Tényi V. Gusztáv - Villamos energetika I. előadásvázlat

(1)

Villamos energetika 1. - eloadásvázlat (Novothny féle jegyzet alapján)

1. A VILLAMOS ENERGIA ELOÁLLÍTÁSA

1.1. A természeti energiahordozók átalakítása villamos energiává

Az egyes energiafajták anyagi megtestesítoi az energiahordozók.

A természetben megtalálható energiahordozók az 00. primer energiahordozók • szén, olaj, fóldgáz,

• víz,

• hasadó anyagok stb

A különféle energiafogyasztók az energia olyan formáját igénylik, amely • viszonylag gazdaságosan állítható elo,

• a felhasználás helyén állandóan rendelkezésre áll, • nem kíván tárolást és

• egyszeruen alakítható át mechanikai munkává, hové, fénnyé stb.

Ilyen energia a villamos energia, amely a primer energiahordozók célszeruen átalakított közvetíto formája.

VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS ÁTVITEL FELHASZNÁLÁS

V illamosenergia- fogyasztók Természeti (primer) energiahordozók Szén Átalakítás villamos energiává Szállítás, elosztás

Helyi átalakítás Energia helyi hasznosítása Olaj Gáz Víz Atom Egyéb Eromuvek Motorok

r---I

Mechanikai Kemencék

!---I

_Ho Hálózatok

~.

I Világítás

H

Fény Elektrolízis f---l Vegyi

1.1.-1. ábra. A villamosenergia-ellátás folyamatának elvi vázlata

(2)

r

I

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar _{Villamos energetika 1. eloadás} 06.09.21

Az eromuvekben termelt villamos energia szállítása és elosztása a hálózatok feladata, míg

a fogyasztói berendezések a villamos energiát a szükségleteiknek megfelelo formába alakítják át és hasznosítj ák.

Az eromuveket a villamos energia termeléséhez felhasznált primer energiahordozók fajtájától függoen három nagy csoportba sorolhatjuk:

• hoeromuvek, • vízeromuvek, • atomeromuvek.

29%

• víz

12%

il

L.-J atom gáz olaj szén

1.1.-2. ábra. A primer energiaforrások megoszlása a villamosenergia-termelésben

A hoeromuvek

A hoeromuvek tüzeloanyaga lehet:

• szén, energetikai barnaszén: futoértéke 6000 ...6500 kl/kg. • olaj (vagy olaj származék) (pakura, goudron), amelyek futo értéke 40000 ...41000 kJlkg

• fóldgáz. hoeromuvi földgáz futoértéke kb.35000 kl/kg A hoeromuvekben az energia átalakítás ának alapveto munkafolyamatai az alábbiak:

• a tüzeloanyag kémiai energiáj ának átalakítása hoenergiává (a tüzeloanyag elégetése); • a hoenergia átadása a közvetíto közegnek;

• a közvetíto közeg hoenergiájának átalakítása mechanikai energiává; • a mechanikai energia átalakítása villamos energiává.

A tüzeloanyag elégetésének módja, illetve az alkalmazott közvetíto közeg szerint: • gozeromuveket és

• gázturbinás eromuveket

(3)

Tüzelo anyag .. ti'to közeg: Kozve • vi, . Vili ,"'" ~- Mechanikai ~ energia · Ho

"€ly

•

V'g"

'n"~

en

ViU"""

energl~~~:>ozkkazazanan(---JI:-\gOZ'(Nhl~ozrbm I\ ...generátor)

.~ a) Tüzelo anyag Villamos energia Tüzelo anyag b)

Vegyi Mechanikai Villamos

energl/~f.~nergia. " energia

· .~',liazturmaib" '\ g~

~l~l~~.~:

\----.

KiPU,fogótgaz energiaHo

Közveti~o köze~:

VIZ

Ho . Mechanikai Villamos

1'~:~:o-~?~energla'\ri1lar:lOs""-\\

.~~

kazán

__ J

J gOZ ,urbirr~ . generator~ J energia •. c)

1.1.-3. ábra. A tüzeloanyagok villamos energiává alakításának elvi folyamatábrája a) gozeromuben, b) gázturbinás eromuben, c) kombinált ciklusú eromuben

A

vízeromuvek

Mozg~i Mech~ikai Villa~os

___ 1energI~, energIa energIa

Folyó I / Víz \ (~

víz ~-+--\turbinaJ+--\ generátor ) •

___ 1 ''----..---' ' ,, ,

1.1.-4. ábra. A villamosenergia-termelés elvi folyamatábrája vízeromuben Az atomeromuvek: Közvetíto közeg: VlZ Hasadó anyag Atom energIa Atomreaktor Ho energia Ho energia Mechanikai energIa Villamos energia

1.1.-5. ábra. A villamosenergia-termelés elvi folyamatábrája az atomeromuben

(4)

Folytonosan megújuló (regeneratív) természeti energiahordozók:

• a nap sugárzási energiája, • a szélenergia,

• a geotermikus energia, • a tengerek ár-apály energiája.

A villamos energiát közvetlenül eloállító magnetohidrodinamikus (MHD) generátorok:

• atomelemek és

• tüzeloanyag-cellák alkalmazásával.

Becslések szerint a vízenergián kívüli regeneratív energiahordozókból termelt, ill. közvetlenül eloállított villamos energia részaránya az ezredforduló körül még az iparilag fejlett országokban sem fogja elérni az összes termelt villamos energia 1%-át.

1.2. A villamosenergia-szolgáltatás

minoségi követelményei

A villamos energia fogyasztói elvárás:

• folyamatosan,

• a megfelelo minoségben

o a feszültség (turés, idobeli állandóság, lüktetésmentesség, felharmonikus-mentesség), o frekvencia,

o a háromfázisú feszültségrendszer szimmetrikus volta,

• üzembiztosan

o kiesési valószínuség kicsi, azaz megbízhatóság nagy álljon a csatlakozási pontban rendelkezésükre.

A csatlakozás helyén átvett villamos energia biztonságos és gazdaságos eljuttatása az egyes fogyasztói berendezésekhez a fogyasztó feladata.

A fogyasztó és az áramszolgáltató szoros kapcsolatából következik, hogy aminoségi energiaellátás igénye miatt a fogyasztó se "szennyezze" a villamos hálózatot, azaz ne okozzon áram- ill., feszültség-felharmonikusokat (vezérelt egyenirányítók), feszültséglüktetéseket (ívkemencék), feszültségszimmetria- torzulásokat (aszimmetrikus terhelés).

1.3. A kooperációs villamosenergia-rendszerek

jellemzoi

A kooperációs villamosenergia-rendszer(VER): A távvezetékekkel összekapcsolt eromuvek, valamint az ezekhez csatlakozó különféle elosztó hálózatok és a hálózatokon keresztül ellátott villamosenergia-fogyasztók összessége alkotja a kooperációs villamosenergia-rendszert, amelyben az eromuvek egymással szinkron kapcsolatban járnak.

A nemzetközi kooperációs energiarendszerek • szomszédos országok (pl.: CENTREL), • országcsoportok (pl.: UCPTE)

Napjainkban tehát világszerte általánossá váltak az országos és nemzetközi kooperációs villamosenergia-rendszerek.

(5)

1.3.1. A kooperáció elonyei

• az eromuvi teljesítménytartalékok csökkennek,

• acsúcsterhelés viselésében kisegítik egymást,

• a

terhelés elosztása gazdaságossá válik.

• nagyobb egységteljesítményu generátorok beépítését teszi lehetové: • a fajlagos beruházási költség csökken,

• afajlagos üzemköltségük kisebb

• a kialakított többszörösen hurkolt hálózatokon csökken a hálózati veszteség.

1.3.2. Teljesítményeiosztás (a teherelosztó feladatai)

A váltakozó áramú villamos energia nagy mennyiségben, gazdaságosan nem tárolható, tehát az eromuvekben mindenkor a fogyasztók pillanatnyi igényeinek megfelelo s természetesen a mindenkori veszteségeket is fedezo teljesítményt kell termelni.

A napi terhelési görbe:

Export-import szaldó Szénhidrogén eromuvek Széneromuvek _ Egyéb Atomeromuvek 6 12 18 24

Jellemzo téli nap

6 12 18 24 Jellemzo nyári nap

6000

I[PJoor

Ir..

l

I I

1

1:

I I

4000

2000 v

1.3.-1. ábra. A magyar VER napi terhelési görbéje A napi terhelésben két terhelési csúcs jelentkezik:

• délelotti csúcs, • esti csúcs.

A csúcsterhelés (Pes) tehát a meghatározott idotartam (pl. nap, év) alatt igénybe vett legnagyobb villamos teljesítmény. Az év folyamán eloforduló csúcsterhelések közül a legnagyobbat maximális csúcsterhelésnek nevezzük.

Az energiarendszer éves terhelésének alakulására jellemzo a napi csúcsterhelések burkológörbéje.

(6)

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar _{Villamos energetika 1. eloadás} 06.09.21 [P]=MW 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000

napok _Jan.le. i'. b_{. mar. apr. maJ.Jun. JU . aug. szep. o}" " ., . '1 t k_1._{nov. eco}d

1.3.-2. ábra. A napi csúcsterhelések burkológörbéje a magyar energiarendszerben 1998-ban • A hoeromuvek egyik legfontosabb muszaki-gazdasági jellemzoje a fajlagos hofogyasztás

[q] = kJ/kWh:

ahol:

[Q] = kJ a tüzeloanyagból felszabadított homennyiség, amelyet a villamosenergia-termelésre felhasznált tüzeloanyag tömegének ([m] = kg) és fajlagos futo értékének ([H] = kJ/kg) szorzatából számítunk,

[Wki]

=

kWh az eromubol a hálózatba juttatott (kiadott) villamos energia mennyisége. • Az eromu hatásfokát tehát a következo összefüggésseI számíthatjuk ki:

360

1]=-·100

%,

q

ahol: [q]

=

kJ/kWh a fajlagos hofogyasztás

3600 kJ/kWh fajlagos hofogyasztás felel meg a 100%-os hatásfoknak. Ebbol a szempontból megkülönböztetjük:

• Az

alaperomuveket, amelyek az energiarendszer alapterhelését viszik, olyan terhelést, amely

egész évben viszonylag egyenletes.

• A

menetrendtartó eromuveket, az olyan váltakozó terhelésu eromu, amelyik a napi terhelési

görbe csúcsidon kívüli, viszonylag kisebb terhelésváltozásainak fedezésére szolgál.

• A

csúcseromuveket, melyek kihasználása jóval kisebb, rosszabb hatásfokúak, indulása

viszonylag gyors, rugalmas, gyorsan igénybeveheto tartalékot jelentenek.

Ilyen eromuvek a gázturbinás eromuvek vagy a vízeromuvek közül a tározós eromuvek. A villamosenergia-rendszer jellemzo méroszáma a csúcskihasználási óraszám, amely.

wi

tes

= --

,

(1.-3)

Pes max

ahol:

[Wt] = MWh a rendszer eromuvei által a vizsgált idoszakban termelt összes villamos energia

mennyisége;

(7)

A terhelési csúcsok csökkentésének eszköze lehet:

• Az együttmuködo villamosenergia-rendszerek létrehozása, • az ipari fogyasztóknak adott vételezési menetrend,

• a villamos hotároló fogyasztóknak (pl. bojlerek, hotároló villamos kályhák, stb.) a völgyidoszakban (pl. éjszaka) történo bekapcsolása.

A villamosenergia-rendszer eromuveinek és hálózatainak üzemirányítását és az üzemmenet állandó ellenorzését a teherelosztók végzik. A teherelosztónak ehhez megfelelo információval kell rendelkeznie az energiarendszer eromuveinek, illetve a fontosabb, csomópont jellegu alállomásainak pillanatnyi teljesítményhelyzeférol, a csomópontok feszültségérol, a rendszer frekvenciájáról, az eromuvek és alállomások villamos kapcsolási állapotáról stb. Ezeket az információkat a teherelosztó a különféle távbeszélo-, távméro- és távjelzo-összeköttetéseken keresztül kapja meg.

• A körzeti alteherelosztó (vagy közismertebb nevén körzeti diszpécser szolgálat - KDSZ) a foelosztó-hálózat és az elosztóhálózat valamely elhatárolt körzetének, illetve ugyanerre a hálózatra dolgozó kisebb helyi eromuveknek az üzemirányítását végzi.

• A foelosztó-hálózat növekedésévei a KDSZ-ek a középfeszültségu elosztóhálózatok közvetlen üzemirányítását átadják az e célból létrehozott üzemirányító központnak (ÜIK).

• Az Országos Villamos Teherelosztó (OVT) - amely a magyar villamosenergia-rendszer (VER) központi üzemirányító szerve - irányítása alá tartoznak az országos eromuvek (alaperomuvek), az országos alaphálózat, a nemzetközi kooperációs összeköttetések, valamint a körzeti teherelosztók (KDSZ-ek).

• A nemzetközi foteherelosztó az országos teherelosztók közbeiktatásával végzi a nemzetközi kooperáció üzemirányítását és ellenorzését.

Kooperáló villamosenergia-rendszerek Alaperomuvek Kiseromuvek KDSZ-ek Üzemirányító központok (ÜIK) Villamosenergia nagyfogyasztók Nemzetközi teherelosztó Országos alaphálózat Foelosztóhálózat Középfeszültségu elosztóhálózat 1.3.-3. ábra a VER operatív üzemirányításának rendszere

(8)

r

I I

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar _{Villamos energetika 1. eloadás} 06.09.21

A teherelosztó feladatai: • üzem-elokészítés,

• közvetlen üzemirányítás, • ellenorzés.

A gazdaságos teherelosztás egyik eszköze az eromuvek számára készített napi menetrend. Az üzemeló'készítési feladatokat a teherelosztónak naponta el kell végezni..

Ezenkívül hosszabb távú (heti, havi és éves szintu) üzemelokészítési terveket is ki kell dolgozniuk. A közvetlen üzemirányítási és ellenorzési munka során folyamatosan ellenorizni kell az eromuvek menetrendtartását, a hálózat feszültségét és frekvenciáját, a teljesítmény elosztását, és szükség esetén azonnali beavatkozásokat kell foganatosítani a kívánt paraméterek biztosítása érdekében. A teherelosztó feladatát képezi az üzemi berendezések (kazán, turbina, generátor, transzformátor, távvezeték) karbantartási munkálatainál a berendezések leállításának és újbóli üzembe helyezésének engedélyezése. Üzemzavarok esetén azonnali intézkedésekkel kell a zavar kiterjedését megakadályozni, a fogyasztók energiaellátását a leheto leggyorsabban helyre kell állítani.

1.3.3. A magyar villamosenergia-rendszer

jellemzo adatai

Szlovákia

Ausztria

Szlovénia

Horvátorszá2

_ 750kV 400 kV 220 kV • Alállomás • Eromu 120 kV-os kooperáló eromu

1.3.-4. ábra. A VER országos alaphálózata és eromuvei, kooperációs távvezetékei

Az ábrán láthatók a 100MW-nál nagyobb beépített teljesítoképességu eromuvek is, amelyek egy része a korábban alaphálózati szerepet betölto 120kV-os hálózaton keresztül kooperálnak.

(1996-ban 7000 km összhosszúságú 120kV-os hálózat üzemelt a VER-ben.)

1.3.4. Nemzetközi kooperációs villamosenergia-rendszerek

Európában

1990-ben Európában három nagy nemzetközi villamosenergia-rendszeregyesülés üzemelt: az VePTE,

(9)

70GW teljesítoképességu kooperációs villamosenergia-rendszeréhez Anglia, Wales és Skócia hálózatai tartoznak, így ez tisztán nemzeti ellátó-rendszernek tekintheto.)

A NORDEL a skandináv országok (Svédország, Norvégia, Dánia, Finnország és Izland) villamosenergia-rendszeregyesülése.

Az egyik legnagyobb kooperációs villamosenergia-rendszer az UCPTE (Union for the Coordination of Production and Transmission of Electricity) rendszer, amelyet 1951-ben nyolc nyugat-európai ország (Ausztria, Belgium, Franciaország. Hollandia, Luxemburg. Német Szövetségi Köztársaság. Olaszország és Svájc) mértékadó villamosenergia-termelo és -szállító társaságai hoztak létre.

A szervezethez 1978-ban csatlakoztak Spanyolország, Portugália, Törökország és Jugoszlávia villamos társaságai is, így 12 nyugat-európai ország nemzeti villamosenergia-rendszere üzemelt párhuzamosan az UCPTE rendszeregyesülés keretében.

A villamosenergia-termelés 1996-ban 1709 TWh (1990-ben: 1470 TWh) értéket ért el. Ez, a forrásokat tekintve a következoképp oszlik meg:

- vízenergia 16,4%, - atomenergia 38,4%,

- hagyományos hoeromu 45,2%.

Az UCPTE rendszerrel szinkron kapcsolatban üzemelnek Dánia szárazföldi részei és Albánia. Aszinkron kapcsolatok üzemelnek a NORDEL és Nagy- Britannia hálózataival, tenger alatti nagyfeszültségu egyenáramú kábeleken keresztül, ezenkívül párhuzamosan üzemel a CENTREL országok kooperációs rendszerével (1.3.-5. ábra).

1975 1980 1985 1990 1995

-- Összes forgalom (harmadik országokkal együtt) UCPTE-tagországok közötti forgalom

1.3.-5. ábra. Az UCPTE

Az UCPTE (1996) új Alapszabálya foglalkozott a párhuzamos üzem eddigi és jövobeni kiszélesítésével - a CENTREL országok bekapcsolódásáról a kooperációba, valamint a bovítés egyéb lehetoségeirol.

Kilátásba helyezték - gibraltári kapcsolatokon keresztül - a párhuzamos üzem felvételét a Marokkó-Algéria-Tunézia alakzattal. A távlati tervek között szerepel az aszinkron kapcsolat megvalósítása (az

ÚTI. Balti Gyuru, amellyel Oroszországgal való együttjárás is megvalósulhat), valamint Görögországon

és Bulgárián keresztül párhuzamos üzem felvétele Törökországtól Egyiptomig bezárólag.

A magyar villamosenergia-rendszernek a KGST-VERE rendszerrel való együttmuködésébol három kedvezotlen öröksége volt:

egyoldalúan eros hálózati kapcsolat a volt KGST-országokkal és gyenge kapcsolat az UCPTE irányába;

nagy importhányad és egyoldalú importfüggoség a volt Szovjetuniótól;

(10)

a villamosenergia-ellátás minoségi jellemzoi nem feleltek meg a nyugat-európai normáknak.

A Szovjetunió politikai és gazdasági problémái, a KGST megszunése és a magyar gazdaságnak az Európai Unió felé irányuló tendenciája azt eredményezték, hogy a magyar, szlovák, cseh és lengyel villamosenergia-társaságok között szoros együttmuködés jött létre.

Ennek eredményeként a négy villamosenergia-rendszer 1990-91-ben bejelentette az UCPTE-hez való csatlakozási szándékát.

Ennek alapján 1995. október 18-án 12 óra 30 perckor a CENTREL-rendszert párhuzamosan kapcsolták az UCPTE-rendszerrel, akkor még próba üzem jelleggel.

Ezzel kezdetét vette a próbaüzem második szakasza, amelynek tervezett idotartama hozzávetolegesen egy év volt. 1998-ra sikerült elérni, hogyaCENTREL egyesülés az UCPTE társult tagja legyen.

1.3.5. A villamosenergia-termelés

fo jellemzoi

A világ energiamérlegére jellemzo, hogy állandóan növekszik benne villamos energia részaránya; 1920-ban az összenergia-felhasználásban a villamosenergia részaránya kb. 7% volt, 1970-ben 25%, 1980-ban meghaladta a 30%-ot és valószínusítheto, hogy e tendencia a jövoben is érvényesül.

Általában igaz az, hogy a villamosenergia-felhasználás szoros korrelációban van a gazdasági teljesítmény-, a nemzeti össztermék (GDP) alakulásával. (1.3.-6. ábra)

% 500 -- Villamosenergia-felhasználás 1»1 GDP 300 100 1960 1970 1980 1990 1998

1.3.-6. ábra. A bruttó hazai termék (GDP) és a bruttó villamosenergia-fogyasztás korrelációja Magyarországon (Az l-es görbe jelzi a villamosenergia-felhasználást, a 2-es a GDP-t.)

A villamosenergia-felhasználás növekedését korunkban jelentosen befolyásolják a primer energiahordozó készletek - elsosorban a koolaj - egyre csökkeno mértéke, a villamosenergia-termelés ezzel együtt növekvo költségei, valamint az eloállítás és hasznosítás különbözo módszereinek a környezetre gyakorolt káros hatásai (környezetszennyezés).

Az üzemi eromuveket általában a nagyüzemek gyártási technológiájához szükséges gozigények fedezésére is létesítik. Ezt a megoldást nevezik hoszolgáltatással kapcsolt villamosenergia-termelésnek.

Magyarország villamosenergia-termelésének és -felhasználásának alakulása 1925 és 1996 között -látható az 1.3.-7. ábrán.

Az ábrán l-es számú görbe mutatja az összes felhasználást (fogyasztás+eromuvi önfogyasztás), a 2-es görbe a bruttó fogyasztást (fogyasztást + veszteség), 3-as görbe a nettó termelést és a 4-es görbe az import szaldót TWh-ban. (1 TWh

=

1012Wh

=

1 milliárd kWh).

(11)

30 20 40 4 ~ 10 \II\ \ "- .•..• I I 1990 1996 1975 1.3.-7. ábra. 1950 1925 [W]=TWh 2499 +164 2643 105 36 927 1 i I ~9321-1 Vi11am?s~ner~ia,

lEl földgaz es

VIZ-LJ ellátás 2032 I

1160 >L~pítoipar -1

11683 - .. h;-knz1 I ---:''>lYfSZáiíít~s,posta, Ir o_...'J

---i'" Országos mérleg: összes felhasználás37 265 GWh ---1 ~ ~~gos bruttó fogyasztás 34 514~GWh •.1·

Vi11amosenergia~rendszer(VER) 36 953 GWh ..-1

közcélú eromuvek nettó termelése ~1"O~ nnTh I

I G I K=1aod"=~ J974J ~ B

I

Mezo- erdogazd.1laIaSZiitl1177(CJ I H I Szállashely, vendeg~ 453<~ 1~ Közvllág,ítás~ 556,,~J I O Egye~~közöss_SiOff.l1503~ _--, __ E=gy:'..~_~_t_og_y_as_z_as---:J1065<~-~

1.3.-8. ábra: Magyarország villamosenergia-termelés és -felhasználás éves folyamatábrája (1996)

(12)

A

nagyfeszültségu fogyasztók gyakorlatilag az ipari fogyasztókat jelentik. Az ipari fogyasztók

napi terhelési görbéje kiegyenlített jellegu.

A nagyfeszültségu fogyasztókat a villamosenergia-gazdálkodásért felelos országos hatóság (a Magyar Energia Hivatal) kötelezi arra, hogy havonta egy meghatározott napon óránként és ugyanazon a napon az esti csúcsidoszakban negyedóránként mérjék és regisztrálják tényleges terhelésüket, amely adatokat a fenti hatóság részére kell, hogy szolgáltassanak.

Ezért ezeket a fogyasztókat mérésköteles fogyasztóknak is szokás nevezni.

[P]=MW 12600

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

1.3.-9. ábra. Az ipari (mérésköteles) fogyasztók napi terhelési görbéje

1996-ban a termelt villamos energiának csak 22%-át használták fel a mérésköteles fogyasztók.

A

kisfeszültségufogyasztók száma nagy (1996-ben 5.029.934), egy-egy fogyasztó teljesítménye pedig

kicsi. Ide tartoznak a háztartási és a mezogazdaságifogyasztók, valamint a közvilágítás.

Az 1.3.-8. ábrán "Egyéb fogyasztás"-ként jelölt fogyasztói csoport igen változatos összetételu. Ide tartoznak például a különféle intézmények, hivatalok, a vendéglátó-ipar, a kisipar stb. A kisfeszültségu, nem mérésköteles fogyasztók napi terhelésgörbéje meglehetosen rapszodikus, kiegyenlítetlen jellegu E fogyasztók napi csúcsterhelése az esti csúcsidoszakban jelentkezik, és ennél mindig kisebb a délelotti csúcsterhelés értéke.

A kisfeszültségu fogyasztók között a legnagyobb fogyasztást a háztartások villamosenergia-felhasználása képviseli. A háztartási fogyasztók villamosenergia-fogyasztása igen dinamikus an no. A háztartási fogyasztók villamosenergia-felhasználása drasztikus korlátozások nélkül - csak viszonylag kismértékben szabályozható.

Az egy lakosra jutó bruttó villamosenergia-fogyasztás tekintetében - az ENSZ statisztikai adatai alapj án - Magyarország az európai "középmezonyben" foglal helyet. 1996-ban hazánkban az egy lakosra jutó bruttó villamosenergia-fogyasztás 3392 kWh volt. Érdekes, hogy a világ országai között ez a mutató Norvégiában a legnagyobb, ott ugyanis meglehetosen sok eromu - elsosorban vízeromu - üzemel, lakosainak száma viszont kevés.

Magyarországon a villamosítás 99,3%-ra becsülheto, azaz az összes lakás és üdülo közül csupán 0,7% nincs a közcélú villamos hálózatra kapcsolva.

(13)

Villamos energetika 1. - eloadásvázlat (Novothny féle jegyzet alapján)

2. VILLAMOSENERGIA-TERMELO

BERENDEZÉSEK

A villamos energia az ipari országok nemzetgazdaságának valamennyi fogyasztói szektorában már napjainkban is jelentos szerepet játszik.

Felhasználásának terjedése és növekedése vitathatatlan elonyeivel magyarázható: • viszonylag gazdaságosan állítható elo;

• nagy távolságokra is kevés veszteséggel szállítható;

• nem igényel tárolást, (ill. a váltakozó áramú energia nem tárolható; • a kívánt energiafajtává egyszeruen átalakítható;

• a felhasználás helyén állandóan rendelkezésre áll; • tiszta, kényelmes és jól automatizálható a felhasználása.

A villamos energia

eloállítása, szállítása, elosztása és felhasználása

a villamosenergia-ellátás folyamatában valósul meg.

E folyamatban minden olyan létesítményt, amely villamos energiát fejleszt, ill. a villamos energiát a fejlesztés helyétol a felhasználóhoz (fogyasztóhoz) eljuttat ja villamos munek nevezünk.

A villamosmuvek összekapcsolt, irányított együttmuködo rendszere a villamosenergia-rendszer

Fogyosztók

----,

I

I Atviteli- es elosztó hól. és ber. Erömt'lvek

I

IL

---~

Villamos mt'lvek !

r---,

I Víllamosenel-gia-ellátás folyamata I

I

..

Villamosenergia ..

I

\Ii1lamosenerglo- -s7állítás

Villomosenerglo--termelés elosztás' -felhasználás

0.-1. ábra A villamos muvek helye a villamosenergia-ellátás folyamatában A fogyasztók igényelte legfontosabb energiafajták.

• mechanikai -, • ho-,

• fény-, • vegyi- és • atomenergia.

A leggyakrabban felhasznált primer energiahordozók, mint bányászott energiahordozók a következok: • szilárd tüzeloanyagok (hulladék, lignit, barnaszén, feketeszén, antracit);

• folyékony tüzeloanyagok (ásványolaj); • gáznemu tüzeloanyagok (földgáz); • hasadó anyagok (uránium, tórium).

(14)

Az alapenergia-források másik kategóriáját az ún. természeti energiaforrások alkotják melyek: • mechanikai energia (vízmozgás, szél);

• hoenergia (napsugárzás, melegvíz-források).

Azt a villamos muvet, amely valamely primer energiahordozó felhasználásával villamos energiát, vagy villamos energia fejlesztésével egybekötötten hoenergiát fejleszt, eromunek nevezzük.

2.1 Eromuvek

A hagyományos eromuvek villamosenergia-fejlesztése vázlatosan a 0.-2. ábrán tanulmányozható.

Energia "felszabadítás" (Energiaátadás

közvetíti) közegn ek)

Energia átalakítás

Erögép aik.

Energia átalakítás Vili. generátor

0.-2. ábra A villamosenergia-fejlesztés általános módja eromuvekben Néhány fontos meghatározás:

• A villamos mu lehet közcélú-, vagy üzemi villamos mu.

• A jutoeromu ho- és villamos energia termelésére egyaránt alkalmas gépi berendezésu villamos eromu.

• Csúcseromu

• Beépített teljesítoképesség az eromuben a beépített gépegységek(az összekapcsolt turbinát és a generátort értjük) generátorkapcsokra vonatkoztatott teljesítoképessége.

A gyakorlatban alkalmazott eromuveket különbözo szempontok (pl. energiaforrás, terhelés jellege) szerint csoportosíthatjuk.

(15)

2.2 Hoeromuvek fobb üzemi jellemzoi és foberendezései

A villamos energia termelése érdekében a hoeromuvekben lejátszódó leglényegesebb folya-matokat két csoportra oszthatjuk: ún. fo technológiai folyamatokra és az azt kiegészíto folyamatokra.

Eromuvek felépítése, energiaátalakítások:

Energiaforrás Hofejleszto Hohordozó Erogép Áramfej leszto Energiaátalakítási berendezés közeg lánc berendezés Szilárd, Kémiai energia folyékony és ~hoenergia ~ gáznemu Dugattyús mechanikai energia tüzeloanyagok Gozkazán Goz

gozgép, ~villamos energia Napsugárzás gozturbina Hoenergia~ mechanikai energia ~villamos energia Folyékony

-Gáznemu Belsoégésu tüzeloanyagok égéstermék motor Folyékony, Égési Gáznemu Gázturbina gáznemu kamra égéstermék

(nyitott_{Kémiai energia ~}Villamos tüzeloanyagok körfolyamatú) generátor hoenergia~ Szilárd, Égési

LevegoGázturbina mechanikai energia folyékony és

kamra, (zárt ~villamos energia gáznemu hocserélo körfolyamatú) tüzeloanyagok berendezés Hasadó Reaktor Goz, gáz Gozturbina, _{Magenergia ~} anyagok gázturbina hoenergia ~ mechanikai energia ~villamos energia Víz --Vízturbina Mechanikai energia ~villamos energia Szél --Szélkerék Mechanikai energia ~villamos energia

A fo technológiai folyamatok - amelyek az eromu foberendezéseiben zajlanak - a következok: • a tüzeloanyag kémiai energiájának átalakítása hoenergiává (elégetési folyamat);

• a hoenergia átadása a közvetítoközegnek;

• a közvetítoközeg hoenergiájának átalakítása mechanikai energiává; • a mechanikai energia átalakítása villamos energiává.

A fobb kiegészíto folyamatok - amelyek segédberendezéseket igényelnek - a következok: • a tüzeloanyaggal kapcsolatosak

• a hutovízzei kapcsolatosak • a pótvízzel kapcsolatosak

Azt az elvi (ho) kapcsolási vázlatot, amely a vízgoz- vagy a gáz-körfolyamatot tartalmazza és magában foglalja mindazon berendezéseket, amelyekben a közvetíto közeg (vízgoz vagy gáz) valamilyen változáson megy keresztül az eromu ho-sémájának nevezzük.

A ho-sémában feltüntetik a közvetíto közeg legfontosabb állapotjellemzoit is (nyomás, homérséklet).

(16)

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

Eromuvek csoportosítása:

Villamos energetika 1. eloadás 06.09.21

Csoportosítási szempontok _Eromutípus

Tüzeloanyagok

Hoeromu Folyóvíz, tárolt víz, tengervíz

Vízeromu Energiaforrás MagenergiaAtomeromu Napsugárzás Naperomu Levegomozgás Széleromu Gozturbinás eromu Hoerogép-típus Gázturbinás eromu Belsoégésu motoros eromu

Együttmuködo (kooperációs) Fogyasztói csatlakozás

eromu Elszigetelt eromu

Ellátási terület

Országos (körzeti) eromu Üzemi eromu Kondenzációs eromu Energetikai rendszer Ellennyomásos eromu Elvételes eromu Alaperomu Terhelés jellege Menetrendtartó eromu Csúcseromu Villamosenergia-szolgáltatás Rendeltetés Hoszolgáltatás Kapcsolt ho- és villamosenergia-szolgáltatás <50MW kis eromu Beépített teljesítmény 50-500 MWKözéperomu >500MW nagy eromu

(17)

2.2.1. Gozturbinás eromuvek

A gozeromunek - a fo technológiai folyamatnak megfeleloen - három foberendezése van: - a kazán;

- a gozturbina;

- és a villamos generátor.

A tiszta kondenzációs eromuben a teljes fejlesztett gozmennyiség villamos energia termelésére szolgál A kazán ban termelt gozt a turbinába vezetik, amely a villamos generátort hajtja.

TR sU VH TU göz 4

I

: hütöv'íz

I

-f§KSZ

I

'---

________ ...1~ c:::,opadek~ ~

I

TS~

_l.-/'

tápvíz T 1 2

0.-1. ábra Kondenzációs eromu egyszerusített hokapcsolási vázlata 1 tüzeloanyag; 2 levego; KA kazán; 3 füstgáz; 4 salak és hamu; TU turbina; G generátor; TRtranszformátor; SÜ leágazás a segédüzemek részére; KO kondenzátor;

KSZ kondenzvíz szivattyú; T táptartály a gáztalanítóval; TSz tápszivattyú; VR villamos hálózat; KE kémény

A 2.2.-1. ábra kondenzációs eromuvének hatásfoka alacsony.

A hatásfok növelésére

számos muszaki megoldás született. Ilyen hatásfoknövelo megoldások az eromuben a léghevítés, a megcsapolásos tápvíz-elomelegítés és a közvetíto közeg újrahevítése.

Ellennyomású eromuvekben (2.2.-3. ábra) a turbinából távozó goz nem a kondenzátorbajut, hanem a teljes gozmennyiséget a hofogyasztók kapják, amelyek azt részben technológiai-, részbe futési célokra használják fel. A turbina ez esetben is villamos generátort hajt, azonban a termelt villamos energia mennyisége a fogyasztók igényelte gozmennyiségtol függ.

Gozelvételes eromurol (2.2.-4. ábra) beszélünk, ha a goznek csak egy hányadát vezetik a hofogyasztókhoz, a többi része a turbinában expandál egészen a kondenzátomyomásig. Az elvételes gépeket tehát elvileg két részre, egy tisztán ellennyomású gépre és egy kondenzációs gépre lehet bontani.

(18)

A gozturbinás eromuvek energetikai alkalmazása:

• a kondenzációs eromuvek, a villamosenergia-rendszer legfontosabb eromuvei, amelyek teljes egészében a közcélú villamosenergia-ellátást szolgálják.

• villamosenergia- és hofejlesztésre egyaránt szolgálnak az ellennyomású és az elvételes eromuvek. Ezek az úrr. hoszolgáltató eromuvek, amelyekben a fejlesztett villamos energia

mennyiségét nem az együttmuködo villamosenergia-rendszer követelményei, hanem a hofo-gyasztók igényei (hoszolgáltatási igények) szabják meg.

A hoszolgáltató eromu alapveto válfajai:

o az ipari hoszolgáltató eromu, amely ipari hofogyasztó berendezéseket lát el;

o a jutoeromu, amely futési hoigényt elégít ki (pl. városok, városrészek távfutése).

A magyar villamosenergia-rendszer hoeromuveiben a felhasznált összes tüzeloanyag kb. háromnegyedét villamosenergia-termelésre fordítják, míg negyedét távhoszolgáltatásra.

2.2.2. Gázturbinás eromuvek

A gázturbinás eromuben a foberendezések közül a kazán elmarad, helyét a repülogép hajtómuhöz hasonló gázturbina tölti be. A gázturbinás eromuvek tüzeloanyaga elsosorban olaj vagy fóldgáz. A közvetíto közeg vízgoz helyett maga az égéstermék, a füstgáz.

2

E

2.2.-5. ábra Egyszeru nyitott rendszeru gázturbinás eromu elvi hokapcsolási vázlata IM indító motor; K kompresszor; E égotér; GT gázturbina; G generátor 1 levegobeszívás; 2 tüzeloanyag; 3 füstgáz a kéménybe; 4 villamos energia Az eromu hatásfokát alapvetoen az határozza meg, hogy:

• a gázturbina és a légkompresszor hatásfoka mekkora; • a turbinába beömlo gáz homérséklete milyen magas,

• a turbinából kilépo gázok hotartalmát milyen mértékben hasznosítják, azaz milyen a megvalósított körfolyamat.

E jellemzoknek megfeleloen a következo hatásfokjavító megoldásokat alkalmazzák:

• a szabadba távozó füstgázok hojével muködo hocserélot építenek be, amely a beszívott levegot elomelegíti, és így a tüzet nem huti;

(19)

• többfokozatú kompressziót és expanziót alkalmaznak, amelynek során a kompressziós fokozatok között hutik, az expanziós fokozatok között pedig újrahevítik a hohordozó közeget; • kombinált ciklust (gáz-goz körfolyamatot) alkalmaznak, amelyben a gázturbina távozó hojét

gozeromuben hasznosítják. (Kombinált ciklusú eromuvek) A gázturbinás eromu elonyei:

• gyors üzemkészség,

• a berendezés és a kezelés egyszerusége,

• a hutovíz-ellátástól való teljes, vagy részleges függetlenség. Hátrányai:

• a gozeromuvekénél rosszabb hatásfok,

• szerkezeti okok következményeként kisebb egységteljesítményu turbina.

Alkalmazási területek:

• a nagyobb egységteljesítményu gázturbinás eromuveket csúcseromuként alkalmazzák a villamosenergia-rendszerekben;

• az együttmuködo villamosenergia-rendszerben gyorsan indítható hideg tartalékként alkalmazzák;

• sajátos eromuvi alkalmazási területe a földalatti szénelgázosítás termékeivel üzemeltetett gázturbinás eromu;

• kohóüzemekben a hulladékenergiák (pl. kohógáz) felhasználása;

• végül a gázturbina távozó hoenergiájának gozeromubeni hasznosítása az úrr. kombinált ciklusú eromuben (2.2.3. fejezet).

Kapcsolt energiatermelés

Kapcsolt energiatermeléssel (Azaz a villamos energia és a hoenergia egyideju értékesítéséveI.) nagyon jó hatásfokot lehet elérni az energiaátalakításban, ezért világszerte tapasztalt fejlesztési iránya villamos energia közös technológiával való termelése a hovel.

(20)

BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

2.2.3. Kombinált ciklusú eromu

A gázturbinából távozó füstgáz homérséklete és hoenergia tartalma alkalmas gozfejlesztésre így az eddig szabadba távozó, vagy csak részben használt füstgáz energiáját egy gozciklusban jól lehet hasznosítani.

A kombinált ciklusú gázturbinás eromuvek elonyei: • takarékos primerenergia felhasználás; • hatásos energia-kihasználás;

• mérsékelt károsanyag (füstgáz) kibocsátás.

3

GözhasznosítGs

2.2.-8. ábra Kombinált ciklusú eromu hokapcsolási vázlata G generátor; LSZ légszuro; HT hangtompító; K kompresszor; E égotér GT gázturbina; HK hohasznosító kazán; NT nedvesgoz-tartály; TSZ tápvízszivattyú

TT tápvíztartály; KE kémény; EM elomelegíto; EG elgozölögteto; TH túlhevíto; Ilevegobeszívás; 2 tüzeloanyag; 3 füstgáz a szabadba; 4 villamos energia

(21)

Hazai kombinált ciklusú eromuvek

• Dunamenti hoeromu(1870 MW) • Kelenföldi gázturbinás eromu

Forróviz-kazánok 137 MW 6-6MW Ellen-nyomású gozturbínák .magyar" futéíturbínák 6bar 15 bar Gozkazánok 15-15 MW

2.2.-11. ábra Gázturbinás kapcsolt energiatermelés forró vizes távfutéshez Kelenföldön • Borsod Chem

2.2.4. Diesel- és benzinmotoros eromuvek

Ezen eromuvekben a goz, ill. a gázturbina helyett a generátor hajtó gépeként dieselmotort, vagy -egészen kis teljesítmények esetén - benzinmotort alkalmaznak.

Nem gazdaságos, azaz alkalmazáskor a gépegységek egyértelmu elonyei a mértékadók:

gyors indíthatóság; egyszeru kezelés és szabályozás; csekély vízszükséglet; rugalmas üzemmenet.

• szükség-áramfejleszto berendezésként olyan villamosenergia-fogyasztóknál, amelyeknél váratlan áramkimaradás esetén azonnali helyettesíto áramszolgáltatást kell biztosítani (pl. vasútbiztonsági berendezések, híradástechnikai berendezések, kohóüzemek levego- és gázellátása, stb.);

• olyan területek villamos energia szolgáltatójaként, ahová még nem lehetett a közcélú villamosenergia-szolgáltatást kiépíteni (pl. tanyák, távol eso építkezések és olajvidékek).

(22)

2.3 Vízeromuvek fobb üzemi jellemzoi és foberendezései

A vízeromuvekben a víz helyzeti, ill. mozgási energiáját hasznosítják oly módon, hogy az esésmagasságnak és a vízmennyiségnek megfelelo típusú vízturbinákkal hajtják a villamos generátort. A vízeromuvek összefoglaló osztályozását a 0.-1. táblázat mutatja.

0.-1. táblázat Vízeromuvek osztályozása

Osztályozási szempont _Megnevezés _Megjegyzés Energiaforrás Vízfolyás Természetes tározó Szivattyús tározó Tengervíz Esési magasság Kis esés 0-15 m Közepes esés 15-50 m Nagy esés 50 m-nél nagyobb Teljesíto képesség Törpe eromu 0-100 kW Kis eromu 100-1000 kW Közepes eromu 1000-10000 kW Nagy eromu 10000 kW és nagyobb Vízgazdálkodás - Villamosenergia-fejlesztés - Többféle hasznosítási cél öntözés, hajózás, vízellátás, stb.

A folyóvízi eromuvek kis-, vagy legfeljebb közepes esésuek, és épülhetnek: külön kialakított mederbe (ún. üzemvíz-csatornás eromu); vagy a folyómederbe.

2.3.1. Üzemvízcsatornás

eromu

2.3.-1. ábra Üzemvízcsatornás eromu elvi elrendezése

(23)

2.3.2. Folyómederbe épített eromu

A folyómederbe épített eromu magában a folyómederben foglal helyet. A beépítés helyén a vízszállításhoz, azaz az eromu muködéséhez szükséges esést duzzasztómu létesítésével érik el, minek következtében az áramlási sebesség csökken, és a vízmélység megno. Ez a megoldás csak akkor lehetséges, ha az árvíz és hordalékviszonyok, valamint a jégzajlás olyan kedvezoek, hogy a mederszukítés megengedheto. A folyó hajózhatóságát az ún. hajózózsilip beépítésével továbbra is biztosítják. A mederben egymás mellett van az erotelep, a duzzasztómu és a hajózsilip (2.3.-2. ábra).

.---2

---

--

---3

2.3.-2.ábra Mederbe épített folyami eromu elvi elrendezése 1 erotelep; 2 duzzasztógát; 3 zsilip; 4 jégterelo

2.3.3. Tározós eromuvek

Tározós eromuvek elsosorban hegyvidéken építhetok vagy természetes tavak kihasználásával, vagy pedig a vízfolyás völgyzárógátas elrekesztéséveI.

2.3.-3. ábra Tározós eromu elvi elrendezése 1 duzzasztógát; 2 tározómedence; 3 nyomóvízcsatoma;

4 kiegyenlítomu; 5 nyomócso; 6 eromu; 7 alvíz

A kiegyenlítomu (vízzár) olyan kiegyenlíto tartályból vagy medencébol áll, amely befogadja az utánáramló vizet, és tárolja is az esetben, ha a turbinákat valamilyen oknál fogva az eromuben lezárják.

A kiegyenlítomu révén tudják megakadályozni, hogy a nyomócsoben a nyomás megengedhetetlen értékre növekedjék. Ugyanez az elrendezés alkalmazható abban az esetben is, ha a tározómedencét természetes tó képezi. A víz szintjét mesterséges felduzzasztássallehet emelni.

(24)

---

---.---BMF - Kandó K. Villamosmémöki Kar

2.3.4. Szivattyús tározós eromuvek

Szivattyús tározómuvek leggyakoribb elrendezését, a felsomedencés kivitelt a 2.3.-4. ábra mutatja. A vízeromuveknél a tározás mértéke szerint beszélhetünk napi, heti, évszakos és éves tározási lehetoségrol. Legjellemzobb a heti tározás és a nappali-éjszakai üzemmód.

I 1

2.3.-4. ábra Felsomedencés szivattyús tározómu elvi elrendezési vázlata 1 felso medence; 2 alsó medence, vagy folyó; 3 szivattyú;

4 vízturbina; 5 szinkrongép; 6 közös nyomóvezeték

folyami vízeromuvek: akisesésu vízeromu villamosenergia-termelése ingadozó, esetleg szakaszos,

a közepes esésu kisebb ingadozású, folytonos. Mindkét fajta eromuvet kooperációs alaperomuként alkalmazzák;

tározós eromuvek: a tározómedencébol a vizet nem kell a hozzáfolyás ütemében felhasználni, így

az eromu teljesítménye a villamosenergia-fogyasztás ingadozásainak megfeleloen szabályozható. Az ilyen eromuvek tehát igen alkalmasak az energiarendszer csúcsterheléseinek fedezésére (csúcseromuvek)

szivattyús tározós eromuvek: ezen eromuveknek energiarendszerbeni alkalmazásával biztosítani

lehet a ho- és az atomeromuvek egyenletes terhelését, gazdaságos üzemét. Ugyanis. kisterhelésu idoszakokban (pl. éjszaka) gépei vizet szivattyúznak a tározóba, a csúcsidoben lebocsátva a vizet gépegységeikkel energiát szolgáltatnak (csúcseromu).

Hazai alkalmazások

A Tiszalöki vízlépcsok villamosenergia-termelési, vízgazdálkodási és hajózhatósági célokat szolgálnak. A két eromu átlagos éves villamosenergia-termelése 160 millió kWh.

Üzemvízcsatornás vízeromuvünk a Rába vizét hasznosító Ikervári-, vagy a mindössze 0,5 MW-os Gibárti Vízeromu, amely 1903-ban létesült a Hernád folyó éles kanyaránál, Gibárt köz-ségnél. A vízenergiát két, vízszintes tengelyu Francis-turbina hasznosí~a. A 12 kV-os GANZ-generátorok egyenként 250 kW teljesítménYUek. Évi villamosenergia-termelése 2,8 millió kWh. (Hazánkban van még néhány kis-teljesítoképességu vízeromu.)

(25)

2.4 Atomeromuvek

2.4.1. Atomeromuvek felépítés, muködése

Az atomeromu és a hagyományos hoeromu között az a lényeges különbség, hogya hotermelés a kazán helyett az 00. reaktorban megy végbe. A reaktorban keletkezett hot közvetítoközeg (hutoközeg) juttatja el a hocserélobe. Ez a folyamat az 00. primer (nagy radioaktivitású) körben játszódik le. A

hocseréloben keletkezett gozt a turbinára vezetik. A turbinából a goz a kondenzátorba jut, ahonnan a csapadék a hoeromuveknél megismert módon kerül vissza a hocserélobe (szekunder kör) Egy ilyen rendszeru atomeromu hokapcsolási rajzát a 2.4-1. ábra mutatja.

R ~. esz Göz TU I I I I : ~ KO

,1--Pr:---

-Av--+=+_J

VIZ

j:

~

TSZ I I KSZ

1+=+1

E

L- ~ ~ KSZ

2.4.-1.ábra Atomeromu hosémája (nyomottvizes)

R atomreaktor;

esz

cirkulációs szivattyú; H hocserélo; TU gozturbina; G generátor; KO kondenzátor; KSZ kondenzvíz-szivattyú;

E elomelegíto; TSZ tápszivattyú

Egy atomeromu fobb részei tehát: a hofej1eszto reaktor a hoátadási rendszer, az erogépcsoport, valamint az ezekhez szervesen hozzátartozó segédberendezések (szabályozó-berendezések, üzemanyag-elokészítés és kezelés stb.). A hoerogép lehet goz- vagy gázturbina. A gyakorlatban egységes eromuvi reaktortípus nem alakult ki, így a különbözo atomeromu-típusokat az alkalmazott reaktortípusok határozzák meg,

2.4.2. A reaktor fo szerkezeti elemei:

• az üzemanyag elhelyezésére szolgáló aktív zóna (reaktormag) ;

• az aktív zónát körülvevo neutronlassító közeg, azaz a moderátor (termikus reaktoroknál); • az aktív zónából, a reaktorból kilépni igyekvo neutronok visszaverésére szolgáló reflektor; • a maghasadás során keletkezett hot elvezeto hutoközeg;

• a szabályozó és méroberendezések; • sugárvédelmi berendezések.

(26)

Heterogén rendszeru a reaktor, ha az üzemanyag és a moderátor elkülönített közeg. Homogén rendszeru reaktoroknál az üzemanyag és a moderátor homogén keveréket alkot. A kétféle rendszer elvi felépítésére példát a 2.4.-2. ábra mutat.

3 2 5 7 6 5 3 4 b)

2.4.-2. ábra Atomreaktorok elvi felépítése

a) heterogén reaktor: 1 beton; 2 reflektor; 3 szabályozórudak; 4 moderátor; 5 üzemanyag; 6 hutoközeg-beömlés; 7 hutoközeg-kiömlés;

b) homogén reaktor: 1beton; 2 reflektor; 3 szabályozórúd ;( szükség szerint beépítve); 4 üzemanyag- és hutoközeg-beömlés; 5 üzemanyag- és hutoközeg kiömlés

Nagy teljesítményu atomeromuvekben elterjedten alkalmazzák a termikus reaktorokat. (A termikus neutronokkal végzett maghasadásnál nagy elony a jó szabályozhatóság. Termikus neutronokkal - a természetben eloforduló elemek közül - egyedül az urán 235-ös tömegszámú izotópja, az U235 hasítható.) Ezért a termikus reaktorok üzemanyaga természetes, vagy U235-ben

dúsított urán.

A termikus reaktorok közül két típus, a "gázgrafitos" és a vizes ma már kipróbált, teljesen megbízható, kereskedelmi típusnak tekintheto.

(27)

2.4.3. Atomeromutípusok

2.4.3.1. Gáz-grafit reaktoros (GGR) eromuvek

A gáz-grafit reaktoros megoldás lényege, hogy a reaktor grafittal moderált és széndioxid gázzal hutött.

Üzemanyaga természetes urán.

2.4.3.2. _{Forraló vizes (BWR) reaktorok}

Ennél a típusnál a moderátort és a hutoközeget egyaránt könnyuvíz szolgáltatja és a hutéskor a nyomás alatt levo hutovízbol goz (ill. hevített goz) lesz. A reaktorban fejlodo gozt közvetlenü1lehet a turbinába bevezetni, ami jobb termikus hatásfokot, egyszerubb szerkezetet eredményez (a primer és a szekunder

kör egyesítése révén a hocserélo elhagyható ) és olcsóbb létesítést tesz lehetové.

2.4.3.3. Nyomás alatti vÍZzelhutött (PWR) reaktorok

Ennél a típusnál a moderátor és a hutoközeg egyaránt könnyuvíz. A reaktorban termelt homennyiséget a hutoközeg víz formáj ában veszi fel (azért nyomott vizes, mert akkora nyomás alatt kell tartani, hogy a kb. 500°C-os víz ne forrjon), majd a hocserélon keresztül egy másik vízkörben (szekunder körben) gozt termel, amelyet gozturbinában hasznosítanak.

A legfontosabb elonyök:

• a hutoközeg és a moderátor ugyanaz az anyag (brómos víz); • a víz beszerzése és kezelése olcsó;

• a vízzel hutött reaktor negatív hofoktényezoju lehet, ami azt jelenti, hogy - nukleáris szabályozás nélkül is - maga a hutoközeg nem engedi meg a reaktor megszaladását;

• a nyomás alatti víz miatt a reaktorméret, és ezáltal a fajlagos beruházási költség is kicsi.

Hátrányos tulajdonságai:

• muködéséhez dúsított üzemanyag szükséges (ui. a futoelemek eloállítási költsége annál kisebb, minél kisebb arányú dúsítást kell alkalmazni);

• termikus hatásfoka a többi reaktortípushoz képest valamivel kisebb (nagy, 400-500 MW egységeik azonban már versenyképesek);

• a gozfejlesztéshez külön hocserélore van szükség;

• a viszonylag alacsony gozjellemzok miatt a szokványostói eltéro turbinák szükségesek.

A

Paksi Atomeromu

elso, 1760 MW-os kiépítése 4 db WER-440 típusú reaktorrallétesült.

2.4.3.4. Nehézvizes (HWR) reaktorok

További termikus reaktorok a nehézvíz-moderátoros (HWR) reaktorok.

Az eddig tárgyalt termikus reaktorok közös jellemzoje, hogy kevesebb hasadó anyagot termelnek

(U238-ból Pu239_et),

mint amennyitfogyasztanak

(U235_öt).

2.4.3.5. Szaporító (tenyészto) reaktorok

Ezen reaktorok elsosorban abban különböznek a termikus reaktoroktól, hogy több hasadó anyagot termelnek, mint amennyit fogyasztanak. Két fo csoportjuk van: a gyorsneutronos szaporítók (FBR-gyorsreaktorok) és a termikus szaporítók. Az elobbiek U238~PU239ciklussal, az utóbbiak Th232~U233 ciklussal muködnek

(28)

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar

2.5 Egyéb eromuvek

A természetben a tüzeloanyagokon, a víz energiáján és az atommag-átalakulások energiáján kívül más energiahordozók is találhatók. Ezek az ún. természeti energiahordozók. Ide tartoznak a következok:

• a Nap sugárzási energiája; • a szélenergia;

• a geotermikus energia (vagyis a hoforrások gozének, ill meleg vizének az energiája); • a tengerek árapály-energiája;

• a tengeráramlások energiája.

Ezeknek az energiahordozóknak közös jellemzoje a kis energiasuruség, a helyhez kötöttség és az esetlegesség (pl. idojárási tényezok).

2.5.1. Naperomuvek

A napsugárzás teljesítoképességét kb. 40·1013 TW-ra becsülik. Ebbol átlagosan 1,8'109 MW éri a Földet. A napenergia hasznosítása világszerte állandóan növekszik, éspedig helyiségek futésére és meleg víz eloállítására.

A kutatások mai szintjén a napsugárzás átalakítása villamos energiává - történjék az közvetlenül félvezetos fényelemekkel, vagy közvetve, hokörfolyamattal - ma még lényegesen költségesebb a gyakorlatban eddig bevált eloállítási módszereknél. Ha a napsugárzás átalakítása villamos energiává a jelenlegi módszerekkel versenyképes lesz, beillesztése a többi energiaforrások közé már nem jelent majd problémát, mivel a napenergia rendelkezésre állása szinte korlátlan, csak a felhasználható energia termelési költsége a dönto, az átalakítás hatásfoka nem.

2.5.2. Széleromuvek

A Föld évi szélenergia-készletét 9.1015 kWh-ra becsülik, amelynek legfeljebb 0,3%-a hasznosítható gazdaságosan. A szélsebesség lényegesen befolyásolja a szélenergia kihasználhatóságát, s emellett fontos körülmény az egyenetlen rendelkezésre állás. A szélenergia fo elonye a villamosenergia-ipar szempontjából az, hogy közvetlenül mechanikai és ebbol villamos energiává alakítható át. Azonban a szélkerék optimális hatásfoka 60%, ami éves átlagban 6-15% körüli, a légtömegek teljesítménysurusége pedig kicsi (kb. 0,2 kW/m2, 7 mis közepes szélsebesség esetén), ezért igen nagy berendezéseket kellene építeni ahhoz, hogy elfogadható teljesítményeket lehessen elérni.

2.5.3. Geotermikus-eromuvek

A Föld természetes melegforrásai adják az alapot a geotermikus energia kinyerésének és hasznosításának. A földkéregben fúrásokat végeznek, amelyeken át 200-2000 m mélységbol túlhevített gozt, goz-forróvíz keveréket, vagy forró vizet hoznak fel (100-300°C). Minimálisan 1 MW-os telep létesítése gazdaságos. Komplex hasznosításra is lehetoség nyílik, hiszen a meleg víz hoje pl. a mezogazdaságban hasznosítható, a vízben levo vegyi anyagok kinyerhetok.

(29)

2.5.4. Árapály-eromüvek

Az árapály-eromuvek a tenger árapály-jelenségébol származó nagy szintkülönbségét használják fel. Az ún. egymedencés, kettos muködésu eromuben dagály idején a turbinákon keresztül feltöltik a tárolómedencét tengervízzei, apály idején pedig a vizet ugyancsak a turbinákon keresztül visszabocsátják a tengerbe. Jellemzoje, hogy az eromu szolgáltatta teljesítmény periodikus a szintkülönbség változás ának a függvényében.

2.5.5. Tengeráramlás-eromüvek

Közismert, hogy az óceánokban óriási víztömegek mozognak folyamatosan egy irányban. Ezen áramlások talán legismertebbje a Golf-áramlás. Egy tengerfenékhez rögzített vízturbinát helyeznek mélyen az áramlás fosodrába, és az általa meghajtott generátor villamos energiát termel.

2.6 Eromuvek térbeli kialakítása

Az ebben a pontban összefoglalóan az eromuvek telepítésének és elrendezésének fobb általános szempontjait tárgyaljuk, valamint kissé részletesebben az egyik legfontosabb speciális feladatot, az üzemi foépület elrendezését, térbeli kialakítását.

Egy eromunek a következo fobb követelményeket kell kielégítenie: • funkció;

• gazdaságosság;

o az energiahordozók- és az égéstermékek szállításával, elhelyezésévei, o a nagy mennyiségu hutovíz beszerzésével, ill. a hutés üzemévei, és o a termelt energia felhasználásával, ill. szállításával

o a bovíthetoség szükségessége és lehetoségei. • biztonság;

• szakmai-jogi és társadalmi szempontok (beleértve a környezetvédelmet is); • esztétikai megjelenés.

(30)

BMF - Kandó K. Villamosmérnöki Kar Villamos energetika 1. eloadás 06.09.21

A Kiskörei Tisza II. Vízeromuben 4 db, 107 limin fordulatszámú csoturbinával közvetlenül kapcsolt 7 MV A-es generátor került beépítésre és üzemel. A Tiszalöki Vízeromu gépházának keresztmetszetét a 2.6.-4. ábra mutatja.

2.6.-4. ábra A Tiszalöki Vízeromu gépházának keresztmetszete 1 elocsatorna; 2 gereb; 3 gerebtisztító berendezés; 4 elzáró zsilipek; 5 zsilipmozgató félportáldaru; 6 szívócso; 7 betétgerendák; 8 gépházi daru;

9 generátor; 10 turbinaforgórész az állítható szárnylapátokkal

A közepes esésu folyami eromuvekjellegzetes turbinatípusa a Francis-turbina. A turbina-generátor tengelyelrendezése függoleges. A gépház építészeti kialakítása nem tér el akisesésu eromuétol. Tározós eromuvekben, kisebb eséseknél Francis-turbinákat, nagyobb eséseknél szabad-sugárturbinákat (Pelton-kerék) alkalmaznak vízszintes elrendezésben.

A szivattyús tározós eromuvekben legalkalmasabb a Francis-, vagy a Pelton-turbina. Mindkét típus készítheto vízszintes és függoleges tengelyeirendezéssei, így az eromuvekben mindkét elrendezés használatos.

2.6.4. Atomeromuvek

Az eromu-Iétesítéseken belül az atomeromuvek létesítése képezi a legtöbb tudományág ismeretének egyideju, összehangolt alkalmazását jelento, azaz legösszetettebb feladatot.

Egy atomeromu létesítésekor, a tervezés idoszakában - a hagyományos eromuvek telepítési szempontjain kívül - az eromu speciális jellegébol következo további szempontokat is figyelembe kell venni, éspedig:

• a telephely közelében lehetoleg nagyobb település ne legyen;

• kevés legyen a szélmentes napok száma (kedvezo meteorológiai viszonyok igénye);

• a telephely árvízveszély-mentes területen helyezkedjék el, ill. ha folyóvíz mellé telepítik, akkor a rendezett terep szintje úgy állapítandó meg, hogy még átmenetileg se öntse el az ár se a telephelyet, se a hozzávezeto utat.

(31)

3. A VILLAMOSENERGIA-ÁTVITEL

JELLEMZOI

3.1. A villamos energia útja a fogyasztóig

A villamos energia a termelo eromuvektol a különféle fogyasztókhoz a hálózatokon viheto át.

A hálózatok feladata tehát a villamos energia szállítása és elosztása.

A villamos energia használatára világszerte szinte kizárólagosan a háromfázisú, háromvezetékes, váltakozófeszültségu rendszerek terjedtek el. E rendszerek névleges frekvenciája általában 50 Hz (Európa), de pl. Amerikában a névleges frekvencia 60 Hz.

Más áram-nemet csak különleges esetekben használnak, így pl. egyenáramot a közúti és távolsági villamos vasúti vontatásban vagy a nagyipari kémiai elektrolízishez.

Nagyfeszültségu egyenáramú átvitelt alkalmaznak - annak muszaki-, gazdasági elonyei miatt - a villamos energia igen nagy távolságra szállítása esetén.

A villamos energiát továbbító távvezetékek elhelyezésétol fliggoen megkü1önböztetünk • szabadvezetékes hálózatokat és

• kábelhálózatokat.

A hálózatok szerves részét képezik az alállomások, amelyek általában a hálózatok megfelelo terhelésu csomópontjaiban helyezkednek el, és az áram útjának kijelölésére vagy a különbözo feszültségu hálózatok összekapcsolására szolgálnak.

Az elobbieket kapcsolóállomásoknak nevezzük, míg az utóbbiak a transiformátorállomások. A hálózatokfeszültségszintjétol fliggoen megkü1önböztetünk:

• kisfeszültségu (l kV alatti), és

• nagyfeszültségu (l kV és annál nagyobb) hálózatot.

A szabványos feszültségszintek hazánkban: kisfeszültség a 0,4 kV (ill. 230 V fázisfeszültség); nagyfeszültség a 3 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, 35 kV, 120 kV, 220 kV, 400 kV, 750 kV, - amely értékek alatt mindig a háromfázisú váltakozófeszültségu rendszer vonali feszültsége értendo.

A 3...35 kV-os hálózatokat a gyakorlati szóhasználatban középfeszültségu hálózatoknak szokás neveznI.

A kisfeszültségu hálózatok rendeltetése mindenkor a villamos energia közvetlen elosztása a fogyasztók között, ezért ezeket a hálózatokat összefoglalóan kisfeszültségu elosztóhálózatoknak nevezzük.

. Egyébként a hálózatok rendeltetés szerintifelosztása az alábbi:

Elosztóhálózat. Rendeltetése a villamos energia nagyfeszültségen való elosztása az alállomások

gyujtosíneitol a fogyasztói transzformátorokig. Ezek feszültségszintje hazánkban 10 kV és 20 kV (közcélú, áramszolgáltatói elosztóhálózatok) valamint 3 kV és 6 kV (ipartelepek belso elosztóhálózatai), ezért szokás e hálózatokat középfeszültségu elosztó hálózatnak is nevezni.

Foelosztóhálózat. Rendeltetése a villamos energia elosztása az alaphálózati csomópontokból az

elosztóhálózatok táppontjaihoz, amelyek általában a fogyasztói körzetek súlypontjában helyezkednek el.

Országos alaphálózat. Feladata az eromuvek és a csomóponti nagy transzformátorállomások

összekapcsolása, a villamos energia nagy mennyiségu szállítása, Az országos alaphálózat vezetékei alakítják ki tulajdonképpen a kooperációs villamosenergia-rendszert. A magyar alaphálózat távvezetékeinek nagyobb hányada ma már 400 kV-os.

(32)

Nemzetközi, kooperációs hálózat. A különbözo országok alaphálózatait köti össze, biztosítva

ezzel a nemzetközi kooperációs villamos energia rendszerek kialakulását, a nemzetközi villamosenergia-szállítását. A szokásos feszültségszintek itt 220,400 és 750 kV.

3.2. Hálózati alakzatok

A hálózat az egyes táppontokat és a fogyasztói pontokat különféle, villamosan összefüggo alakzatokban köti össze. Az alakzatok alapvetoen abban különböznek egymástól, hogy a villamos energia a tápponttól a fogyasztóhoz üzemszeruen hogyan, hány úton juthat el. A hálózatok rendeltetése általában szigorúan megszabja az alkalmazható hálózati alakzatot. A következok a tipikus hálózati alakzatok:

Sugaras hálózat. Egyik végétol táplált, esetleg többszörösen elágazó, nyitott vezetékrendszer,

amelynek minden fogyasztójához az áram csak egy irányból, egy úton juthat el.

A vastag vonallal rajzolt vezetékrészt fovezetéknek (vagy gerincvezetéknek) nevezzük, míg a többi szakasz az ún, szárnyvezetékek (vagy leágazó vezetékek).

Táppont

Megszakító Oszlopkapcsoló - Fogyasztó

(33)

A villamosenergia-szolgáltatás tartós kimaradásának elkerülésére a sugaras vezetékek nyomvonalát úgy alakítják ki, hogy az azonos táppontból induló két vezeték-, vagy a különbözo táppontból kiinduló két vezeték fovezetékei egy pontban találkozzanak. A találkozási pontba megszakítót építenek be. Ez a megszakító normál üzemállapotban mindig nyitott, üzemzavar esetében zárása lehetoséget teremt a hibás vezetékszakasz másik vezetéken keresztüli ellátásra.

Az ilyen hálózatokat gyurus- (2.2.-2a. ábra), illetoleg íves hálózatnak nevezzük (2.2.-2b. ábra).

n

Táppont I.

, 1,

Il

Táppont II.

r::-.Megszakító Megszakító nyitva

a) b)

3.2.-2. ábra. Íves, gyurus hálózat képe

Körvezeték. Olyan vezeték, amely a táppontból kiindulva az összes fogyasztó érintése után visszatér a táppontba, a fogyasztók a gyujtosínre csatlakoznak (2.2.-3. ábra).

Fogyasztó

3.2.-3. ábra. Körvezeték

A körvezeték tehát több fogyasztói gyujtosÍnt összeköto, üzemszeruen mindig zárt vezetékalakzat. Az egyes fogyasztói gyujtosíneket összeköto vezetékszakaszokról itt további leágazások nincsenek.

A körvezeték hátránya a nagyobb beruházási költség, és hogy a tápponti üzemzavar az összes fogyasztót érinti.

(34)

Párhuzamos (trönk) vezeték. Két vagy több párhuzamos vezetékbol álló rendszer, amelyet

általában nagy teljesítményigényu, rövid távolságú energiaellátás esetén alkalmaznak. (2.2.-4. ábra).

Táppont Jf---' Fogyasztók Táppont 1. Fogyasztók

---~[J

Fogyasztók Táppont II.

3.2.-4. ábra. Párhuzamos vezetékek; a) egyoldalú-; b) kétoldalú táplálással

Hurkolt hálózat. Alapveto jellemzoje, hogy különbözo táppontok és fogyasztói helyek között

egyidejuleg több, különbözo irányú összeköttetés üzemel. A hurkolt hálózathoz csatlakozó minden fogyasztó több oldalról és különféle úton táplálható, így a hurkolt hálózat a legnagyobb üzembiztonságú.

Ezen felül komoly elony, hogy többféle energiaút (kapcsolási állapot) valósítható meg, amivel elérheto az egyes fogyasztók optimális energiaellátása (legkedvezobb üzemi paraméterek, legkisebb veszteség és kis feszültségesés). A hurkolt hálózatok változó üzemállapota miatt komoly feladatot jelent az üzemvitel valamint a megfeleloen szelektív védelmek kiválasztása és beállítása. A hurkolt hálózat elvi vázlatát mutatja a 2.2.-5. ábra.

Az ábrán körök jelzik a fogyasztói csomópontokat, nyilak a betáplálás helyeit.

A magyar energiarendszerben tipikusan hurkolt hálózat a nagyfeszültségu, országos alaphálózat.

NEMZETKÖZI KOOPERACI6s HÁLÓZAT

750 kV

ERÖMÖ

3.2.-5. ábra. Hurkolt hálózat elvi vázlata

(35)

2.3. A hálózatok csillagpontkezelésének

módszerei

A hálózatok csillagpontkezelésén az adott hálózat csillagpontjai és a föld közötti kapcsolat - vagyis a hálózati csillagpontok földelésének - módjait értjük.

A csillagpont földelésének módja jelentosen befolyásolja a hálózat üzemének számos paraméterét, így például az egyfázisú földérintéses hibák esetében a fellépo hibaáram nagyságát, az üzemi frekvenciájú feszültségemelkedéseket és a tranziens túlfeszültségeket; az érintésvédelmi megoldásokat, a hálózaton alkalmazott készülékek szigetelési igényeit, a relévédelem kialakítását, a távközlési berendezések zavarását és veszélyeztetését, a szimultán hibák keletkezésének lehetoségét és így tovább.

Egy hálózat csillagpontföldelési módjának megválasztásakor számos tényezot kell egyidejuleg mérlegelni, míg végül általában muszaki-gazdaságossági kompromisszumok alapján lehet csak eldönteni az alkalmazandó módszert ..

A csillagpontkezelés szempontjából alapveto en a hálózatok két nagy csoportját különböztetjük meg: • a földeletlen csillagpontú és

• a földelt csillagpontú hálózatokat.

Földeletlen csillagpontú (szigetelt) hálózat minden olyan hálózat, amelynek egyetlen pontja sincs a

földdel üzemszeruen (szándékoltan) összekötve. A földeletlen csillagpontú hálózat csillagpontkezelését a 2.3.-1. ábra szemlélteti.

II

2.3.-1. ábra. Földeletlen (szigetelt) csillagpontú hálózat (C a hálózatok egyfázisú földkapacitása)

Az ábrából látható, hogya szigetelt csillagpontú hálózatok csillagpont ja és a föld között szakadás van, vagyis a csillagpont és a föld közötti ún. földeloimpedancia (Zr) értéke végtelen nagy.

(36)

Földelt csillagpontú hálózat minden olyan hálózat, amelynek legalább egy csillagpont ja a földdel

közvetlenül vagy közvetve össze van kötve.

A közvetlenül földelt csillagpontú hálózat legalább egy transzformátorának csillagpont ja jól vezeto, fémes összeköttetésben áll a földdel (2.3.-2a. ábra). Ez esetben tehát a csillagpont és a föld közötti f6ldelo impedancia (ZI) értéke gyakorlatilag nulla.

~

H

I

or:

z=o f f a) /' /

H

2.3.-2. ábra. Földelt csillagpontú hálózat:

a) közvetlenül földelt; b) közvetett földelés ellenálláson keresztül ("hosszúföldelés"); c) közvetett földelés reaktancián keresztül (kompenzálás)

A hazai gyakorlatban közvetlenül földelt csillagponttal üzemelnek a 120 kV-os és az annál nagyobb feszültségu hálózatok és a 400 V/230 V -os (0,4 kV -os) kisfeszültségu elosztóhálózatok.

(Megjegyezzük, hogy a kisfeszültségu elosztóhálózatokat elsosorban a hatékony érintésvédelem megvalósíthatósága érdekében üzemeltetik közvetlenül földelt csillagponttal.)

A közvetve földelt csillagpontú hálózatok legalább egy csillagpont ja ellenállás on vagy reaktancián (fojtótekercsen) keresztül csatlakozik a földhöz.

Az ellenálláson keresztül földelt csillagpontú hálózatok esetében (2.3.-2b. ábra) tehát a

f6ldeloimpedancia véges értéku ohmos ellenállás (ZI= RI)'

a reaktancián keresztül fö Idelt csillagpontú hálózatok esetében (2.3.-2c. ábra) pedig egy gyakorlatilag tisztán reaktív fojtótekercs (ZI = jXf). Ez utóbbi két csillagpont-kezelési módszerrel az egyfázisú földzárlati áramok értéke - a közvetlenül földelt csillagpontú hálózatokéhoz képest - hatásosan csökkentheto, ugyanakkor a csillagpont potenciálja is kelloen rögzített.

A csillagpont reaktancián keresztül való földelésével a földzárlatok íve kioltható, mivel a hibahelyen folyó kapacitív földzárlati áramot a földeloreaktancia induktív árama kompenzálja. Ezért ezt a módszert kompenzálásnak, ill. a reaktancián (fojtótekercsen) keresztül földelt csillagpontú hálózatokat

kompenzált hálózatoknak is nevezi le A hazai gyakorlatban ellenálláson keresztül földelik a 10 kV-os

középfeszültségu kábelhálózatok csillagp ontj ait, míg a 20 kV-os (35 kV-os) középfeszültségu szabadvezetékes elosztó-hálózataink tipikusan kompenzált hálózatok.