (G/G). Újabban vizsgálják a kilépő hő saját körű hasznosítását (GG) hőregenerálással, gőzbefecskendezéssel (STIG) és levegőnedvesítéssel (HAT). A kilépő hőt hasznosíthatjuk hőellátásra is, ekkor kapcsolt energiatermelő fűtőgázturbinát (FGT) valósítunk meg.

A korszerű erőművek hatásfokát (a), illetve a fűtőerőművek fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelését (b) a 2. ábra mutatja. A villamosenergia-termelés hatásfoka szénhidrogén-tüzelésű kombinált gáz/gőzerőműveknél viszonylag könnyedén elérheti a 60%-ot. A verseny a szénbázisú gőzerőművek fejlesztőit is arra sarkallja, hogy kőszénre 46-50%, barnaszénre 42-46% hatásfokú szuperkritikus gőzerőművet létesítsenek. Szénelgázosítás és nagynyomású fluidtüzelés esetén több irányú próbálkozással igyekeznek szénbázison is megvalósítani a kombinált gáz/gőzerőműveket. A hatásfokversenyben az atomerőművek elmaradnak, de a szerény javulás náluk is figyelemre méltó.

Kapcsolt energiatermelés esetén a mennyiségi hatásfok az alkalmazott megoldástól alig függ, kisebb mértékben csak a tüzelőanyag befolyásolja. A fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelés viszont az egyes erőműmegoldásoknál erőteljesen eltér, pl. a kombinált gáz/gőzerőműveknél értékük 2-3-szorosa a korszerű gőzerőművekének.

Hőálló anyagok szerepe a hatásfok javításában

Az erőművek elért hatásfokjavításában meghatározó szerepe van az alkalmazható szerkezeti anyagoknak. Általában az anyagtudományi kutatás, konkrétan pedig az erőművi anyagok fejlesztésére irányuló technikai globalizáció mind a gőzerőművek, mind a gázturbinák fejlesztésének egyik alapvető hajtóereje.

A gőzerőművek belépő oldalán a hatásfoknövelés első számú eszköze a kezdőjellemzők növelése. A szuperkritikus újrahevítéses gőzerőművekben jelenleg szóbajövő nyomás- és hőmérséklet-növelés mellett a hőközlés termodinamikai átlaghőmérsékletének növekedését a 3. ábra mutatja.

A kezdőjellemzők növelésének előfeltétele megfelelő hőálló acélok rendelkezésre állása. A gőzerőművekhez választékot nyújtó hőálló szerkezeti anyagokat négy csoportba sorolhatjuk. Az első csoportot az eddig széles körben alkalmazott, alacsony ötvözésű ferrites acélok alkotják. Ezek kedvező megmunkálási (kovácsolhatóság, hegeszthetőség stb.) és üzemi (hőátadási, hőtágulási stb.) tulajdonságokkal rendelkeznek, de a megkívánt 100 MPa igénybevétel esetén csak 520-540 °C hőmérsékletig alkalmazhatók, azaz ezekkel nem valósíthatók meg a kombinált gáz/gőzerőművekkel szemben versenyképes nagyhőmérsékletű szuperkritikus gőzerőművek. Új acélként jelentek meg az erőműépítésben a 9-12% krómtartalmú, ferrites-martenzites szerkezetű acélok. Ezeket az acélokat az Egyesült Államokban, Japánban és az európai országokban (COST 501 program) fejlesztették ki. Ezen belül külön alcsoportot képeznek a volfrámmal is ötvözött W-acélok. Ezek az acélok gyorsan és széles körben terjednek, s biztosítják a gőzerőművek jelentős nyomás- és hőmérséklet-növelését, illetve a hatásfok számottevő javítását. A hőmérséklet további növelését az ausztenites acélok teszik lehetővé. Kedvező szilárdsági jellemzőik ellenére eddig lassan terjedtek nemcsak magasabb áruk, hanem kedvezőtlenebb, jelenleg javítandó technológiai és üzemi jellemzőik miatt. A jövőben gőzerőművek esetén is gondolnak a gázturbináknál általánosan alkalmazott Ni-bázisú szuperötvözetek bevetésére. Ezek a hőmérséklet további igen jelentős növelését tennék lehetővé, de alkalmazásukat gőzerőművekben fékezi a szükséges nagy mennyiség.

Az alkalmazott szerkezeti anyagok tartamszilárdsága és a választható gőzjellemzők között szoros kapcsolat áll fenn, ami lehetőséget nyit arra, hogy adott szerkezeti anyaghoz meghatározzuk az optimális kezdőjellemzőket. Hőállóbb acéloknál a kezdőnyomás és a kezdőhőmérséklet egyaránt növelhető, de növelésüket a tartamszilárdság hőmérséklet függvényében eltérő meredeksége erősen befolyásolja. Ferrites és 9-12% Cr-tartalmú acélok tartamszilárdsága meredeken csökken a hőmérséklettel, ezeknél a nyomást célszerűbb növelni, mint hőmérsékletet. Ausztenites acéloknál, még inkább Ni-bázisú ötvözeteknél a laposabb tartamszilárdság-görbék miatt viszont a kezdőhőmérséklet növelése kerül előtérbe.

A gőzerőművek kilépő oldalán a kondenzációs jellemzők javításához növelni kell a gőzturbinák kiömlő keresztmetszetét. A gőzturbina utolsó lapátjainak szilárdsági igénybevétele elsősorban a forgásból eredő, az anyag sűrűségével arányos centrifugális erő húzó hatásából adódik. Az acéllapátok megengedhető hossza 1000-1200 mm, a kisebb sűrűségű titánötvözetekkel viszont 1400 mm-es lapáthossz is elérhető. A titánötvözet a kilépő keresztmetszet 30-60%-os növelését, mintegy 15 m2 megvalósítását teszi lehetővé, s ez jelentős szerepet játszik nagyteljesítményű gőzerőmű-egységeknél a jó hatásfok eléréséhez szükséges alacsony kondenzátornyomás tartásában.

A nagy hőmérsékletű gázturbinák lapátanyagaként kobalt- és nikkelbázisú szuperötvözeteket alkalmaznak. A gázturbinalapátok első generációját a hagyományos öntvények (Conventional Cast - CC), a statisztikusan kristályosodó polikrisztallitok képezték. Szilárdságnövelés, korrózióval és oxidációval szembeni ellenálló képesség fokozása érdekében különböző ötvözőelemeket vittek be. A szuperötvözetek tartamszilárdságát lényegesen javították a kristályhatárok csökkentésével. Ennek egyik módja az irányított dermedés (Directional Solidification - DS), amely a lapáthossz irányában szünteti meg a kristályhatárokat. Másik út a homogén szerkezetet biztosító egykristály (Single-Crystal - SC), ha egyetlen kristály nagysága az érintett lapát méretével megegyezik, illetve annál nagyobb. Tartamszilárdságuk növelése mellett a szuperötvözetek fejlesztésének fontos feladata oxidációs ellenállásuk növelése és hőtágulási együtthatójuk csökkentése.

A fémes turbinalapátokhoz képest jelentős hőmérsékletnövelést tennének lehetővé a nagyszilárdságú keramikus anyagok (Oxide Dispersion Strengthend - ODS). Gyártásukkal és alkalmazásukkal kapcsolatban tapasztalatok még nem állnak rendelkezésre, ezek az anyagok a jövő lehetőségét jelenthetik.

Korszerű megoldások: hatékonyak és egyszerűek

A technikai globalizáció eredményeként számos korszerű megoldás alakult ki gőzerőművek, gázturbinák, gáz/gőzerőművek, atomerőművek stb. területén. A korszerű megoldások egyik közös jellemzője, hogy a kívánt célt hatékonyan, jó hatásfokkal, biztonságosan és környezetbarát módon valósítják meg. Másrészről a rendszerek és a berendezések egyszerűsítése is alapvető követelményként jelenik meg. A technikai globalizáció eredményének tekinthető az is, hogy a különböző cégek korszerű termékei számos közös vonást mutatnak, illetve az egyes energetikai berendezések azonos irányban fejlődnek. A következőkben néhány korszerű erőműmegoldásra utalunk.

Szuperkritikus szénbázisú gőzerőművek. A gázturbinák térhódításával korszerű gőzerőművet csak szénbázisra terveznek. Fejlesztésükre amerikai, japán és európai cégek nemzetközi kutatási programot hoztak létre. Az összefogás elsősorban 300 bar-nál nagyobb nyomású, 600 °C-nál nagyobb hőmérsékletű újrahevítéses erőműblokkok szerkezeti anyagainak és technológiájának, kapcsolásának és berendezéseinek fejlesztésére irányult.

A szuperkritikus erőmű gőztermelő berendezése kényszeráramlású, általában toronykazánban elrendezve. A kényszeráramlású kazán fix pontját képezi a vízleválasztó. A túlhevítő és az újrahevítő egyaránt több szakaszra osztott, a szakaszok csöveit gyűjtőcsövek fogják össze, strangokra osztva. Az egymást követő strangok - a hőmérséklet-kiegyenlítés érdekében - váltakozva vannak elhelyezve. A fűtőfelületek általában ellenáramúak, de a túlhevítő és az újrahevítő utolsó fokozata egyenáramú, ami a magas hőmérséklet és a nagy hőterhelés hatását kiegyenlíti.

A nagyteljesítményű egységek szénportüzelésűek. Az NOx-szegény égők a levegő primer/szekunder/tercier bevezetésével és füstgáz-visszavezetéssel viszonylag kevés nitrogén-oxidot termelnek, de a szelektív katalitikus leválasztó (SCR) ezt még tovább csökkenti. Villamos porleválasztó és (rendszerint nedves) füstgáz-kéntelenítő már szükséges tartozéka a széntüzelésű gőzerőműnek. Nedves kéntelenítés során a füstgázokat alacsony hőmérsékletre hűtik le, ami jó a hatásfok szempontjából. Kéntelenítés után a lehűlt füstgázokat többnyire a hűtőtornyon keresztül vezetik ki, amelynek lényegesen nagyobb a felhajtó ereje, mint a jó hatásfokú kazánhoz kapcsolódó kéménynek.

A nagy nedvességtartalom miatt a barnaszéntüzelésű erőműegységek hatásfoka mintegy 5%-kal, illetve relatíve 10%-kal kisebb, mint a kőszén-erőműveké. Ez a különbség potenciális hatásfokjavítást is jelent, ha a szén nedvességtartalmát vízként még a tüzelés előtt eltávolítjuk. Korábban a szenet az őrlés érdekében szárították, pl. tűztéri gázzal a nedvességtartalmat elgőzölögtették, s a gőz a füstgázokban távozott, tehát a szén (alsó) fűtőértékét hasznosították. Jelenleg azt vizsgálják, hogy a szén víztartalma milyen mechanikus és termikus eljárásokkal távolítható el, és hogyan akadályozható meg, hogy gőzként a kazánba kerüljön. Víz eltávolítása a barnaszénből lényegében az égéshő hasznosítása irányába mutató lépést jelent, ami barnaszéntüzelésű gőzerőművek jelentős hatásfokjavítását eredményezi.

Nagyhőmérsékletű gázturbinák

A gázturbinák hatásfokjavítása szempontjából leglényegesebb a belépő gázhőmérséklet (T1) növelése, amit több hatás együttesen eredményez. Az alapot a turbinalapát-anyagokban megengedhető hőmérséklet (Ta) emelése jelenti, ha a hagyományos szuperötvözetek (CC) helyett irányított kristályosodású (DS) és egykristályú (SC) ötvözeteket alkalmaznak. Az utóbbi évtizedekben a szuperötvözetek javításával a lapátanyagok hőmérséklete 750 C0-ról mintegy 950 °C-ra, azaz 200 °C értékkel növekedett. Jelentős, több mint 300 °C hőmérsékletkülönbség áthidalását teszi lehetővé a hatásos lapáthűtés, amelyet a léghűtés javításával és a gőzhűtés bevezetésével érnek el. A belépő gáz és a lapát hőmérséklete közötti különbséget tovább növeli a lapátok keramikus bevonata. A belépő gázhőmérséklet tehát jelenleg már 1300-1500 °C szint között nő.

A hőmérséklet növelésével a gázturbinák úgy váltak korszerű berendezésekké (csúcstechnikává), hogy megtartva a Joule-körfolyamatot, felépítésű egyszerű maradt. Az egyszerűsítést célozza, hogy a nagyhőmérsékleten dolgozó turbinának csak 3-5 hűtött lapátsora van. A hideg levegőt szállító kompresszor viszont ugyanolyan nyomásviszony mellett 15-25 lapátsort tartalmaz. Az erőművi gázturbinák egyszerűsítését eredményezi a korábbi nagyméretű, külön épített silóégők elhagyása, s helyettük körgyűrűs, a környezetvédelmi előírásokat maradéktalanul kielégítő égők alkalmazása.

Az egyszerű felépítés megtartása érdekében eddig kerülték az izotermikus folyamatokat közelítő többfokozatú expanziót, illetve kompressziót. De kivételként lehet olyan példát is említeni, amikor a kétfokozatú expanziót soros tüzeléssel valósították meg úgy, hogy az összefüggő, egynek tűnő égő két különböző nyomású része között egy lapátsor működik.

Szénhidrogén gáz/gőzerőművek

A szénhidrogén-tüzelésű gáz/gőzerőművekben a korszerű gázturbina magas kilépő hőmérsékletű gázaival gőzt termelnek, ami egy gőzturbinában hasznosítható (4. ábra). Jelenleg hatékonynak a háromnyomású gőztermelés és újrahevítés tekinthető. Szinte ökölszabály, hogy az utánkapcsolt gőzerőmű a kombinált erőműegység villamos teljesítményét és hatásfokát mintegy 50%-kal emeli.

A gáz- és gőzkörfolyamat kombinációja, illetve a háromnyomású gőztermelés természetszerűleg bonyolítja a kombinált gáz/gőzerőművek felépítését. Érthető törekvés, hogy ezt az - esetenként csak látszólag - bonyolult kapcsolást egyszerűsítsék. A 4. ábra több egyszerűsítést tartalmaz. Az egytengelyes kivitelben a gázturbina és a háromházas gőzturbina egyetlen tengelyre kerül, s az erőműegység egy villamos generátorral rendelkezik. Szükség esetén a gőzturbina be- és kikapcsolható egy nagyteljesítményű, oldható és szinkronizáló tengelykapcsolóval. Egyszerűsíti és olcsóbbítja a kialakítást a földszintes elrendezés, mert a turbinák és a generátor állványai elmaradnak. A földszintes elrendezés feltétele, hogy a gáz- és gőzturbinák axiális kiömlésűek legyenek.

A kombinált gáz/gőzerőműveket széles körben hőszolgáltató egységként alkalmazzák. A nagy belépő hőmérsékletű és alacsony hőmérsékletű fűtési hőt kiadó egységek hőkiadó rendszerének felépítése általában nagyon egyszerű. Nagy fajlagos kapcsolt villamosenergia-termelés esetén ugyanis az egyszerűbb hőkiadás miatti veszteségek súlya sokat veszít jelentőségéből.

Passzív biztonsági rendszerű atomreaktorok. Az atomerőművek a gazdasági versenyben jelenleg elmaradnak a földgázüzemű gáz/gőzerőművektől, a társadalom pedig fél a nukleáris balesetektől és ellenáll az atomerőművek építésének. A társadalom támogatása csak olyan új generációs atomreaktorokkal nyerhető meg, amelyek biztonságosságát a közvélemény elfogadja.

A biztonságnövelés irányában tett jelentős lépés a passzív (inherens) biztonsági rendszerű reaktorok kifejlesztése. A passzív biztonsági rendszer lényege, hogy a reaktor méretezési üzemzavarai során külső energia bevezetés és emberi beavatkozás nélkül, csupán a természetes folyamatok (gravitáció, felhajtó erő stb.) biztosítják az utólagosan termelt hő elszállítását.

A passzív biztonságú reaktorokat szintén széles körű összefogással, valóságos technikai globalizáció keretében fejlesztették ki. Egyesült Államokban ilyen a nyomottvizes passzív AP600 és az egyszerűsített elgőzölögtető SBWR reaktor. Európában a passzív nyomottvizes EPR és 1000 MW-os passzív elgőzölögtető reaktort alakították ki. Japán szintén kidolgozta a passzív és egyszerűsített könnyűvizes reaktorok terveit.

IRODALOM

Büki G.: Energetika. Műegyetemi Kiadó Budapest, 1997.

Büki G.: Energiaátalakítás, gáz- és gőzerőművek. Akadémiai Kiadó Budapest, 2000.


<-- Vissza az 2001/11. szám tartalomjegyzékére