Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra energetiky Moderní kotelní zařízení Text byl vypracován s podporou projektu CZ.1.07/1.1.00/08.0010 Inovace odborného vzdělávání na SŠ, zaměřené na využívání energetických zdrojů pro 21. století a na jejich dopad na ŽP Doc. Ing. Ladislav Vilimec Ostrava 2012
Kotle spalující fosilní či alternativní paliva nebo kotle využívající teplo odpadních spalin nebo plynů z různých tepelných agregátů jsou součástí zařízení pro transformaci primární energie těchto paliv nebo plynů na energii elektrickou a/nebo teplo tedy jsou součástí elektráren, tepláren či výtopen. Následující text je proto rozdělen do několika částí: Energie a její transformace na energii elektrickou Rankinův a Braytonův cyklus, kombinovaný paroplynový cyklus Typy kotlů a jejich částí 1
Na obrázku na str. 3 jsou znázorněny milníky ve vývoji lidstva z hlediska využívání energie. 2
3
Energie je jen jedna nelze hovořit o druzích energie ale o formách energie Elektrická energie charakter zboží na trhu nabývá teprve po ustavení dalšího trhu zajišťujícího rovnováhu v elektrizační soustavě a možnost transportu. Fyzikálně technické zvláštnosti elektřiny nejvyšší postavení z hlediska termodynamiky čistá energie nepřenáší se hmota přeměna na všechny formy užitné energie možnost dodávek od nejnižších výkonů místo působení lze určit možnost měření parametrů možnost výroby, přenosu, zpracování, ukládání a reprodukce signálu 4
Transformace energie Rankinův oběh Braytonův oběh Kombinovaný oběh 5
Na obrázku na str. 7 vlevo nahoře je znázorněna transformace primární energie paliva na energii elektrickou. Tučně je vyznačen postup transformace energie při použití Rankinova parního cyklu. Na obrázku vpravo nahoře je zjednodušené schéma parní elektrárny a na obrázku vpravo dole je schéma parní elektrárny s mezipřehřívákem páry. Na obrázku vlevo dole jsou vyznačeny současně dosažitelné účinnosti transformace primární energie na elektřinu u jednotlivých oběhů. 6
7
Spalování zemního plynu Braytonův cyklus 8
9
Transformace energie Rankinův oběh Na obrázku na str. 11 nahoře je znázorněna transformace primární energie spalovaného fosilního paliva na energii elektrickou. Na spodním obrázku je znázorněno zvýšení účinnosti transformace při zvyšování tlaku a teploty páry. 10
11
Elektrickou energii nelze akumulovat. Proto v každém okamžiku musí být množství elektřiny dodávané do přenosové sítě stejné jako je množství elektřiny ze sítě odebírané spotřebované. Na obrázku na str. 13 je vidět, jak se musela výroba elektřiny přizpůsobit odběru elektřiny při sledování hokejového utkání. 12
Řízení elektrizační soustavy 13
Přečerpávací vodní elektrárny jsou dnes využívanou možností pro nepřímou akumulaci elektrické energie. Taková přečerpávací elektrárna je vidět na obrázku na str. 15. 14
Akumulace energie 15
Prvním zařízením pro transformaci primární energie paliva v Rankinově parním cyklu je parní kotel. Hlavní části parního kotle jsou: ohřívák vody výparník přehřívák páry Princip výroba páry v parním kotli je naznačen na str. 17. Vlevo je kotel s podkritickými parametry a vpravo jsou znázorněny kotle s nadkritickými parametry. 16
Výroba páry v kotli 17
Parní kotle pro elektrárenské bloky se dnes staví jako vodotrubné, stěny jsou provedené jako celosvařované membránové stěny. Ukázka takového provedení je na obrázku na str. 19. 18
Membránové stěny kotlů 19
Provedení výparníku u podkritických a nadkritických parametrů páry je znázorněno na dalších obrázcích. Na str. 21 jsou schémata jednotlivých výparníků. Na str. 22 je znázorněn výparník kotle s nadkritickými parametry. 20
Výparníky kotlů 21
Nadkritické parametry 22
Uspořádání přehříváku páry je vidět na obrázku na str. 24. Podobně je provedený i ohřívák vody. 23
Konvekční přehřívák 24
Na dalších obrázcích jsou uvedeny příklady provedení kotlů pro spalování zemního plynu a pro spalování uhlí na roštu. Na str. 26 je kotel na zemní plyn pro menší výkony. Na str. 27 je kotel s roštovým ohništěm pro spalování černého uhlí. 25
Kotel na zemní plyn 26
Kotel s roštovým ohništěm Černé uhlí 27
Na dalších obrázcích jsou vidět možná provedení kotlů s práškovým granulačním ohništěm pro spalování černého uhlí. Na str. 29 je kotel pro nižší výkony s jedním a půl tahem. Na str. 30 je kotel s čelními hořáky pro elektrárenské bloky nejvyšších výkonů. 28
Kotel práškový granulační Černé uhlí 29
Kotel s čelními hořáky Černé uhlí 30
Pro spalování černého uhlí v práškovém ohništi se musí uhlí vysušit (zbavit větší části vody) a pomlet na velmi jemný prášek. Pro sušení a mletí se používá kladkový mlýn, jeho provedení je vidět na obrázku na str. 32. 31
Kladkový mlýn Černé uhlí 32
Provedení kotlů s práškovým granulačním ohništěm je vidět na dalších obrázcích. Na str. 34 je dvoutahový kotel. Na str. 35 je věžový kotel s tangenciálním ohništěm. Ne str. 36 je princip tangenciálního ohniště. Na str. 37 je kotel s nadkritickými parametry. 33
Kotel práškový granulační Hnědé uhlí Kotel věžový 34
Hnědé uhlí 35
Tangenciální ohniště 36
Kotel 1000 MW nadkritické parametry 37
Pro sušení a mletí hnědého uhlí se používají tzv. ventilátorové mlýny. Jejich provedení je vidět na str. 39 38
Ventilátorový mlýn Hnědé uhlí 39
Na obrázku na str. 41 jsou vidět příklady provedení moderních elektráren s kotly s granulačním práškovým ohništěm. 40
Moderní elektrárny 41
V 80. letech minulého století se prosadily i kotle s fluidním ohništěm pro spalování černého i hnědého uhlí se současným aditivním odsiřováním. Příklad provedení takového kotle je na str. 43. Na str. 44 je příklad moderního kotle s fluidním ohništěm pro bloky o výkonu 300 Mwe a vyšším. 42
Kotel s fluidním ohništěm 43
Kotel s fluidním ohništěm 300MW 44
V současné době je energetické využívání komunálních odpadů součástí systému nakládání s komunálními odpady. Primárním cílem je recyklace a materiálové využití komunálních odpadů a energetické využití zbývající části komunálních odpadů je nutným předpokladem pro zrušení skládkování komunálních odpadů. Na str. 46 je schéma spalovny komunálních odpadů a na str. 47 je celkový pohled na spalovnu komunálních odpadů. 45
Kotle na spalování komunálního odpadu Spalovna komunálního odpadu 46
47
Každý kotel pro spalování fosilních paliv je vybaven ohřívákem spalovacího vzduchu. Tento bývá proveden jako trubkový rekuperativní nebo jako regenerativní. Příklad regenerativního ohříváku je uveden na str. 49, na str. 50 je pak vidět část jeho teplosměnné plochy koš s plechy. 48
Regenerativní ohřívák vzduchu 49
Element ohříváku vzduchu 50