Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje ing.jan Šritr 1 ing.jan Šritr 2 1
Parní generátory (parní kotle) - zařízení na výrobu páry Rozdělení PG: - podle tlaku výstupní páry: - NÍZKOTLAKÉ: Do 0,15 MPa jen pro výtápění - VYSOKOTLAKÉ: Nad 0,15 MPa - středotlaké - 0,15 2,5 MPa - s vyššími tlaky - 2,5 6,5 MPa - s nejvyššími tlaky - nad 6,5 MPa - podle tvaru Válcový kotel Ležatý Stojatý Trubnatý kotel Skříňový kotel ing.jan Šritr 3 ing.jan Šritr 4 2
Druhy parních kotlů: Válcové - jednoduché, omezený výkon, malý tlak a nízká teplota páry, malá účinnost. Plamencové - zvětšená výhřevná plocha, možnost přemísťování, i pro ústřední horkovodní vytápění Žárotrubné - žárové trubky tvoří mnoho malých plamenců, větší vyhřívaná plocha Vodotrubné - voda prochází v trubkách, spaliny jdou kolem trubek, obráceně než u žárotrubného Strmotrubné - s části svislými trubkami je zrychlen průběh vody Průtočné - každá trubka tvoří samostatně ohřívák vody, výparník, i předhřívák páry. 35 MPa 600 C ing.jan Šritr 5 Součástí PG Kotelní zařízení: 1. Parní kotel: tlakový celek- výparník - přehřívák páry - přihřívák páry - ohřívák vody výstroj PG - armatury - kontrolní přístroje topeniště - ohniště - kotlové tahy 2. Příslušenství PG: - napájecí zařízení - úprava vody 3. Pomocná zařízení PG: - doprava paliva a vzduchu - úprava paliva - ohřev vzduchu - komín - zařízení k odvodu zbytku spalin a popílku ing.jan Šritr 6 3
Paliva pro parní kotle: - nejčastěji fosilní paliva, vedlejší hořlavé produkty a odpady všeho druhu. - pevná paliva černé a hnědé uhlí, lignit, koks - kapalná paliva mazut, topný olej - plynná paliva zemní plyn, svítiplyn - paliva obsahují: - horniny - popeloviny (4-25 %) - vodu (1-50 %) - škodlivé příměsi síra, těžké kovy Napájecí voda: - voda pro kotle se upravuje z užitkové vody, obsahuje 3 druhy nečistot - mechanické způsobují zanášení trubek, odstraňují se filtrací, usazovacími nádržemi - chemické vytvářejí kotelní kámen, odstraňují se chemicky, destilací, ionizací - plynné (kyslík) způsobují korozi trubek, odstranění převařením vody nebo chemicky ing.jan Šritr 7 Součásti parního generátoru kotelní zařízení: Ohříváky vody: - slouží k ohřátí napájecí vody proto, aby se příliš neochlazovala voda ve výparníku kotle, aby se lépe využilo tepla odcházejících spalin Přihříváky páry: - slouží k přihřátí páry vznikající ve výparníku, přihřátím na 500-600 C se zvýší účinnost kotle i parní turbíny Ohříváky vzduchu: - ohřívá se v nich vzduch vháněný do ohniště, aby neochlazoval hořící palivo, ohřívá se na 150-500 C podle druhu ohniště ing.jan Šritr 8 4
Mletí paliva Zařízení používaná k rozrušení paliva jsou označována jako mlýny. K mletí se využívá buď nárazu vyvozeného setrvačnými, gravitačními nebo odstředivými silami,nebo otěru a drcení tlakem. Ve zvláštních případech se využívá i drcení termodynamickými jevy (prudké stoupnutí tlaku vodních par a plynů v pórech zrna při prudkém ohřátí nebo prudkém poklesu okolního tlaku). O volbě tytu mlýna a mlecího okruhu rozhoduje druh ohniště, jeho konstrukční rozměry, druh paliva, obsah vody, melitelnost a garantované parametry. Pro černá uhlí se používá trubnatý, kroužkový či kladkový mlýn. Pro hnědé uhlí se používá tlukadlový nebo ventilátorový mlýn či jejich kombinace. ing.jan Šritr 9 Schéma mlecího okruhu s černým uhlím ing.jan Šritr 10 5
Na obr. je naznačeno schéma průběhu teplot v jednotlivých teplosměnných plochách kotle s mezipřehříváním páry, jak na straně páry(vody), tak na straně spalin. ing.jan Šritr 11 ing.jan Šritr 12 6
Celkový pohled na kotelní komplex se skříňovým kotlem a šikmým prohrabávacím roštem. Je zde patrná klínová vyhrnovací podlaha, šikmý redler a šnekový podavač. Na výstupní straně roštu je patrný odškvárovací šnek a dopravní šnek popílku, který ústí do kontejneru. Totéž je i u odlučovače. Kontejnery jsou pro názornost kresleny otevřené, ve skutečnosti bývají vzduchotěsně uzavřeny. ing.jan Šritr 13 Ohniště na plynná paliva jsou nejjednodušší a investičně nejméně nákladná. Doprava plynu je jednoduchá a příprava a čištění se provádí obvykle v místě těžby nebo výroby. Není potřeba zařízení pro odstraňování tuhých zbytků nebo popílku. Spalování se děje s nízkým přebytkem vzduchu, protože se plyn dobře mísí, Je možné volit vyšší rychlosti spalin, čímž se zmenšuje potřebná výhřevná plocha. Ohniště může být přetlakové nebo podtlakové. Ohniště na kapalná paliva Spalování kapalných paliv probíhá při rozprášení kapiček do prostoru a smísením se vzduchem. Kinetika hoření a konstrukce topeniště je obdobná, jako u plynových, často je palivo zaměnitelné. I hořáky jsou obdobného provedení, mohou být dvoupalivové, jak na plyn, tak na topné oleje. Kapalné palivo vyžaduje zařízení pro skladování a dopravu, u těžkých a viskózních kapalin pak ohřev ve všech dopravních cestách a skladovacích tancích a také předehřev paliva v hořáku. Lehké oleje pro svou hořlavost vyžadují zvýšené nároky na požární bezpečnost. ing.jan Šritr 14 7
Ohniště prášková Prášková ohniště začala vznikat v důsledku rozvoje průmyslu a energetiky a zvyšování požadavků na výkon a velikost kotlů. Velikost těchto kotlů se může zvyšovat prakticky neomezeně na rozdíl od roštových ohnišť. Je možno spalovat méně kvalitní druhy uhlí. Jemně mletý uhelný prášek je pneumaticky dopravován do hořáků a do spalovacího prostoru, kde je unášen spalovacím vzduchem za stálého hoření. Dráha hořící částice musí být dostatečná k dokonalému vyhoření. Ohniště na uhelný prášek může být granulační, nebo výtavné. Spalování prášku v granulačním ohništi se děje při relativně nižších teplotách, takže struska vychází v tuhém stavu. Ve výtavném ohništi se prášek spaluje při relativně vyšších teplotách a struska odchází v roztaveném stavu. Kotle s práškovými ohništi jsou pro svoji schopnost spalovat méněhodnotné energetické uhlí a možnost zvyšování tepelného výkonu hlavním typem zařízení pro velkou energetiku. ing.jan Šritr 15 Ohniště cyklonová Spalování ve velkých práškových ohništích je difuzní a mísení paliva s okysličovadlem se zhoršuje zvětšováním prostoru práškového ohniště. Cyklonová ohniště byla vyvinuta pro zlepšení kinetiky hoření částice. Obecně se jedná o vyzděné válcové komory umístěné na vlastní chlazené komoře kotle. Vysoké rychlosti vzduchu a různé směry vstupu zajišťují intenzivní víření a prodlužuje se tak doba setrvání částic v ohništi až do dokonalého vyhoření. Princip cyklonového ohniště 1 vstup paliva 2 sekundární vzduch 3 víření spalin v ohništi 4 výstup do vychlazovací komory 5 terciální vzduch 6 výtok strusky ing.jan Šritr 16 8
Ohniště fluidní (drcené palivo v menších kusech se spaluje v proudu vzduchu) Ve fluidním ohništi se spaluje drcené palivo v kypící fluidní vrstvě. Spalované částice jsou uvedeny do fluidace spalovacím vzduchem a ve fluidní vrstvě dochází k intenzivnímu kinetickému hoření. Rovnováha sil působících na částici při spalování paliv s různou velikostí zrn je zajištěna snížením rychlosti fluidační tekutiny Tato ohniště jsou vhodná ke spalování méněhodnotných paliv včetně odpadu z biomasy. Je možné částečně spalovat i kapalná paliva. Ve fluidní vrstvě se udržuje poměrně nízká teplota spalování 700 900 C, což vede k nižší tvorbě emisí NO x. Hlavní nevýhodou fluidních ohnišť je značná složitost a náročnost na obsluhu a údržbu. Pro malé kotle jsou cena zařízení a provozní náklady většinou neúnosné a dává se přednost spalování na roštu. ing.jan Šritr 17 Ohniště roštová Roštová ohniště jsou nejstarším typem průmyslového ohniště. Jsou určena ke spalování kusových paliv filtračním způsobem v hořící vrstvě. Při průchodu vzduchu hořící vrstvou dochází k intenzivnímu kinetickému spalování, uvolněná prchavá hořlavina dohořívá v prostoru spalovací komory a drobné částečky hoří ve vznosu v proudu spalin a vzduchu. Hlavní části roštového ohniště 1 spalovací komora, 2 rošt, 3 násypka, 4 hradítko, 5 škvárový jízek, 6, 7 přední a zadní klenba Roštová ohniště jsou omezena velikostí, u výkonů nad 50 MW je plocha roštů již značně velká a musí se věnovat velká pozornost zajištění jejich spolehlivosti a účinné kontrole spalování. Zvyšování vrstvy paliva je omezeno jeho prodyšností a touto cestou také nelze jít. Pro spalování je také nutný větší přebytek vzduchu ing.jan Šritr 18 9
Ohniště kombinovaná Ohniště kombinovaná jsou určena pro spalování několika různých druhů případně fází paliv. Nejčastěji jsou to ohniště na pevná paliva obecně s přídavnými hořáky na plyn a topné oleje nebo roštová ohniště s přídavným spalováním prachového paliva. Kotel Vyncke s kombinovaným roštovým ohništěm a plynovým hořákem ing.jan Šritr 19 Zvláštnosti spalování biomasy v roštových ohništích Při spalování biomasy vzniká pochopitelně oxid uhličitý, suché spaliny ho mohou teoreticky obsahovat až 20 % obj. Podle teorie se však při růstu nové biomasy spotřebuje stejné množství oxidu uhličitého, jako je uvolněno při jejím spalování, takže tento CO 2 nezatěžuje životní prostředí a nepřispívá ke skleníkovému efektu. Dále je uvedena základní chemická rovnice vzniku biomasy: 6 CO 2 + 6 H 2 O + sluneční energie = C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Při pálení, t.j. okysličování probíhá proces obráceně: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O + uvolněná energie Schéma tohoto procesu je naznačeno na dalším obrázku. ing.jan Šritr 20 10
ing.jan Šritr 21 Základní faktory ovlivňující spalování pevných biopaliv - Spalné teplo a výhřevnost je nižší než u většiny paliv fosilních - Chemické složení podmiňuje produkci těkavých látek při teplotě přes 200 C v daleko větším podílu než u uhlí nebo koksu. - Zanedbatelný obsah síry způsobí značné snížení teploty rosného bodu, která bude pouze funkcí vlhkosti spalin. - Při spálení vzniká malé množství popele, který s ohledem na vysoký obsah draslíku a křemíku zejména u kůry a stébelnaté biomasy má nižší teploty tavení ing.jan Šritr 22 11
Množství popele je malé, většinou je lehký a velká část je odnesena spalinami - Vysoký obsah těkavých látek podmiňuje vznik podstatně delších plamenů, prodlužování doby hoření, možnost vzniku sazí, dehtů a kyselin při nedokonalém spalování - Pevná biopaliva v přírodním stavu mají mnoho forem a nižší objemovou hmotnost, vyžadující nákladnější způsoby manipulace, skladování, případně dalšího zpracování do standardních forem - Obsah vody při spalování musí být nulový. Volná voda musí být odpařena buď mimo topeniště, nebo v něm, k čemuž dochází prakticky vždy, a to i u briket a pelet, které mají často méně než 10% vody. Teprve po odpaření vody začne teplota stoupat nad 200 C, kdy se začínají uvolňovat těkavé, snadno hořící látky. - Teplota hoření nesmí klesnout pod 600 C, jinak těkavé látky neprohořívají a vytváří se dým. Optimální teplota spalování biopaliv je kolem 900 C, neměla by však překročit 1200 C s ohledem na tvorbu NOx a překročení teploty tání popela. - Do hořících plynů musí být zaveden pokud možno horký (v závislosti na vlhkosti paliva) sekundární vzduch, jinak neprohoří vzniklý CO, který na chladných místech vylučuje uhlík ve formě sazí případně s vysráženou vlhkostí jako dehet. ing.jan Šritr 23 - Do hořících plynů musí být zaveden pokud možno horký (v závislosti na vlhkosti paliva) sekundární vzduch, jinak neprohoří vzniklý CO, který na chladných místech vylučuje uhlík ve formě sazí případně s vysráženou vlhkostí jako dehet. Teplota sekundárního, popřípadě terciálního vzduchu závisí na teplotě jádra plamene, čili na vlhkosti a přebytku vzduchu. Poměr primárního vzduchu, který určuje spolu s palivem výkon topeniště, k sekundárnímu, který určuje kvalitu hoření a obsah škodlivých emisí, bývá 1 : 1 u kusového a hrubozrného odpadu až 1 : 2. - Hořící plyn nemá být nikde ochlazován. Přestup tepla následuje do teplosměnného média až po vyhoření hořlaviny. - Žhavé dřevní uhlí po odplynování tvoří asi 20-25% hmoty biopaliv a je výhodné, když v topeništi vzniká a spalné plyny přes něj přecházejí. Žhnoucí uhlí vzniká velmi dobře z tvrdého dřeva, briket, nevzniká při spalování volné slámy a pilin. ing.jan Šritr 24 12
ing.jan Šritr 25 V jaderném reaktoru dochází k řízené štěpné reakci v palivu - jádra izotopu 92 U 235 zasažená pomalými neutrony se rozpadají na jádra lehčích prvků (odštěpky, fragmenty) a současně se při každém štěpení uvolní 2-3 rychlé neutrony. Fragmenty se vzájemně odpuzují a velkou rychlostí se od sebe rozlétají. Při jejich zabrzdění srážkami s ostatními atomy paliva se kinetická energie mění na teplo, materiál se silně zahřívá. Uvolněné neutrony mohou způsobit štěpení dalších uranových jader a jaderná reakce může dál probíhat jako řízená řetězová reakce. ing.jan Šritr 26 13
Jaderný reaktor je zařízení, v němž se energie uvolněná při jaderném štěpení přeměňuje na energii tepelnou, která se pak v klasické elektrárenské části využívá k výrobě elektrické energie. Reaktory mají rozmanité konstrukce, princip činnosti i oblast využití. Používané nebo perspektivní typy jsou uvedeny v přehledu: 1. Jaderný reaktor PWR, VVER - Tlakovodní reaktor 2. Jaderný reaktor BWR - Varný reaktor 3. Jaderný reaktor CANDU - Těžkovodní reaktor 4. Jaderný reaktor Magnox GCR - Plynem chlazený reaktor 5. Jaderný reaktor HTGR - Vysokoteplotní reaktor 6. Jaderný reaktor FBR - Rychlý množivý reaktor ing.jan Šritr 27 Jaderný reaktor PWR, VVER Pressurized light-water moderated and cooled Reactor, Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor Tlakovodní reaktor PWR nebo ruský typ VVER je dnes ve světě nejrozšířenějším typem jaderného reaktoru (asi 57 %). Tento typ pracuje jak v jaderné elektrárně Dukovany, tak v jaderné elektárně Temelín. Původně byl vyvinut v USA, později koncepci převzalo Rusko. Stejné reaktory jsou pro svou vysokou bezpečnost používány kromě jaderných elektráren i k pohonu jaderných ponorek. Jaderným palivem je obohacený uran ve formě tabletek oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Moderátorem i chladivem je obyčejná voda. Výměna paliva probíhá při odstaveném reaktoru zpravidla jednou za 1 až 1 a půl roku (nahradí se jedna třetina vyhořelého paliva). Jaderný reaktor BWR Boiling Water Reactor Varný reaktor BWR je druhým nejrozšířenějším typem. Palivem je mírně obohacený uran ve formě válečků oxidu uraničitého uspořádaných do palivových tyčí. Palivo se mění stejně často jako v případě PWR. Obdobou PWR je i aktivní zóna a obyčejná voda coby chladivo a moderátor. Voda se ohřívá až k varu přímo v tlakové nádobě a v horní částí reaktoru se hromadí pára. Když se zbaví vlhkosti, žene se přímo k turbíně. Reaktory BWR jsou jednookruhové. ing.jan Šritr 28 14
Těžkovodní reaktor CANDU Těžkovodní reaktor CANDU byl vyvinut v Kanadě a exportován také do Indie, Pákistánu, Argentiny, Koreje a Rumunska. Palivem je přírodní uran ve formě oxidu uraničitého, chladivem a moderátorem těžká voda D 2 O. Aktivní zóna se nachází v nádobě ve tvaru ležícího válce, která má v sobě vodorovné průduchy pro tlakové trubky. Těžkovodní moderátor v nádobě musí být chlazen, neboť moderační schopnost se snižuje se zvyšující se teplotou. Těžká voda z prvního chladicího okruhu předává své teplo obyčejné vodě v parogenerátoru, odkud se vede pára na turbínu. Jaderný reaktor Magnox GCR Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor Plynem chlazený reaktor Magnox GCR se používá ve Velké Británii a Japonsku. Palivem je přírodní kovový uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia. Aktivní zóna se skládá z grafitových bloků (moderátor), kterými prochází několik tisíc kanálů; do každého se umisťuje několik palivových tyčí. Aktivní zóna je uzavřena v kulové ocelové tlakové nádobě s betonovým stíněním. Palivo se vyměňuje za provozu. Chladivem je oxid uhličitý, který se po ohřátí vede do parogenerátoru, kde předá teplo vodě sekundárního okruhu. ing.jan Šritr 29 Jaderný reaktor HTGR High Temperature Gas Cooled Reactor Vysokoteplotní reaktor HTGR patří k velmi perspektivním typům jaderných reaktorů. Bezpečnost typu je na vysoké úrovni, reaktor poskytuje na výstupu velmi vysokou teplou. Má proto i velmi vysokou účinnost výroby elektrické energie (až 40 %). Teplo se může využívat nejen pro výrobu elektřiny, ale i přímo v různých průmyslových procesech, například metalurgických nebo při zplyňování uhlí. Vysokoteplotní reaktory jsou zatím vyvinuty pouze experimentálně v Německu, USA a Velké Británii. Palivem je vysoce obohacený uran ve formě malých kuliček oxidu uraničitého. Kuličky povlékané třemi vrstvami karbidu křemíku a uhlíku jsou rozptýleny v koulích grafitu, velkých asi jako tenisový míček. Grafit slouží jako pevná, tepelně odolná schránka uranu i vznikajících radioaktivních zbytků i jako moderátor. Palivové koule se volně sypou do aktivní zóny, na dně jsou postupně odbírány. Chladivem je helium proháněné skrze aktivní zónu. ing.jan Šritr 30 15
Jaderný reaktor FBR Fast Breeder Reactor Rychlý množivý reaktor FBR pracuje v Rusku (BN-600 v Bělojarsku), ve Francii (Seperphénix) a Velké Británii. V USA, Německu a Japonsku existují demonstrační elektrárny tohoto typu. V dlouhodobé perspektivě je těmto reaktorům přisuzován velký význam. Palivem je plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Během provozu vyprodukuje více nového plutoniového paliva, než kolik ho sám spálí. Reaktor nemá moderátor, řízená štěpná reakce v něm probíhá působením nezpomalených, rychlých neutronů. Aktivní zóna tvořená svazky palivových tyčí je obklopena "plodivým" pláštěm z uranu. V každém litru objemu FBR se uvolňuje až desetkrát více tepla než u klasických pomalých reaktorů. Chladivem je sodík, který ze sekundárního okruhu proudí do parogenerátoru, kde ve třetím okruhu ohřívá vodu na páru. ing.jan Šritr 31 V další části se budeme zabývat jenom lehkovodním tlakovým reaktorem PWR (Pressurized light-water cooled and moderated Reactor), který najdeme v obou našich jaderných elektrárnách. Tento reaktor se označuje také ruskou zkratkou VVER (Vodo- Vodjanyj Energetičeskij Reaktor). Palivem je obohacený uran ve formě oxidu uraničitého UO 2, moderátorem i chladivem obyčejná voda. Přírodní uran je složen ze dvou izotopů s nukleonovými čísly 238 a 235. Pro štěpení je vhodný jenom izotop 235, kterého je v přírodním uranu pouze 0,7 % a proto se musí jaderné palivo tímto izotopem uměle obohacovat. ing.jan Šritr 32 16
Lehkovodní reaktor Pravděpodobnost štěpení jádra uranu je tím větší, čím pomalejší jsou ostřelující neutrony. Při štěpení však vzniknou rychlé neutrony s průměrnou kinetickou energií do 2 MeV. Mají-li vyvolat štěpení, musí se jejich energie snížit na hodnotu mezi 0,025-0,5 ev. Zpomalování neutronů se děje jejich srážkami s jádry moderátoru, který obklopuje palivo. Zpomalené neutrony buď štěpí jádra uranu, nebo jsou pohlcovány stíněním reaktoru nebo materiálem (absorbátorem) regulačních tyčí. Pomocí regulačních tyčí se reguluje množství volných neutronů v reaktoru a tím i průběh štěpení a výkon reaktoru. Okamžité zastavení reakce zajišťují bezpečnostní tyče, které obsahují mnohem vyšší koncentraci absorbátoru. Pozvolné regulace změn výkonu se dosahuje změnou koncentrace kyseliny borité v chladivu. Část reaktoru, ve které je uloženo palivo a ve které probíhá štěpná reakce, se nazývá aktivní zóna. Vzniklé teplo se z aktivní zóny odvádí chladivem a slouží v parogenerátoru k výrobě páry pro pohon turbogenerátoru elektrárny. ing.jan Šritr 33 1. Řídící tyče 2. Víko reaktoru 3. Plášť reaktoru 4. Přítokové a odtokové otvory 5. Nádrž reaktoru 6. Plášť aktivní zóny 7. Palivové tyče ing.jan Šritr 34 17
ing.jan Šritr 35 Turbousoustrojí - parní turbína a elektrický generátor - jsou spolu s kondenzačním a čerpacím zařízením základními součástmi sekundárního okruhu jaderné elektrárny. Technicky náročné je i zařízení sloužící k odvedení výkonu elektrárny a k zajištění vlastní spotřeby. Parní turbína Reaktory dodávají turbíně sytou páru o tlaku 5 až 7 MPa. V případě jaderných elektráren směřuje vývoj turbín k jednotkám velkých výkonů. V současné době se provozují jednotky s jednohřídelovým uspořádáním s výkonem až 1 300 MW. Pro tyto výkony se stavějí turbíny pro otáčky od 1500 do 3000 za minutu, přičemž největší délky lopatek posledního stupně jsou přibližně 1 metr. Elektrický generátor Elektrický generátor je svým principem obdobou generátoru využívaného v klasických elektrárnách. Jmenovitý výkon generátoru JE Dukovany je 220 MW při výstupním napětí 15,75 kv, v případě JE Temelín jde o alternátor o jmenovitém výkonu 1 000 MW při výstupním napětí 24 kv. ing.jan Šritr 36 18
1. Reaktor mimo provoz 2. Poloviční výkon reaktoru 3. Plný výkon reaktoru 4. Bezpečnostní zastavení reaktoru ing.jan Šritr 37 19