Tepelné elektrárny

TEPELNÉ ELEKTRÁRNY, SPALOVNY, TEPLÁRNY, VÝTOPNY

A VÝMĚNÍKOVÉ STANICE

(Ing. Vladimír Kudělka, Ph.D., František Dolák, D.t., Mgr. Marek Kudělka, TESYDO, s.r.o.)

V současné době se stává problematika navrhování a provozu spaloven, tepláren a výtopen i výměníkových stanic velmi důležitou oblastí energetiky, neboť stávající tepelné elektrárny již dosluhují při své stanovené životnosti.

Proto musí být náhrada klasických tepelných elektráren na fosilní paliva – uhlí, ropu a zemní plyn při zavedení rychlá, efektivní a účinná. Ovšem stejně důležitou stěžejní úlohu v energetice budou nadále zastávat a plnit jaderné elektrárny. Tyto se zatím, v našich podmínkách, nikterak zcela nenahradí větrnými elektrárnami ani slunečními elektrárnami, ev. dalšími netradičními zdroji energie. Rovněž ne jejich celkovým výkonem, který by zcela dostačoval pro potřebu energie v energetice.

TEPELNÉ ELEKTRÁRNY – jsou výrobny (zařízení) pro výrobu elektrické energie, ev. i se zařízením pro využití odpadního tepla pro účely vytápění objektů a budov. Jedná se o technologický elektrárenský celek, který vyrábí elektrickou energii přeměnou z jiné energie vázané v palivu (či jiného vhodného zdroje energie) prostřednictvím tepelné energie.

Tepelná elektrárna – je spalovací elektrárna spalující běžné fosilní palivo (uhelné, plynné, ropné). Na principu tepelné elektrárny pracují i další typy elektráren, které využívají principu změny tepelné energie na elektrickou (např. jaderné, geotermální, tepelné sluneční elektrárny aj.).

Řetězec proměny energie: chemická (např. jaderná, geotermální či solární resp. světelná), tepelná – spalin a páry, tlaková – energie páry, kinetická – páry a hřídele, elektrická – alternátoru a spotřebiče, kinetická, světelná a tepelná energie spotřeby (užití), tepelná energie prostředí.

Materiálový řetězec zprostředkovatelů přenosu energie pak tvoří: doprava paliva do kotle jako generátoru páry, přívod vodní páry do turbíny, společný hřídel turbosoustrojí resp. turbogenerátoru do elektrického generátoru (alternátoru), elektrická napájecí soustava do elektrického spotřebiče, chlazení spotřebiče do prostředí.

Technologický řetězec strojních zařízení pro přeměnu energie pak tvoří: kotel (či atomový reaktor), parogenerátor, parní turbína, alternátor, spotřebič, prostředí.

Tepelná energie je obvykle získávána chemickým procesem spalování vhodného paliva, kdy hořením (t.j. jeho oxidací) je uvolňována tepelná energie vázaná v palivu. Obvykle se jedná o tato fosilní paliva: uhlí, topné plyny (např. svítiplyn, zemní plyn, kychtový plyn, generátorový plyn, kalový plyn, břidlicový plyn aj.), ropa nebo její deriváty, biomasa (např. dřevo, sláma nebo jiný vhodný materiál považovaný za biologický odpad), rašelina aj.

SPALOVNY – jsou zařízení pro likvidaci spalitelného odpadu. Je to technologické zařízení sloužící ke spalování odpadu. Spalovny lze rozlišit, zda spalují odpad samostatně nebo s příměsí ušlechtilejšího paliva. Dále podle toho, zda využívají energii uvolněnou při spalovacím procesu k výrobě tepla nebo elektrické energie. Také podle toho, zda spalují nebezpečné, komunální nebo další druhy odpadu. Spalovna odpadu je technická jednotka se zařízením určeným ke spalování odpadu s využitím nebo bez využití vzniklého tepla, přímým oxidačním spalováním, jakož i se zařízením určeným pro jiné způsoby tepelného zpracování (pyrolýzu, zplyňování, plazmové procesy, pokud jsou vzniklé látky následně spáleny). Spoluspalovacím zařízením je zařízení, jehož hlavním účelem je využití energie nebo výroba hmotných výrobků, a které používá odpad způsobem obdobným jako základní nebo přídavné palivo. Energetické využití odpadu je takové, že odpad se použije jako palivo za účelem získání jeho energetického obsahu nebo jiným způsobem k výrobě energie.

Spalování odpadů: je to zneškodňování odpadů, při němž je v reaktivním prostoru obsah kyslíku stechiometrický nebo vyšší, než je třeba k oxidaci přítomných látek spálením. Jedná se o kontrolovaný proces oxidace tuhých, kapalných nebo plynných látek na CO₂ vodu, popel a další látky, které jsou obsaženy v kouřových plynech a popelu. Spalování odpadů se dělí na nízkoteplotní (do 1000˚C) a vysokoteplotní (nad 1000˚C). Spalovat je možno komunální odpad, průmyslový odpad, čistírenské kaly, apod. Spalovat by se mělo jen minimální množství odpadů, které již nelze používat jako druhotné suroviny.

Spalovna zahrnuje zařízení: spalovací linky, zařízení pro příjem odpadu, skladování a předzpracování odpadu na místě, systém přívodu odpadu, paliva a vzduchu, kotle, zařízení k čištění odpadních plynů, komíny, místní zařízení pro skladování tuhých zbytků a vod, zařízení a systémy pro řízení spalovacího procesu a pro monitorovací zařízení.

Stupně čištění spalin: I. stupeň – odloučení pevného úletu ze spalin na elektrostatických odlučovačích (filtrech), redukce oxidů dusíku pomocí redukčních roztoků.

1. stupeň – polosuchá vápenná metoda čištění spalin, odstranění těžkých kovů, dioxinů, a jiných POPs typu PCDD/F, PCB a PAU.

Kontinuální analýza – vyčištěné spaliny jsou před vstupem do komína kontrolovány.

Solidifikace – odpadní produkt z II. stupně čištění obsahuje množství soli a těžkých kovů, které by mohly být vyluhovány kyselým deštěm, proto se upravuje solidifikací.

Emise: Emisní limity jsou legislativně určeny pro tuhé znečišťující látky, celkový organický uhlík, HCl, HF, SO₂, NO_x, CO, Cd + Tl, Hg, Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu + Mn + Ni + V, dioxiny a furany. Spalovna musí mít instalována příslušná měřící zařízení, na jejichž správnou funkci dohlíží autorizovaná osoba (nařízení vlády č. 354/2002 Sb., emisní limity a další podmínky pro spalování odpadů).

Metody čištění spalin: metoda mokrá, polosuchá a suchá.

Metoda mokrá – spaliny procházejí lázní nebo vějířem prací kapaliny.

Metoda polosuchá – vstupující prací kapalina se teplem spalin odpaří.

Metoda suchá – čistící sorbent je dodáván v suchém nebo jen kondiciovaném (navlhčeném) stavu.

Vstupy a výstupy: Spalováním se redukuje původní hmotnost na 25% a objem na 10%. Likvidují se choroboplodné zárodky v odpadu.

Vzniká v rámci odpadu: škvára – lze ji využít jako druhotný stavební materiál, solidifikát (soli a těžké kovy) – obsahuje škodliviny z čištění spalin, je uložen na skládku, železo – po vytřídění ze škváry lze znovu využít, teplo – výhřevnost srovnatelná s výhřevností hnědého uhlí.

TEPLÁRNY – jsou zařízení pro zabezpečení vytápění objektů dálkovým teplovodem. Teplárna je průmyslový závod, který se zabývá kombinovanou výrobou elektřiny a tepla pro technologické účely, otop nebo ohřev topné a užitkové vody. Obvykle je vodní pára, vyrobená v parních kotlích (např. o tlaku 96 bar) přivedena do parní turbíny, která pohání elektrický generátor. Z vyšších parních odběrů turbíny může být vyvedena technologická pára (např. o tlaku 16 bar) a z nižších topná pára pro parní dodávky tepla nebo pro ohřev topné vody pro vytápění (např. 1,5 až 6 bar). Parní turbíny v teplárnách menších výkonů jsou často protitlaké – pára z protitlaku o vyšším tlaku je využita pro parní síť, s nižším tlakem pro základní horkovodní ohřívák topné vody. Parní turbíny větších tepláren mají často koncový díl kondenzační a pára pro technologii i vytápění je z turbíny vyváděna z odběrů, s tlakem páry závislém na umístění odběru na tělese turbíny. Místo parní turbíny lze využít spalovací turbínu, která pohání elektrický generátor a horké spaliny jsou využity pro dodávku tepla v páře nebo topné vodě. Další možností je paroplynová teplárna, kdy spalovací turbína pohání jeden elektrický generátor a teplo spalin je využíváno pro výrobu páry (zastupuje funkci parního kotle), která je přivedena do parní turbíny pohánějící druhý elektrický generátor. Teplo pro vytápění je odebíráno jako v předchozích případech. Miniaturizací teplárny je „kogenerační jednotka“, jako doplňkové zařízení. Je to obvykle spalovací motor, kde je nejčastějším palivem zemní plyn, pohání elektrický generátor a produkuje odpadní teplo, obvykle u motorů odváděné chladičem. teplo z chlazení bloku motoru, oleje a výfukových plynů je využito pro ohřev topné vody. Elektrická energie je buďto zcela spotřebována v místě výroby, ev. může být i dodávána do veřejné elektrorozvodné sítě. Z pohledu nerovnoměrnosti nebo časové nesouměrnosti ve výrobě elektrické energie a potřeby tepla je vhodným doplňkem kogeneračních jednotek zásobní nádrž na topnou vodu – akumulátor tepla. Přebytky tepla uložené v akumulátoru, lze potom využít k vytápění soustavy i mimo provoz kogenerační jednotky.

Měření a regulace: Veškeré technologie od nejmenších kotelen až po teplárny, se dnes již neobejdou bez kvalitního řídícího systému. používají se osvědčené typy mikroprocesorových řídících systémů. Řídící jednotky jsou umístěny s příslušnou výbavou v rozváděčích a řídí všechny okruhy vyskytující se na instalované technologii. Úměrně velikosti zdroje či rozsahu technologie je zabudováno pracoviště MaR, kde je řídící automat doplněn o nadřazený počítač PC, který potom zastává funkci dispečerského pracoviště. Na tomto pracovišti je možno sledovat nejen technologie zdroje, ale rovněž parametry připojených technologií na straně spotřeby tepla a tyto ovládat.

Dodavatel tepla se účastní při řešení zásobování teplem areálů a měst. Zdrojem primární energie v podmínkách ČR je většinou hnědé uhlí, černé uhlí, zemní plyn nebo mazut, méně pak biomasa, geotermální energie nebo odpad.

VÝTOPNY – jsou zařízení pro zabezpečení vytápění objektů v místě blízkém tomuto zařízení. Výtopna se zabývá výrobou a dodávkou samostatného tepla, u menších výkonů je to kotelna. Výtopna je výkonově i tedy legislativně vzdálena problematice domovních kotelen, ale obsahuje řadu dalších technologií, které až na výjimky domovní kotelny neřeší. Tyto technologie jsou samozřejmě závislé na palivu, volbě dnes velice bohaté škály kotlů apod. Většinou je výtopna rozdělena stavebně na technologické celky. Za primární část můžeme považovat kotelnu, ve které jsou umístěny kotle, dalším technologickým celkem je strojovna s oběhovými čerpadly, vyrovnávacím a zabezpečovacím zařízením. Hlavou či mozkem výtopny je velín, ve kterém je dnes většinou nejen řízení vlastní výtopny, ale rovněž zařízení pro monitorování a kontrolu technologií v místech spotřeby tepla. Blokové či městské výtopny určené pro vytápění více objektů nebo celých aglomerací, samozřejmě výrazně větších výkonů, jsou umísťovány v samostatných objektech dělených na jednotlivé technologické celky (palivové hospodářství, vlastní kotelna, strojovna apod.). Nad těmito celky dominuje velín, do kterého je soustředěno řízení veškeré technologie.

Kotelny: Domovní kotelny jsou dnes většinou plynofikovány. Existují na různá paliva i jiné technologie. Dnes jsou klasické kotle doplňovány o další alternativní zdroje (solární ohřev, tepelná čerpadla, krbovou vložkou aj). Domovní kotelny jsou dnes umísťovány přímo v určené místnosti v suterénu či na půdě vytápěných objektů nebo v přístavcích u těchto objektů a jsou tedy více méně kompaktní.

Tepelná čerpadla: jsou zařízení pro přečerpávání tzv. nízkopotenciálního tepla odebraného z okolního prostředí (ze vzduchu, z vody nebo ze země) na vyšší teplotní úroveň. Takové teplo je pak možné využít buď k vytápění objektu nebo k přípravě teplé vody. Jde tedy o transformaci tepelné energie z nižší na vyšší teplotní úroveň.

Tepelná čerpadla rozdělujeme: podle druhu nízkopotenciálního tepla a nositele přečerpané energie, tak podle druhu energie dodávané do oběhu.

Teplo odebrané z okolního prostředí (vzduch, voda, země) je předáno ve výparníku, kde je udržována nízká teplota a tlak pracovní látce (kapalné chladivo). Pracovní látka se začne vlivem předaného tepla odpařovat a páry chladiva poté putují do kompresoru. V kompresoru jsou tyto páry stlačeny, přičemž z fyzikální podstaty dochází při stlačení plynu k jeho ohřátí. Samotný kompresor je přitom jediné místo v popisovaném oběhu, ve kterém je nutné do oběhu dodávat hnací energii (většinou elektrickou). Ohřáté páry chladiva dále putují do kondenzátu, kde při kondenzaci (zkapalnění) odevzdávají uloženou energii, která je rovna součtu energie odebrané z okolního prostředí a dodané hnací energií snížené o ztráty v kompresoru, do otopného systému vytápěného objektu. Zkapalněné chladivo následně putuje přes expanzní ventil, kde dochází ke snížení tlaku na požadovanou hodnotu, zpět do výparníků a celý cyklus se opakuje.

Poměr získané tepelné energie a dodané hnací energie se nazývá topný faktor. Tj. topný faktor udává, kolikrát více energie získáme při určitém množství dodané hnací energie. Čím je vyšší, tím je provoz tepelného čerpadla ekonomičtější. V praxi se hodnota topného faktoru pohybuje v rozmezí od 2,5 do 5. Z logiky věci dále vyplývá, že se nejedná o veličinu, která by byla pro danou instalaci tepelného čerpadla konstantní. Hodnota topného faktoru se v průběhu roku mění v závislosti na podmínkách, ve kterých tepelné čerpadlo pracuje.

Základní komponenty tepelného čerpadla: jsou výparník, kompresor, kondenzátor a expanzní ventil.

Ve výparníku dochází k předání odebraného tepla kapalnému chladivu. Jako chladivo se používají látky s nízkou teplotou varu, např. fluorované uhlovodíky. Samotný výparník je přitom zhotoven buď jako pájená deska nebo jako trubkový žebrovaný (měděné potrubí, hliníková žebra).

V kompresoru dochází ke zvýšení tlaku odpařeného chladiva z tlaku odpovídající výparné teplotě chladiva, na tlak odpovídající kondenzační teplotě v kondenzátoru. Kompresor je nejčastěji poháněn elektrickou energií, která je po odečtení ztrát kompresoru uložena v chladícím médiu. V současnosti se nejčastěji používají rotační a pístové kompresory. Aby došlo k zabránění úniku chladiva do atmosféry přes spojovací těsnění, je kompresor společně s elektrickým motorem, jež ho pohání, uložen v uzavřené nádobě (tzv. hermetický kompresor).

V kondenzátoru předává chladící médium teplo do otopné soustavy. Celý děj probíhá při vysoké teplotě a tlaku. kondenzátory jsou podobně jako výparníky zhotovené buď jako pájené desky nebo jako trubkové.

Expanzní ventil – je redukční ventil, který zajišťuje snížení tlaku kondenzátu, čímž dochází také k dalšímu snížení teploty. Chladivo poté pokračuje opět do výparníku. Expanzní ventily v tepelných čerpadlech jsou řízeny buď termostaticky nebo elektronicky.

Rozdělení tepelných čerpadel: dělí se podle nositele nízkopotenciálního tepla a nositele přečerpané energie na:

– vzduch-voda: výhody – nízké pořizovací náklady, možnost umístit téměř kdekoliv, jednoduchá instalace, nevýhody – velký rozdíl výkonu v létě a v zimě, hlučnost.

– voda-voda: výhody – vysoká účinnost, vyrovnaný výkon v průběhu roku, nevýhody – omezený počet zdrojů vody v přírodě, nutnost zkoumat složení půdy.

– země-voda (horizontální výměník nebo se svislým zemním vrtem): výhody – nejstabilnější topný faktor, velmi tichý chod, nevýhody – vyšší investiční náklady na tepelné čerpadlo a v případě svislého výměníku také na vrt.

Tepelná čerpadla mohou kromě okolního prostředí čerpat také energii z odpadního vzduchu nebo z odpadní vody. Což v porovnání s výše uvedenými příklady představuje výhodu především ve stálé teplotě nízkopotenciálního nositele energie, z čehož vyplývá stabilnější topný faktor.

Dále se tepelná čerpadla dělí dle druhu hnací energie na:

– elektrická tepelná čerpadla – pro pohon kompresoru je použit elektrický motor, je to u většiny dnes používaných tepelných čerpadel.

– plynová tepelná čerpadla – pro pohon kompresoru je použit plynový spalovací motor. Výhodou tohoto typu tepelného čerpadla je možnost využití tepla z chladícího okruhu motoru, které může být využito pro předehřev teplé vody nebo při nízkých venkovních teplotách ke zvýšení teploty ve výparníku.

– absorpční tepelná čerpadla – jsou založena na absorpčním cyklu, ve kterém je hnací energie dodávána ve formě tepla.

VÝMĚNÍKOVÉ STANICE – jsou zařízení pro výměnu tepla ze zdrojů tepla za účelem ohřevu dalšího zařízení pro technologické nebo bytové účely. jsou konstruovány na míru. Výměníkové stanice mohou být vybaveny buď jedním nebo několika výměníky, což umožňuje vytvářet tepelné zdroje prakticky neomezených výkonů. Výměníkovou stanici lze řešit jako modulovou, kdy každý výměník ve stanici je na primární i sekundární straně vystrojen tak, že tvoří modul schopný samostatného provozu. Modulové výměníkové stanice lze tak postupně rozšiřovat, a to s minimálními zásahy do stávající technologie. Ekonomika provozu je dána zejména využitím tepelného obsahu media. U stanic pára-voda je kladen důraz na maximálně možné vychlazení kondenzátu. U centrálních rozvodů páry je právě teplota kondenzátu mezníkem pro stanovení fakturační hranice jeho tepelného obsahu. Výměníkové stanice tvoří díly – kapilární výměníky, regulační armatury, filtry, separátory, nádoby, čerpadla, regulátory – mikroprocesorový regulační systém, odvodňovací souprava, dopouštěcí systém, expanzní a pojistný systém, přečerpávací stanice kondenzátu s otevřenou nádrží aj.

Výměník – je zařízení, které slouží k výměně energie mezi soustavami a objekty o různých parametrech. Výměníková stanice je součástí výrobních firem a sídlišť. Zajišťuje distribuci tepla pro vytápění objektů a ohřev teplé vody.Je možné ji použít i pro oddělení různých typů soustav, např. dálkové vysokotlaké parní vedení se výměníkem naváže na nízkotlaké teplovodní vedení.

Příkladem malého tepelného výměníku je např. radiátor ústředního či etážového topení, který předává teplo z teplovodního nízkotlakého okruhu do prostředí bytu obsahujícího jiné medium, vzduch.

Podle pracovního media se dají výměníky dělit do dvou základních skupin: beze změny fáze (např. výměník vzduch-vzduch, spaliny-vzduch, spaliny-voda, olej-voda) nebo se změnou fáze (v nich dochází ke změně skupenství, tj. kondenzaci nebo odpaření jedné látky, např. kondenzátor páry chlazený vodou). Podle konstrukce teplosměnné plochy jsou nejčastěji používány výměníky deskové nebo trubkové. V domácnostech se s výměníky setkáváme u topných soustav (kotel, radiátory), v chladničkách (výparník a kondenzátor) a v klimatizačních jednotkách. Ve většině automobilů pak s chladičem motoru a výměníkem pro vytápění kabiny.