VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE TEPLÁRNA NA BIOMASU BIOMASS HEATING POWER PLANT DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. VOJTĚCH HRUBÝ Doc. Ing. JAN FIEDLER, Dr BRNO 2

ABSTRAKT Obsahem práce je zpracovat podklady spotřeby tepla v obc Velký Karlov a za stávající centrální výtopnu navrhnout teplárnu na bomasu. Pomocí techncko-ekonomckého vyhodnocení ročního provozu teplárny zhodnott vhodnost použtí parní turbíny nebo parního stroje. Návrh parní turbíny je volen pomocí předběžného výpočtu. V prác jsou uvedeny možné případy provozů a jejch vyhodnocení pomocí doby návratnost. Klíčová slova: teplárna, parní turbína, parní stroj, bomasa ABSTRACT The content of ths dssertaton s to utlze foundatons of heat consumpton n Velký Karlov and to propose and replace the man dstrct heatng plant nto the heatng plant whch uses bomass as ts fuel. Wth techno-economc evaluaton of the annual operatng central heatng plant evaluate the sutablty of usng a steam turbne or steam engne. The proposal for a steam turbne s chosen by the prelmnary calculaton. There are showed sutable possbltes of workng and ts evaluaton consdered to return perod. Key words: heatng plant, steam turbne, steam engne, bomass

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE HRUBÝ, V. Teplárna na bomasu. Brno: Vysoké učení techncké v Brně, Fakulta strojního nženýrství, 2. 58s. Vedoucí dplomové práce doc. Ing. Jan Fedler, Dr. PROHLÁŠENÍ Prohlašuj, že jsem tuto dplomovou prác na téma Teplárna na bomasu, vypracoval samostatně a bez czí pomoc. Vycházel jsem př tom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporučené lteratury uvedené v seznamu...... podps dplomanta

PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval svému vedoucímu dplomové práce panu Doc. Ing. Janu Fedlerov, Dr za velm cenné rady a ochotnou spoluprác. Také bych chtěl poděkovat všem, kteří m věnoval svůj čas. Vojtěch Hrubý

OBSAH. ÚVOD... 8 2. REALIZACE A POPIS PŮVODNÍHO CENTRÁLNÍHO TEPELNÉHO ZDROJE VELKÝ KARLOV.. 9 2. OBEC VELKÝ KARLOV...9 2.2 ROZHODNUTÍ A PŘÍPRAVA STAVBY...9 2.3 REALIZACE STAVBY A JEJÍ TECHNICKÉ PARAMETRY... 2.4 VÝTOPNA DNES...2 3. ZPRACOVÁNÍ ZÍSKANÝCH DAT OD PROVOZOVATELE... 2 3. PŘEPOČET TEPELNÉ ENERGIE NA VÝKON...2 3.2 PŘEPOČTENÉ HODNOTY Z TEPELNÉ ENERGIE NA PRŮMĚRNÝ VÝKON V DANÉM DNI ZA ROK 26...3 3.3 PŘEPOČTENÉ HODNOTY Z TEPELNÉ ENERGIE NA PRŮMĚRNÝ VÝKON V DANÉM DNI ZA ROK 27...4 3.4 ROČNÍ DIAGRAM SPOTŘEBY TEPLA...5 3.5 ÚVAHA NAD ROČNÍM DIAGRAMEM SPOTŘEBY TEPLA A POSOUZENÍ VELIKOSTI ZDROJE...5 3.5. Množství odběratelů a jejch nárůst...5 3.5.2 Posouzení velkost zdroje...5 3.5.3 Návrh na novac kotelny...6 3.5.4 Postup řešení výpočtu pro návrh turbíny...6 4.TEPELNÁ SCHÉMATA TEPLÁRNY... 7 4. TEPELNÉ SCHÉMA TEPLÁRNY S POUŽITÍM PARNÍ TURBÍNY...7 4.2 TEPELNÉ SCHÉMA TEPLÁRNY S POUŽITÍM PARNÍHO STROJE...8 5. PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET TURBÍN... 9 5. PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET TURBÍN S NIŽŠÍMI PARAMETRY KOTLE...9 5.. Vstupní hodnoty pro výpočet...9 5..2 Předběžný výpočet...9 5..2. Určení stavů páry pro předběžný výpočet... 9 5..2.2 Určení rychlostního poměru a středního průměru lopatkování... 2 5..2.3 Výpočet délky lopatky... 2 5..2.4 Výpočet účnností a výkonů... 22 5.2 PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET TURBÍN S VYŠŠÍMI PARAMETRY KOTLE...24 5.2. Vstupní hodnoty pro výpočet...24 5.2.2 Předběžný výpočet...24 5.2.2. Určení stavů páry pro předběžný výpočet... 24 5.2.2.2 Určení rychlostního poměru a středního průměru lopatkování... 25 5.2.2.3 Výpočet délky lopatky... 26 5.2.2.4 Výpočet účnností a výkonů... 27 6. VÝPOČET VÝKONU KOTLE A MNOŽSTVÍ PALIVA... 29 6. VÝKON KOTLE...29 6.. Stav páry na vstupu a výstupu z kotle...29 6..2 Výpočet výkonu kotle...29 6.2 PŘÍKLAD VÝPOČTU TEPELNÉHO VÝKONU V PALIVU A JEHO MNOŽSTVÍ...3 7. SOUHRN VŠECH VYPOČTENÝCH HODNOT TURBÍN A TEPELNÝCH VÝKONŮ KOTLŮ... 3 8. PARNÍ STROJ... 32 8. ZÍSKANÁ DATA A INFORMACE O PARNÍM STROJI...32 8.2 ZPRACOVÁNÍ DAT A INFORMACÍ NA NAŠE VYPOČTENÉ HODNOTY...32 8.3 SOUHRN VŠECH VYPOČTENÝCH HODNOT PARNÍHO STROJE A TEPELNÝCH VÝKONŮ KOTLŮ...33 9. TECHNICKO-EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ ROČNÍHO PROVOZU TEPLÁRNY... 33 9. TECHNICKO-EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ ROČNÍHO PROVOZU S POUŽITÍM TURBÍNY...33 9.. Pops potřebných hodnot pro výpočet...33 9..2 Varanta (), potřebné hodnoty pro názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací turbíny...35

9..3 Názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací turbíny o svorkovém výkonu 36 kw... 35 9..4 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací turbín... 38 9..5 Celkové účnnost teplárny s použtím turbíny... 38 9.2 TECHNICKO-EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ ROČNÍHO PROVOZU S POUŽITÍM PARNÍHO STROJE... 39 9.2. Varanta (), potřebné hodnoty pro názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací parního stroje... 39 9.2.2 Názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací parního stroje o svorkovém výkonu 37,9 kw... 39 9.2.3 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací parního stroje... 42 9.3 ZVÁŽENÍ A ZKOUŠKA MOŽNÝCH VARIANT ROČNÍHO PROVOZU TEPELNÉ SOUSTAVY S TECHNICKO EKONOMICKÝM VYHODNOCENÍ - TURBÍNA... 42 9.3. Varanta (2), provozování teplárny po celý rok (876 hodn)... 42 9.3.2 Varanta číslo (3), možnost vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny po celý rok (palvo Kč + provoz 876hod)... 43 9.3.3 Varanta (4), možnost vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny pouze v potřebu odběratelů tepla (palvo Kč + provoz 65hod)... 44 9.3.4 Varanta (5), navýšení ceny za prodávané teplo o 2Kč/GJ (32Kč/GJ)... 46 9.4 ZVÁŽENÍ A ZKOUŠKA MOŽNÝCH VARIANT ROČNÍHO PROVOZU TEPELNÉ SOUSTAVY S TECHNICKO EKONOMICKÝM VYHODNOCENÍ PARNÍ STROJ... 47 9.4. Varanta (2), provozování teplárny po celý rok (876 hodn)... 47 9.4.2 Varanta číslo (3), možnost vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny po celý rok (palvo Kč + provoz 876hod)... 48 9.4.3 Varanta (4), možnost vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny pouze v potřebu odběratelů tepla (palvo Kč + provoz 65hod)... 49 9.4.4 Varanta (5), navýšení ceny za prodávané teplo o 2Kč/GJ (32Kč/GJ)... 5 9.5 POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ DOBY NÁVRATNOSTI PARNÍHO STROJE S DOBOU NÁVRATNOSTI TURBÍNY... 5 9.5. Porovnání dob návratnost varant - 5 parní stroj... 5 9.5.2 Porovnání dob návratnost varant - 5 turbína... 52. ZÁVĚREČNÉ ŘEŠENÍ TEPLÁRNY NA BIOMASU VE VELKÉM KARLOVĚ... 53. ZÁVĚR... 55

. ÚVOD Bomasa a její zpracování na využtelnou energ je díky šetrnému dopadu na žvotní prostředí stále více žádaná. Je energetcký zdroj, který přspívá ke zvyšování podílu obnovtelných zdrojů na celkové spotřebě energe. Z důvodu postupného nahrazování výkonů obnovtelným zdroj bylo vybudováno několk centrálních výtopen a to pro menší obce. Vzhledem k výkupní ceně vyrobené elektrcké energe z obnovtelných zdrojů a dotacím z EU je třeba zvážt možnost její výroby v takto malých výtopnách, kde parametry nedosahují vysokých hodnot. Tato dplomová práce se zabývá právě touto problematkou, a to konkrétně ve výtopně obce Velký Karlov. Záměrem práce je zpracovat podklady spotřeby tepla v dané lokaltě a navrhnout výkonové parametry teplárny na bomasu. Navrhnout tepelné schéma pro parní turbínu a parní stroj s určením jmenovtých parametrů a provést techncko-ekonomcké vyhodnocení ročního provozu teplárny. Parametry turbín je třeba získat jejch předběžným výpočtem, ale parametry a nformace o parním stroj je nutno získat od studenta stejného ročníku, který se zabývá výpočtem parního stroje také formou dplomové práce. Poslední bodem práce je provést vyhodnocení výkonové hrance výhodnost použtí turbíny a parního stroje. 8

2. REALIZACE A POPIS PŮVODNÍHO CENTRÁLNÍHO TEPELNÉHO ZDROJE VELKÝ KARLOV Obr.2 Pohled na obec Velký Karlov 2. Obec Velký Karlov Obec Velký Karlov leží v jhovýchodní část okresu Znojmo, as km západně od okraje Hrušovan nad Jevšovkou a cca 28 km východně od okresního města Znojma. Stávající počet obyvatel je 432 a počet rodnných domků 24. Současná rozloha katastru je 349 ha s průměrným ročním teplotam okolo 9 C a průměrným ročním úhrnem ročních srážek cca 5 mm. Většna potřeby tepla pro rodnné domy objekty obce byla zajšťována lokálním č etážovým vytápěním, kde palvem bylo hnědé uhlí. Jen malá část domků (cca 5) využívala k vytápění elektrckou energ. Proto obecní zastuptelstvo na základě přpomínek občanů zvažovalo vhodný způsob zásobování občanů teplem. V lednu roku 999 proběhl na Okresním úřadě ve Znojmě semnář na téma využtí bomasy pro zásobování obcí teplem organzovaný Územním odborem Mnsterstva žvotního prostředí v Brně. V rámc semnáře byl účastníc nformován o možnostech využívání bomasy k vytápění obcí větších sídelních celků. Byl rovněž nformován o projektu, který byl tehdy zpracováván pro regon Jžní Moravy. [2] 2.2 Rozhodnutí a příprava stavby Velký Karlov přstoupl na alternatvu centrálního vytápění, a to za předpokladu, že kromě vlastních prostředků získá dotace a půjčky, a to ze Státního fondu žvotního prostředí, České energetcké agentury, a také ze zahrančí. Předpoklady o získání dotací a půjček se vyplnly a v polovně roku 999 byla vypracována stude ekologckého vytápění. Podle platných předpsů začátkem dubna roku 2 proběhlo výběrové řízení na dodavatele celé stavby, která byla rozdělena na dvě část - rozvody a centrální kotelna s technologí. Po získání stavebního povolení proběhlo výběrové řízení a byl vybrán dodavatelé stavby. Výstavbu rozvodů zabezpečovala frma Tenza a.s., Brno a realzac kotelny a technologe Moravská topenářská s.r.o., Nový Jčín. Dodávku kotle, montáž a uvedení do provozu prováděla subdodavatelská frma Josef Novák Tractant Fabr z Kolína. 9

Cena po výběrovém řízení se zvýšla oprot projektu a celkové náklady na stavbu, včetně nákladů souvsejících s její přípravou stude, projekt, audt, stavební dozor apod. přesáhly 3,6 ml. Kč. Nelehkým úkolem, mmo zajštění fnančních prostředků, byla osvěta mez občany obce. Představtelé obce musel přesvědčovat občany o tom, že dané zařízení vytopí jejch rodnné domy, bude dostatečně spolehlvé, dodávka tepla bude stálá a dle potřeby, vytápění nebude drahé apod. Většnu námtek se podařlo rozptýlt po několka besedách s odborníky návštěvam některých jž provozovaných zařízení. Samozřejmě nejpádnějším argumentem pro všechny byl až provoz zařízení v část prvního zmního období od ledna 2. [2] 2.3 Realzace stavby a její techncké parametry Soustava centralzovaného zásobování teplem ve Velkém Karlově byla vytvořena jedním hlavním zdrojem tepla v oblast základního zatížení o výkonu MW pro spalování slámy a jedním špčkovým a záložním zdrojem tepla o výkonu 46 kw na spalování LTO. Případné špčky a krátkodobé odstávky jsou překlenovány akumulační nádrží o objemu 8 m 3. Teplo k odběratelům je rozváděno předzolovaným potrubím LOGSTOR ROR v bezkanálovém uložení. Délka páteřního rozvodu po obc (proveden z ocelového předzolovaného potrubí) je 95 m, odbočky do jednotlvých objektů jsou z předzolovaného flexblního potrubí ze síťovaného polyetylénu v celkové délce 223 m. V každém objektu je nstalována předávací stance, kde dochází k výměně tepla mez prmárním a sekundárním médem v deskových výměnících (přenos z rozvodné sítě do domovního rozvodu ústředního vytápění). V obc je 24 rodnných domů a několk objektů občanské vybavenost (obecní úřad, školka, kulturně-společenský sál, 2 nákupní středska, restaurace, ubytovna a kabny TJ), celkový požadovaný tepelný výkon pro % přpojení je 94 kw, z toho je výkon rodnných domů 624 kw a objektů občanské vybavenost cca 29kW. Vypracovaná stude včetně provedeného průzkumu mez obyvatel obce zpracovaný projekt pro stavební povolení předpokládal následné přpojení odběratelů tepla: rodnné domy... cca 8 % objekty občanské vybavenost... 83 % Obr. 2.3. Kotelna s komínem a akumulátorem tepla Obr. 2.3.2 Sklad balíkové slámy

Tepelný zdroj je postaven v objektu bývalé základní školy - v tělocvčně je umístěna kotelna s oběma kotl a s příslušenstvím, výstupem vstupem rozvodů potrubí, úpravnou vody apod. Bývalá třída je přebudována na velín, odkud je možno provádět kontrolu řízení průběhu spalování. Z dalších místností tvořících zázemí bývalé školy byl vybudován příruční sklad a sklad LTO, místnost pro obsluhu, socální zařízení včetně sprchy a šatny, čímž byl vytvořen poměrně vysoký standard zabezpečení potřeb obsluhy kotelny. K objektu kotelny je přstavěn sklad palva - balíkované slámy, obr. 2.3.2, s více než měsíční kapactou plného výkonu kotle. Ostatní zásoby balíkované slámy jsou skladovány pod přístřešky mmo areál kotelny. Palvem je oblná nebo řepková sláma skladovaná v balících o rozměrech,8m x,8m x,2 až,6m. Ve skladu je palvo nakládáno vysokozdvžným vozíkem na dopravní pás, který je zaveden až do prostoru skladu a svoj délkou slouží současně jako zásobník palva na cca 8 hodn maxmálního výkonu. Dopravník je řetězového typu o celkové délce 2 m a je zakončen rozdružovacím zařízením slámy. To slámu rozdruží a předá do pneumatcké dopravy, která slámu dále dopraví do podávacího šneku kotle. Kotel je řešen jako částečně zplyňovací s poměrně masvní žárovou vyzdívkou a svslou žárotrubnou teplosměnnou plochou s dodatečným ohřívákem vzduchu. Spalovací zařízení sestává z provozního zásobníku a dohořívací komory. Provozní zásobník tvoří vyzděná šachta opatřená nahoře víkem, z boční strany přívodem palva, dole na dně vyhrnovacím zařízením. Stěna mez zásobníkem a dohořívací komorou je v dolní část opatřena otvory, kterým prochází hořící zplyněné část slámy do dohořívací komory. Tato je podtlaková a sestává ze dvou vyzděných šachet. Má vodou chlazený strop a do prostoru první šachty je přváděn sekundární spalovací vzduch. Spalny vystupují z druhé šachty dole do žárových trubek vertkálního žárotrubného kotle. Provozní zásobník a dohořívací komora tvoří jeden celek. Druhý celek sestává z vertkálního žárotrubného kotle. Tento kotel je dvoutahový se vstupní a výstupní komorou pro spalny na dolním konc kotle a obratovou komorou nahoře. Na výstup spaln z kotle je napojen trubkový ohřívák vzduchu. Vzduchový ventlátor zajšťuje dodávku ohřátého vzduchu do trysek sekundárního vzduchu. Spalnovým ventlátorem je regulován podtlak ve spalovacím zařízení. Na dně provozního zásobníku je zabudován chlazený hrablový rošt pro vyhrnování nespaltelných látek (popele) do vyhrnovacího šneku. Vyhrnovací šnek, původně tvořený pružnou byl v rámc zkušebního provozu nahrazen šroubovcí, vyhrnuje popelovny do kontejneru mmo kotelnu. [2] Obr. 2.3.3 Záložní kotel na LTO( vpravo ), kotel na slámu (vpravo)

2.4 Výtopna dnes Během provozu centrálního zdroje ve Velkém Karlově došlo od zahájení roku 2 k mnohým úpravám, vylepšením a změnám celého zařízení. Kromě několka prvotních problémů, které vznkly v průběhu prvního roku provozu, jsem nezískal žádné nformace o změnách výtopny. Jedná data, která m byla poskytnuta, jsou výroba tepla v GJ od roku 25 do 28. 3. ZPRACOVÁNÍ ZÍSKANÝCH DAT OD PROVOZOVATELE Ze získaných dat je možno odečíst denní spotřebu tepla od roku 25 do roku 28. Dodané hodnoty lze přepočítat z tepelné energe v GJ na výkon v kw a tím zjstt roční dagram spotřeby obce. Pro vytvoření dagramu jsem vycházel z možného výběru a zvoll jsem nejteplejší a nejstudenější rok. Rok 26 byl dle výběru nejchladnějším a s ním nejvyšší zaznamenaná hodnota spotřeby tepla, která 26..6 dosáhla 54GJ/den = 625kW. Rok 27, který byl výrazně teplejším, jsem využl pro srovnání. 3. Přepočet tepelné energe na výkon J = W s energe = výkon..( Φ.. za.. období den) čas GJ vyrobená energe (teplo) Vyrobená tepelná energe v nejstudenější den 26..26 54GJ GJ den 6 54 = = 625kW 24 6 6 Průměrný výkon v nejstudenější den 26..26.625 kw 2

3.2 Přepočtené hodnoty z tepelné energe na průměrný výkon v daném dn za rok 26 Leden Únor Březen Duben Květen Červen Září Říjen Lstopad Prosnec Den GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw 44 59 45 52 39 45 25 289 23 266 2 39 4 46 6 85 9 22 2 36 47 45 52 37 428 23 266 8 28 4 62 5 58 2 23 2 243 3 37 428 45 52 36 47 9 22 5 74 2 39 6 69 27 33 25 289 4 37 428 44 59 33 382 2 23 4 62 6 85 6 69 27 33 26 3 5 36 47 42 486 35 45 24 278 2 39 2 39 7 8 3 359 24 278 6 39 45 4 475 37 428 28 324 9 4 3 5 7 8 27 33 24 278 7 36 47 46 532 38 44 3 347 6 69 27 7 8 25 289 23 266 8 39 45 44 59 32 37 27 33 4 62 6 8 93 9 22 25 289 9 4 463 37 428 37 428 25 289 9 4 9 4 8 93 24 278 23 266 47 544 38 44 37 428 24 278 9 4 9 4 9 4 2 243 27 33 43 498 36 47 33 382 22 255 8 93 7 8 8 93 2 243 24 278 2 45 52 35 45 29 336 29 336 8 93 9 4 9 4 26 3 28 324 3 47 544 36 47 37 428 3 359 8 93 6 69 9 4 26 3 26 3 4 45 52 38 44 38 44 28 324 7 8 7 8 6 2 243 29 336 5 38 44 37 428 4 463 26 3 9 4 6 69 6 22 255 28 324 6 42 486 38 44 38 44 22 255 8 93 7 8 27 9 22 33 382 7 43 498 38 44 39 45 22 255 7 8 5 58 3 5 2 23 3 347 8 43 498 33 382 32 37 2 243 7 8 4 46 5 74 2 243 32 37 9 38 44 33 382 32 37 8 28 7 8 7 8 4 62 9 22 33 382 2 42 486 3 347 28 324 7 97 8 93 4 46 5 74 22 255 27 33 2 4 475 33 382 3 347 6 85 8 93 4 46 6 85 2 243 32 37 22 37 428 3 347 3 347 6 85 4 46 5 58 7 8 4 62 2 243 32 37 23 42 486 34 394 24 278 3 5 27 3 35 3 35 4 62 23 266 2 23 24 5 59 35 45 24 278 9 4 7 8 4 46 3 35 27 22 255 27 33 25 5 59 36 47 35 45 3 5 7 8 4 46 3 35 3 5 2 23 3 347 26 54 625 39 45 29 336 27 6 4 46 3 35 2 39 22 255 3 359 27 47 544 37 428 26 3 2 39 6 3 35 3 35 27 2 243 33 382 28 5 59 4 463 8 28 6 8 93 4 46 4 46 6 2 23 29 336 29 45 52 - - 22 255 3 5 6 4 46 4 46 27 2 243 37 428 3 44 59 - - 3 347 7 97 6 3 35 5 58 27 2 243 35 45 3 48 556 - - 26 3 - - 6 - - - - 2 39 - - 35 45 868 778 666 3657 36 45 35 2523 28 3484 3 772 586 2326 65 537 328 Tab. 3.2 Přepočtené hodnoty z tepelné energe na průměrný výkon v daném dn za rok 26 46 Poznámka: Roku 26 v měsících červenc a srpnu výtopna nevykazuje žádnou produkc tepla. 3

3.3 Přepočtené hodnoty z tepelné energe na průměrný výkon v daném dn za rok 27 Leden Únor Březen Duben Květen Září Říjen Lstopad Prosnec Den GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw GJ kw 36 47 33 382 25 289 2 243 8 93 9 4 9 22 3 359 2 25 289 3 359 3 359 8 28 7 8 6 2 243 3 347 3 3 359 32 37 27 33 9 22 6 27 22 255 25 289 4 34 394 3 359 3 347 8 28 6 9 4 8 28 28 324 5 29 336 29 336 27 33 2 243 8 93 9 4 9 22 28 324 6 3 347 26 3 26 3 2 23 6 6 24 278 28 324 7 28 324 32 37 25 289 8 28 27 27 26 3 28 324 8 24 278 28 324 22 255 8 28 9 4 2 39 29 336 26 3 9 28 324 27 33 25 289 5 74 8 93 3 5 23 266 29 336 27 33 28 324 25 289 6 85 2 39 3 5 24 278 29 336 24 278 3 359 23 266 4 62 9 4 4 62 26 3 3 359 2 23 266 27 33 24 278 3 5 6 69 3 5 34 394 3 347 3 25 289 3 347 23 266 6 7 8 2 23 3 347 29 336 4 24 278 28 324 9 22 6 6 69 9 22 3 347 3 359 5 25 289 25 289 2 23 7 8 5 58 6 85 28 324 34 394 6 27 33 27 33 2 243 8 93 7 8 9 22 28 324 32 37 7 3 359 3 347 23 266 8 93 6 69 7 8 2 23 33 382 35 45 8 33 382 28 324 2 243 8 93 6 4 46 7 97 33 382 33 382 9 28 324 3 347 24 278 6 8 93 5 58 2 243 32 37 26 3 2 3 347 29 336 23 266 9 4 7 8 6 2 23 29 336 34 394 2 24 278 3 359 32 37 6 5 58 6 26 3 34 394 4 463 22 23 266 3 359 29 336 27 4 46 9 4 25 289 34 394 39 45 23 28 324 28 324 29 336 6 2 9 4 25 289 33 382 38 44 24 33 382 28 324 33 382 9 4 6 69 25 289 32 37 38 44 25 36 47 32 37 24 278 27 8 93 22 255 27 33 39 45 26 42 486 3 347 23 266 7 8 8 93 22 255 24 278 36 47 27 35 45 3 347 22 255 7 8 9 4 23 266 32 37 4 463 28 37 428 32 37 2 243 7 8 4 62 22 255 32 37 35 45 29 35 45 - - 2 243 7 8 27 2 243 34 394 38 44 3 34 394 - - 27 33 7 8 27 9 22 32 37 39 45 3 3 347 - - 2 23 - - - - 2 243 - - 4 463 794 9 9745 842 625 537 4 2 24 74 4248 367 8854 765 9537 824 637 99 Tab. 3.3 Přepočtené hodnoty z tepelné energe na průměrný výkon v daném dn za rok 27 Poznámka: Roku 27 v měsících červnu, červenc a srpnu výtopna nevykazuje žádnou produkc tepla. 4

3.4 Roční dagram spotřeby tepla Roční dagram spotřeby tepla za rok 26 a 27 výkon v [kw] 7 6 5 4 3 2 Rok 26 Rok 27 5 5 2 25 3 35 počet dní v roce Obr. 3.4. Roční dagram spotřeby tepla za rok 26 a 27 3.5 Úvaha nad ročním dagramem spotřeby tepla a posouzení velkost zdroje 3.5. Množství odběratelů a jejch nárůst V obc Velký Karlov je 24 rodnných domů a několk objektů občanské vybavenost. V roce 2 bylo přpojeno 64 rodnných domů a jejch spotřeba za období leden-říjen čnla 353 GJ. Je třeba zmínt, že se jednalo o první rok provozu výtopny a někteří odběratelé se přpojoval postupně v průběhu roku než spotřeboval své staré zásoby uhlí. V roce 27 sce spotřeba za stejné období vzrostla na 377 GJ, ale když uvážíme, že zákazníc odebíral teplo po celou topnou sezónu, pak můžeme uvažovat o nárůstu odběratelů za posledních 6 let. Jestlže provoz výtopny po šest letech přesvědčl 6% odběratelů, pak nelze jž v budoucích letech očekávat jejch markantní nárůst a odběr je takřka ustálený. Přesto je nutno počítat s určtou rezervou pro nárůst odběratelů z předpokladů rozšřování obce. 3.5.2 Posouzení velkost zdroje Obec má celkový požadovaný tepelný výkon pro % přpojení 94 kw. V roce 999 byla vypracována stude na předpoklad cca 8% přpojení odběratelů rodnných domů a objektů občanské vybavenost což ční přblžně 53 kw. Na tuto stud soustavy centralzovaného zásobování teplem byl zvolen jeden hlavní zdroj tepla v oblast základního zatížení o výkonu MW pro spalování slámy (bomasa) a jedním špčkovým záložním zdrojem tepla o výkonu 46 kw na spalování LTO. Tudíž kotelna o celkovém tepelném výkonu 46 kw. Z ročního dagramu spotřeby tepla uvedeného na obr. 3.4, který znázorňuje spotřebu tepla v studený rok 26 a teplejší rok 27, je zřejmé, že maxmální potřebný tepelný výkon 5

za tyto dva roky nepřesáhl 625 kw, tudíž kotelna o celkovém tepelném výkonu 46 kw je po zkušenostech předmenzována. 3.5.3 Návrh na novac kotelny Ze získaných dat a posouzení velkost zdroje je patrné, že využtelnost zdroje o takovém výkonu je přílš malá. Pokud by mělo dojít k obnovení č výměně kotle za nový následkem překročení doby žvotnost nebo jných vážných příčn na zařízení, je třeba zvážt další možnost, které se v důsledku technckého vývoje a zdokonalování nabízí. Možností, které by dokázaly vyřešt tento předmenzovaný stav tepelného zdroje, je jž dnes mnohem více než před deset lety, kdy kotle o takovém výkonu byly takřka ve vývoj. Díky fnanční podpoře z Evropské Une na navýšení elektrcké energe z obnovtelných zdrojů se automatcky navýšla poptávka a frmy, které se zabývají jejch výrobou a vývojem, získaly se spalováním bomasy ohromné poznatky a zkušenost. Tímto se kotle na bomasu během posledních deset let nejen zdokonally, ale rozšířly své možnost o výkonové rozsahy. Hlavní myšlenkou této práce je využtí veškerého možného výkonu, který bude právě nanstalován. Prvotním novačním návrhem je změna velkost hlavního zdroje, který pokrývá základní tepelné zatížení, v tomto případě dle ročního dagramu tepla obrázek 3.4 výkonový rozsah 4-55 kw. Pro maxmální využtí tepelného zdroje je třeba zvážt možnou výrobu elektrcké energe pomocí točvé redukce nebo parního stroje. Výkonové špčky a jako záloha v případě odstávky č poruchy by vyplnl stávající záložní zdroj o tepelném výkonu 46 kw na spalování lehkých topných olejů.. Tudíž pro realzac je nutný kotel na bomasu o tepelném výkonu 4-55 kw na sytou nebo přehřátou páru a jednostupňová turbína č parní stroj, který bude právě deální pro náš požadovaný tepelný výkon. Přebytečný tepelný výkon parního kotle je možno v době nžší spotřeby tepla u zákazníků akumulovat v horkovodním akumulátoru o tepelné kapactě 3 GJ. Akumulátor je součástí původního návrhu teplárny a v dplomové prác byl použt beze změn. Velký problém vdím v zásobování odběratelů TUV po skončení topné sezony v letních měsících. Zákazníc nemají v současnost o TUV z teplárny zájem a přpravují s j ndvduálně. 3.5.4 Postup řešení výpočtu pro návrh turbíny Pro tepelný výkon v rozmezí 4 55 kw, který odpovídá ročnímu dagramu potřeby tepla obr. 3.4 bylo nutno hledat vhodný svorkový výkon turbíny tak, aby mohlo být provedeno techncko-ekonomcké vyhodnocení provozu. Pro optmalzac byly voleny svorkové výkony Psv turbín v rozmezí 3-23 kwe. Př výpočtu se vychází ze zadaných nžších parametrech kotle p /t =,8 MPa / sytá pára, které jsou v tomto případě Pe = do kwe a kotel o vyšších parametrech p /t =,3 MPa / 2 C pro Pe = nad kwe. Z těchto vstupních parametrů je už možné vypočítat předběžný výpočet turbíny. V kaptole 5 je znázorněn výpočet pouze dvou turbín předběžného výpočtu, a to turbína o elektrckém výkonu Pe = 36 kw s nžším parametry kotle p /t =,8 MPa / sytá pára a turbína s elektrckým výkonem Pe = 6 kw a kotlem s vyšším parametry p /t =,3 MPa / 2 C. Veškeré výsledné hodnoty všech turbín jsou znázorněny v tabulce 7. 6

4.TEPELNÁ SCHÉMATA TEPLÁRNY 4. Tepelné schéma teplárny s použtím parní turbíny LEGENDA TEPELNÉHO SCHÉMATU S POUŽITÍM TURBÍNY K kotel T parní turbína G generátor A akumulátor V CH vzduchový chladč NN napájecí nádrž CHÚV chemcká úprava vody CH chladící stance P TEP tepelný výkon kotle P SV výkon na svorkách generátoru 7

4.2 Tepelné schéma teplárny s použtím parního stroje LEGENDA TEPELNÉHO SCHÉMATU S POUŽITÍM PARNÍHO STROJE K kotel PS parní stroj G generátor A akumulátor V CH vzduchový chladč NN napájecí nádrž CHÚV chemcká úprava vody CH chladící stance P TEP tepelný výkon kotle P SV výkon na svorkách generátoru 8

5. PŘEDBĚŽNÝ VÝPOČET TURBÍN 5. Předběžný výpočet turbín s nžším parametry kotle 5.. Vstupní hodnoty pro výpočet Jmenovtý tlak na spouštěcím ventlu: p =,8 MPa Jmenovtá teplota páry na spouštěcím ventlu: t = 7,4 o C Jmenovtý prottlak: p 2 =,2 MPa Elektrcký výkon turbíny: P teor. = 8 kwe Otáčky: n = mn - 5..2 Předběžný výpočet Předběžným výpočtem lze stanovt základní geometrcké a výkonové parametry turbín. Je počítáno s určtým zjednodušením, avšak pro získání základních výkonových parametrů je výpočet dostačující. 5..2. Určení stavů páry pro předběžný výpočet - podíl ztráty na spouštěcím ventlu: xp = 3 % tlaková ztráta na spouštěcím ventlu: x p 3 δ psp = p =,8 =, 24MPa tlak za spouštěcím ventlem: p = p δ psp =,8,24, 78MPa = stav páry na vstupu do turbíny (určeno z -s dagramu): s v = f ( t ; p ) = f (69,4;,78) = 2768,28kJ / kg s v = f ( t ; p ) = f (69,4;,78) = 6,662kJ / kgk 3 = f ( t ; p ) = f (69,4;,78) =,243m zoentropcká teplota na výstupu turbíny: t / kg z t ( 2 t = f p : s ) = f (,2 : 6,662) = 377,93K = 4, 78 C zoentropcká entalpe na výstupu turbíny: = f ( p ; s ) f (,2;6,662) 2442,7kJ / kg z 2 2 = = 9

zoentropcký spád na turbíně: hz = z = 2768,28 2442,7 = 326,2kJ / kg Jmenovtý průtok páry před turbínou: Jelkož je zadaný elektrcký výkon turbíny, dopočítá se jmenovtý průtok páry před turbínou pomocí rovnce vntřního výkonu stupně př % učnnost. P = M j h z η td po úpravě P 8 M = = =,25kg s j h η 326,2 / z td Rychlostní ztrátový součntel pro dýzu: φ =,94. Hodnota φ je volena dle doporučení v lteratury []. ztráta na dýze: 2 2 z pr = ( ϕ ) hz = (,94 ) 326,2 = 37,97kJ / kg předběžný spád na stupeň: h pr = hz z pr = 326,2 37,97 = 288,24kJ / kg stav páry za dýzou: t v = t h v 2 pr 2 = 2768,28 288,24 = 248,4kJ / kg = f ( p ; ) = f (,2;248,4) = 4,78 C t 3 = f ( p ; ) = f (,2;248,4) =,299m / kg v - měrný objem páry za dýzou je potřebný pro výpočet délky lopatky - výpočet turbíny je v oblast mokré páry (suchost páry x=,99) 5..2.2 Určení rychlostního poměru a středního průměru lopatkování krtcký tlak: p kr =,546 p =,546,78 =, 42MPa krtcký poměr tlaků a typ proudění: p π = p 2,2 = =,55,78 2

- proudění v dýze je nadkrtcké, je třeba použít rozšířeného tvaru kanálu - rychlost v přívodním potrubí: c =4m/s (voleno dle lteratury [] rozmezí 3-5 m/s) obvodová rychlost na středním průměru: - střední průměr regulačního stupně D =,45m u = π D n = π,45 83,33 = 259m / s předběžná teoretcká rychlost páry za dýzou: 2 2 c z = 2 hz + c = 2 326,2 + 4 = rychlostní poměr: 88,72m / s u c z 259,5 = = 88,72,32 - Jelkož se jedná o výpočet jednostupňové turbíny a chceme zpracovat celý spád v jednom stupn, musíme zanechat rychlostní poměr u/c z pod doporučeným poměrem. ověření středního průměru lopatkování stupně: u 259,5 D = = =, 45m n π π 6 6 5..2.3 Výpočet délky lopatky - výstupní úhel proudu z dýzy: α =3 délka lopatky př totálním ostřku: v,299 lot = M j =,25 =, 345cm π D c z ϕ snα π,45 88,72,94 sn3 součntel delta: - expermentální konstanta pro A-kolo c/a =,467 [-] (voleno dle []) u c cz,32 δ = =,467 =, 433,2,2 a n D,45 [ ] 2

součntel alfa pro určení optmální délky lopatky: - konstanta pro A-kolo b/a =,398 [-] (voleno dle lteratury []) - zohlednění dělení parcálního ostřku s = [-] (voleno dle lteratury []) = D,45 α = = 3, b,398 +,433,45 37 s + δ D a [ ] optmální délka lopatky: lopt = α lot = 3,37,345 =, 2342cm skutečná délka lopatky: - po zaokrouhlení optmální délky l opt =,2342 cm dostaneme skutečnou délku lopatky l =, 2cm redukovaná délka lopatky: L = l + l parcální ostřk: opt l red = =, 63 2 2 δ l,2 +,2342,2,433,2 cm ε l = t l,345 = =,2[ ],2 5..2.4 Výpočet účnností a výkonů redukovaná obvodová účnnost: Hodnota redukované obvodové účnnost se odečte z dagramu pro redukovanou účnnost regulačního stupně (A-kolo) pomocí redukované délky lopatky Lred a rychlostního poměru u/cz. (odečteno z dagramu dle lteratury []). L red =,63cm u/c z =,32 η =, 56 u [ ] ztráty třením a ventlací: 22

Součntel k odečtený z dagramu podle otáček n[s - ] a středního průměru lopatkování regulačního stupně D [m]. (odečteno z dagramu dle lteratury []). n = 83,33 [s - ] D =,45 [m] k = 3, 5[ ] k 3,5 Z = = = 8,9[ kj / ] 5 M v,25,299 kg poměrná ztráta: j z5 8,9 ξ 5 = = =,5576[ ] 326,2 h z vntřní účnnost regulačního stupně: η td = ηu ξ 5 =,56,5576 =,542[ ] vntřní výkon stupně: P = M j hz η td =,25 326,2,542 = 4, 2kW svorkový výkon: Psv = P η m η př η gen = 4,2,95,95,97 = 36kW 23

5.2 Předběžný výpočet turbín s vyšším parametry kotle 5.2. Vstupní hodnoty pro výpočet Jmenovtý tlak na spouštěcím ventlu: p =,3 MPa Jmenovtá teplota páry na spouštěcím ventlu: t = 2 o C Jmenovtý prottlak: p 2 =,2 MPa Elektrcký výkon turbíny: P teor. = 2 kwe Otáčky: n = mn - 5.2.2 Předběžný výpočet Předběžným výpočtem lze stanovt základní geometrcké a výkonové parametry turbín. Je počítáno s určtým zjednodušením, avšak pro získání základních výkonových parametrů je výpočet dostačující. 5.2.2. Určení stavů páry pro předběžný výpočet - podíl ztráty na spouštěcím ventlu: xp = 3 % tlaková ztráta na spouštěcím ventlu: x p 3 δ psp = p =,3 =, 39MPa tlak za spouštěcím ventlem: p = p δ psp =,3,39, 26MPa = stav páry na vstupu do turbíny (určeno z -s dagramu): s v = f ( t ; p ) = s v = f ( t ; p ) = = f ( t ; p ) = f (2;,26) = 2838kJ / kg f (2;,26) = 6,66kJ / kgk f (2;,26) =,65m zoentropcká teplota na výstupu turbíny: t 3 / kg z t ( 2 t = f p : s ) = f (,2 : 6,66) = 377,93K = 4, 78 C zoentropcká entalpe na výstupu turbíny: = f ( p ; s ) f (,2;6,66) 2425,45kJ / kg z 2 2 = = zoentropcký spád na turbíně: hz = z = 2838 2425,45 = 42,55kJ / kg 24

Jmenovtý průtok páry před turbínou: Jelkož je zadaný elektrcký výkon turbíny, dopočítá se jmenovtý průtok páry před turbínou pomocí rovnce vntřního výkonu stupně př % učnnost. P = M j h z η td po úpravě P 2 M = = =,5kg s j h η 42,55 / z td Rychlostní ztrátový součntel pro dýzu: φ =,94. Hodnota φ je volena dle doporučení v lteratury []. ztráta na dýze: 2 2 z pr = ( ϕ ) hz = (,94 ) 42,55 = 48,2kJ / kg předběžný spád na stupeň: hpr = hz z pr = 42,55 48,2 = 364,53kJ / kg stav páry za dýzou: t v = t h v 2 pr 2 = 2838 364,53 = 2473,47kJ / kg = f ( p ; ) = f (,2;2473,47) = 4,78 C t 3 = f ( p ; ) = f (,2;2473,47) =,295m / kg v - měrný objem páry za dýzou je potřebný pro výpočet délky lopatky - výpočet turbíny je v oblast mokré páry (suchost páry x=,97) 5.2.2.2 Určení rychlostního poměru a středního průměru lopatkování krtcký tlak: p kr =,546 p =,546,78 =, 42MPa krtcký poměr tlaků a typ proudění: p2,2 π = = =, p,26 - proudění v dýze je nadkrtcké, je třeba použít rozšířeného tvaru kanálu - rychlost v přívodním potrubí: c =4m/s (voleno dle lteratury [] rozmezí 3-5 m/s) 25

obvodová rychlost na středním průměru: - střední průměr regulačního stupně D =,55m u = π D n = π,55 83,33 = 37m / s předběžná teoretcká rychlost páry za dýzou: 2 2 c z = 2 hz + c = 2 42,55 + 4 = rychlostní poměr: 99,23m / s u c z = 37 = 99,23,35 - Jelkož se jedná o výpočet jednostupňové turbíny a chceme zpracovat celý spád v jednom stupn, musíme zanechat rychlostní poměr u/c z pod doporučeným poměrem. ověření středního průměru lopatkování stupně: u 37 D = = =, 55m n π π 6 6 5.2.2.3 Výpočet délky lopatky - výstupní úhel proudu z dýzy: α =3 délka lopatky př totálním ostřku: v,295 lot = M j =,5 =, 99cm π D c z ϕ snα π,55 99,23,94 sn3 součntel delta: - expermentální konstanta pro A-kolo c/a =,467 [-] (voleno dle []) u c cz,35 δ = =,467 =, 426,2,2 a n D,55 součntel alfa pro určení optmální délky lopatky: - konstanta pro A-kolo b/a =,398 [-] (voleno dle lteratury []) [ ] 26

- zohlednění dělení parcálního ostřku s = [-] (voleno dle lteratury []) = D,55 α = = 3, b,398 +,386,55 72 s + δ D a optmální délka lopatky: lopt = α lot = 3,72,99 =, 66cm skutečná délka lopatky: - po zaokrouhlení optmální délky l opt =,66 cm dostaneme skutečnou délku lopatky l =, 7cm redukovaná délka lopatky: L = l + l parcální ostřk: opt l δ l [ ] red = =, 86 2 2,7 +,66,7,426,7 cm ε l = t l,99 = =,7[ ],7 5.2.2.4 Výpočet účnností a výkonů redukovaná obvodová účnnost: Hodnota redukované obvodové účnnost se odečte z dagramu pro redukovanou účnnost regulačního stupně (A-kolo) pomocí redukované délky lopatky Lred a rychlostního poměru u/cz. (odečteno z dagramu dle lteratury []). L red =,86cm u/c z =,35 η u =, 65[ ] ztráty třením a ventlací: Součntel k odečtený z dagramu podle otáček n[s - ] a středního průměru lopatkování regulačního stupně D [m]. (odečteno z dagramu dle lteratury []). n = 83,33 [s - ] D =,55 [m] 27

k = 7[ ] k 7 Z = = = 7,77[ kj / ] 5 M v,5,295 kg poměrná ztráta: j z5 7,77 ξ 5 = = =,438[ ] 42,55 h z vntřní účnnost regulačního stupně: η td = η ξ =,62,438 =,5769[ u 5 ] vntřní výkon stupně: P = M j hz η td =,5 42,55,5769 = 2, 38kW svorkový výkon: P = P η η η sv m př gen = 2,38,95,95,97 = 6, 26 kw 28

6. VÝPOČET VÝKONU KOTLE A MNOŽSTVÍ PALIVA 6. Výkon kotle 6.. Stav páry na vstupu a výstupu z kotle kotel s nžším parametry p /t =,8 MPa / sytá pára stav páry na vstupu do kotle (určeno z -s dagramu): s v vst vst vst = f ( t ; p ) = f (5;,95) = 44,2kJ / kg s v = f ( t ; p ) = f (5;,95) =,363kJ / kgk 3 = f ( t ; p ) = f (5;,95) =,5m stav páry na výstupu z kotle (určeno z -s dagramu): s v výs výs výs s v 3 = f ( t ; p ) = f (7,4;,8) =,243m / kg = f ( t ; p ) = f (7,4;,8) = 2768,28kJ / kg = f ( t ; p ) = f (7,4;,8) = 6,662kJ / kgk / kg kotel s vyšším parametry p /t =,3 MPa / 2 C stav páry na vstupu do kotle (určeno z -s dagramu): s v vst vst vst = f ( t ; p ) = f (5;,95) = 44,6 kj / kg s v = f ( t ; p ) = f (5;,95) =,362 kj / kgk 3 = f ( t ; p ) = f (5;,95) =,5m stav páry na výstupu z kotle (určeno z -s dagramu): s v výs výs výs s v = f ( t ; p ) = f (2;,3) = 2835,7kJ / kg 3 = f ( t ; p ) = f (2;,4) =,6m / kg / kg = f ( t ; p ) = f (2;,4) = 6,598kJ / kgk 6..2 Výpočet výkonu kotle kotel s nžším parametry p /t =,8 MPa / sytá pára turbína se svorkovým výkonem Psv = 36 kw Ptep = Mj ( výs vst ) =,245 (2768,28 44,83) = 57, 79kW 29

kotel s vyšším parametry p /t =,3 MPa / 2 C turbína se svorkovým výkonem Psv = 6,26 kw Ptep = Mj ( výs vst ) =,5 (2835,7 44,23) = 28, 86kW 6.2 Příklad výpočtu tepelného výkonu v palvu a jeho množství Př volbě druhu palva z bomasy je třeba pečlvě zvážt používané palvo, například dřevní štěpka, sláma, jejch kombnace atd. V tomto případě se uvažuje dřevní štěpka, která má výhřevnost až 6,5 MJ/kg. Cena dřevní štěpky roste podle vysušenost palva, ale stejně tak s výhřevností. Dřevní štěpka je nabízena přblžně od, MJ/kg do 5 MJ/kg. Je samozřejmé, že na trhu je mnoho dodavatelů s různým cenam, které se například pro, MJ/kg pohybují od 9 Kč/t do 8 Kč/t, částka za téměř suché palvo o výhřevnost 5 MJ/kg se zaplatí přblžně 275 Kč/t. Nejvhodnější a nejvýhodnější varantou je možnost spalování vlastního odpadu například z dřevnné výroby, případně možnost získání vlastního palva s nulovým pořzovacím náklady. V uvedeném příkladě je počítáno s palvem o výhřevnost 2,5 MJ/kg, které by z předchozích údajů odhadem stálo 7Kč. [2] množství palva: Tepelný výkon kotle P TEP 57,79 kw Účnnost kotle η k.,9 [-] Výhřevnost palva Q.2,5 MJ/kg r PTEP 57,79 PTEP, PAL = = = 627,24kW =, 627MW η,9 K PTEP, PAL,627 mpal = = =,52kg / s Q 2,5 r,52 m PAL = 6 6 =,8t / h 3

7. SOUHRN VŠECH VYPOČTENÝCH HODNOT TURBÍN A TEPELNÝCH VÝKONŮ KOTLŮ KOTEL O NIŽŠÍCH PARAMETRECH p /t =,8 MPa / sytá pára P svo [kw] η td [-] P TEP [kwt] M PAL [t/h] Mj [kg/s] Mj [t/h] 3,32,389 285,393,93,23,44 23,87,454 428,89,355,84,662 36,,54 57,786,86,245,883 47,8,54 73,482,2258,37,4 57,,542 856,79,27,368,324 73,52,549 7,223,3387,46,655 9,6,575 284,268,464,552,986 KOTEL O VYŠŠÍCH PARAMETRECH p /t =,3 MPa / 2 O C P svo [kw] η td [-] P TEP [kwt] M PAL [t/h] Mj [kg/s] Mj [t/h] 6,26,577 28,855,3857,59,833,7,584 276,896,44,533,92 3,96,6 45,8,4592,66 2,82 Tab. 7. Souhrn všech vypočtených hodnot turbín a tepelných výkonů kotlů 3

8. PARNÍ STROJ 8. Získaná data a nformace o parním stroj Získaná data a nformace byly získány od studenta Bc. Ladslava Šnajdárka, který vypracoval dplomový projekt součastně s touto prací pod vedením Ing. Jří Škorpíka, Ph.D s názvem: Analýza využtelnost pístového parního motoru pro kombnovanou výrobu elektřny a tepla. Spotřeba páry orentačně...22-25 kg/kwh e Termodynamcká účnnost parního stroje,6 [-] Cena celého projektu pro parní stroj...5kw e ~ 4,5 ml Kč Cena celého projektu pro parní stroj...kw e ~ 5 ml Kč 8.2 Zpracování dat a nformací na naše vypočtené hodnoty Spotřeba páry k danému elektrckému výkonu: Pro možnost porovnání parního stoje a parní turbny byly voleny svorkové výkony parního stroje podobné jako svorkové výkony parní turbny dle tabulky 7. Obecně lze vntřní výkon parního stroje vypočítat - názorně na svorkovém výkonu turbíny 36kW: Zpětné zjštění vntřního výkonu stupně turbíny: PSV P = = 4, 2kW η * η * η m př gen Výpočet množství páry parního stroje: P Mj = =,2kg / s =,757t / h H s ηtd Výpočet tepelného výkonu: ( ) = 489, kw PTEP = M j výs vst 42 Výpočet množství palva: P PTEP, PAL = = 537, η TEP 52 K kw PTEP, PAL mpal = =,43kg / s =,55t / h Q r svorkový výkon parního stroje: P = P η η = 37, kw sv m gen 9 Veškeré numercké výsledky výpočtů jsou uvedeny v tabulce 8.3. 32

8.3 Souhrn všech vypočtených hodnot parního stroje a tepelných výkonů kotlů KOTEL O NIŽŠÍCH PARAMETRECH p /t =,8 MPa / sytá pára P svo [kw] η td [-] P TEP [kwt] M PAL [t/h] Mj [kg/s] Mj [t/h] 4,2,6 8,983,57,78,28 25,26,6 324,329,3,39,52 37,895,6 489,42,55,2,757 5,326,6 649,68,26,279,5 6,,6 774,475,245,333,98 77,389,6 998,937,36,429,545 95,368,6 23,8,39,529,94 KOTEL O VYŠŠÍCH PARAMETRECH p /t =,3 MPa / 2 O C P svo [kw] η td [-] P TEP [kwt] M PAL [t/h] Mj [kg/s] Mj [t/h],853,6 74,74,372,49,765 7,579,6 234,286,39,55,856 38,95,6 458,59,46,69 2,92 Tab. 8.3 Souhrn všech vypočtených hodnot parního stroje a tepelných výkonů kotlů 9. TECHNICKO-EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ ROČNÍHO PROVOZU TEPLÁRNY 9. Techncko-ekonomcké vyhodnocení ročního provozu s použtím turbíny 9.. Pops potřebných hodnot pro výpočet ELEKTRICKÝ VÝKON Vypočítaný svorkový výkon, který dodává daná turbína do elektrcké sítě přes generátor v kw vz. kaptola 5.2.2.4 ROČNÍ VÝROBA TEPLA Množství tepla vyrobeného do tepelné soustavy v GJ/rok. Hodnota odečtená ze získaných dat od provozovatele výtopny ve Velkém Karlově vz.3.2, 3.3 33

ROČNÍ DOBA VYUŽITÍ Doba po kterou bude tepelná soustava v provozu v h/rok Počet hodn volen dle úvahy provozování. Je třeba prověřt výhodnost provozu. CENA PRODÁVANÉ ELEKTRICKÉ ENERGIE Cena, za kterou jsme schopn elektrckou energ prodat, čl za kolk peněz bude vykoupena v Kč/kWh.Výkupní cena elektrcké energe z bomasy je zvýhodněna a je stanovena. Částka pro tento výpočet odečtena z nternetových stránek energetckého regulačního úřadu. [3] CENA PRODÁVANÉHO TEPLA Cena, za kterou jsme schopn tepelnou energ prodat odběratelům Kč/GJ. Cena prodávaného tepla pro tuto prác byla získána od obce Velký Karlov. SPOTŘEBA PALIVA Vypočítané množství palva z tepelného výkonu, účnnost kotle a výhřevnost palva v t/h. vz. kaptola 6.2 CENA BIOMASY Cena, za kterou se dá nakoupt palvo v Kč/t. Částka se odvíjí od výhřevnost palva, čerpáno dle nternetových stránek tzb-nfo. vz kaptola 6.2 [2] PROVOZNÍ NÁKLADY Suma peněz určena pro roční provoz teplárny a její údržbu. Částka volena po domluvě s vedoucím dplomové práce. DISKONTNÍ SAZBA Výnosová míra, kterou jsou dskontovány (přepočítány) budoucí peněžní toky na současnou hodnotu v %. Dskontní sazba ke dn 9.5.2 byla odečtena z nternetové adresy České národní banky. [4] NÁKLADY NA PŘIPOJENÍ (REALIZACI) Peníze vyhrazené pro uskutečnění přpojení nového zařízení. Částka volena po domluvě s vedoucím dplomové práce. POŘIZOVACÍ CENA KOTLE Cena kotle roste s jeho výkonem. Pořzovací cena volena po konzultac s ředtelem frmy Inteka Brno, která se zabývá dodávkou a montáží zařízení v oblast tepelné energetky a jných obdobných oblastech. POŘIZOVACÍ CENA TURBÍNY Cena turbíny roste s jejím výkonem. Pořzovací cena volena po domluvě s vedoucím dplomové práce. 34

9..2 Varanta (), potřebné hodnoty pro názorný výpočet technckoekonomckého vyhodnocení s nstalací turbíny Provozování teplárny je zde voleno ve stejném časovém pásmu jako doposud pracovala výtopna, což je pouze po dobu potřeby tepla, (cca 65 h/rok). V dobách nízkého odběru tepla se přebytečné množství bude mařt ve vzduchovém chladč, aby turbína mohla stále vyrábět maxmální množství elektrcké energe. HODNOTY PRO VÝPOČET ELEKTRICKÝ VÝKON ROČNÍ VÝROBA TEPLA ROČNÍ DOBA VYUŽITÍ CENA PRODÁVANÉ ELEKTIRCKÉ ENERGIE CENA PRODÁVANÉHO TEPLA SPOTŘEBA PALIVA CENA BIOMASY PROVOZNÍ NÁKLADY 36 kw 649 GJ/rok 65 h/rok 4,58 kč/kwh 3 kč/gj,86 t/h 7 kč/t 5 kč/rok DISKONTNÍ SAZBA,25 % NÁKLADY NA PRIPOJENÍ (REALIZACI) POŘIZOVACÍ CENA KOTLE POŘIZOVACÍ CENA TURBÍNY Tab. 9..2 Vstupní hodnoty pro výpočet varanty () - turbína 3 Kč 25 Kč 75 Kč 9..3 Názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací turbíny o svorkovém výkonu 36 kw roční výroba elektrcké energe Er = PSV τ r = 36 65 = 234kWh roční výroba tepla roční tržba Q r = 649GJ o Elektřna: N E = Er C E = 324 4,58 = 772Kč o Teplo N Q = Qr CT = 649 3 = 9227Kč 35

roční provozní náklady N PAL = M PAL τ r CPAL =,86 65 7 = 99563Kč / rok N P = N PAL + N PRO = 99563 + 5 = 24563Kč / rok POHLED PROJEKTANTA cash flow V = N E + N Q = 772 + 9227 = 299442Kč / rok CF = V N P = 299442 24563 = 94879Kč / rok nvestční náklady N = CT + CK + CR = 75 + 25 + 3 = 355Kč Rok Investční náklady Cash flow Dskontovaný cash flow Kumulovaný dskontní cash flow -355-355 -355-355 94879 946424-263576 2 94879 94464-65952 3 94879 947-7783 4 94879 93936 22558 5 94879 9379 58577 6 94879 934682 293259 7 94879 93235 3256 8 94879 9326 3955636 Tab. 9..3- Cash flow s uvažováním časové hodnoty peněz Vypočet je provedený na dobu 8 let z důvodu přblžné hrance žvotnost kotle. prostá doba návratnost N 355 T = = CF 94879 = 3,74roků 36

Dskontovaný cash flow vztažený na uvažovanou dobu žvotnost Dskontovaný cash flow DCF [Kč] 2 - -2-3 -4 2 3 4 5 6 7 8 čas T [roky] Obr. 9..3-2 Dskontovaný cash flow vztažený na uvažovanou dobu žvotnost - turbína doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz ln ln T d 3,74,25 T S = = = 3, 77roků ln ( + d ) ln( +,25) Doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz Kumulovaný dskontní cash flow CDCF [Kč] 6 4 2-2 -4 2 3 4 5 6 7 8 čas T [roky] Obr. 9..3-3 Doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz - turbína 37

9..4 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací turbín KOTEL O NIŽŠÍCH PARAMETRECH p /t =,8 MPa / sytá pára P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] () 3,32,93 285,393 355 2,8 23,87,355 428,89 355 3,29 36,,86 57,786 355 3,77 47,8,2258 73,482 355 4,46 57,,27 856,79 36859 6,35 73,52,3387 7,223 377882 2,5 9,6,464 284,268 3945322 53,7 KOTEL O VYŠŠÍCH PARAMETRECH p /t =,3 MPa / 2 O C P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] () 6,26,3857 28,855 446587 5,27,7,44 276,896 485535 5,62 3,96,4592 45,8 4268 5,9 Tab.9..4 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací turbín 9..5 Celkové účnnost teplárny s použtím turbíny o účnnost teplárny vztažená k elektrckému výkonu turbína P sv =36kW η P E SV T = M PAL Qr =,574 = 5,7% Vzhledem k parametrům páry musí vyjít tepelná účnnost Rankne Clausova cyklu takto nízká a kdyby nebylo dotované výkupní ceny elektrcké energe z bomasy, nkdo by takovou elektrárnu nenavrhoval o účnnost teplárny celková (roční) použtí turbíny: C = PSV + QTEP Er + Qr η T = =,299 = 29,9% ROK M PAL Qr M PAL Qr Jelkož se vlastně nejedná o teplárnu z důvodu částečného zatížení v roce provozujete jako kondenzační elektrárnu s nízkou účnností pak celková roční účnnost vychází podstatně menší, než by se pro teplárnu očekávalo (75-85%). o účnnost teplárny celková (okamžtá) použtí turbíny: C PSV + QTEP η T = =,855 = 85,5% M PAL Qr Provoz v změ př plném elektrckém výkonu 36kW a tepelném odběru cca 5 kw 38

9.2 Techncko-ekonomcké vyhodnocení ročního provozu s použtím parního stroje 9.2. Varanta (), potřebné hodnoty pro názorný výpočet technckoekonomckého vyhodnocení s nstalací parního stroje Provozování teplárny je zde voleno ve stejném časovém pásmu jako doposud pracovala výtopna, což je pouze po dobu potřeby tepla, (cca 65 h/rok). V dobách nízkého odběru tepla se přebytečné množství bude mařt ve vzduchovém chladč, aby parní stroj mohl stále vyrábět maxmální množství elektrcké energe. HODNOTY PRO VÝPOČET ELEKTRICKÝ VÝKON ROČNÍ VÝROBA TEPLA ROČNÍ DOBA VYUŽITÍ CENA PRODÁVANÉ ELEKTIRCKÉ ENERGIE CENA PRODÁVANÉHO TEPLA SPOTŘEBA PALIVA CENA BIOMASY PROVOZNÍ NÁKLADY DISKONTNÍ SAZBA INVESTIČNÍ NÁKLADY NA CELÝ PROJEKT Tab. 9.2. Vstupní hodnoty pro výpočet varanty () parní stroj 37,9 kw 649 GJ/rok 65 h/rok 4,58 kč/kwh 3 kč/gj,55 t/h 7 kč/t 5 kč/rok,25 % 35 Kč 9.2.2 Názorný výpočet techncko-ekonomckého vyhodnocení s nstalací parního stroje o svorkovém výkonu 37,9 kw roční výroba elektrcké energe Er = PSV τ r = 37,9 65 = 24637, 5kWh roční výroba tepla roční tržba Q r = 649GJ o Elektřna: N E = Er CE = 24637,5 4,58 = 2834Kč o Teplo 39

N Q = Qr CT = 649 3 = 9227Kč roční provozní náklady N PAL = M PAL τ r CPAL =,55 65 7 = 7275Kč / rok N P = N PAL + N PRO = 7275 + 5 = 76275Kč / rok POHLED PROJEKTANTA cash flow V = N E + N Q = 2834 + 9227 = 35834Kč / rok CF = V N P = 35834 76275 = 28884Kč / rok Rok Investční náklady Cash flow Dskontovaný cash flow Kumulovaný dskontní cash flow -35-35 -35-35 28884 284872-22528 2 28884 28668-93346 3 28884 278472 345 4 28884 275283 62295 5 28884 2723 2892398 6 28884 26893 46329 7 28884 265766 542795 8 28884 2626 668975 Tab. 9.2.2- Cash flow s uvažováním časové hodnoty peněz parní stroj Vypočet je provedený na dobu 8 let z důvodu přblžné hrance žvotnost kotle. prostá doba návratnost N 35 T = = CF 28884 = 2,72roků 4

Dskontovaný cash flow vztažený na uvažovanou dobu žvotnost Dskontovaný cash flow DCF [Kč] 2 - -2-3 -4 2 3 4 5 6 7 8 čas T [roky] Obr. 9.2.2-2 Dskontovaný cash flow vztažený na uvažovanou dobu žvotnost parní stroj doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz ln ln T d 2,72,25 T S = = = 2, 73roků ln ( + d ) ln( +,25) Doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz Kumulovaný dskontní cash flow CDCF [Kč] 8 6 4 2-2 -4-6 2 3 4 5 6 7 8 čas T [roky] Obr. 9.2.2-3 Doba návratnost s uvažováním časové hodnoty peněz parní stroj 4

9.2.3 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací parního stroje KOTEL O NIŽŠÍCH PARAMETRECH p /t =,8 MPa / sytá pára P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] () 4,2,57 8,983 3,8 25,26,3 324,329 3 2,3 37,895,55 489,42 35 2,73 5,326,26 649,68 35 3,2 6,245 774,475 36 3,8 77,389,36 998,937 377 5,55 95,368,39 23,8 4,8 KOTEL O VYŠŠÍCH PARAMETRECH p /t =,3 MPa / 2 O C P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] (),853,372 74,74 42 3,8 7,579,39 234,286 47 3,99 38,95,46 458,59 439 4,84 Tab. 9.2.3 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací parního stroje varanty () 9.3 Zvážení a zkouška možných varant ročního provozu tepelné soustavy s techncko ekonomckým vyhodnocení - turbína Varanty: ) Uvedena v názorném výpočtu vz. kaptola 9. 2) Provozování teplárny po celý rok (876hodn) 3) Varanta s možností vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady (palvo Kč) + provozování teplárny po celý rok (palvo Kč + provoz 876hod) 4) Varanta s možností vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny pouze v potřebu odběratelů tepla (palvo Kč + provoz 65hod) 5) Navýšení ceny za prodávané teplo odběratelům o 2Kč/GJ (32Kč/GJ) 9.3. Varanta (2), provozování teplárny po celý rok (876 hodn) Provozování teplárny je zde voleno po celý rok (876 h), což je nepřetržtý provoz, přes téměř veškeré maření tepla v teplých měsících v roce (226h/rok) pomocí vzduchového chladče. Záměrem je zde zjstt, zda se stane výhodným provoz pouze na výrobu elektrcké energe (elektrárny) př tak nízké účnnost a výhodné výkupní ceně energe. Nastává výhoda pro odběratele tepla, mohou kdykolv odebírat teplo, v letních měsících především jako teplou užtkovou vodu. 42

HODNOTY PRO VÝPOČET ELEKTRICKÝ VÝKON ROČNÍ VÝROBA TEPLA ROČNÍ DOBA VYUŽITÍ CENA PRODÁVANÉ ELEKTIRCKÉ ENERGIE CENA PRODÁVANÉHO TEPLA SPOTŘEBA PALIVA CENA BIOMASY PROVOZNÍ NÁKLADY mění se kw 649 GJ/rok 876 h/rok 4,58 kč/kwh 3 kč/gj mění se t/h 7 kč/t 5 kč/rok DISKONTNÍ SAZBA,25 % Tab. 9.3.- Vstupní hodnoty pro výpočet varanty (2) turbína KOTEL O NIŽŠÍCH PARAMETRECH p /t =,8 MPa / sytá pára P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] (2) 3,32,93 285,393 355 3,36 23,87,355 428,89 355 4,4 36,,86 57,786 355 5,7 47,8,2258 73,482 355 8,39 57,,27 856,79 36859 3,25 73,52,3387 7,223 377882 6, 9,6,464 284,268 3945322 7,8 KOTEL O VYŠŠÍCH PARAMETRECH p /t =,3 MPa / 2 O C P svo [kw] M PAL [t/h] P TEP [kwt] N [Kč] T S [roky] (2) 6,26,3857 28,855 446587,49,7,44 276,896 485535 2,36 3,96,4592 45,8 4268 3,2 Tab. 9.3.-2 Vypočítané doby návratnost tepelné soustavy s nstalací turbíny varanty (2) 9.3.2 Varanta číslo (3), možnost vlastního palva č jeho získávání s mn. náklady + provozování teplárny po celý rok (palvo Kč + provoz 876hod) Teplárna je zde provozována po celý rok (876h), to je celoroční výroba elektrcké energe a výroby tepelné energe, avšak s mařením nespotřebovaného tepla spotřebtel ve vzduchovém chladč. Varanta je volena pro možnost získávání vlastního palva č jeho zskem s mnmálním náklady (cena za palvo Kč). 43