Kombinovaná výroba elektřiny a tepla

Transkript

1 Kombinovaná výroba elektřiny a tepla Kurz Kombinovaná výroba elektřiny a tepla Doc. Ing. Jiří Míka, CSc. Katedra energetiky (361) Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie

2 Program :30 14:00 Základní principy KVET Typy turbín Provozní režimy v závislosti na odběrech tepla Energetická účinnost 2

3 3 Základní principy KVET

4 Definice Teplárenství je odvětví národního hospodářství a energetiky, které zajišťuje zásobování teplem: Pro vytápění, Klimatizaci, Ohřev vody Krytí potřeby tepla pro technologické účely 4

5 Místo teplárenství v ekonomice ČR Výroba tepla a jeho užití představuje významnou část energetické bilance státu, která se stále velmi rychle vyvíjí a také se zvyšuje její podíl v ENERGETICKÉ BILANCI STÁTU 5

6 Energetická bilance státu Primární energetické zdroje PEZ. (dovoz a vlastní těžba) Použití PEZ: - přímo bez úpravy - po úpravě (transformaci) dopravují ve vhodné energetické formě na místo užití (tepelná energie, elektrická energie). Ztráty při procesech transformace a zušlechťování, při dopravě, přenosu a rozvodu. Jedná se o nutné ztráty při mechanické, fyzikální i chemické úpravě a dopravě na místo spotřeby. Konečné užití energie (spotřeba energie) pro technologické procesy a uspokojování potřeb obyvatelstva. V rámci tohoto konečného užití energie je nutno také uvažovat tzv. druhotné energetické zdroje DEZ, což je energie, která vzniká jako vedlejší produkt technologie výroby. Dodávky energie mimo území státu např. elektrická energie, uhlí, koks, kapalná paliva apod. Rozdíl mezi objemem PEZ (tj. součet energií z vlastní těžby a dovozu) a objemem dodávek energie do zahraničí představuje čistou spotřebu energie různých druhů státu, které se říká palivoenergetická náročnost státu PEN. 6

7 Systémy teplárenství Systém centrálního zásobování teplem (SCZT) - výroba tepla ve velkém zdroji, dopravu tepla na větší a velké vzdálenosti do oblasti spotřeby a rozdělení spotřeby k jednotlivým spotřebitelům. Jedná se vesměs o velmi značné přenášené výkony v tepelné energii. Systémy decentralizovaného zásobování teplem (SDCZT) výroba tepla je umístěna uvnitř zásobovaného prostoru nebo objektu, dodávka tepla je pak přímo k jednotlivým spotřebitelům. Lokální zásobování teplem jedná se o blokové bytové kotelny a vytápění, ohřev TV, větrání a klimatizace jednotlivých objektů místními zdroji. Systém centrálního zásobování chladem (SCZCH). V poslední době jsou instalována a v provozu zařízení pro centralizovanou klimatizaci objektů a dodávku chladu pro průmysl a obchodní centra 7

8 Systém centrálního zásobování teplem (SCZT) 8 Zdroj tepla Síť (napáječe a přípojky) Předávací odběratelské stanice

9 9

10 Potřeba tepla pro vytápění a ohřev teplé vody (TV) v SCZT Určení: tepelným příkonem kw, MW odběrem tepla za určité časové období GJ/d, GJ/měsíc, GJ/ r 10

11 Dělení potřeby tepla Podle závislost (dvě kategorie): závislá na teplotě ovzduší t e (vytápění, větrání, klimatizace) prakticky nezávislá na teplotě ovzduší: (ohřev TV, příprava pokrmů, výrobní účely) Podle účelu: potřeba tepla pro výrobní sféru potřeba tepla pro nevýrobní sféru obytné oblasti, občanskou vybavenost, služby, doprava. 11

12 Zdroje tepla Základní zdroj dodává teplo v průběhu celého topného období, případně i v mimo topném období (konstantní spotřeba TV, technologie aj.) Špičkový zdroj pokrytí tepla v relativně krátkém období nejnižších teplot 12

13 Stanovení základní a špičkové potřeby tepla Teplárenský součinitel Q z Q max Součinitel α bývá 0,5 0,6 i více. Kde Q z Q max je základní potřeba tepla, která je pokryta základními jednotkami maximální celková potřeba tepla. 13 Modul teplárenské výroby elektrické energie Kde Q el Q t Q e Q el elektrický výkon tepelný výkon Součinitel e bývá 0,5 0,6 t

14 Charakter zdrojů tepla Výtopny zařízení s parními kotli - zařízení s horkovodními kotli Teplárny: 1. pracující v parním cyklu - parní teplárny s protitlakovými nebo odběrovými kondenzačními turbínami), 2. pracující v plynovém cyklu teplárny se spalovacími turbínami nebo s pístovými spalovacími motory 3. teplárny pracující v kombinovaném cyklu, tj. spalovací turbína-parní kotel-parní turbína - paroplynová soustrojí 4. zařízení na využití odpadního tepla - spalinové kotle za technologickými agregáty, využívající odpadní teplo spalin, horké vody nebo citelného tepla materiálu. 14

15 15 ÚČINNOST VÝROBEN Účinnost výtopny: bývá 0,6 0,9 Účinnost výroby elektrické energie: bývá 0,25 0,4 Účinnost kombinované výroby: bývá 0,6 0,9 i B t t Q m Q i B el e Q m Q i B el t c Q m Q Q

16 16 Porovnání oddělené výroby energií a kogenerace

17 Centrální zdroje tepla a elektrické energie. 17

18 18 Výtopna pro dálkové vytápění

19 19 Elektrárna s kondenzační parní turbínou

20 Parní turbína kondenzační Rankin Clausiův cyklus KOTEL TURBÍNA 5 T NAPÁJECÍ ČERPADLO 6 KONDENZÁTOR S NAPÁJECÍ NÁDRŽ η RC = A T A N4 Q % 20

21 Účinnost RC cyklu η RC = A T A NČ Q % η RC = m pp. i 4 i 5 m pp. i 1 i 6 m pp. i 4 i % T η RC = i 4 i 5 i 1 i 6 i 4 i % 1 5 A T A NČ A NČ = 0,5. A T S η RC = A T Q % η RC = i 4 i 5 i 4 i % 21

22 Zvyšování účinnosti RC cyklu Karnotizace cyklu Karnotizací nazýváme opatření vedoucí ke zvyšování účinnosti cyklu: Zvyšování parametrů přehřáté páry Snižování parametrů na konci expanze Regenerační ohřev napájecí vody Mezipřihřev páry po částečné expanzi 22

23 Zvýšení tlaku vstupní páry a snížení tlaku na výstupu z turbíny T p bar 23 S

24 Regenerační ohřev napájecí vody 4 m pp m pp -m o 3 KOTEL TURBÍNA NAPÁJECÍ ČERPADLO m o 6 NAPÁJECÍ NÁDRŽ m pp >>m o 24

25 Princip regeneračního ohřevu Odebraná pára má entalpii řádově 2500 kj/kg Pro ohřev 1 kg napájecí vody o 1 C potřebujeme 4,2 kj/kg Odběr malého množství páry zlepší vnitřní účinnost následujících stupňů Pro velké jednotky je prováděn postupný odběr malých množství páry (schéma na dalším snímku) Odběr páry se používá i pro teplárenský provoz kondenzační turbíny η RC = i 4 i 5 i 4 i % i 1+ > i

26 26

27 Mezipřihřev páry 4 KOTE L Napájecí ČERPADLO 6 NAPÁJEC Í NÁDRŽ 27

28 Mezipřihřev páry T 4 6 e A el 45 A Q 1 4 el S

29 29 Příklad několikanásobného regeneračního ohřevu napájecí vody a dělené expanze s mezipřihřevem páry u bloku 110 MW e

30 30 Teplárna s protitlakovou parní turbínou

31 Parní turbína kondenzační Rankin Clausiův cyklus T p bar S η RC = A T Q % η C = A T + Q Tep Q % 31

32 Teplárna s protitlakovou parní turbínou Pracuje s výstupním tlakem páry výrazně vyšším, než je tlak barometrický a celé zbytkové teplo páry využívá pro výrobu tepla. Podíl výroby tepla je vyšší než u kondenzační turbíny odběrové. Účinnost výroby elektrické energie je nižší než u kondenzační turbíny odběrové. Celková účinnost je vyšší než u kondenzační turbíny odběrové. Její provoz je výrazně závislý na odběru tepla. 32

33 Teplárna s odběrovou parní turbínou η RC = A T Q % η C = A T + Q Tep Q % 33

34 Účinnost RC cyklu η RC = A T1 + A T2 Q % η RC = m pp. i 4 i Od + (m pp m Od ). i Od i 6 m pp. i 4 i T η C = A T1 + A T2 + Q Tep Q % 1 5 S η RC = m pp. i 4 i Od + (m pp m Od ). i Od i 6 +m Od. i Od i K m pp. i 4 i

35 35 Odběrová parní turbína

36 Teplárna s odběrovou parní turbínou Pracuje s výstupním tlakem páry výrazně nižším, než je tlak barometrický a pro výrobu tepla využívá teplo z odběru páry. Podíl výroby tepla je nižší než u protitlakové parní turbíny. Účinnost výroby elektrické energie je vyšší než u protitlakové parní turbíny. Celková účinnost je nižší než u protitlakové turbíny Její provoz je méně závislý na odběru tepla. 36

37 37 Elektrárna s plynovou turbínou

38 38 Teplárna s plynovou turbínou

39 39 Teplárna s plynovou a parní protitlakovou turbínou

40 40 Bloková teplárna s pístovým spalovacím motorem

41 Bilance zdroje s pístovým spalovacím motorem Výroba elektrické energie 35-45% Teplo odvedené chlazením ~30% Teplo ve spalinách ~30% Ztráty ~5% 41

42 Výhody a nevýhody kogenerace Výhody: Vyšší celková účinnost využití paliva Jedno zařízení pro výrobu obou energií Možnost decentralizace výroby energií Nevýhody: Nutný odběr obou energií Dražší a složitější zařízení, pro návratnost nutné vysoké využití 42

43 Další možné zdroje tepla 43

44 44 Schéma zapojení s využitím odpadního tepla

45 45 Schéma využití odpadního tepla technologických agregátů

46 Odpadní teplo Při využití odpadního tepla narážíme na nutnost sladit provoz technologického zařízení s požadavkem na dodávku tepla, často je nutný záložní zdroj tepla Využití odpadního tepla je omezováno snahou provozovatele regenerovat odpadní teplo zpět do technologického provozu což snižuje využitelnost zdroje 46

47 47 Schéma využití kalů v čistírně odpadních vod a likvidace nebezpečných odpadů ve Vídni

48 Biostanice, ČOV, skládky TKO Tato zařízení jsou zdrojem bioplynu, který je nutno využít a zlikvidovat Jako zdroj tepla pro CZT jsou často znehodnocována umístěním a výkonem. Odečteme-li vlastní spotřebu zdroje je použitelná kapacita malá pro ekonomický přenos na větší vzdálenosti 48

49 49 Schéma jaderné výtopny

50 50 Schéma jaderné teplárny

51 Jaderné zdroje tepla kogenerace Jaderné teplárny a výtopny je možno v současné brát jako vizi. Na druhé straně je škoda jejich předností nevyužít, tím spíše, že vhodné jednotky jsou vyvinuty a odzkoušeny. Reaktor, který pohání velkou loď by se stejně dobře dal využít pro teplárnu, nebo pro výtopnu a jednalo by se o vysoce ekologický zdroj. Spotřeba Temelína: cca 41 t/rok Spotřeba odpovídající elektrárny na hnědé uhlí s výhřevností cca 12 MJ/kg cca 15 mil t/r 51

52 Systém Adam Eva Využívá se vysokoteplotního zdroje tepla k rozkladu metanu CH 4. Chladící medium (např. s vysokoteplotního reaktoru Helium) s teplotou cca 950 C se vede do reformingu systém Eva, kde se přidává vodní pára a CH 4 se štěpí na CO a H 2 při tlaku 4MPa. Tato reakce je endotermická, takže vysokoteplotní chladící medium (He) se ochladí cca na 600 C. Další ochlazení je ve výměníku tepla na 300 C. Získané teplo se využije pro parní odběrovou kondenzační turbinu. Část páry z odběru turbíny se využije právě pro reforming. Směs CO+H 2 se ochladí ve výměníku tepla na cca 40 C. Získané teplo se dodá pro vytápění přilehlých objektů. Plyn se stlačí na cca 5 MPa a rozvádí se dálkově do centra spotřeby tepla (vzdálenost cca 70 km), kde probíhá zpětná metanizace systém Adam za exotermické reakce. Odebrané teplo se předá vodě a páře v sekundárním okruhu - parní odběrová kondenzační turbína napojená na rozvody tepla v místě spotřeby. 52

53 53 Schéma využití tepla vysokoteplotních reaktorů pro dálkový rozvod tepla - systém Adam Eva

54 Vybavení zdrojů tepla Výtopny (kotelny) Představují izolovanou výrobu tepla. Rozdělení: s parními kotli s horkovodními kotli s teplovodními kotli 54

55 Výtopny (kotelny) Podle využití maximálního výkonu (hodinové využití max. výkonu) Q h P základní pološpičkové špičkové r max h - h > 2000 h - h = h - h = h 55

56 Výtopny (kotelny) Podle druhu paliva: tuhá paliva (uhlí, koks, dřevo) kapalná paliva (topné oleje) plynová paliva (ZP, BP, BGP) 56

57 Výtopny (kotelny) Velikosti kotlů: Parní kotle: kapalná a plynná paliva: 1,6 25 t/h, PN 1,32MPa, t =220 C, = 0,86 0,90% roštové kotle na pevná paliva: 4 25 t/h, PN 1,32MPa, t =220 C, = 0,77 0,80% kotel s fluidním topeništěm: 16 t/h, PN 1,32MPa, t =220 C, = 0,78%, Horkovodní kotle: mobilní: výkon 2,9 11,6 MW, PN 1,86MPa, t =175/115 C, = 86% průtočné na kapalná a plynná paliva: výkon MW, PN 3,45MPa, t =185/115 C, = 0,85 0,9 roštové na pevná paliva :výkon 2,9 35 MW, PN 1,86 2,45MPa, t =150/90 C, = 0,77 0,81 fluidní topeniště:výkon MW, PN 2,45MPa, t =170/90 C, = 0,82% 57

58 Koncepce výtopen Palivové hospodářství Vlastní kotelna Úprava napájecí vody Odvoz strusky a popela 58

59 Kotelny na pevné palivo: Palivové hospodářství vyložení paliva z vagónů nebo aut, doprava od vyložení ke skládce nebo do zásobníku ve skládce se zajišťují určité zásoby paliva příprava paliva (drcení, sušení, odstranění kovových předmětů) Normální velikost skládky je na spotřebu paliva cca pro 21 dnů. Je nutno, podle druhu paliva dodržovat určitou výšku vrstvy, aby nedošlo k zapaření. U hnědého uhlí max. 3 4 m, u černého uhlí může být vyšší. 59

60 Palivové hospodářství Kotelny na kapalné palivo Stáčecí rampa Zásobník topného oleje Úprava a doprava paliva 60

61 Kotelny na plynná paliva Palivové hospodářství 61

62 62 Vodního hospodářství výtopny

63 Odvoz strusky a popela Děje se u výtopen na tuhá paliva. Pod ohništěm kotlů jsou výsypky, kde se shromažďuje popel. Obdobně zachycený popílek na odtahy kotlů, příp. z odlučovačů popílku. Dopravníky se pak dopravuje na skládku (do bunkru) a z nich se odváží na veřejné skládky. Doprava se může uskutečňovat: mechanicky - šnekové, pásové dopravníky hydraulicky - ve velkých výtopnách a teplárnách pneumaticky výjimečně 63

64 Kogenerační jednotky se spalovacími motory (většinou plynné palivo) se spalovacími mikroturbínami se spalovacími turbínami s kombinovaným cyklem s palivovými články 64

65 Kogenerační jednotky se spalovacími motory Jedná se o jednotky o výkonech kw e, ve výjimečných případech jsou i motory s podstatně většími výkony (až do 50 MW Filipíny). Pístový spalovací motor, většinou na zemní plyn pohání elektrický generátor. Elektrická účinnost je cca 0,3 0,4, celková až 0,9 s plným využití veškerého tepla, jako je: teplo chladící vody motoru teplo z chlazení oleje teplo z chlazené směsi palivo vzduch za turbodmychadlem (u přeplňovaných motorů) teplo z chlazení spalin (výfukových plynů) 65

66 Děkuji Vám za pozornost A omlouvám se, pokud jsem nudil. 66