Soojusjõuseadmed

''Peaartikkel: Energiatehnoloogiad;
Seotud artikkel: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Elektri tootmine; Elektritootmise tehnoloogiad; Koostootmine; Kütuste põletamine'''

Üldist

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Kütuste põletamine;

Soojusjõuseade või ka teisisõnu soojusmasin, on oma definitsioonilt seade, mis muundab soojusenergia mehaaniliseks tööks. Masina tööks vajalikku soojust võib saada kütuste põletamisel, päikese- või tuumaenergiast. Vulkaanililistes piirkondades kasutatakse Maa-sisest ( geotermaalset) soojust. Mehaaniline töö tehakse gaaside paisumisel - et aga masin töötaks konstantselt, tuleb paisunud gaas uuesti algolekusse kokku suruda. Tegemaks seda sellisel viisil, et tagatud oleks masina stabiilne ning ökonoomne töö, on siiani üks tähtsamaid tehnoloogilisi asjaolusid. ¹

Eestis soojusjõuseadmete poolt toodetud soojust kirjeldab joonis .

Ajaloost

Esimeseks teadaolevaks energia väljundiga seadmeks oli tuuleveski, mis peajoontes kujutati juba 1. sajandil. Esimese tuuleveski looja Heron'i leiutiste hulka kuulub ka aurumasin, mille esmaversioon veel midagi tõsiseltvõetavat ei kujutanud. Esimene kaubanduslik aurumasin leiutati 1712 a., mis oli mõeldud vee väljapumpamiseks kivisöekaevandusest. Lisaks leitakse ajaloost, et esimese aurumasina leiutise au kuulub James Watt'ile, kes täiustas mainitud versiooni aastal 1782. Aurumasinaid kasutati kuni 20. sajandini, peale mida lasti käiku auru- ja gaasiturbiin ning sisepõlemis- ja elektrimootor. ²

Auruturbiinid

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Koostootmine;

Auruturbiin on seade, kus ülekuumutatud aur suunatakse düüside või ringikujuliselt paigutatud juhtlabade abil turbiini võllil ringikujuliselt paiknevatele töölabadele. Töölabadele toimiv jõud paneb turbiini tööratta pöörlema, kusjuures pöörlemissagedus on enamasti mõni tuhat pööret minutis. Turbiini levinuim ehituspõhimõte on lihtsustatud kujul toodud joonis . ³

Töölabadele toimiv jõud võib olla määratud aurujoa otsese rõhuga (aktiivturbiin) või labadelt põrkuva joa reaktiivtoimega ( reaktiivturbiin). ⁴

Mida kõrgemad on auru parameetrid (rõhk ja temperatuur) ja mida suurem on turbiini nimipöörlemiskiirus, seda väiksemad on ühelsamal võimsusel turbiini mõõtmed ja mass. Seetõttu püütakse valida valida auru parameetrid nii kõrged nagu seda lubab turbiini labade materjal, milleks enamasti on kuumuskindel eriteras. Pöörlemiskiirus on määratud käitatava masina nõutava kiirusega. Kütustpõletavates ja tuumaelektrijaamades kasutatakse auruturbiine sünkroongeneraatorite käitamiseks. ⁵

Auruturbiinide põhikasutusala on soojuselektrijaamad, kus nende abil saadakse maailmas praegu ligikaudu 82 % kogu elektrienergiast. Valmistatakse neid, nagu ka nende juurde kuuluvaid generaatoreid (turbogeneraatoreid) võimsusega mõnest kilovatist kuni võimsuseni ligikaudu 1400 MW. Peale auruturbiinelektrijaamade leiavad nad kasutamist laevade ajamites ja (harvemini) mõnedes tööstuspaigaldistes. Maailma võimsaimad auruturbiinid on Palueli tuumaelektrijaamas Prantsusmaal. Nende võimsus on 1400 MW, siseneva auru rõhk 7 MPa ja aurutarve 7775 t/h. Võimsad auruturbiinid võivad koosneda mitmest omavahel ühendatud osaturbiinist. ⁶

Kondensatsiooniturbiinid

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Koostootmine;

Kondensatsiooniturbiinideks on sellised turbiinid ( joonis ), kus auruturbiini järel aur enamasti kondenseeritakse (veeldatakse). Selliste turbiinide juurde kuulub ka veega või (väga harva) õhuga jahutatav kondensaator. Külm jahutusvesi suunatakse läbi torude, mille pinnal aur kondenseerub. Nullilähedane rõhk (tavaliselt 3…5 kPa) saavutatakse jahutusvee piisavalt madala temperatuuriga. Kuna läbi turbiini madalamarõhulise osa tihendite satub aurutrakti mingil määral õhku, on kondensaator varustatud õhueemaldamispumbaga. Kondensaatori jahutusveega viiakse ära soojus, mis vabaneb auru kondenseerumisel. Turbiini siseneva kuuma kõrgrõhulise auru energiast moodustab see nüüdisaegsetes soojuselektrijaamades tavaliselt ligikaudu 55% ja seega võib kondensatsioonturbiini kasuteguriks lugeda neis jaamades ligikaudu 45%. Auru madalamate parameetrite korral (näiteks tuumaelektrijaamades) võib turbiinagregaadi kasutegur olla veelgi madalam. Kasutegurit saab mõnevõrra tõsta kõrgrõhulise auru ühe- või mitmekordse vahe-ülekuumendusega. ⁷

Et kondensaatori jahutusvesi liigselt ei kuumeneks (see vähendaks turbiini kasutegurit), on selle kogus suhteliselt suur – 50 kuni 100 kg ühe kilogrammi auru kohta ehk 0,10…0,15 m³ saadava elektrienergia iga kilovatt-tunni kohta. Kuna jahutusvesi soojeneb kondensaatoris ainult 15…20 K võrra, on selles sisalduva soojuse tehniline rakendamine raske ja enamasti juhitakse soojenenud vesi tagasi kas samasse veekogusse, kust see võeti, või (suletud jahutuskontuuri korral) jahutustorni, kus soojus viiakse ära jahutusõhuga. ⁸

Vasturõhuturbiinid

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Elektritootmise tehnoloogiad; Elektri tootmine; Koostootmine;

Aurujõuseadmete töö põhineb Rankine’i ringprotsessil. Ainult elektrit tootvates elektrijaamades paisub aurukatlas genereeritud kõrgete parameetritega aur auruturbiinis rõhuni 2−5 kPa. Madala temperatuuri tõttu seda soojust ei kasutata. Madalarõhuline aur kondenseeritakse ja selle soojus kantakse ära jahutusveega. Seega kantakse jahutusveega ära kuni pool kütuse soojusest. ⁹,¹⁰

Vasturõhuturbiinidest väljub kogu aur rõhul, mis on vastavuses soojustarbija poolt vajatavaga ( joonis ). Turbiini lõpprõhu (vasturõhu) suurus sõltub tarbija (kaugkütte, tehnoloogia) vajadustest. Kaugkütte soojusvõrku antava vee temperatuur sõltub aga välisõhu temperatuurist. ¹¹,¹²

Seega puudub vasturõhuturbiinil madalrõhuosa koos kondensaatoriga ja aur suundub turbiinist soojustarbijale. Nimetatud turbiinid on töös vähepaindlikud, kuna soojustarbija auruvajadus määrab üheselt turbiini läbiva aurukoguse ja seega ka turbiini võimsuse. ¹³,¹⁴

Mida kõrgem on soojusvõrku antava vee temperatuur, seda kõrgem peab olema turbiini vasturõhk ja seda väiksem on toodetud elektrienergia kogus. Vasturõhuturbiiniga seadmete võimsused ulatuvad 1−250 MWni. Kütusena saab kasutada kõiki kütuseid. ¹⁵,¹⁶

Vaheltvõtuturbiinid

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Soojusmajandus; Soojusvarustus;

Sellistes turbiinides eemaldatakse osa auru enne lõpprõhuni paisumist ( joonis ). Vaheltvõtu auru kasutatakse kütteks või tehnoloogilisteks vajadusteks. Mitu auru vaheltvõttu võimaldab soojusvõrku antava vee astmelist soojendamist. ¹⁷

Võrreldes vasturõhuturbiiniga aurujõuseadmega on vaheltvõtuga auruturbiini eeliseks see, et elektriline koormus ei sõltu välisest soojuskoormusest. Vaheltvõttudest võetav aurukogus on reguleeritav. Soojuskoormuse puudumisel töötab turbiin kondensatsioonrežiimis, kuid väiksema kasuteguriga kui kondensatsioonturbiinid. ¹⁸

Turbiin on projekteeritud nii, et maksimaalne sisemine suhteline kasutegur on reguleeritavate vaheltvõttude koormamisel. Reguleeritavate vaheltvõttudega auruturbiin paikneb soojustarbijale võimalikult lähedal ja kondensaadi jahutamine toimub gradiiris. Reguleeritava vaheltvõtuga turbiini nimetatakse ka termofikatsioonturbiiniks. Kui vaheltvõtu rõhk on madal (0,07−0,25 MPa), sobib see nii kütteks kui sooja veega varustamiseks. Tööstusliku vaheltvõtuga turbiinid on kõrgema vaheltvõturõhuga (< 0,6 MPa). ¹⁹

Aurujõuseadmete eelised ja puudused

Järgnevalt on toodud aurujõuseadmete eelised ja puudused. ²⁰

Eelised:

a) töökindel ja kaua kasutusel;

b) lai võimsuste valik;

c) levinum tehnoloogia koostootmisjaamades;

d) sobib hästi ühtlastel koormustel.

Puudused:

a) ei talu väikeseid koormusi;

b) suhteliselt kõrged hoolduskulud ja spetsialistide vajadus;

c) eeldab hea toitevee ettevalmistust;

d) väikestel alla 1 MW võimsusega seadmetel on väike elektriline kasutegur tingituna auru madalatest parameetritest;

e) suur erimaksumus

Gaasiturbiinid

'''''Seotud artiklid: Kütuste põletamine; Soojuse tootmise tehnoloogiad; Koostootmine;

Gaasiturbiin sarnaneb oma ehituspõhimõttelt auruturbiiniga. Erinevus on selles, et auru asemel paneb turbiini rootori pöörlema kütuse põlemisel tekkiv kõrgrõhuline gaas. Kütus põletatakse põlemiskambris, kuhu kõrge rõhu all sisestatakse nii kütus kui ka õhk, kusjuures õhu tihendamiseks vajalik kompressor on samal võllil turbiiniga või kuulub turbiini koostisse. Gaasi algrõhk on tavaliselt 0,6…1,2 MPa ja algtemperatuur kuni 900 °C (jahutatavate labade korral aga ka kuni 1600 °C). Turbiini ja kompressori pöörlemapanemiseks kasutatakse enamasti käivitus- (tavaliselt elektri-) mootorit. Turbiinist väljuva gaasi temperatuur (kuni ligikaudu 500 °C) ja kiirus on enamasti sedavõrd suur, et seda saab tõhusalt kasutada ²¹:

a) komprimeeritud õhu eelsoojendamiseks;

b) aurugeneraatori kütteks koos saadava auru rakendamisega auruturbiinis (nt. gaasiturbiin-auruturbiin-(kombi-) elektrijaamades);

c) kuumaveekatla kütteks (nt. elektri ja soojuse koostootmis-gaasiturbiinelektrijaamades);

d) reaktiivjõu tekitamiseks (nt. lennukite turboreaktiivajamites.

Kasuteguri tõstiseks kasutatakse gaasiturbiinides sageli kütuse mitmejärgulist põletamist ja õhu mitmeastmelist komprimeerimist. Elektrijaamades ja varu-elektrivarustusagregaatides kasutatakse gaasiturbiine võimsusega 0,5 kuni 400 MW. ²²

Tööpõhimõte

'''''Seotud artiklid: Elektri tootmine; Elektritootmise tehnoloogiad;

Gaasiturbiini põlemiskambrisse sisenev õhk komprimeeritakse kompressoris (K), vt joonis . Kütusepõlemine toimub põlemiskambris, millest gaasid väljuvad temperatuuriga 750...900°C (ei kasutata düüside ja töölabade jahutust) ning juhitakse gaasiturbiini (T), kus gaasid paisuvad ja turbiin teeb tööd, mille tulemusel toodetakse elektrienergiat. Kaasaegse gaasiturbiiniga võimsusega 200 MW ja suurematega on võimalik saavutada kütuse energia elektriks muundamise kasutegur 30...35%. Gaasiturbiini kasutegurit saab tõsta gaasiturbiini sisenevate gaaside temperatuuri tõstmisega. Gaasiturbiini düüside ja töölabade õhkjahutuse kasutamisel võib gaasiturbiini siseneva gaasi temperatuur olla koguni 1400...1430 °C. ²³

Gaasiturbiin koos utilisaatorkatlaga

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Koostootmine;

Soojust saadakse gaasiturbiinist väljuvate gaaside utiliseerimisel. Toodetud soojuse ja elektri suhe on piirides 2,0–3,5. Koostootmise kogukasutegur ulatub kuni 90 protsendini (väiksematel seadmetel 70−86 protsendini), kusjuures elektri osa ulatub 35 ja soojuse 55 protsendini. ²⁴

Kombineeritud gaasi- ja auruturbiiniga süsteemi korral suunatakse gaasiturbiinist lahkuv gaas temperatuuriga 400–600 °C utilisaatorkatlasse, kus selle soojuse arvel toodetakse auru, mis suunatakse auruturbiini. ²⁵

Utilisaatorkatlaid on kolme tüüpi ²⁶:

:* ilma lisapõletita;

:* lisapõletitega;

:* maksimaalse hulga lisapõletitega.

Sellise kombineeritud tehnoloogia korral võib elektriline kogukasutegur ulatuda 55–60 protsendini. ²⁷

Gaasijõuseadmete eelised ja puudused

Järgnevalt on toodud gaasijõuseadmete eelised ja puudused. Loetelu on toodud võrrelduna auruturbiinidega ²⁸:

Eelised:

a) aurukatla ärajäämine;

b) puudub vajadus toitevee järgi;

c) kiire käivitamine (olenevalt võimsusest, mõne sekundi kuni mõne minuti jooksu.);

d) väiksed mõõtmed ja väike ruumivajadus (võrreldes aurujõuseadmega on vajalik ruumala ligikaudu 200 korda väiksem);

e) heitgaaside väiksem kahjulik toime keskkonnale.

Puudused:

a) kallimate kuumuskindlate materjalide kasutamine;

b) suurem maksumus;

c) aktiivosade kiirem kulumine (nt. labad);

d) sagedasem regulaarse hooldamise vajadus;

e) väiksem eluiga (tavaliselt mitte üle mõnekümne tuhande tunni);

f) madalam kasutegur

Sisepõlemismootorid

'''''Seotud artiklid: Soojuse tootmise tehnoloogiad; Koostootmine; Elektri tootmine; Energiaressursid;

Peamiselt on kasutusel otto-ja diiselmootoriga sisepõlemismootorid. Olenevalt mootoritüübist, kasutatakse peamiselt kütustena:

:* bensiin;

:* diiselkütus

:* gaas;

:* gaasistatud biomass;

:* prügimäegaas (metaan).

Sisepõlemismootoreid võib kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks või ainult elektrienergia tootmiseks. Mootori ülekuumenemise vältimiseks tuleb kasutada mootorijahutust, kus soojust saab kasutada sooja vee tootmiseks. Kasutatakse ka heitgaaside soojuse utiliseerimist, millega suureneb kütuse energia muundamise kasutegur veelgi. Mootorite elektriline kasutegur on 35...42%. Elektrienergia ja soojuse koostootmisel on võimalik saavutada kasutegur kuni 92%. ²⁹

Sisepõlemismootorite kombineerimisel auruturbiiniga on võimalik toota täiendavalt elektrienergiat, mille tulemusel saavutatakse elektriline kasutegur kuni 50%. ³⁰

Sisepõlemismootoritele sobib kõige paremini ühtlane töörežiim. Pidevad käivitused ja seiskamised vähendavad remontide vahelist aega. Ottomootorite kasutamisel on töötundide arv kapitaalremondini 35 000...55 000 tundi, diiselmootoritel 25 000...45 000 tundi. Kasutatavad ühikvõimsused on kuni 50 MW. ³¹

2001

Lõputöö

Kombineeritud soojusjõuseadmed

2005

Aruanne

Tõhusa koostootmise viiteväärtused ja tõhusa koostootmise potentsiaal Eestis

2011

Eksperthinnang

Eksperthinnang Vitoplex 200 katelde kasuteguri kohta