ZBYNÌK IBLER A KOL TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA Praha 2002

Publikace Technický prùvodce energetika obsahuje souhrn dùležitých informací z oblasti elektrárenství a teplárenství, potøebných pro pracovníky energetiky a energetického strojírenství pøi øešení úkolù v pøedprojektové pøípravì, stavbì, provozu a modernizaci energetických zaøízení Informace jsou využitelné pro úspìšné naplòování ustanovení nových zákonù ÈR o hospodaøení energií a energetického zákona Prùvodce je vhodný i pro studenty støedních a vysokých škol Informace a postupy øešení jsou zpracovány z pozice základních disciplín fyziky, chemie, elektroenergetického inženýrství a souèasného stavu znalostí v této oblasti u nás a v zahranièí Ve všeobecné èásti jsou popsány dùležité disciplíny potøebné a èasto užívané v energetice tj statistika, teorie chyb, spolehlivost, termodynamika, elektrotechnika, regulace technologických procesù a metody posuzování ekonomické efektivnosti Další èást se zabývá kvalitativními znaky pracovních medií elektrárenských a teplárenských obìhù, konstrukèními a provozními materiály, informacemi o vybraných technologických zaøízeních (kotle, turbíny, tepelné výmìníky, elektrická zaøízení, dopravní zaøízení, èerpadla, ventilátory, chemická úprava vody a zaøízení pro omezení emisí škodlivin do životního prostøedí) a jejich pracovních charakteristikách, metodami a modely pro optimální øízení provozu Závìreèná èást pojednává o provozu elektrárenských a teplárenských blokù v elektrizaèní soustavì (vèetnì mezinárodní spolupráce) a teplofikaèních soustavách Zbynìk Ibler a kol TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva Veškerá práva vyhrazena Zbynìk Ibler a kol, Praha 2002 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Autorský kolektiv: Kolektiv recenzentù: Prof Ing Zbynìk Ibler DrSc, Prof Ing Jan Karták DrSc, Doc Ing Jiøina Mertlová CSc, Ing Zbynìk Ibler: Prof Ing Karel Sokanský, CSc, Ing Jiøí Mika, CSc, Ing Ladislav Kysela, Doc Ing Vladislav Vilimec, Ing Jiøí Tomèala, Prof Ing Jaromír Polák, CSc Zbynìk Ibler a kol TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA BEN technická literatura, Praha 2002 1 vydání ISBN 80-7300-026-1

OBSAH OBSAH 5 HISTORIE ELEKTROENERGETIKY 13 1 VŠEOBECNÁ ÈÁST 21 1 1 Soustavy jednotek 22 1 1 1 Základní jednotky SI 22 1 1 2 Doplòkové jednotky SI 22 1 1 3 Druhotné jednotky 22 1 1 4 Násobky a díly jednotek 25 1 1 5 Pøehled vybraných SI a døíve užívaných jednotek technické nebo fyzikální soustavy, vztahy pro pøepoèet 25 1 1 6 Jednotky v anglosaských státech 27 1 1 7 Pøevod teplot v rùzných teplotních stupnicích 30 1 1 8 Pøevod vybraných velièin pro pøepoèty anglo-amerických a SI jednotek 30 1 1 9 Jednotky energie 32 1 1 10 Elektøina a magnetizmus 33 1 1 11 Jednotky radioaktivity, expozice záøení a dávek 34 1 1 12 Velièiny a jednotky užívané v analytické chemii 36 1 1 13 Velièiny a jednotky používané pøi hodnocení emisí 36 1 1 14 Dùležité fyzikální konstanty 39 1 2 Matematická statistika 40 1 2 1 Základní pojmy 40 1 2 2 Výpoèty, tabulky a grafy 41 1 2 3 Odhad pravdìpodobnosti pomocí relativní èetnosti 45 1 2 4 Testování statistických hypotéz 45 1 3 Vyrovnávací poèet 46 1 3 1 Teorie chyb 47 1 3 2 Vyrovnávací mìøení 48 1 4 Spolehlivost 51 1 4 1 Neparametrický a parametrický odhad spolehlivostních charakteristik 53 1 4 2 Spojitá rozdìlení 55 1 4 3 Normální rozdìlení 58 1 4 4 Nespojitá rozdìlení 59 1 4 5 Spolehlivost systémù 60 1 4 6 Citlivostní analýza 62 A ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA 5

1 4 7 Markovovy procesy 62 1 4 8 Pohotovost a využití zaøízení 63 1 5 Termodynamika 63 1 5 1 Základní pojmy a vztahy 63 1 5 2 Stavové zmìny plynù 71 1 5 3 Tepelné obìhy 73 1 5 4 Exergie 82 1 6 Elektrotechnika 86 1 6 1 Stejnosmìrné obvody 86 1 6 2 Støídavé obvody 93 1 6 3 Jednofázové obvody 95 1 6 4 Trojfázové obvody 98 1 6 5 Vztahy pro výpoèet konkrétních prvkù elektrické sítì 101 1 6 6 Pøepoèet parametrù 104 1 6 7 Výpoèty zkratových pomìrù 105 1 7 Ekonomická efektivnost 108 1 7 1 Aktualizace finanèních èástek 109 1 7 2 Reprodukce investièních prostøedkù, odepisování 109 1 7 3 Èlenìní zisku a nákladù 111 1 7 4 Splácení úvìrù 114 1 7 5 Kritéria technicko-ekonomické efektivnosti 115 1 7 6 Faktory ovlivòující pøesnost ekonomických výpoètù 118 1 8 Regulace technologických procesù 120 1 8 1 Dynamické vlastnosti soustav 120 1 8 2 Øídicí obvody 121 1 8 3 Optimální seøízení regulátoru 124 1 8 4 Stabilita lineárních soustav 124 1 8 5 Stavová teorie øízení 127 2 KONSTRUKÈNÍ MATERIÁLY 129 2 1 Kritéria jakosti konstrukèních materiálù 130 2 1 1 Pružnost 130 2 1 2 Plastická deformace 132 2 1 3 Pevnost 132 2 1 4 Teèení 132 2 1 5 Relaxace napìtí 133 2 1 6 Únavové vlastnosti 134 2 2 Vlastnosti ocelí 137 2 3 Keramické žáruvzdorné materiály 140 6 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

3 TERMODYNAMIKA 145 3 1 Vodní pára 147 3 1 1 Diagramy vodní páry 148 3 1 2 Tabulky syté vody a syté páry 151 3 1 3 Tabulky pøehøáté vodní páry 154 3 2 Elektrárenské bloky v ÈR 155 4 PLYNY 157 4 1 Vzduch 158 4 2 Spaliny z ohniš kotlù 162 4 2 1 Tepelné velièiny spalin 162 4 2 2 I t diagram spalin 164 4 2 3 Viskozita plynù 165 4 3 Rosný bod 168 5 PALIVA 171 5 1 Tuhá paliva 172 5 1 1 Èerné uhlí 180 5 1 2 Hnìdé uhlí 183 5 1 3 Biomasa 193 5 2 Kapalná paliva 194 5 3 Plynná paliva 196 6 SPALOVÁNÍ 201 6 1 Stechiometrické spalovací rovnice 202 6 1 1 Spalování tuhých a kapalných paliv 202 6 1 2 Spalování plynných paliv 210 6 2 Pøibližný výpoèet spotøeby spalovacího vzduchu a objemu vzniklých spalin pøi dokonalém spalování 212 6 3 Orientaèní hodnoty objemù vzduchu a spalin pro paliva spalovaná v ÈR 213 6 4 Pøepoèty objemù spalovacího vzduchu a spalin 215 6 4 1 Pøepoèet na skuteènou teplotu a tlak spalin 215 6 4 2 Pøepoèty na stav spalin, definovaných zákonem o ochranì ovzduší 309/91 Sb a vyhláškou 117 Ministerstva životního prostøedí z roku 1997 215 6 5 Emise pøi spalování fosilních paliv 217 6 5 1 Výpoèty produkce emisí 220 6 5 2 Výpoèet souèinitele emisí k ex (emisní faktor) 221 A ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA 7

6 6 Kategorizace vybraných zdrojù zneèiš ování, specifické emisní limity, pøípustná tmavost kouøe a technické podmínky provozu vybraných zdrojù zneèiš ování 222 6 7 Kontrola jakosti spalovacích režimù 227 6 7 1 Orientaèní údaje závislostí O 2, CO 2, l ve spalinách 231 7 KOTLE 237 7 1 Základní charakteristické velièiny kotlù 238 7 1 1 Základní parametry 238 7 1 2 Technické ukazatele kotlù 240 7 2 Tepelný výpoèet kotle 244 7 2 1 Výchozí hodnoty tepelného výpoètu kotle 244 7 2 2 Pomocné výpoèty tepelné ztráty kotle, spotøeba paliva 248 7 2 3 Pøíprava paliva pøed spalováním 258 7 2 4 Výpoèet ohništì a výparníku 261 7 2 5 Výpoèet dodatkových výhøevných ploch kotle 262 7 3 Hydraulický výpoèet kotle 264 7 3 1 Tlakové ztráty 264 7 3 2 Kontrola pøirozeného obìhu vodotrubného kotle 267 7 4 Aerodynamický výpoèet kotle 269 8 TEPELNÉ TURBÍNY 273 8 1 Typy turbín 274 8 2 Princip funkce 275 8 3 Energetická bilance parní turbíny 279 8 4 Chladicí systémy kondenzaèních turbín 283 8 4 1 Typy chladicích systémù 284 8 4 2 Optimalizace chladicího systému 285 8 5 Plynové turbíny 287 8 5 1 Obìhy plynových turbín 289 8 5 2 Termodynamický rozbor plynového obìhu 290 8 5 3 Kogeneraèní jednotky s plynovými spalovacímí jednotkami 293 8 5 4 Trigenerace 294 8 5 5 Mikroturbíny 295 9 TEPELNÉ VÝMÌNÍKY 297 9 1 Druhy tepelných výmìníkù 298 9 2 Sdílení tepla 298 9 2 1 Sdílení tepla vedením 299 8 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

9 2 2 Sdílení tepla konvekcí 302 9 2 3 Sdílení tepla sáláním 314 9 3 Tepelný výpoèet výmìníkù 321 10 KOROZE A EROZE 325 10 1 Koroze 326 10 1 1 Typy koroze 326 10 1 2 Mechanizmy korozních procesù 327 10 2 Eroze 334 11 ELEKTRICKÁ ÈÁST ELEKTRÁREN 337 11 1 Alternátory 340 11 1 1 Parametry synchronních alternátorù 340 11 1 2 Charakteristiky a fázorové diagramy alternátoru 345 11 1 3 Budicí soustavy alternátorù 350 11 1 4 Fázování alternátoru 351 11 2 Transformátory 354 11 2 1 Základní parametry transformátorù 356 11 2 2 Urèení výkonu transformátorù 360 11 2 3 Vliv parametrù transformátorù na napì ové pomìry pøi rozbìhu velkých motorù 361 11 2 4 Paralelní chod transformátorù 364 11 3 Elektrické stanice 364 11 3 1 Elektrická schémata elektráren 369 11 4 Elektrická vedení v elektrické èásti elektrárny 370 12 DOPRAVNÍ ZAØÍZENÍ 375 12 1 Jeøáby 376 12 1 1 Lana 379 12 2 Dopravníky 381 12 2 1 Charakteristické velièiny dopravníkù 381 12 2 2 Pásové dopravníky 381 12 2 3 Èlánkové dopravníky 383 12 2 4 Žlabové dopravníky 383 12 2 5 Dopravníky bez tažného prvku 384 12 3 Pøekládací zaøízení 384 12 4 Potrubní doprava tuhých materiálù 386 12 4 1 Pneumatická doprava 387 12 4 2 Hydraulická doprava 387 A ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA 9

13 ÈERPADLA 389 13 1 Energetická bilance èerpacího zaøízení 390 13 1 1 Potrubí 394 13 1 2 Èerpadla 395 13 2 Hydrodynamická èerpadla 396 13 3 Charakteristika hydrodynamického èerpadla 398 13 4 Provoz hydrodynamických èerpadel 399 13 4 1 Regulace hydrodynamických èerpadel 399 13 4 2 Øazení hydrodynamických èerpadel v systému 401 13 5 Èerpadla pro elektrárny a teplárny spalující fosilní paliva 404 14 DOPRAVA VZDUCHU A SPALIN 407 14 1 Pøirozený tah 409 14 2 Ventilátory 410 14 2 1 Rozdìlení ventilátorù 410 14 2 2 Základní vztahy 412 14 2 3 Charakteristiky ventilátorù 414 14 2 4 Vzduchové ventilátory 418 14 2 5 Spalinové ventilátory 420 14 2 6 Regulace ventilátorù 420 15 CHEMICKÁ ÚPRAVA VODY 423 15 1 Periodický systém prvkù 424 15 2 Vybrané ekvivalenty 428 15 3 Vlastnosti vody pro posouzení vhodnosti jejich užití pro tepelné elektrárny 429 15 4 Požadavky na kvalitu vod a páry tepelných elektráren, spalujících fosilní paliva 433 15 4 1 Vodní kotle a uzavøené soustavy 433 15 4 2 Tepelná energetická zaøízení s pracovním tlakem do 8 Mpa 434 15 4 3 Tepelná energetická zaøízení s pracovním tlakem vyšším než 8 MPa (ÈSN 07 7403) 436 15 4 4 Jakost vod pro chladicí okruhy (ÈSN 75 7171) 439 15 5 Kyslíkový vodní režim 439 15 6 Chemická kontrola provozu tepelných elektráren 440 16 ODSIØOVACÍ ZAØÍZENÍ 443 16 1 Metody odsiøování 444 16 1 1 Suché vápencové metody 444 10 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

16 1 2 Mokrá vápencová vypírka 447 16 1 3 Polosuchá metoda odsíøení 449 16 1 4 Koncepce odsiøovacího zaøízení spalin metodou mokré vápencové vypírky 450 16 2 Požadavky na sorbent 451 16 2 1 Klasifikace vápencù 453 16 2 2 Klasifikace vápen 454 16 2 3 Sorbent pro odsiøování spalin kotlù v ÈR 455 16 3 Výpoèet spotøeby sorbentu 457 16 4 Energetická bilance odsiøování spalin kotlù 459 16 5 Produkty odsiøování 461 17 SNIŽOVÁNÍ EMISÍ NOX 463 17 1 Mechanizmy vzniku NOx 464 17 2 Výpoèet produkce NOx 466 17 3 Primární opatøení ke snížení produkce NOx 467 17 3 1 Primární opatøení uskuteènitelná øízením spalovacího procesu 468 17 3 2 Primární opatøení uskuteènitelná rekonstrukcí nebo novou konstrukcí spalovacího zaøízení 468 17 4 Sekundární opatøení pro snížení produkce NOx 470 17 4 1 Selektivní nekatalytická redukce 470 17 4 2 Selektivní katalytická redukce 471 17 4 3 Simultánní metody 471 18 ODLUÈOVÁNÍ TUHÝCH ZBYTKÙ 473 18 1 Tøídìní odluèovaèù 474 18 2 Vlastnosti odluèovacích zaøízení 475 18 2 1 Celková odluèivost 476 18 2 2 Tlaková ztráta odluèovaèù 477 18 3 Nìkteré provozní vlastnosti nejpoužívanìjších odluèovaèù v energetických výrobnách 478 18 4 Hodnocení odluèovaèù 480 18 5 Využití a ukládání tuhých zbytkù po spalování 482 19 PROVOZ TEPELNÝCH ELEKTRÁREN 485 19 1 Základní pojmy výkonu, práce a úèinnosti energetických zaøízení 486 19 1 1 Výkon 486 19 1 2 Práce 488 A ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA 11

19 1 3 Èasové ukazatele 488 19 1 4 Úèinnost 490 19 2 Charakteristické diagramy 491 19 2 1 Diagramy elektrického zatížení 492 19 2 2 Diagramy tepelného zatížení 493 19 3 Spotøební a nákladové charakteristiky energetických výrobních zaøízení 495 19 3 1 Charakteristiky kotlù 496 19 3 2 Charakteristiky turboalternátorù 511 19 3 3 Úèinnost bloku kondenzaèní elektrárny 516 19 3 4 Spotøební charakteristiky elektrárenských a teplárenských blokù 517 19 3 5 Nákladové charakteristiky 524 19 3 6 Technicko-hospodáøské ukazatele elektráren a tepláren 529 19 3 7 Úplná kontrola tepelné ekonomie 536 19 3 8 Orientaèní kontrola hospodárnosti provozu bloku 537 19 4 Optimalizace provozu elektrárenských a teplárenských blokù v elektrizaèní soustavì (ES) 540 19 4 1 Hospodárné rozdìlení výkonù paralelnì pracujících blokù v elektrizaèní soustavì 544 19 4 2 Hospodárné øazení blokù (jednotek) 547 19 4 3 Provoz blokù v regulaci 548 19 5 Optimalizace provozu výrobních jednotek v teplofikaèní soustavì 555 19 5 1 Optimalizace provozu teplárenské soustavy 556 19 5 2 Øízení provozu teplárenských soustav 558 19 6 Trh s elektøinou 559 20 POKRAÈOVÁNÍ TECHNICKÉHO PRÙVODCE ENERGETIKA 561 21 LITERATURA 563 PØÍLOHA 1 569 PØÍLOHA 2 575 SEZNAM TABULEK 579 REJSTØÍK 589 PØEHLED PREZENTACÍ VÝZNAMNÝCH FIREM ÈESKÉ ENERGETIKY 597 12 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

HISTORIE ELEKTROENERGETIKY Hlavními prvotními zdroji pro výrobu elektrické energie a tepelné energie v Èeské republice byly, jsou a budou uhlí a jaderné palivo Pro využití vodní energie nemá Èeská republika, která leží v oblasti pramenù a horního povodí velkých øek, zvláš pøíznivé podmínky Vodní elektrárny, vybudované na øekách s velmi kolísavými prùtoky vody a malými spády, vykazují nízké roèní využití Rovnìž pøehradní elektrárny s akumulaèními vodními nádržemi a pøeèerpávací vodní elektrárny zajiš ují výrobu elektrické energie jen v krátkých špièkových obdobích Èást dosud technicky využitelného hydroenergetického potenciálu je rozdrobena ve velkém poètu malých vodních elektráren, jejichž výstavba v urèité míøe dále pokraèuje, nemùže však výraznì ovlivnit energetickou situaci státu Èeská republika nemá vìtší zásoby ropy a zemního plynu, nutno poèítat v omezené míøe s importem ropy, zemního plynu a perspektivnì i jaderného paliva Z ostatních primárních energetických zdrojù pøichází v úvahu zejména využití sluneèní energie, spalování biomasy, vìtrné elektrárny, využití geotermální energie a palivových èlánkù I pøi jejich nejvìtším rozšíøení lze však v nejbližší budoucnosti poèítat s pokrytím nejvýše nìkolika procent celkové spotøeby prvotních zdrojù v Èeské republice Energetické zdroje v budoucnosti budou v prvé øadì ovlivnìny dostupnými primárními zdroji, pøístupností k nim a dodržením potøebné diverzifikace zdrojù Pro první polovinu 21 století zùstává v Èeské republice uhlí majoritním zdrojem energie Vývoj elektroenergetiky byl vždy svázán s politicko-hospodáøskou situací v èeských zemích a s možnostmi získání primárních zdrojù a jejich potøebnou diverzifikací Pøi vzniku Èeskoslovenské republiky v øíjnu 1918 zùstalo v republice po Rakousko-Uhersku asi 60 % jeho prùmyslového potenciálu, vèetnì kvalifikovaných pracovníkù Pro rozvoj výroby a rozvodu elektrické energie byl rozhodující zákon è 438/1919, který podporoval soustavnou elektrizaci státu Byly vytvoøeny tzv všeužiteèné elektrárenské spoleènosti za úèasti soukromého a veøejného kapitálu Tyto spoleènosti mìly pøidìleny urèité oblasti, které zásobovaly elektrickou energií, vìtšinou z vlastních zdrojù, dostávaly pøitom státní subvence, úlevy na daních a mìly právo vyvlastòovat pozemky pro úèely elektrizace obcí Zákon na svou dobu mìl progresivní cíle, spoèívající ve snaze soustøedit výrobny do velkých jednotek energetických zdrojù a zajistit optimální vývoj rozvodných sítí Zejména u všeužiteèných elektráren byl zajiš ován vývoj ke koncentraci výroby, k orientaci na místní paliva a ke zvyšování úèinnosti výroby elektrické energie V tìchto elektrárnách se zavádìly vysoké tlaky, teploty páry, prášková topeništì a v nìkterých elektrárnách kombinovaná výroba elektøiny a tepla Zavádìní A HISTORIE ELEKTROENERGETIKY 13

vysokých tlakù a teplot páry bylo možné hlavnì proto, že naše metalurgie meziváleèného období byla zejména v oblasti žárupevných ocelí na vysoké úrovni a taktéž teoretické práce v oblasti parních obìhù a termodynamických vlastností vodní páry byly v Èeskoslovensku na svìtové úrovni Pøesto však hlavní tìžištì výroby elektrické energie v pøedváleèné dobì a ještì v prvních letech po znárodnìní bylo v závodních elektrárnách, které patøily prùmyslovým závodùm nebo dolùm V první etapì meziváleèného období se tvoøily lokální elektrizaèní soustavy, v nichž sítì 22 kv a 35 kv plnily funkci pøenosového i rozvodného systému Dvojitá linka 100 kv byla uvedena do provozu v roce 1927 V letech 1918 1938 se výroba elektøiny v Èeskoslovensku zeètyønásobila Na podzim roku 1938 zaèala tragická, témìø sedmiletá etapa èeskoslovenských dìjin, nacistická nadvláda Nìmecka Na konferenci v Mnichovì dne 29 záøí 1938 byl dán hitlerovskému Nìmecku souhlas s uplatnìním jeho územních požadavkù vùèi Èeskoslovensku Vážným problémem pomnichovské republiky byli uprchlíci, kteøí byli vyhnáni z pohranièí bez prostøedkù do vnitrozemí (cca 0,5 milionu osob, kde byl i významný poèet pracovníkù elektráren a elektrického rozvodu) Mnichovským diktátem byl vážnì porušen vývoj èeskoslovenské elektroenergetiky Energetika byla tìžce ochromena a stala se závislou na dodávkách elektøiny i primárních zdrojù z okupovaného území Okupováno bylo území o rozloze cca 41 098 km 2 a žilo na nìm témìø 5 milionù obyvatel Okupanti zabrali na tomto území 90 elektráren (což bylo 45 % celého tehdejšího energetického potenciálu státu) Rozbití Èeskoslovenska bylo dovršeno 14 bøezna 1939 vyhlášením samostatného slovenského státu a o den pozdìji nacistickou okupací èeských zemí, z nichž byl zøízen Protektorát Èechy a Morava Okupací byla v èeských zemích nastolena nacistická diktatura, používající brutálních metod k útlaku èeského lidu Nacisté zavedli váleèné øízené hospodáøství, uzavøeli vysoké školy s cílem pøerušení generaèní obmìny inteligence Po šestileté okupaci byla energetika silnì narušena Mimo zastavení vývoje elektrizace a teplárenství vznikly velké materiální škody (napø Nìmci realizovaná výmìna mìdìných vodièù v sítích nízkého napìtí za železné vodièe a další) zpùsobené válkou na energetickém zaøízení, vznikly znaèné škody fyzickým opotøebením a øada energetických zaøízení nebyla vùbec schopna provozu Situaci zhoršovala i skuteènost, že válkou byly silnì poškozeny i velké prùmyslové podniky, vyrábìjící a dodávající elektroenergetická zaøízení Za této situace se po válce provádìlo znárodnìní podle znárodòovacího dekretu z øíjna 1945 Celkem bylo v energetice znárodnìno cca 1350 rùzných závodù o celkovém výkonu 1480 MW Skluz ve výstavbì nových elektráren se v dobì znárodnìní odhadoval na deset let Po znárodnìní byla znaèná èást velkých prùmyslových a dùlních elektráren pøevedena do sektoru energetiky a bylo zapoèato s výstavbou velkých parních a vodních elektráren pro zásobování elektrickou energií pro postupnì vytváøenou 14 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

jednotnou elektrizaèní soustavu Èeskoslovenska Zaèalo se i s výstavbou tepláren pro kombinovanou výrobu tepelné a elektrické energie Nadšený nástup obyvatel státu na obnovu válkou znièeného energetického zaøízení a novou výstavbu energetiky byl narušen pøevzetím moci komunistickou stranou v Èeskoslovensku v únoru 1948, která prosadila svou koncepci rozvoje republiky a zaujala vedoucí postavení v hospodáøských orgánech na všech stupních a tím pøevzala odpovìdnost za tvorbu a realizaci dlouhodobých cílù a bìžných úkolù hospodáøské politiky Øízení znárodnìní klíèového prùmyslu a organizací prùmyslu zajiš ovalo v první etapì tøináct generálních øeditelù v jednotlivých odvìtvích, kteøí byli po únorovém pøevratu vìtšinou oznaèeni za špiony a velezrádce a v neuvìøitelných inscenovaných procesech odsouzeni komunistickým režimem k dlouholetým vìzením V energetice nebyla pøijata koncepce rozvoje odvìtví zpracovaná pøedními odborníky; plánovací úøad (øízený skupinou komunistických národohospodáøù) prosadil jinou koncepci, která vedla k vážnému narušení v zásobování elektøinou v letech 1953 1954, kdy byl vypínán proud domácnostem, nemocnicím a øada továren nemohla být provozována Odstranìní tìchto disproporcí v národním hospodáøství trvalo dost dlouho a vyžádalo si znaèné finanèní náklady V oblasti parních uhelných elektráren se v èeské energetice po druhé svìtové válce pøešlo se znaèným zpoždìním, zavinìným nìmeckou okupací, od výstavby výrobních jednotek 32 MW k elektrárenským blokùm 50 až 55 MW (1 blok 1952), blokùm 100 až 110 MW (1 blok 1960), blokùm 200 MW (1 blok 1967) až k realizaci jednoho bloku 500 MW (monoblok 1981) Tomuto vývoji se pøizpùsobila i volba vyšších parametrù páry a schéma zapojení, vše s cílem dosažení nízké mìrné spotøeby paliva na dodávku elektøiny U prvních elektráren s turbinami o výkonu 50 MW bylo øazení kotlù a turbín sbìrnicové V dalším vývoji došlo ke zvýšení výkonu na 55 MW, užití jednoho kotle na turbínu Dalším vývojovým krokem byly bloky 100 MW, pozdìji 110 MW v blokovém zapojení Tyto bloky byly øešeny s kotli bubnovými i prùtoènými Výraznou charakteristikou tìchto blokù, kromì zvýšení parametrù admisní páry, je použití nového prvku v tepelném obìhu, pøihøívání páry spalinami v kotli na 540 C Byly použity dvoustupòové pøepouštìcí stanice Pro spouštìní blokù s prùtoènými kotli byl zvolen zpùsob se suchým pøehøívákem s vnìjší cirkulací vody do napájecí nádrže a odvádìním pøebytkù uvolnìné páry do kondenzátoru Dalším novým prvkem v tepelném schématu bylo užití otáèkové regulace napájeèek pomocí hydraulické spojky Úprava pøídavné vody byla v koneèném øešení realizována demineralizací Dalším výkonovým stupnìm byly elektrárenské bloky 200 MW s vyšším provozním tlakem a teplotou páry, zásadním užitím prùtoèných kotlù, najíždìní se suchým pøehøívákem, 8 regenerace, 100% úprava kondenzátu, turbonapájeèka na plný výkon a dvì záložní elektronapájeèky na polovièní výkon s regulací otáèek Bloky již byly postupnì vybavovány progresivní øídicí technikou, informaèní a øídicí systémy realizované poèítaèi A HISTORIE ELEKTROENERGETIKY 15

Jako poslední vývojový typ klasických tepelných elektráren byl realizován blok 500 MW s prùtoèným kotlem s povzbuzenou cirkulací obìhovými èerpadly Použité parametry páry a koncepèní øešení prakticky v dobì realizace odpovídaly úrovni vyspìlých státù Základním nedostatkem v øešení a provozu tìchto blokù však zùstala skuteènost, že nebyl vèas zachycen trend zavádìný ve vyspìlých státech v 70 a 80 letech, kdy byly legislativnì zavedeny limity nejvyšších pøípustných emisí škodlivin a pro dodržení tìchto pøísných emisních limitù byla v zahranièí realizována pøíslušná ekologická zaøízení, zejména úèinné zachycování tuhých èástic, odsíøení spalin a potlaèení produkce NO x Po zmìnì politické situace u nás v roce 1989 (listopadové události), byl v roce 1991 vydán zákon o ochranì ovzduší (zákon è 309/91 Sb ), kde byly stanoveny emisní limity pro tuhé zneèiš ující látky, oxid siøièitý, oxidy dusíku a oxid uhelnatý Jako nejzažší termín pro jejich dosažení byl urèen termín 31 12 1998, který byl úspìšnì splnìn Ve velké energetice Èeské republiky pro splnìní zákonných energetických limitù byl úspìšnì realizován rozsáhlý ekologický program, který vyøešil dodržení emisních limitù tuhých èástic, NO x, CO a v požadovaných termínech zajistil odsíøení spalin u uhelných blokù (odsíøeny spaliny pro instalovaný výkon vìtší jak 6000 MW na 32 blocích) Pro vìtšinu blokù byla pro odsiøovací zaøízení použita technologie mokré vápencové vypírky Výhodou této metody je vysoká úèinnost odsíøení spalin, ale i snížení dalších škodlivin, zejména popílku, HF, HCl, NO x a stopových slouèenin tìžkých kovù i dalších toxických slouèenin Produktem tohoto odsiøovacího zaøízení je komerènì použitelný energosádrovec Kde nebyla rentabilní obnova pùvodního kotelního zaøízení, bylo vystavìno nìkolik fluidních kotlù s cirkulující víøivou vrstvou U vìtšiny elektrárenských blokù byly zajištìny nižší koncentrace škodlivin v èistých spalinách než ukládá zákon è 309/91 Sb V prùbìhu realizace ekologických zaøízení uhelných blokù (modernizace odluèovaèù, DENOX, odsiøovací zaøízení) byly realizovány rozsáhlé generální opravy blokù, které mají zajistit jejich spolehlivý provoz do roku 2015 až 2020, kdy skonèí fyzická životnost dnes nejmodernìjších odsiøovacích zaøízení Z výše uvedeného vyplývá, že uhelné elektrárny s technickou úrovní 70 let i po souèasné modernizaci skonèí svùj provoz v prvé tøetinì 21 století a musí být nahrazeny moderními zdroji V Èeské republice je v provozu jaderná elektrárna se ètyømi tlakovodními reaktory typu VVER 440 druhé generace (model V213) Každému reaktoru pøísluší dva turboalternátory o elektrickém výkonu po 220 MW (uvedení do provozu 1985 až 1988) Ve výstavbì je jaderná elektrárna se dvìma bloky s reaktory VVER 1000 po 981 MW s kontejmentem (ke každému reaktoru pøísluší jeden turboalternátor) Systém kontroly a øízení a další èásti zaøízení této elektrárny jsou upraveny na anglosaské pøedpisy V omezené míøe se pro výrobu elektøiny spaluje plyn, zejména v novì vybudovaných paroplynových blocích (z tlakové plynárny a èásteènì importovaný zemní plyn) 16 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

Vybudována byla i øada vodních elektráren, v èeských zemích pøedevším vltavské elektrárny, pøeèerpávací vodní elektrárny a øada malých vodních elektráren Vedení o napìtí 100/110 kv byla v roce 1950 využívána ještì jako pøenosová Pozdìji se toto napìtí (až na výjimky) stalo také napìtím rozvodných sítí Od roku 1952 pøebíraly úlohu pøenosových sítí vedení 220 kv a od roku 1961 vedení 400 kv Po druhé svìtové válce, vytvoøením jednotné celostátní elektrizaèní soustavy se ès energetika zapojila do celosvìtového vývoje, k propojování soustav do vìtších celkù (získání øady provozních a ekonomických výhod) a vytvoøení mezistátnì propojených elektrizaèních soustav První mezinárodní spolupráce elektrizaèních soustav èlenských zemí RVHP (hospodáøské seskupení bývalých socialistických zemí) se uskuteènila v roce 1953 po vedeních 100 kv Elektrizaèní soustava ès republiky byla provozována v synchronnì propojeném energetickém systému PES CDO-MIR (Propojené elektrizaèní soustavy evropských zemí RVHP, øízené Centrální dispeèerskou organizací), který vznikl v roce 1962 a tvoøily jej paralelnì spolupracující elektrizaèní soustavy Bulharska, Èeskoslovenska, Maïarska, NDR, Polska, Rumunska a jihozápadní èásti SSSR Lvovenergo Paralelní synchronní spolupráce soustav støední a východní Evropy se soustavami západní Evropy nebyla døíve technicky možná z dùvodù zhoršené kvality regulace kmitoètu; tranzitní pøenosy pøes sí Èeskoslovenska nebo spolupráce sousedních elektrizaèních soustav byly realizovány prostøednictvím stejnosmìrných spojek velmi vysokého napìtí s Rakouskem a SRN Se zmìnou politických pomìrù v Evropì, rozpadu RVHP vznikly nové podmínky pro rozšiøování spolupráce v energetice jednotlivých státù Synchronní spolupráce s východoevropskými státy se vzhledem k politické a hospodáøské nestabilitì, nevyhovujícím stavùm elektráren v nìkterých státech a jejich zásobování palivem a znaèné závislosti na dominantním partneru, regulujícím kmitoèet, byla stále problematiètìjší Proto byla v elektrizaèní soustavì Èeské republiky zahájena realizace opatøení, orientovaná na propojení naší soustavy do synchronního provozu se systémem propojených elektrizaèních soustav západoevropských státù UCPTE (Union for the coordination of production and transmission of electricity, založená v roce 1951, èleny jsou Belgie, SRN, Španìlsko, Francie, Øecko, Itálie, Jugoslávie, Luxemburg, Holandsko, Rakousko, Portugalsko a Švýcarsko) Pro vývoj a realizaci opatøení na zkvalitnìní technologických a provozních ukazatelù elektrizaèní soustavy na úroveò standardù platných v UCPTE pro synchronní provoz byla v roce 1992 založena regionální skupina CENTREL (Polsko, Maïarsko, Slovensko, Èeská republika) Po provedených opatøeních byl zahájen zkušební synchronní provoz a po jeho vyhodnocení byla soustava CENTREL spojena se systémem UCPTE 18 10 1995 Po více než dvouletém úspìšném zkušebním provozu bylo 15 dubna 1998 zkušební propojení s UCPTE zmìnìno na trvalé Elektrizaèní soustava Èeské republiky se tak stala èlenem Evropy pøed vlastním vstupem ÈR do Evropské unie Výchozí situace stávajících výrobních zdrojù elektrické energie v Èeské republice pro tøetí tisíciletí a bilance elektrické energie ÈR vyplývá z následujících grafù A HISTORIE ELEKTROENERGETIKY 17

Struktura instalovaného výkonu (%) (stav k 31 12 2000) Bilance elektrické energie ÈR (GWh) (rok 2000) Instalovaný výkon zdrojù Èeské republiky byl k 31 12 2000 15 323,78 MW Zdroje a s ÈEZ obsáhly 66,2 % instalovaného výkonu, nezávislí výrobci 33,8 % Ze srovnání vývoje ekonomiky a spotøeby elektøiny v západoevropských zemích lze odvodit, že s rùstem hrubého domácího produktu a ostatních makroekonomických ukazatelù poroste v Èeské republice v pøíštím století i spotøeba elektøiny Úsporná opatøení na stranì spotøeby potom budou mít za následek snižování temp a pøírùstkù spotøeby elektøiny Již v prvé tøetinì 21 století bude nutné pøipravovat øešení pro náhradu dožívajících elektráren a krytí zvýšené spotøeby elektøiny pro zajištìní dostatku výroby elektøiny v další perspektivì Vývoj a výroba energetických zaøízení budou v budoucnu ovlivnìny v prvé øadì dostupnými primárními zdroji, dodržením potøebné diverzifikace zdrojù a zøejmì povedou k výstavbì nìkolika velkých moderních blokù s ovìøenými technologiemi, s vysokou úèinností a pøijatelnými poøizovacími i provozními náklady [80] Podíl velkých elektrárenských blokù na výrobì elektøiny bude mírnì klesat ve prospìch kogeneraèních jednotek s menšími výkony Je tøeba zintenzivnit využití obnovitelných zdrojù reálnì aplikovatelných v ÈR (využití sluneèní energie zejména fotovoltaiky, vodní energie, tradièní a nové biomasy, energie vìtru, geotermální energie) a zvýšit podíl tìchto zdrojù v celkové bilanci energie státu Lze pøedpokládat, že ÈR bude v této problematice dodržovat svìtový trend, který lze odvozovat z následujícího grafu, kde jsou uvedeny orientaèní hodnoty celosvìtové potøeby a podíly jednotlivých druhù primární energie 18 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A

A HISTORIE ELEKTROENERGETIKY 19

Perspektivnì je pravdìpodobný i pøedpoklad dalšího pokroku a rozšiøování urèité decentralizace výroby elektøiny pro vysoké náklady na pøenos, distribuci a další služby potøebné pro dodávku elektøiny koneènému spotøebiteli Do tìchto malých zdrojù lze zaøadit i použití mikroturbín a další rozvoj a použití palivových èlánkù Tento rozvoj vyžaduje vysokou kvalifikaci pracovníkù, pracovní zodpovìdnost a obìtavost pro zajištìní dostatku levné elektrické energie pro obèany Èeské republiky Je potøebné, aby bylo využito odborné úrovnì èeských pracovníkù v energetice a energetickém strojírenství, tradiènì odpovídající úrovni vyspìlých státù a dosahujících velmi dobrých výsledkù v zajiš ování výroby i rozvodu elektrické energie a tepla Snahou autorù bylo pøedat do prùvodce srozumitelný výklad základních disciplin fyziky a elektroenergetiky, nejmodernìjší poznatky z elektrárenství, teplárenství a hlavnì více jak desetileté vlastní zkušenosti z pøímého øízení provozu a rozvoje Je pøáním autorù této publikace pøispìt k úspìšným øešením optimalizace provozu a údržby, modernizace energetických zaøízení, dalšímu rozvoji v elektroenergetice a uplatnìní trhu s elektøinou na základì regulovaného pøístupu k pøenosové soustavì a k distribuèním soustavám a možnosti výstavby výroben elektøiny a vedení podle podmínek stanovených zákonem è 458 ze dne 28 listopadu 2000 (energetický zákon) a è 406 ze dne 25 øíjna 2000 o hospodaøení energií, vèetnì vyhlášek související s tìmito zákony (pøehled tìchto vyhlášek je uveden v Pøíloze 2) Dìkujeme našim spolupracovníkùm v energetice a vysokých školách za jejich pomoc pøi zpracování této publikace, která shrnuje v této oblasti výsledky mnohaleté práce ve výzkumu, provozu a pøípravì nových odborníkù pro energetiku Dìkujeme recenzentovi panu Prof Ing Karlovi Sokanskému, CSc a jeho kolektivu z VŠB TU Ostrava za cenné pøipomínky k rukopisu díla V závìru pøedmluvy dìkujeme nakladatelství BEN za kladný pøístup k redakènímu zpracování knihy a to zejména øediteli Liborovi Kubicovi, panu Martinovi Havlákovi a sleènì Kateøinì Hrubé V Praze v prosinci 2001 Prof Ing Zbynìk Ibler, DrSc Prof Ing Jan Karták, DrSc Doc Ing Jiøina Mertlová, CSc Ing Zbynìk Ibler 20 ZBYNÌK IBLER A KOL : TECHNICKÝ PRÙVODCE ENERGETIKA A