Parní (uhelné) elektrárny

Rozdělení parních elektráren 1. Podle účelu a) elektrárny - slouží pouze k výrobě elektrické energie b) teplárny - slouží k výrobě elektrické a tepelné energie c) výtopny - slouží pouze k výrobě tepelné energie 2. Podle turbíny a) kondenzační - slouží pouze k výrobě elektrické energie b) odběrová - teplárny c) protitlaká - teplárny

Celkový pohled

Základní tepelné schéma animace 1 animace 2 přehřívák páry okruh páry parní turbína parní kotel generátor  okruh uhlí kondenzátor předehřívák napájecí vody okruh chladící vody okruh napájecí vody čerpadlo napájecí vody

okruh strusky a popílku okruh paliva okruh páry okruh napájecí vody okruh chladící vody okruh spalin okruh strusky a popílku

Hlavní okruhy a části 1. Okruh paliva 2. Kotel * těžba uhlí – lignit z povrchových dolů * úprava uhlí - propírka, separace, drcení * přeprava paliva do elektrárny – železnice, dopravník * skládkování paliva – předepsaná minimální zásoba * přeprava paliva ke kotli a jeho úprava - separace, drcení, mlýny, sušení * spolu se vzduchem je uhelný prášek vháněn do hořáků (prášková ohniště) 2. Kotel * práškový - parní kotel pro hnědé uhlí, vhodný pro velké výkony * fluidní kotel - vyšší účinnost spalování, nižší obsah škodlivin v kouřových plynech

Složení paliva

Těžba uhlí Mocnost uhelné sloje 25 – 35 m Nadloží až 120 m

Parní kotel V současné době se používají průtlačné (obrázek bubnový) granulační trubkové kotle: * předehřátá voda je vháněna do trubek kotle, které jsou u stěn kotle * v trubkách vzniká sytá pára * pro zvýšení energie páry se sytá pára prostřednictvím spalin dále ohřívá, vzniká ostrá pára s potřebnými parametry * parametry páry: teplota - 540 oC tlak - 17,5 MPa

Elektrárna Prunéřov I

Elektrárna Prunéřov II po plánované rekonstrukci (2011/2012)

3. Parní turbína slouží k přeměně energie páry na mechanickou energii rotoru. * z důvodu vyšší účinnosti rozdělena do více bloků: - vysokotlaký stupeň - mezipřihřátí na původní teplotu - středotlaký stupeň - nízkotlaký stupeň * ze středotlakého a nízkotlakého stupně jsou vyvedeny regenerační odběry pro ohřev napájecí vody, čímž se zvyšuje účinnost cyklu.

nízkotlaký díl středotlaký díl vysokotlaký díl

Strojovna elektrárna Prunéřov II po plánované rekonstrukci

Strojovna elektrárna Prunéřov II po plánované rekonstrukci

4. Kondenzátor - slouží k přeměně páry na vodu Do kondenzátoru přichází pára z turbíny o teplotě zhruba 400C. V trubkách kondenzátoru proudí chladící voda. Při ochlazení páry dochází ke kondenzaci, vzniká opět napájecí voda – kondenzát, který má teplotu asi 300C. Při změně skupenství vzniká podtlak (4kPa), který vysává páru z turbínu. Je umístěn pod turbínou.

5. Okruh napájecí vody – začíná v kondenzátoru a končí v parním kotli. Před vstupem do parního kotle je nutný: * ohřev napájecí vody – před vstupem do kotle má voda tlak 15 – 20 MPa a teplotu přes 2000C (při vysokém tlaku se voda nevaří). Ohřev vody je více stupňový (nízkotlaké vysokotlaké stupně). Tím se zvyšuje účinnost cyklu. * snížení obsahu plynů - odplyňovák 6. Okruh chladící vody – chladící voda umožňuje kondenzaci páry v kondenzátoru a) otevřený okruh - voda pro chladící okruh se odebírá z řeky a po průchodu kondenzátorem se opět do řeky vrací. b) uzavřený okruh – chladící voda proudí z kondenzátoru do chladících věží a ochlazuje se protitahem vzduchu - nucené proudění vzduchu - přirozeným tahem vzduchu

6. Okruh vzduchu a kouřových plynů a) okruh vzduchu - vzduch umožňuje hoření paliva v kotli. Pro kvalitní hoření musí být dodržen obsah vzduchu v palivu. Před vstupem do kotle se vzduch předehřívá. b) okruh spalin - spaliny z kotle předávají svou energii syté páře v přehříváku a tím dochází i k ochlazování spalin na teplotu zhruba 1600C. Spaliny zatěžují životní prostředí: * popílek * oxid uhličitý * oxid siřičitý * oxidy dusíku * aromatické uhlovodíky * těžké kovy * …

7. Okruh strusky a popela a) popel ve spalinách tvoří asi ¾ tuhého odpadu a má zrnitost m - mm. Odstraňuje v elektrostatických odlučovačích. b) hrubý popel a struska tvoří asi ¼ tuhého odpadu, jeho zrnitost může být řádově cm. Popílek a struska se mísí s vodou a ukládá na úložiště. Částečně ho lze využít při výrobě stavebních hmot.

Čištění spalin - popílek Pro čištění spalin lze použít několik technologií, které se liší svou účinností a možností použití. * cyklónový odlučovač - spolehlivě zachytí pouze větší částice, vyžaduje dostatečný tah. Účinnost je asi 90%. * tkaninový filtr - má výrazně vyšší aerodynamický odpor  vyšší nároky na elektrickou energii pohonu ventilátoru. Účinnost je přes 99%. * elektrostatický odlučovač – je schopen zachytit i částice o zrnitosti m. Aerodynamický odpor je zanedbatelný. Mají účinnost více než 99,5 %. Pro elektrárny jsou charakteristické velké objemy spalin a používají se zejména elektrostatické odlučovače.

Elektrostatický odlučovač Princip: využití přitažlivých sil mezi elektricky nabitými částicemi prachu a opačně nabitou sběrací elektrodou. Částice prachu jsou nabíjeny v elektrostatickém poli. * do filtru proudí spaliny rychlostí 1 – 2 m/s. * nabíjecí elektrody mají stejnosměrné napětí 40-70 kV * vzniká koróna, popílek při průletu získá záporný náboj * popílek se záporným nábojem je přitahován na srážecí elektrodu * odlučovače jsou řazeny v několika sekcích za sebou * proud je desítky mA, celková spotřeba je zanedbatelná

Odsiřování spalin Technologii odsiřování lze charakterizovat: * značnými objemy spalin * nízkými koncentracemi znečišťujících látek * velkými hmotnostními toky těchto látek Produkce spalin závisí: * druhu paliva černé uhlí výhřevnost 25 MJ/kg sirnatost (0,5 – 0,8) % hnědé uhlí výhřevnost (9 – 12) MJ/kg sirnatost 1,3 % objem spalin pro blok 200 MW hnědé uhlí - 1,1*106 m3/h černé uhlí - 0,7*106 m3/h * přebytku spalovacího vzduchu

Odsiřování spalin Z tabulky vyplívá: Rozdělení metod odsíření: * emise oxidů síry z hnědého uhlí je asi 5 x vyšší než z černého uhlí * pro blok 200 MW jsou emise síry za 1 hodinu 4,53 t/h za 1 rok (5000 hodin) 22 650 t/rok Rozdělení metod odsíření: * podle zpracování činidla pro odsíření - průtočné (činidlo se nevrací zpět do procesu) - regenerační (po úpravě se činidlo vrací zpět do procesu) * podle objemu kapaliny při odsíření - suché procesy - mokré procesy Všechny metody se vyznačují značnými investičními náklady.

Mokrá vápencová metoda Princip metody: spočívá ve vypírání oxidu siřičitého vodní suspenzí vápna nebo vápence při teplotě 600C. 2 CaCO3 + 2 SO2 + O2 + 4 H2O = 2 CaSO4.2H2O + 2CO2 Vedlejším produktem této metody je sádrovec. V první fázi se musí spaliny ochladit na teplotu 600C, po ukončení procesu je třeba spaliny opět zahřát na teplotu okolo 1200C a odvést do komína Využití sádrovce: * stabilizace popílku na úložišti * stavebnictví – sádra, sádrokarton, přísady do cementu

Odsíření elektrárna Prunéřov I

Mokrá vápencová metoda Zhodnocení metody: Výhody: * vysoká účinnost – přes 95% * snížení obsahu dalších nežádoucích produktů - popílek - oxidy dusíku - těžké kovy - aromatických uhlovodíků * výroba energosádrovce (sádra) Nevýhody: * neregenerativní metoda * vysoká spotřeba vápence * vznik „fitračního koláče“, který je odpadním produktem a který nelze dále využít

odsiřovaných zařízení, /MWe/ Technologie odsiřování Elektrárna Jmenovitý výkon odsiřovaných zařízení, /MWe/ Technologie odsiřování Rok uvedení do provozu Počerady II 2 x 200 Saarberg-Hölter-Lurgi 1996 Počerady I 3 x 200 Hoogoven group (GEESI) 1997 Tušimice II 4 x 200 Chiyoda Chemical 1998 Prunéřov I 4 x 110 Bishoff Prunéřov II 5 x 210 Mitsubishi Heavy Industry Mělník II + III 2 x 110 + 1 x 500 GESSI Mělník I 6 x 55 Asea – Brown Boveri Tisová 2 x 110 Steinmũller Chvaletice Hitachi (Tampela) 1997-8 Opatovice Hitachi

Fluidní spalování Hlavní aspekty rozvoje: Fluidní spalování patří mezi technologie, které se v poslední době výrazně rozvíjejí. Hlavní aspekty rozvoje: * požadavek zvyšování účinnosti – lze dosáhnout účinnost téměř 90 % * stále zhoršující se kvalita paliva – nižší výhřevnost, velký podíl síry * vysoké náklady na vyčištění spalin * snižování obsahu oxidů dusíku – spalování při nižších teplotách V současnosti se fluidní kotle využívají zejména pro menší a střední zdroje.

Fluidní kotel Jemně rozemleté látky smíšené se vzduchem nabývají vlastnosti tekutin. Spalování probíhá ve fluidní vrstvě (loži), která je udržována ve vznosu vzduchem a která obsahuje: * drcené uhlí * rozemletý vápenec – váže síru, vzniká síran vápenatý * popel Výhody fluidního spalování: * spalování probíhá pomaleji * fluidní vrstva má lepší přenos tepla  snížení teploty vrstvy pod 9000C  snížení oxidů dusíku. * popel se částečně vrací do fluidní vrstvy odloučení v cyklonu * přebytečný popel se odvádí přepadem z fluidní vrstvy, popel se nesmí spékat ve škváru * nižší náklady na čištění spalin Nevýhody fluidního spalování: * sádra je vázána na popílek a nelze ji dále využít * velká spotřeba vápence

Fluidní kotel

Paroplynový cyklus Samotné plynové turbíny mají malou účinnost (velká energie spalin je nevyužita). Zlepšení lze provést využitím teploty spalin v kotli pro výrobu páry a teplé vody (teplárny). Vysoká cena zemního plynu ale zdražuje vyrobenou energii. Jako optimální se jeví paroplynový cyklus, který spojuje klasický parní oběhu a plynovou turbíny. Ta využívá teplotu spalin. Paroplynový cyklus umožňuje zvýšit účinnost elektrárny o více než 10 % (z 42 % na 55 %).

Paroplynový cyklus – tepelný okruh

Paroplynový cyklus Z technického hlediska se jedná o dva oběhy – parní a plynový. Propojení oběhů je prostřednictvím spalinového kotle, kde je zbytková energie spalin vystupujících z plynového kotle využita pro výrobu páry pro parní turbínu. Tepelný okruh plynové turbíny: * komprese vstupního vzduchu * smísení s palivem ve spalovací komoře * expanze spalin v plynové turbíně Tepelný okruh parní turbíny: * předehřev napájecí vody * odpařování, vývin mokré páry * přehřátí na ostrou páru * expanze v parní turbíně * kondenzace páry na vodu

Paroplynový cyklus Parametry paroplynového oběhu (elektrárna o výkonu 400 MWe) Teplota spalin na vstupu do plynové turbíny 1 400 °C Teplota spalin na vstupu do spalinového kotle  600 °C Tlak a teplota páry na vstupu do turbíny 16 MPa / 560 °C Tlak a teplota páry na výstupu z turbíny 4 kPa / 29 °C Čistá tepelná účinnost kombinovaného oběhu 58%

Paroplynový cyklus

Spalovací turbína

Plánovaný PPC – Počerady (2013)

Kogenerace Hlavní části okruhu: je sdružená výroba tepla a elektrické energie - teplárna. Kogenerace přináší nižší spotřebu paliva než při oddělené výrobě tepla a elektrické energie. Hlavní části okruhu: * plynová turbína - spaluje zemní plyn nebo bioplyn, případně jejich kombinaci. Plyn se mísí se stlačeným vzduchem v předepsaném poměru * plynová turbína je na společné hřídeli s generátorem * spaliny z plynové turbíny vstupují do kotle, kterém: - přehřívají sytou páru, vzniká ostrá pára - ohřevem napájecí vody vzniká sytá pára - předehřívají napájecí vodu * ostrá pára vstupuje do parní turbíny, která je na společné hřídeli s generátorem * pára z turbíny jde do teplárenského okruhu

Teplo + elektrická energie V současné době existují dva modely: 1. KVET - kombinovaná výroba tepla a elektrické energie. Jedná se převážně o velké celky, mají generátor o výkonu řádově až desítky MW a zásobují teplem rozsáhlou oblast. Výhoda - nižší měrné investiční náklady Nevýhoda - vyšší dopravní ztráty, malá flexibilita 2. Kogenerace - kogenerační jednotky mají místní význam (průmyslové podniky, sídliště, …). Výhoda - generátor může zastávat i funkci záložního zdroje. - pracují zpravidla v plně automatickém provozu

Turbíny pro teplárny   protitlaká turbína odběrová turbína výměník z turbíny jsou výstupy pro páru na výtápění. Poslední výstup je do kondenzátoru. všechna pára projde turbínou, výstupní parametry páry dostačují k vytápění (např. 1MPa, 2300C). Nemusí být kondenzátor.

Uspořádání technologie fluidního kotle a rozsah základní dodávky Palivo je přiváděno do zásobníku neupraveného paliva (9). Podávací zařízení (7) zajišťuje dopravu paliva do drtiče (11), ze kterého padá do zásobníku upraveného paliva (10). Odtud je palivo šnekovým podavačem (8) vedeno do pneumatického podavače (7). Transportním vzduchem je palivo přiváděno do fluidního ohniště (14). Fluidní ohniště je tvořeno dnem s tryskami pro přívod fluidačního a spalovacího vzduchu. Stěny ohniště tvoří vodou chlazené stěny kotle (13) svařené z membránových stěn. Vzduch pro transport paliva a pro spalování zajišťuje vysokotlaký ventilátor (17). Pro dosažení pracovní teploty fluidní vrstvy je kotel vybaven najížděcím zařízením (12) resp. hořákem na kapalná paliva (možno dodat i hořák na zemní plyn, propan butan atp.) jehož teplé spaliny zapálí palivo ve fluidní vrstvě. Po vyhoření paliva ve fluidní vrstvě je popílek unášen spalinami do konvekční části kotle kde dochází k jeho prvnímu odloučení. Odloučený popílek padá do výsypky odkud je odváděn dopravníkem popílku (19) DPI na místo ukládání např. do kontejneru (20). Za konvekční část je zařazen látkový filtr (21) nebo jiný druh čištění spalin od pevných částic (např. mokrá vypírka). Popílek zachycený v látkovém filtru je dopravníkem odváděn na místo ukládání popílku. Za filtrem je umístěn spalinový ventilátor (22), který odvádí spaliny do komína.

Středotlaké horkovodní kotle HFK Středotlaké parní kotle SFK Typ kotle Teplovodní kotle VFK Středotlaké horkovodní kotle HFK Středotlaké parní kotle SFK Konstrukční tlak 0,6 MPa 1,4 MPa Max. provozní tlak 1,3 MPa Účinnost kotle při jm. výkonu 80 - 85 % Regulační rozsah kotle 50 – 100 % Teplota vstupní vody min. 70 °C - Teplota výstupní vody max. pro tlak 1,3 MPa 110 °C 180 °C Teplota napájecí vody min. 105 °C Technické parametry

Teplárna Liberec Palivo - nízko sirný topný olej (směs mazutu a těžkých olejů s obsahem síry pod 1%) Tepelná účinnost - více než 90 % Kotle - K1 (75 t/h), K3 (115 t/h) , K13 (2x16 t/h) - pouze výroba páry pro teplo - K2 (105 t/h) - napájení protitlaké turbíny s generátorem 12MW Provoz - v topné sezóně 70% tepla, 30% dodává spalovna. Ekologie - teplárna nemá odsíření spalin, omezení oxidů síry je dáno výběrem paliva

Materiály Prezentační materiály ČEZ Energetická maturita – sborník přednášek Teplárna Liberec – technická příručka