Úvod

Vývoj energetických zařízení je charakteristický snahou o neustálé zvyšování jejich účinnosti. V kontextu se současnými možnostmi a očekávaným vývojem účinnosti uhelných elektráren je zhodnocen potenciál pro zlepšení účinnosti práškových kotlů. Zobecňování výsledků vývoje účinnosti nových uhelných energetických bloků je však problematické s ohledem na velmi odlišné vlastnosti uhlí z různých lokalit [1].

V příspěvku je analyzován vliv zvyšování parametrů páry a teploty napájecí vody na dosažitelnou účinnost elektrárenského kotle. Je prokázáno, že tato opatření, která jednoznačně zvyšují účinnost tepelného oběhu parní elektrárny, zhoršují podmínky pro dochlazení spalin v kotli a při použití klasické koncepce kotle mohou dokonce limitovat jeho dosažitelnou účinnost. Řešením je zařazení regeneračního ohřevu napájecí vody spalinami do tepelného schématu bloku, které pak připouští větší dochlazení spalin, a tím potenciální zvýšení účinnosti kotle resp. celé elektrárny. Možné technické provedení a energetický přínos tohoto opatření je dokumentován na návrhových variantách nových bloků, jejichž výstavbu plánuje společnost ČEZ a.s. v lokalitě Počerady.

Vliv parametrů páry a teploty napájecí vody na účinnost kotle

U klasického provedení parních elektrárenských kotlů se využívá pro dochlazení spalin před jejich odvodem z kotle ohřívák vody – ekonomizér (EKO) a ohřívák spalovacího vzduchu (OVZ). Většina současných kotlů je navržena tak, aby teplota odcházejících spalin byla s jistou rezervou nad teplotou rosného bodu, většinou se pohybuje kolem 150 až 160°C. Větší dochlazení spalin je spojeno s rizikem kondenzace agresivních kyselých látek na koncové části ohříváku vzduchu, což by vyvolalo jeho intenzivní korozi a ztrácení životnosti. Rostoucí ceny paliv a elektřiny však ekonomicky opodstatňují toto opatření, a to i za cenu častější výměny OVZ nebo použití dražších korozně odolných materiálů. U nově navrhovaných kotlů se proto počítá s teplou dochlazení spalin na 130°C, extrémně až na 100°C. Vzniká však problém s uplatněním tohoto nízkopotenciálního tepla, neboť klasickým způsobem, tedy pro předehřev spalovacího vzduchu v OVZ a ohřev napájecí vody, se toto teplo nedá plně využít. Situaci dokumentuje obr. 1. Obrázek zachycuje část tzv. Q-t diagramu, který znázorňuje teplotní poměry na jednotlivých výhřevných plochách v kotli v závislosti na jeho výkonu. Pro dokreslení situace stačí uvést pouze výřez zachycující teplotní poměry na koncových plochách kotle, tedy ohříváku vody (EKO) a ohříváku vzduchu (OVZ). Diagram byl vypočten pro návrhovou variantu nového bloku EPOČ s výkonem 500 MWe a podkritickými parametry páry. Palivem je hnědé uhlí z dolu Vršany. Parametry bloku optimalizoval ÚJV Řež a.s., divize Energoprojekt (EGP), ve

spolupráci s nímž byl tento problém řešen pro potřeby ČEZ a.s. Z průběhu teplot je jasně patrné, že kritickým místem, které v podstatě určuje koncovou teplotu spalin, je konec ohříváku vody resp. začátek ohříváku vzduchu. V tomto bodě vycházejí minimální teplotní spády jak u EKA – zde 40°C, tak i u OVZ – zde 25°C. Hodnota koncového teplotního spádu ovlivňuje velikost potřebné výhřevné plochy výměníku a s jeho zmenšováním velikost výměníku progresivně roste. Určení minimálního koncového spádu by tedy mělo být výsledkem ekonomické optimalizace, při níž by se porovnávala rostoucí cena výměníku se zvýšením jeho výkonu (nebo zlepšením účinnosti kotle). Je třeba připustit, že takováto optimalizace zatím provedena nebyla a ekonomická velikost minimálních teplotních spádů obou ploch byla volena dle obvyklé praxe. Je zřejmé, že pokud bychom chtěli spaliny v kotli dochladit na nižší teplotu, museli bychom koncový teplotní spád alespoň u jedné plochy zmenšit.

Ke zhoršení podmínek pro dochlazení spalin v kotli dochází při zvyšování teploty napájecí vody regeneračním ohřevem, což je jedno z klasických carnotizačních opatření R-C cyklu. Vyšší teplota napájecí vody se volí především u bloků s nadkritickými parametry páry. Tuto situaci zachycuje obr. 2, kde je znázorněna analogická varianta bloku jako předchozí, avšak s nadkritickými parametry páry. Teplota napájecí vody byla proti předchozímu případu zvýšena o 30°C na 300°C. Zachováme-li velikost koncových teplotních spádů na ohříváku vody a vzduchu jako v předchozím případě, bude možné dochladit spaliny v kotli pouze na 151°C, což je teplota o 11°C vyšší odpovídající zhoršení účinnosti kotle zhruba o 0,61 %. Toto zhoršení účinnosti kotle by výraznou měrou tlumilo přínos vyšších parametrů páry ke zlepšení účinnosti R-C cyklu, což je neuspokojivé.

Využití odpadního tepla spalin [2]

U bloků s nadkritickými parametry páry je třeba hledat jiný způsob, jak lépe spaliny dochladit a jak jejich nízkopotenciální teplo uplatnit. Je zřejmé, že využití tohoto tepla pro zvýšení předehřevu spalovacího vzduchu není možné. Jediným médiem, které má dostatečné nízkou teplotu, aby mohlo toto teplo efektivně využít, je pouze napájecí voda v nízkotlakém (NT) nebo i vysokotlakém (VT) regeneračním ohřevu. V praxi to znamená, že část tepla pro regenerační předhřev napájecí vody by se získávalo z dochlazení spalin, čímž by se ušetřilo určité množství odběrové páry, která by mohla konat práci ve zbývajících stupních parní turbíny. Tato možnost využití odpadního tepla spalin byla velmi široce analyzována v sousedním Německu v rámci výstavby nových hnědouhelných bloků Schwarze Pumpe a Niederaussem. Její potenciál pro zlepšení účinnosti uhelných energetických bloků je klasifikován jako jeden z nejvyšších. V praxi lze dosáhnout dochlazení spalin na ještě nižší teplotu než je u současných kotlů obvyklé, a tím významně přispět ke zlepšení účinnosti kotle.

U elektrárny Schwarze Pumpe bylo navrženo využití odpadního tepla pro NT regeneraci. Schéma je znázorněno na obr. 3. Pro dochlazení spalin byl použit speciální plastový výměník. Regenerační ohřev byl realizován prostřednictvím vřazeného vodního okruhu, který je nezbytný pro lepší zvládnutí tlakových poměrů a celkové dispozice. Plastový výměník spaliny – voda označený jako EKOGAVO je zařazen za elektrostatické odlučovače popílku před odsíření. Nevýhodou tohoto řešení je možnost uplatnění odpadního tepla spalin pouze pro NT regenerační ohřev plynoucí z jeho zapojení až za kotel.

Kvalitativního zlepšení lze dosáhnout, pokud bude regenerační ohřev napájecí vody prováděn spalinami přímo v kotli. Spalinové regenerační ohříváky se dají zařadit buď mezi ekonomizér a OVZ nebo do obtoku OVZ, kterým proudí cca 25% spalin. Vyšší teplota spalin umožňuje zařazení i vysokotlakého regeneračního ohřevu, což je z hlediska výsledné účinnosti bloku výhodnější. Pro dochlazení spalin se používá opět EKOGAVO, odpadní teplo se však využívá pro první stupeň předehřevu spalovacího vzduchu, čímž je docíleno lepšího rozložení koncových teplotních spádů. S tímto zapojením v různých modifikacích se můžeme setkat u nejmodernějších uhelných bloků, poprvé bylo použito u elektrárny Niederaussem pod označením LUBECO.

Dle požadavku společnosti ČEZ a.s. byla zpracována varianta s využitím odpadního tepla spalin i pro nové bloky EPOČ. Po dohodě s EGP byla propočtena varianta s umístěním vysokotlakého spalinového regeneračního ohříváku do obtoku OVZ, odpadní teplo spalin by bylo pomocí EKOGAVA a přes vřazený vodní okruh využito pro předehřev spalovacího vzduchu v 1. stupni vodního OVZ. Schéma zapojení a Q-t diagram jsou vidět na

obr. 4 a obr. 5.

Z uvedeného Q-t digramu je patrná větší složitost optimalizace tohoto zapojení. Kromě koncových teplotních spádů na EKU a OVZ je zde třeba ještě zohlednit koncové spády na VTO, EKOGAVU a vodním ohříváku vzduchu. Tyto poměry jsou navíc ovlivněny podílem průtoku spalin přes OVZ a VTO. Ani u tohoto případě nebyla detailní ekonomická optimalizace zatím provedena a teplotní poměry na jednotlivých plochách byly naladěny podle zkušenosti tak, aby byly reálné, což pro ohodnocení potenciálního přínosu tohoto řešení bylo postačující. Dochlazením spalin z původní teploty 151°C na 123°C se podařilo navíc získat 18 MW tepla, které bylo využito pro regenerační ohřev napájecí vody ve spalinovém VTO. Pokud promítneme dochlazení spalin o 28°C do účinnosti kotle, znamenalo by to zlepšení o cca 1,5%. Přínos v účinnosti bloku by byl zhruba poloviční. Porovnání vstupních dat a vypočtených výsledků všech tří popsaných variant je provedeno v tab. 1.

Závěry

Lze konstatovat, že zvyšování parametrů páry jakož i teploty napájecí vody, které jednoznačně zvyšuje účinnost tepelného oběhu parní elektrárny, zhoršují podmínky pro dochlazení spalin v kotli a při použití klasické koncepce kotle může dokonce limitovat jeho dosažitelnou účinnost. Řešením je zařazení regeneračního ohřevu napájecí vody spalinami do tepelného schématu bloku, které pak připouští větší dochlazení spalin, a tím potenciální zvýšení účinnosti kotle resp. celé elektrárny. Možné technické provedení a energetický přínos tohoto opatření je dokumentován na návrhových variantách nových bloků, jejichž výstavbu plánuje společnost ČEZ a.s. v lokalitě Počerady a Ledvice. Aplikaci takového opatření je však třeba podrobit pečlivému ekonomickému zhodnocení, neboť náklady spojené s realizací těchto úprav budou jistě nemalé.

Literatura

[1] Dlouhý T., Kolovrátník M.: Vliv složení uhlí na účinnost kotle. Sborník konference Energetika a životní prostředí. Ostrava 2004

[2] Dlouhý T: Potenciál pro zlepšení účinnosti elektrárenských kotlů v kontextu s vývojem uhelných elektráren. Habilitační přednáška. ČVUT Praha 2005

Související

Související témata Kotle vysoko a středotlaké Provozní média - chemická úprava