ENERGETIKA V PØÍKLADECH
ZBYNÌK IBLER A KOL.
ENERGETIKA V PØÍKLADECH
Praha 2003
Zbynìk Ibler a kol.
ENERGETIKA V PØÍKLADECH Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva.
Vekerá práva vyhrazena © Zbynìk Ibler a kol., Praha 2003 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Autorský kolektiv:
Prof. Ing. Zbynìk Ibler DrSc, Prof. Ing. Jan Karták DrSc, Doc. Ing. Jiøina Mertlová CSc, Ing. Zbynìk Ibler:
Kolektiv lektorù: Zbynìk Ibler a kol. ENERGETIKA V PØÍKLADECH BEN technická literatura, Praha 2003 1. vydání ISBN
ENERGETIKA V PØÍKLADECH
1
Soustavy jednotek pøepoèty ..... 23
2
Matematická statistika.................. 41
3
Spolehlivost ................................... 55
4
Termodynamika............................. 91
5
Elektrotechnika ........................... 121
6
Ekonomická efektivnost............. 149
7
Paliva a spalování ....................... 183
8
Kotle ............................................. 221
9
Tepelné Turbíny ........................... 251
10 Tepelné Výmìníky ....................... 275 11 Èerpadla, ventilátory .................. 289 12 Technicko-hospodáøské
ukazatele parních výroben......... 299
13 Literatura ..................................... 335
=GURMH HQHUJLH
QHREQRYLWHOQp ]GURMH
QHREQRYLWHOQp ]GURMH
IRVLOQtSDOLYD
MDGHUQi SDOLYD
XKOt
XUDQ
URSD
WKRULXP
VOXQHþQt HQHUJLH
VOXQHþQt ]i HQt
]HPQtSO\Q
JHRWHUPiOQt HQHUJLH
VODSRYi HQHUJLHPR t
YêWRSQ\ HOHNWUiUQ\
S tOLYRYp YOQ\
VOXQHþQtNROHNWRU\DEVRUEpU\ SDVLYQtY\XåLWtVOXQHþQt HOHNWUiUQ\IRWRYROWDLFNpþOiQN\ IRWRYROWDLFNpHOHNWUiUQ\
HQHUJLHY WUX
SRKRQVWURM Y WUQpHOHNWUiUQ\
WHSORRNROt
WHSHOQiþHUSDGOD
ELRPDVD
WUDGLþQtQRYi S VWRYDQpU\FKOH URVWRXFtSORGLQ\ WHUPRFKHPLFNi S HP QD VSDORYiQt]SO\QRYiQt ELRFKHPLFNpS HP Q\ IHUPHQWDFH SURGXNFHELRSO\QX
HQHUJLHYRG\
SRKRQVWURM þHUSDGORPOêQ YRGQtHOHNWUiUQ\
HQHUJLHPR t
YOQ\SURXG\WHSORWQtJUDGLHQW\ H[SHULPHQWiOQtHOHNWUiUQ\
OBSAH ENERGETICKÉ ZDROJE ÈESKÉ REPUBLIKY V 21. STOLETÍ ................ 17 1
SOUSTAVY JEDNOTEK PØEPOÈTY ............ 23
1.1
Metodika pøepoètu hodnot velièin na jednotky jiné mìrové soustavy .................................... 25
1.2
Pøepoèet jednotek entalpie ........................................................... 26
1.3
Pøepoèty jednotek mìrné tepelné kapacity ................................. 26
1.4
Pøepoèet libovolné velièiny spalin, vztaené na hmotnost nebo objem ............................................... 27
1.5
Mìøení tlaku páry v kotli a vakua v kondenzátoru.................... 29
1.6
Urèení absolutního tlaku páry v kotli a v kondenzátoru ........... 30
1.7
Výpoèet teploty smìsi a objemový prùtok spalin komínem ...... 31
1.8
Mìøení teploty páry ....................................................................... 32
1.9
Výpoèet prodlouení ocelové tyèe ................................................ 33
1.10
Urèení hustoty a mìrného objemu oxidu uhlièitého .................. 33
1.11
Urèení molekulové hmotnosti vzduchu a parciální tlaky zadaných objemových podílù sloek ............... 34
1.12
Pøepoèet jednotek koncentrace emisí spalin elektrárenského bloku ................................................................... 35
1.13
Pøepoèty vzájemných závislostí relativní a absolutní vlhkosti vzduchu ........................................................ 38
2 2.1
A
MATEMATICKÁ STATISTIKA ............................ 41 Urèení støední hodnoty a smìrodatné odchylky namìøených hodnot .............................. 42 ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
7
2.2
Urèení aritmetického prùmìru a smìrodatné odchylky ze sledovaných dob ivota výrobkù ............................. 43
2.3
Výpoèet statistických charakteristik vzorkù uhlí ....................... 45
2.4
Výpoèet lineární regrese obsahu popela v uhlí na vodu, na výhøevnost, popele a vody na výhøevnost .............................. 51
3
SPOLEHLIVOST ................................................ 55
3.1
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu jednotek s aktivní zálohou ................ 57
3.2
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu a støední doby provozu ................................................................. 58
3.3
Výpoèet spolehlivostních ukazatelù pro jednotky s pasivní zálohou ..................................................... 59
3.4
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu systému s pøepínaèem .................................................... 61
3.5
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu èíslicového øídicího systému .......................................... 62
3.6
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu napájeèek ............................................ 64
3.7
Výpoèet souèinitele pohotovosti a bezporuchovosti provozu napájecí stanice ............................... 65
3.8
Výpoèet spolehlivostních charakteristik kotle pøi provozu rùzného poètu mlecích okruhù................................ 66
3.9
Urèení pravdìpodobnosti, e uhelné mlýny zajistí poadovaný provoz elektrárenského bloku ..................... 76
3.10
Výpoèet pravdìpodobnosti provozu pro blokový transformátor a vedení ............................................ 77
3.11
Pravdìpodobnost bezporuchového provozu dvou elektrárenských blokù ......................................................... 78
8
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
3.12
Pravdìpodobnost pøechodu elektrárenského bloku ze stavu opravy do provozuschopného stavu .............................. 80
3.13
Výpoèet souèinitele pohotovosti systému dvou blokù ................ 81
3.14
Vytvoøení spolehlivostního schéma elektrárenského bloku ....... 82
3.15
Výpoèet pravdìpodobnosti bezporuchového provozu systému, sloeného z neobnovovaných prvkù .............. 84
3.16
Výpoèet èinitele zabezpeèenosti provozu elektrizaèní soustavy .. 85
3.17
Ze zadaných spolehlivostních ukazatelù vypoèítejte pravdìpodobnost bezporuchového provozu ............................... 89
4
TERMODYNAMIKA ............................................ 91
4.1
Výpoèet výsledné teploty smìováním dvou proudù vody ........ 93
4.2
Výpoèet zmìny objemu spalin pøi ochlazování .......................... 93
4.3
Výpoèet vzniklého tepla v loisku a potøebný prùtok oleje pro chlazení ........................................... 94
4.4
Výpoèet tepelného výkonu parního kotle .................................... 95
4.5
Urèení entalpie a objemu páry ..................................................... 96
4.6
Urèení entalpie mokré páry .......................................................... 97
4.7
Urèení stavu vodní páry ................................................................ 97
4.8
Stanovit entalpii, objem, suchost páry a teplotu po expanzi ..... 98
4.9
Výpoèet výrobního tepla vodní páry ........................................... 99
4.10
Urèení stavu páry po adiabatické expanzi .................................. 99
4.11
Výpoèet mnoství páry získané krcením ................................. 100
4.12
Výpoèet hmotnostního prùtoku vody pro regulaci teploty páry vstøikem ................................... 100
4.13
Urèení hmotnostního prùtoku vstøikované vody pro získání redukované páry s poadovanými parametry .......................... 101
A
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
9
4.14
Výpoèet teoretické tepelné úèinnosti parního záøízení ............ 102
4.15
Tepelná úèinnost ideálního pochodu pøi zmìnách vstupního tlaku ...................................................... 103
4.16
Výpoèet tepelné úèinnosti ideálního pochodu ........................... 104
4.17
Výpoèet provozních ukazatelù protitlakého turbosoustrojí .... 105
4.18
Omezení nehospodárného krcení páry v redukèních stanicích (toèivá redukce páry) ........................... 107
4.19
Energetická a exergická bilance NTO ....................................... 110
4.20
Korekce zmìøeného prùtoku prùtokomìrem ........................... 112
4.21
Porovnání energetické a exergetické bilance a úèinnosti elektrárenského bloku ............................................. 113
5
ELEKTROTECHNIKA ...................................... 121
5.1
Operátor natoèení fází ................................................................ 123
5.2
Výpoèet maximálních a efektivních hodnot proudu a napìtí ........................................ 124
5.3
Výpoèet zdánlivého výkonu v jednotlivých fázích trojfázového obvodu ............................... 125
5.4
Výpoèet rezistancí v elektrickém obvodu .................................. 127
5.5
Výpoèet admitance a impedance v elektrickém obvodu s rezistancemi a indukènostmi.................................................... 127
5.6
Výpoèet admitance a impedance v elektrickém obvodu s kapacitami ........................................... 128
5.7
Výpoèet výkonu a proudu jednofázového spotøebièe .............. 129
5.8
Výpoèet proudu trojfázového motoru ....................................... 129
5.9
Výpoèet pøíkonu elektrického ohøívaèe vody ........................... 130
5.10
Výpoèet úbytku napìtí na vodièi v rozvodu nn ........................ 131
5.11
Napìtí na rozvadìèi vn ................................................................ 132
10
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
5.12
Výpoèet napìtí na pøípojnicích rozvadìèe ................................ 133
5.13
Pøepoèet impedance s ohledem na pøevod transformátoru .... 134
5.14
Náhradní schéma trojfázového dvojvinuového transformátoru.......................... 136
5.15
Náhradní schéma trojvinuového transformátoru .................. 137
5.16
Øeení zkratových pomìrù, návrh vypínaèù a napìové pomìry pøi rozbìhu asynchronního motoru ......... 139
5.17
Samonajídìní skupiny elektromotorù ..................................... 145
6
EKONOMICKÁ EFEKTIVNOST ....................... 149
6.1
Porovnání dvou variant organizace výstavby energetického zdroje ................................ 151
6.2
Ekonomické posouzení instalace nového øídicího systému pro technologické zaøízení ............................. 152
6.3
Posouzení reálnosti financování výstavby paroplynového bloku .................................................. 153
6.4
Volba typu plynové turbíny ........................................................ 155
6.5
Urèení teplárenského souèinitele paroplynové teplárny .......... 157
6.6
Posouzení podmínek vhodnosti pouití paroplynového zaøízení nebo klasického parního obìhu s fluidním kotlem .... 161
6.7
Posouzení vlivu dvouslokové ceny elektøiny na zisk za dodávku elektøiny ...................................................... 165
6.8
Ekonomické posouzení varianty obnovy kondenzaèního uhelného bloku s novým uhelným a paroplynovým blokem ... 166
6.9
Optimální návrh teplárny s motorovou kogenerací ................. 172
6.10
Vypoètìte hlavní ekonomické charakteristiky kondenzaèního bloku s fluidním kotlem na hnìdé uhlí. Rozbor proveïte z hlediska projektanta .................................. 177
A
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
11
7
PALIVA A SPALOVÁNÍ .................................... 183
7.1
Výpoèet výhøevnosti z prvkového rozboru paliva .................... 185
7.2
Výpoèet spalného tepla a výhøevnosti hnìdého uhlí ................ 186
7.3
Výpoèet výhøevnosti paliva pro zadané Qv, Wr, Hr ................................. 186
7.4
Výpoèet výhøevnosti a obsahu popela pro vysuení uhlí ......... 187
7.5
Zmìna hmotnosti uhlí na skládce vlivem povìtrnostních zmìn .. 188
7.6
Zmìna kvalitativních znakù uhlí vlivem atmosférických sráek pøi jeho dopravì ....................... 189
7.7
Posouzení kvalitativních ukazatelù dvou druhù uhlí ............... 190
7.8
Urèení výhøevnosti a spalného tepla mazutu ............................ 193
7.9
Výpoèet výhøevnosti zemního plynu pro zadané sloení ......... 194
7.10
Výpoèet kvalitativních charakteristik uhlí z jeho prvkového sloení ............................................................. 194
7.11
Urèení teoretické teploty nechlazeného plamene...................... 200
7.12
Výpoèet výhøevnosti smìsi paliva .............................................. 203
7.13
Výpoèet hospodárného provozu granulaèního prákového kotle s pøihøíváním páry................. 204
7.14
Výpoèet hospodárného provozu fluidního kotle s cirkulující víøivou vrstvou a pøímým odsíøením .................... 212
7.15
Výpoèet spalování zemního plynu a úèinnost kotle.................. 218
8
KOTLE .............................................................. 221
8.1
Výpoèet granulaèního ohnitì .................................................... 222
8.2
Bilance tlakových výhøevných ploch ......................................... 224
8.3
Výpoèet ohøíváku vzduchu ......................................................... 228
8.4
Výpoèet ohøíváku vody ............................................................... 231
8.5
Návrh svazkového pøehøíváku páry .......................................... 234
12
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
8.6
Úèinnost kotle .............................................................................. 238
8.7
Vliv technologických promìnných na komínovou ztrátu a spotøebu elektøiny ventilátorù ..................................... 239
8.8
Vyuití odluhu z bubnového kotle .............................................. 242
8.9
Tìsnost spalinového traktu kotle ............................................... 247
9
TEPELNÉ TURBÍNY ......................................... 251
9.1
Tepelný obìh turbíny s regulovaným odbìrem páry ............... 252
9.2
Výpoèet hmotnostního prùtoku chladicí vody a chladicí pomìr kondenzátoru turbíny .................................... 254
9.3
Hmotnostní prùtok páry kondenzaèní turbíny s neregulovanými odbìry ............................................................ 255
9.4
Parní kondenzaèní obìh s nízkotlakými regeneraèními ohøíváky .................................... 256
9.5
Kondenzaèní turbína s regulací krcením a skupinovou ......... 262
9.6
Nastavení souèinitele nerovnomìrnosti regulátorù otáèek turbíny ........................................................... 265
9.7
Urèení statické charakteristiky výrobního systému paralelnì pracujících jednotek .................................... 267
9.8
Otevøený obìh plynové turbíny ................................................. 268
9.9
Tepelná bilance plynové turbíny ................................................ 271
10 TEPELNÉ VÝMÌNÍKY ...................................... 275 10.1
Ztráty tepla a urèení teploty vnìjího povrchu izolované trubky ............................................ 277
10.2
Mìrný tepelný tok rovinnou stìnou ........................................... 278
10.3
Závislost ztráty exergie na teplotách látek, protékajících výmìníkem............................................................ 279
10.4
Prùchod tepla rovinnou cihlovou stìnou ................................... 281
A
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
13
10.5
Tepelné ztráty potrubí v závislosti na materiálu izolaèních vrstev ................................ 281
10.6
Sníení tepelného toku trubky vnìjími nánosy ....................... 283
10.7
Ztráty neizolovaného a izolovaného potrubí ............................ 283
10.8
Ohøev napájecí vody v NTO ....................................................... 284
10.9
Hmotnostní prùtok napájecí vody, topné páry a ohøátí napájecí vody v odplyòovaèi..................... 285
10.10 Urèení velikosti výhøevné plochy ohøíváku vody pro rùzné varianty ............................................. 287
11 ÈERPADLA, VENTILÁTORY ........................... 289 11.1
Výpoèet charakteristik potrubí a èerpadla ............................... 290
11.2
Výpoèet pøíkonu napajecího èerpadla elektrárenského bloku ................................................. 292
11.3
Výpoèet pøíkonu vzduchových ventilátorù kotle elektrárenského bloku ................................... 293
11.4
Výpoèet pøíkonu spalinových ventilátorù kotle elektrárenského bloku ................................... 294
11.5
Porovnání pohonu napájecího èerpadla elektrárenského bloku parní turbínou a elektromotorem .............................................. 296
12 TECHNICKO-HOSPODÁØSKÉ UKAZATELE PARNÍCH VÝROBEN ................. 299 12.1
Spotøební charakteristika horkovodního kotle ........................ 301
12.2
Charakteristika parního kotle 1600 [t/h] .................................. 303
12.3
Sestrojení spotøební charakteristiky ze ètyø mìøených dvojic P, Q ...................................................... 306
12.4
Spotøební charakteristika vyrovnaná tøemi pøímkovými úseky.......................................... 307
14
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
12.5
Pøibliné øeení spotøební charakteristiky elektrárenského bloku ................................................................. 309
12.6
Výpoèet spotøeby tepla bloku 200 MW, spotøební charakteristiky a pomìrného pøírùstku spotøeby .................... 311
12.7
Výpoèet mìrné spotøeby páry elektrárenského bloku s pøihøíváním páry ............................... 314
12.8
Výpoèet celkové a dílèích úèinností elektrárenského bloku, mìrné spotøeby energie na vyrobenou a dodanou elektøinu ... 315
12.9
Vliv dominantních ukazatelù na celkovou ekonomickou efektivnost kondenzaèního elektrárenského bloku .................. 318
12.10 Výpoèet technicko-hospodáøských ukazatelù elektrárenského bloku ................................................................. 322 12.11 Výpoèet spotøeby paliva a mìrné spotøeby energie na výrobu a dodávku elektøiny ..................................... 323 12.12 Optimální rozdìlení výkonu dvou spolupracujících elektrárenských blokù (øeení nevyboèuje z regulaèního rozsahu blokù) .................... 324 12.13 Optimální rozdìlení èinných výkonù pøi paralelní spolupráci jednotek pro poadované zatíení (vytvoøení výkonu bloku mimo regulaèní rozsah) .................... 326 12.14 Rozdìlení výkonu tøí paralelnì pracujících jednotek .............. 327 12.15 Instalace mikroturbíny v blokové plynové výtopnì ................. 330
13 LITERATURA.................................................... 335 PØÍLOHA 1 (TABULKY)................................ 341 PØÍLOHA 2 (TABULKY)................................ 349 PØÍLOHA 3 (TABULKY)................................ 355
A
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
15
Publikace Energetika v pøíkladech je 2. dílem Technického prùvodce energetika 1. díl (Praha, BEN technická literatura, 2002). V TPE byl proveden výbìr nejdùleitìjích technických a ekonomických informací pro øeení úloh optimalizace v elektroenergetice. Elektrárenství, teplárenství, pøenos a rozvod energií zasahuje do nìkolika oborù (elektroenergetika, strojírenství, chemie, automatizace a øízení, ekologie, ekonomie a dalí), pøi aplikaci základních disciplín matematiky, fyziky, chemie, ekonomie a vyuití praktických zkueností. TPE umoòuje pracovníkùm v elektroenergetice rychlé a pøehledné získání základních informací o dùleitých parametrech pracovních medií, obìhù, exaktních a regresních vztazích, charakteristikách, doporuèených provozních metodách a hodnotách vybraných velièin, potøebných pro optimální øízení provozu, pøi rozhodování o údrbì a modernizaci zaøízení elektráren. V nyní pøedkládané publikaci Energetika v pøíkladech jsou uvedeny konkrétní numerické výpoèty dùleitých úloh a vztahù, od jednoduchých ke sloitìjím výpoètùm, optimalizaèní výpoèty, které jsou potøebné k rozhodování v øídicí èinnosti v energetice. Autoøi se snaili, pokud bylo moné, zaøadit jednotlivé tématické okruhy a pøíklady v souladu s TPE (Technickým prùvodcem energetika 1. díl). V kadé tématicky zamìøené kapitole pøíkladù je odvolání na teoretickou èást zpracovanou v TPE, která potom není ji pøi øeení konkrétních pøíkladù opakována a je pouito jen pøísluných teoretických vztahù. Cílem publikace je umonit uivatelùm získat teoretické a praktické prostøedky k nìkterým samostatným poèetním øeením technicko-ekonomických aplikací, vyuití teoretických vztahù v praxi, co pøispìje lépe k tvùrèí práci, technicko-obchodním jednáním a rozhodování v energetice. V souèasné dobì pøi vyuívání vyspìlé výpoèetní techniky a uplatòování progresivních informaèních a øídicích systémù se èásteènì obracíme i k pouití ruèních numerických výpoètù. Dùvodem jsou logické a praktické poznatky, e pro vytváøení programù pro PC v oblasti informatiky, automatizace rùzných agend, øídicí techniky je potøebná velmi dobrá znalost technologického zaøízení, jeho chování v rùzných provozních stavech a zkoumání moností optimalizace provozu. V elektroenergetice jde zejména o automatické systémy øízení technologických procesù a správní øízení, automatizace rùzných agend (spolehlivost, diagnostika, údrba, ekonomie a dalí). Vytváøení aplikaèního software pro rùzné oblasti je moné jen pøi dobrých znalostech technologického zaøízení, které umoní identifikaci a formulaci modelu øízení, algoritmu a vytvoøení programu. Existují programy kategorie freeware (shareware), které lze výhodnì pouít pro zrychlení a zpøesnìní výpoètù dílèích úloh v energetice (napø. pro pøepoèet jednotek, statistiku, spolehlivost systémù, výpoèty obìhù, výpoèty zkratových pomìrù, výpoèet technicko-ekonomické efektivnosti, diagramy a tabulky vodní páry, spalování a dalí). Samozøejmì existuje v elektroenergetice dalí øada speciálních programù, nové se tvoøí a jsou pøedmìtem obchodních jednání. S výhodou lze vyuívat napø. tabulkový procesor Excel, který dává do ruky uivatelùm úèinný nástroj, který umoní vlastními silami vytvoøit a øeit poadovanou poèetní úlohu. Pøáním autorù je, aby pøedloená publikace se stala jednou z pouívaných pomùcek pøi jejich práci, øízení a posílila tradièní velmi dobré adaptivní schopnosti èeských elektroenergetikù k tvùrèí práci. V prvním dílu Technický prùvodce energetika byla popsána historie energetiky v ÈR, ve druhém dílu je v úvodu zaøazena struèná èást o pøedpokládaném perspektivním rozvoji energetiky v 21. století, zejména z hlediska pouití neobnovitelných a obnovitelných zdrojù primární energie.
16
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
ENERGETICKÉ ZDROJE ÈESKÉ REPUBLIKY V 21. STOLETÍ Energetika v souèasné dobì prochází obdobím velkých zmìn. Zavádìní trhu s energií ve vìtinì prùmyslových státù vyaduje zajitìní dostatku energie pro udrení poadovaného rùstu a pokroku. Technická a ekonomická kritéria jsou prvoøadá, uplatòují se ve volbì technologie zdroje s cílem zvýení technické úrovnì zaøízení a z ekonomických kritérií trh rozhoduje, který zdroj a jak se v dodávkách elektøiny uplatní. Zvyují se nároky na ochranu ivotního prostøedí. Vìtina problémù se zneèiováním ivotního prostøedí toxickými látkami z energetických výroben byla zèásti vyøeena, do popøedí se dostává hrozba skleníkového efektu, k èemu hlavní mìrou pøispívá CO2 a dalí skleníkové plyny produkované energetickými zaøízeními. Vývoj energetiky je výraznì ovlivòován technickými, politickými, ekonomickými a jinými faktory. Nejpravdìpodobnìjí odhad budoucího vývoje spotøeby energie lze urèit pouze po zevrubné analýze dosavadního vývoje a vech relevantních faktorù. Z poklesu poadavkù na spotøebu elektøiny v prùbìhu transformaèního procesu, ani z jiných dnes provozovaných hospodáøských a sociálních jevù v Èeské republice nelze vyvozovat závìr stagnace rozvíjení zdrojù. Ze srovnání vývoje ekonomiky a spotøeby elektøiny v západoevropských zemích lze odvodit závìr, e s rùstem hrubého domácího produktu, poadovaného dosaení úrovnì EU a ostatních makroekonomických ukazatelù spotøeba v Èeské republice v 21. století poroste. Jedním z váných problémù ekonomiky je její vysoká energetická nároènost. Zaostávání Èeské republiky i za ménì rozvinutými zemìmi EU musí být odstranìno, úsporná opatøení na stranì spotøeby potom budou mít za následek sniování temp pøírùstkù spotøeby elektøiny. Sníením energetické nároènosti se sníí náklady na elektøinu a teplo. Takto uvolnìné prostøedky budou moci být vyuity na nákup jiného zboí a slueb a na jiné investice. Proto je sníení energetické nároènosti jednou ze základních podmínek rozvoje èeské ekonomiky smìrem k vyspìlým státùm EU. Dosáhnout úrovnì energetické nároènosti zemí EU není moné bez dalího rozvoje kombinované výroby elektøiny a tepla, která je významným prostøedkem pro sníení energetické nároènosti èeské ekonomiky i sniování dopadù energetiky na ivotní prostøedí. Bude potøebné výraznì zvýit jak podíl kombinované výroby elektøiny a tepla, tak i obnovitelných zdrojù energie. Pokud by napø. byly doplnìny velké a støední plynové výtopny kogeneraèními jednotkami, bylo by moné získat významný výkon a asi 1500 MW, sníit náklady, sníit potøebu primární energie, sníit emise kodlivin a emise skleníkových plynù. Perspektivní krytí zvýené poptávky na dodávky elektøiny a náhradu výkonu doívajících elektráren lze zajistit: dovozem elektøiny, výstavbou nových zdrojù elektøiny v Èeské republice. První variantu je tøeba odmítnout, vedla by ke znaènému rùstu negativního salda zahraniènì obchodní bilance Èeské republiky a degradovala by vysokou odbornou úroveò èeských pracovníkù v energetice a energetickém strojírenství, tradiènì dosahující úrovnì vyspìlých
A
ENERGETICKÉ ZDROJE V ÈR 21. STOLETÍ
17
svìtových státù a dosahující velmi dobrých výsledkù v zajiování výroby a rozvodu elektrické energie a tepla. Pøi prognózách dalího vývoje energetiky je nutno pøihlédnout ke specifickému stavu v jednotlivých regionech. V Èeské republice bude mít v první polovinì 21. století vliv skuteènost, e zásoby hlavního energetického paliva hnìdé uhlí budou vyèerpány v letech 20302050. Kdy se tak skuteènì stane závisí na tom, zda bude zvolena útlumová varianta tìby hnìdého uhlí (ta by prakticky skonèila kolem roku 2035) nebo optimalizovaná varianta (konec tìby kolem roku 2060). Realizace optimalizované varianty je vak podmínìna zruením ekologických limitù pro lomové provozy nìkterých dolù a závisí tedy na politickém rozhodnutí. Pøi realizaci optimalizované varianty byla by moná výstavba nìkolika nových výrobních zdrojù V prvé øadì jde o monost jak získat primární zdroje (pøístup k nim), v druhé øadì o potøebnou diverzifikaci tìchto zdrojù. Ze základních nových zdrojù lze prioritnì uvaovat o nové typové øadì moderních kondenzaèních elektrárenských monoblokù, spalujících tuzemské, pøípadnì i omezenì importované uhlí. V úvahu pøipadají bloky vìtího výkonu. Podle provedených optimalizaèních studií lze realizovat takový blok, s výraznì zvýenou úèinností. Fluidní kotle nesplnily zatím v nìkterých smìrech oèekávání (vyí mìrné investièní náklady, vyí vlastní spotøeba elektrické energie, horí komerèní uplatnìní tuhých zbytkù po spalování), jsou pro bloky velkých výkonù uvaovány klasické prákové kotle s odsíøením metodou mokré vápencové vypírky. Vyí vyuití fluidních kotlù lze oèekávat spíe pro malé a støední výkony elektrárenských a teplárenských blokù, pro spalování ménìhodnotných paliv, smìsí rùzných odpadních paliv a biomasy. Jednoduchý parní obìh s prákovým kotlem proel rychlým vývojem. Zatímco tyto obìhy ze 70. let pracovaly s celkovou úèinností kolem 35 %, souèasný stav ji dovoluje dosáhnout úèinnost a 45 %. Vývoj nových ocelí ukazuje, e v nejblií budoucnosti (po roce 2015) bude mono zvýit parametry páry a do oblasti 35,0 MPa, 700/720 °C. Je pravdìpodobné, e zvýení parametrù páry spolu s dalími technickými opatøeními napø.: pouití prùtoèného výparníku s vnitønì ebrovanými trubkami, vyuití citelného tepla spalin odcházející z kotle (pod 100 °C) pro ohøev kondenzátu nebo spalovacího vzduchu, souèinitel pøebytku vzduchu 1,15, dvojí pøihøívání páry, regenerativní ohøev napájení a na teplotu 300 °C pøed vstupem do kotle, zlepení termodynamické úèinnosti turbíny z dneních 90 % na cca 95 %, zdokonalování a zjednoduení odsiøovacího zaøízení (pøívod spalin do chladicí vìe, nepouívání výmìníkù spaliny/spaliny, pouití jednoho spalinového ventilátoru), Umoní v polovinì 21. století dosáhnout celkovou úèinnost bloku pøes 50 %. Hlavními dùvody vývoje technologie paroplynového obìhu se zplyòováním tuhého paliva (IGCC) byla vysoká cena zemního plynu a døívìjí nií odhady jeho zásob. Tyto dùvody ztrácejí v poslední dobì na významu (dnení odhady zásob zemního plynu se pohybují kolem 80 a 100 let pøi dnení spotøebì). Technologie IGCC má vzhledem k jednoduchému parnímu obìhu spalujícímu uhlí øadu nevýhod: je sloitìjí, investièní náklady jsou vyí, úèinnost nií nebo nanejvýe stejná, sloitìjí provoz. Proto je malá nadìje, e tato technologie výraznìji prorazí na volném trhu. Obdobné závìry lze uèinit i pro vývoj tlakového spalování uhlí a paroplynový cyklus.
18
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
Nové uhelné bloky by mìly být souèástí stávajících elektráren, kde by bylo vyuito ji zabudovaných zaøízení spoleèných provozù, správních a sociálních objektù. Za tìchto pøedpokladù bude moné v první tøetinì 21. století u nás uvaovat o výstavbì nìkolika takových blokù o výkonu á 350 MW, pøípadnì á 600 MW pro spalování èerného i hnìdého uhlí. Optimalizovaná varianta tìby hnìdého uhlí by tedy umonila ekonomické doití stávajících uhelných elektráren a výstavbu nìkolika moderních uhelných blokù pro ivotnost 35 a 40 let. O vyuití zemního plynu pro výrobu elektøiny budou rozhodovat pøedevím ekonomické faktory, hlavnì cena. Cena zemního plynu v Èeské republice je proti uhlí vysoká, vzhledem k importu je znaènì závislá na vnìjích vlivech. Z tìchto dùvodù nelze doporuèit instalaci vìtích výkonù zdrojù na spalování zemního plynu. Vzhledem k vysoké úèinnosti paroplynových cyklù a dobrým dynamickým vlastnostem pro sluby v elektrizaèní soustavì by bylo moné uvaovat na poèátku 21. století o výstavbì jen asi dvou a tøí paroplynových blokù bez pøitápìní s moderními spalovacími turbínami a parní turbínou. Pøi úvahách o vyuití zemního plynu pro zaèátek 21. století bude vhodné zváit i aplikaci paroplynových obìhù pøi obnovì a modernizaci stávajících vybraných uhelných elektráren. Pøehled hlavních typù paroplynových obìhù je v TPE obr. 1.19. Touto modernizací lze získat nový pruný výkon pro elektrizaèní soustavu a zvýit úèinnost na dodávku elektøiny. Na poèátku 21. století, jak ji uvedeno, bude potøebné podle místních podmínek intenzivnì rozvíjet kogeneraci, sdruenou výrobu elektrické a tepelné energie. Pro teplárny pøi pouití zemního plynu rozíøit instalaci kogeneraèních jednotek støedního výkonu (elektrický výkon a 20 MW) a kogeneraèní zaøízení (parní a plynové) turbíny, spalovací motory. Pro doití stávajících modernizovaných uhelných elektráren a nových moderních tepelných blokù (pøedpoklad jejich vybudování v prvé tøetinì 21. století) bude výstavba jaderných blokù jednou z dùleitých variant pro øeení výroby dostatku elektrické energie v Èeské republice. Z dùvodù ukonèení tìby uhlí i diverzifikaci primárních zdrojù je potøebné v prvé tøetinì 21. století pøipravovat øeení pro výstavbu jaderných blokù (z hlediska paliva, ekologie, zejména redukce tvorby CO2), zaloenou na vývojových tendencích zamìøených na zdokonalování tlakovodních reaktorù. Po nìkolik desetiletí musí náhradu fosilních paliv a potøeby rozvoje elektrizace pokrývat jaderná energetika. Ta sníí dosavadní úroveò zneèiování ovzduí a hrozbu zmìn svìtového klimatu emisemi skleníkových plynù, zejména zajistí redukci tvorby CO2. Dosaená technická a bezpeènostní úroveò jaderných elektráren a zajiování dalích inovací jsou ji pro civilizaci bezpeènìjí ne nìkteré alternativní systémy. Pro výstavbu v úvahu pøichází napø. reaktor EPR (European Pressurized Water Reactor) vyvíjený firmou Siemens a Framatom s novými bezpeènostními systémy. Pro tento reaktor je typické dvousmyèkové uspoøádání s integrálním uspoøádáním parního generátoru a hlavních cirkulaèních èerpadel. Pasivní bezpeènostní systémy pøipojené na primární okruh zajiují odvod zbytkového tepla, doplòování vody primárního okruhu a vysokotlaké i nízkotlaké havarijní chlazení aktivní zóny pøi LOCA haváriích (ètyønásobná redundance). Odvod tepla z kontejmentu je zajiován pasivním systémem vyuívajícím pøirozeného komínového tahu vzduchu po vnìjím pláti ochranné obálky. Dalí evoluèní skupinu reaktorù s pasivní bezpeèností pøedstavuje systém AP-600 firmy Westinghouse. Jde rovnì o dvousmyèkové uspoøádání s integrálním uspoøádáním parních generátorù, hlavních cirkulaèních èerpadel a pasivní bezpeènostní systémy. Rovnì odvod tepla z kontejmentu bude zajiován pasivním systémem.
A
ENERGETICKÉ ZDROJE V ÈR 21. STOLETÍ
19
Pro dalí budoucnost tøeba dokázat, zda bude moné vyuít termonukleární fúze v energetice, nebo konstatovat její vyuitelnost za nezvládnutelnou a urychlenì hledat jiné perspektivní cesty. Z ostatních primárních energetických zdrojù je tøeba zintenzívnit vyuití obnovitelných zdrojù energie (OZE), reálnì aplikovatelných v Èeské republice a zvýit podíl tìchto zdrojù v celkové bilanci. Vìtina alternativních zdrojù jsou zdroje pomìrnì nízké hustoty a v nìkterých pøípadech vyadují koncentrování a uchování energie. Výstavba a provoz obnovitelných zdrojù vyaduje vysoké poøizovací a výrobní náklady. Tyto zdroje zatím vìtinou nejsou schopny volné soutìe s ovìøenými zaøízeními velké energetiky. Pokud bude budoucnost obnovitelných zdrojù ponechána jako doposud pouze na energetickém trhu, nemohou být jejich výhody, zejména z titulu spotøeby a ekologie, dostateènì rychle a plnì vyuity. Pøi úvahách o vyuití, dalím rozvoji OZE a hodnocení podílu jejich vyuívání k celkové spotøebì primární energie státu je tøeba rozliovat, jak se které zdroje do bilance zahrnují. V Èeské republice pro výrobu elektøiny z vodní energie v zaøízeních do 10 MWe, sluneèní energie, vìtrné energie, biomasy v zaøízeních do 5 MWe a pro výrobu tepla ze sluneèní energie, geotermální energie, biomasy v zaøízeních do 20 MWt, bioplynu z palivových èlánkù. OZE umoòují podstatnì ménì devastovat pøírodu spalováním fosilních paliv. Rozíøení jejich pouívání pøispívá ke kombinaci centrálního systému s decentralizovanými místními zdroji. V souèasné dobì se celková výroba elektøiny z OZE v Èeské republice odhaduje na cca 2 % tuzemské spotøeby primárních energetických zdrojù. Dle programu EU má vzrùst podíl OZE v zemích EU do roku 2010 na 12 % z celkových energetických zdrojù. Zdroje obnovitelné energie jsou v Èeské republice charakterizovány relativnì vysokou mírou vyuívání hydrologického potenciálu ve vodních elektrárnách. Ze statistických údajù o technické vyuitelnosti vyplývá, e dosud je vyuíváno zhruba 75 % vodní energie. To pøedstavuje do budoucna potenciální rezervu pro doplòkovou výrobu elektrické energie v malých vodních elektrárnách. Znaèný poèet míst pro stavbu malých vodních elektráren leí v chránìných krajinných oblastech. Nejèetnìjím typem jsou i pro budoucnost malé vodní elektrárny prùtoèné, derivaèní. Oblast návrhových parametrù je pokryta základními typy turbín, obvykle pouívanými v malých vodních elektrárnách (Pelton, Francis, Kaplan, Bánki, aplikace èerpadel ve funkci vodních turbín) v rùzných modifikacích. Odhaduje se, e je moné jetì vybudovat nìkolik set malých vodních elektráren. Podmínky pro vyuívání vìtru nejsou v Èeské republice zvlá pøíznivé. Na vìtinì území Èeské republiky je prùmìrná rychlost vìtru nií ne 4 m/s, co je nejnií hranice pro hospodárné uití ve vìtrných elektrárnách. Ze zahranièních poznatkù vyplývá, e lze ekonomicky vyuívat vìtrnou energii tam, kde bude roèní produkce alespoò 800 kWh/m2, co znamená, e støední rychlost vìtru ve výce 10 m nad zemí musí být vyí ne 4,5 m/s, ve výce 30 m pøiblinì 5,7 m/s. S respektováním zákona o ochranì pøírody a místním povolovacím øízením se odhaduje, e by bylo moné v ÈR postavit 1200 a 1600 vìtrných elektráren s malými instalovanými výkony. Do obnovitelných zdrojù se zaøazuje biomasa, kterou lze pouít pøímo jako palivo pro výrobu tepla, pro výrobu bioplynu a døevoplynu, pro výrobu kapalných paliv. Souèasnì jsou u nás odpady ukládány na skládky, èást recyklována, èást spalována. Skládkového plynu lze vyuívat pro kombinovanou výrobu elektøiny a tepla. Z výzkumu u nás provedeného a zahranièních poznatkù byla prokázána monost pìstování energetických rostlin na sloitích popela a dùlních výsypkách, vèetnì rychle rostoucích døevin. Kromì energetického zisku je
20
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
dùleité ozelenìní devastované pùdy, co umoòuje pøispìt ke zlepení bilance CO2 v ovzduí. Vhodné je pro tento úèel vyuívat i pøebytku zemìdìlské pùdy. Takto získanou biomasu lze úèelnì vyuít pro energetické jednotky. Energii vyzaøovanou sluncem lze vyuívat pasivnì i aktivnì. Pouití fotovoltaických èlánkù patøí k aktivnímu vyuití slunce a patøí k velmi perspektivním alternativním zdrojùm energie. Úèinnost pøemìny sluneèní energie na elektrickou je zatím malá (10 a 20 %), vývojem se oèekává výrazné zvýení úèinnosti solárních fotovoltaických systémù a na 40 %. Rychlé rozíøení ovlivòuje omezený sluneèní svit (vyuitelná sluneèní energie má opaèný prùbìh, ne je spotøeba). Dalím omezujícím faktorem je nízké výstupní napìtí jednotlivých èlánkù a generace stejnosmìrného napìtí. Pro výe uvedené parametry èlánkù je potøeba instalace pøídavných zaøízení, která pøemìòují stejnosmìrné napìtí na støídavé a zajiují transformaci napìtí. Vyuití solární elektrické energie se v souèasné dobì zajiuje dvìma smìry: Výroba autonomních elektrických spotøebièù vyuívajících jak pøímou solární energii, tak i energii akumulovanou v lokálních akumulátorech (napø. autonomní elektrická svítidla, zabezpeèovací zaøízení apod.), není tøeba pøipojení na elektrickou sí. Spojení solárního systému jako doplòku k souèasné distribuèní elektrické síti, kde mùe zabezpeèit náhradní napájení v pøípadì výpadku standardní dodávky. Fotovoltaické èlánky nemìní v èase své vlastnosti a jejich ivotnost se odhaduje na minimálnì 20 let. Do této oblasti OZE patøí sluneèní kolektory, které mohou mít rùznou formu (teplovzduné, kapalinové, kolektory s Fresnelovými èoèkami, vakuové kolektory). Tyto zdroje mají významné regionální a lokální uplatnìní. Do pojednání o systémech OZE jsou zde zaøazeny z alternativních zdrojù i mikrokogenerace (plynové mikroturbíny) a palivové èlánky, tedy technologie, které stály døíve na okraji zájmu. Pøíkladem mùe být rychlý vývoj plynových turbín a stacionárních motorù pro kogeneraèní jednotky a dalí malé zdroje. Provizorním nasazením tìchto moderních jednotek se vývoj energetiky vrací od centralizace zdrojù k jejich decentralizaci (umístìní zdroje co nejblíe místu spotøeby). Realizace perspektivní decentralizace mùe být i významným opatøením pro sníení rizika destabilizujících útokù na zaøízení energetiky ze strany globálního terorismu. Zajiování vyího uplatnìní OZE a malých zdrojù vytváøí dalí pøíznivé faktory sníení závislosti na dovozu ulechtilých paliv, sníení ztrát pøenosu a rozvodu, sníení emisí, vytváøení nových pracovních míst, rozvoj regionù vedoucí k vìtí sociální a ekonomické soudrnosti. Dalím faktorem podporujícím decentralizaci výroby elektøiny v tomto století jsou sniující se zásoby fosilních paliv. Cílem pro nejblií perspektivu v Èeské republice je zvýení podílu OZE na celkové spotøebì primárních energetických zdrojù na 4 a 6 % v roce 2010. Závìrem lze konstatovat, e vývoj a výroba energetických zdrojù budou v budoucnu ovlivnìny v prvé øadì dostupnými primárními zdroji, pøístupností k nim a dodrením potøebné diverzifikace zdrojù. Pro první polovinu 21. století zùstává v Èeské republice uhlí majoritním zdrojem energie. Pøedpokládá se, e základní zatíení bude pokrýváno novými uhelnými bloky s úèinností okolo 45 %, modernizovanými uhelnými bloky a jadernými elektrárnami. Polopièkové a pièkové zaøízení bude pokrýváno vodními elek-
A
ENERGETICKÉ ZDROJE V ÈR 21. STOLETÍ
21
trárnami (akumulaèními, pøeèerpávacími), paroplynovými obìhy na zemní plyn, pøípadnì na kombinaci paliv zemní plyn/tuhá paliva èi zplyòování tuhého paliva/paroplynový cyklus. Podíl velkých elektrárenských blokù na výrobì elektøiny by mìl klesat ve prospìch kogeneraèních jednotek s meními výkony. Podíl alternativních zdrojù by mìl výraznì stoupat. Dìkujeme naim spolupracovníkùm v energetice a vysokých kolách 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 VB TU Ostrava za cenné pøipomínky k rukopisu díla. V závìru pøedmluvy dìkujeme nakladatelství BEN technická literatura za kladný pøístup k redakènímu zpracování knihy a to zejména øediteli Liborovi Kubicovi, panu Martinovi Havlákovi a sleènì Kateøinì Hrubé. V Praze, leden 2003 Prof. Ing. Zbynìk Ibler, DrSc Prof. Ing. Jan Karták, DrSc Doc. Ing. Jiøina Mertlová, CSc Ing. Zbynìk Ibler
22
ZBYNÌK IBLER A KOL.: ENERGETIKA V PØÍKLADECH
A
