VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Ústav elektroenergetiky. Diplomová práce. magisterský navazující studijní obor Elektroenergetika

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Elektroenergetika Student: Ročník:

Bc. Vojtěch Bohůn 2

ID: 78277 Akademický rok: 2009/2010

NÁZEV TÉMATU:

Využití odpadní vody v EDU pro vytápění POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: 1. definice odpadního tepla a možnosti jeho využití 2. technologický okruh EDU 3. výpočet monožství energie v odpadní vodě 4. návrh technického řešení způsobu vytápění (popis, schéma zapojení, dimenzování zařízení) 5. odborný odhad nákladů na výstavbu a provoz navrženého způsobu vytápění (energeticko ekonomická analýza) DOPORUČENÁ LITERATURA: podle pokynů vedoucího práce Termín zadání:

8.2.2010

Termín odevzdání:

Vedoucí práce:

Ing. Petr Mastný, Ph.D.

24.5.2010

doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

VYUŽITÍ ODPADNÍ VODY V EDU PRO VYTÁPĚNÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER´S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2010

BC. VOJTĚCH BOHŮN

ZADÁNÍ PRÁCE 1. Definice odpadního tepla a možnosti jeho využití 2. Technologický okruh EDU 3. Výpočet množství energie v odpadní vodě 4. Návrh technického řešení způsobu vytápění (popis, schéma zapojení, dimenzování zařízení) 5. Odborný odhad nákladů na výstavbu a provoz navrženého způsobu vytápění (energeticko - ekonomická analýza)

Bibliografická citace práce: BOHŮN, V. Využití odpadní vody v EDU pro vytápění. Diplomová práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2010, 56 stran.

Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.

……………………………

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Diplomová práce

Využití odpadní vody z EDU pro vytápění Bc. Vojtěch Bohůn

vedoucí: Ing. Petr Mastný, PhD. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2010

Brno

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering

Master´s Thesis

Use of Waste Water in Nuclear Power Plant Dukovany for Heating by

Bc. Vojtěch Bohůn

Supervisor: Ing. Petr Mastný, PhD. Brno University of Technology, 2010

Brno

Obsah

6

ABSTRAKT Předložená diplomová práce se zabývá různými způsoby energeticky výhodného využití odpadního tepla vznikajícího v průmyslových technologiích. Cílem práce je jednak poskytnout přehled o způsobech a místech vzniku odpadního tepla v průmyslových technologiích a jeho možném opětovném využití, jednak navrhnout konkrétní otopný systém využívající odpadní teplo a dálkový horkovodní napáječ dodávající energii teplárenské síti. Nejprve jsou teoreticky popsány technologie, které produkují odpadní teplo a také některé způsoby zpětného dodání tepla do takových technologií. Následuje popis zařízení pro předávání tepla a úpravu parametrů tepelné energie. Zvláštní pozornost je přitom věnována sekundárnímu okruhu Jaderné elektrárny Dukovany a jejímu zásobování vodou. Výběr několika míst v sekundárním okruhu, z nichž se odpadní teplo odvádí, je doplněn výpočtem teoretického množství odpadního tepla. Smyslem výpočtu je určit, zda může být odpadní teplo zdrojem energie pro vytápění. Poté je stručně popsán současný způsob vytápění tří vybraných budov v areálu elektrárny. Na základě získaných poznatků je zpracován návrh otopné teplovzdušné soustavy se dvěma tepelnými čerpadly typu voda – voda, tepelným zásobníkem připravujícím teplou užitkovou vodu a třemi rekuperačními jednotkami pro předehřívání čerstvého topného vzduchu. Výběr hlavních součástí otopné soustavy je doplněn výpočtem pořizovacích nákladů a spotřeby elektrické energie. Poté je pozornost věnována volbě typu horkovodu, je stanovena jeho trasa a proveden předběžný odhad a výpočet, který dává představu o teplotních poměrech v horkovodu. Předběžný výpočet je zdrojem informací k definitivnímu návrhu ohřívací soustavy a výpočtu změn teplot po délce horkovodu. Součástí návrhu je výpočet tlakových ztrát a také rozbor ekonomických otázek horkovodu. V závěru jsou shrnuty výsledky návrhu otopné soustavy a horkovodu.

KLÍČOVÁ SLOVA:

Odpadní teplo; tepelný výměník; tepelné čerpadlo; jaderná elektrárna Dukovany, sekundární okruh; vodní hospodářství; energie v odpadní vodě; teplovzdušné vytápění, horkovod.

Abstract

7

ABSTRACT This diploma thesis deals with various ways of energetically advantageous utilization of waste heat produced by industrial technologies. The focus of the diploma thesis is both to provide an overview of different ways and places of origin of waste heat in industrial technologies and of its possible reutilization, to suggest a concrete air heating system using waste heat and to propose a long-distance hot water pipe which supplies hot water pipe system with energy. First, technologies producing waste heat and some ways of regressing of heat in such technologies are theoretically described. Second, the equipment for transferring of heat and for adjustment of thermal energy parameters is described. A special focus is put on water supplies of the Nuclear Power Plant Dukovany and some selected parts of its secondary circuit, which is waste heat collected from. The analysis is supplemented by a calculation of theoretical quantity of waste heat. The aim of the calculation is to determine whether waste heat can be a source of energy for heating. Then, a current system of heating of three selected buildings in the area of the Nuclear Power Plant Dukovany is briefly described. Based on the gained knowledge, a project of air heating with two heat pumps type water – water, a heat receiver preparing warm service water and three recuperative units for preheating of fresh heating air is designed. The selection of main parts of the air heating is amended by a calculation of purchase costs and electric energy consumption. After that, the focus is placed on choice of type of hot water pipe – its trace is stated and an indicative estimation and a thermalconditions calculation in the hot water pipe are made. The preliminary calculation serves as a source of information for a final project of air heating and calculation of changes of temperatures longwise the hot water pipe. The project contains also a calculation of pressure losses and an analysis of economical questions concerning hot water pipes. In conclusion, the results of project of air heating and hot water pipes are summarized.

KEY WORDS:

Waste heat; heat exchanger; heat pump; Nuclear Power Plant Dukovany; secondary circuit; water system; waste water energy; air heating, hot water pipe.

Obsah

8

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ..................................................................................................................................9 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................10 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK.......................................................................................................11 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................13 2 CÍLE PRÁCE ..........................................................................................................................................14 3 ODPADNÍ TEPLO..................................................................................................................................15 3.1 MOŽNOSTI VYUŽITÍ .........................................................................................................................15 3.2 ZAŘÍZENÍ PRO PŘEDÁVÁNÍ TEPLA ..................................................................................................16 3.2.1 TEPELNÝ VÝMĚNÍK .................................................................................................................16 3.2.2 TEPELNÉ ČERPADLO................................................................................................................17 4 TECHNOLOGICKÝ OKRUH JADERNÉ ELEKTRÁRNY DUKOVANY.....................................19 4.1 SEKUNDÁRNÍ OKRUH .......................................................................................................................19 4.1.1 TECHNOLOGICKÉ SYSTÉMY SEKUNDÁRNÍHO OKRUHU ...........................................................20 4.2 VODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ EDU ...........................................................................................................25 4.2.1 ZTRÁTY VODY .........................................................................................................................25 4.2.2 VNĚJŠÍ CHLADÍCÍ OKRUHY ......................................................................................................26 5 ENERGIE V ODPADNÍ VODĚ Z EDU ...............................................................................................28 6 NÁVRH VYTÁPĚNÍ ..............................................................................................................................30 6.1 POPIS SOUČASNÉHO ZPŮSOBU VYTÁPĚNÍ .......................................................................................30 6.2 NÁVRH OTOPNÉ SOUSTAVY S TEPELNÝM ČERPADLEM .................................................................31 6.2.1 VÝPOČET POTŘEBY TEPLA NA VYTÁPĚNÍ ...............................................................................33 6.2.2 VÝPOČET POTŘEBY TEPLA NA OHŘEV UŽITKOVÉ VODY .........................................................34 6.2.3 VOLBA SOUČÁSTÍ ....................................................................................................................35 6.2.4 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ......................................................................................................37 7 HORKOVOD...........................................................................................................................................42 7.1 PŘEDBĚŽNÝ NÁVRH..........................................................................................................................42 7.1.1 TRASA .....................................................................................................................................42 7.1.2 OHŘEV A TEPELNÉ POMĚRY ....................................................................................................42 7.2 ZMĚNY VE VÝPOČTU ........................................................................................................................46 7.2.1 OHŘEV ....................................................................................................................................46 7.2.2 TEPELNÉ POMĚRY NA HORKOVODU ........................................................................................48 7.2.3 TLAKOVÉ POMĚRY NA HORKOVODU.......................................................................................48 7.2.4 EKONOMICKÉ HODNOCENÍ......................................................................................................52 8 ZÁVĚR.....................................................................................................................................................54 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................54

Seznam obrázků

9

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1 Tepelné výměníky.............................................................................................................16 Obr. 3-2 Schéma tepelného čerpadla [3] .......................................................................................17 Obr. 3-3 a) Ideální Carnotův děj[3] ..............................................................................................18 Obr. 3-3 b) Reálný Clausiův - Rankinův děj [3] ............................................................................18 Obr. 4-1 Tepelné schéma sekundárního okruhu [22] ....................................................................21 Obr. 4-2 Schematické znázornění parogenerátoru PGV – 213, podle [17]...................................22 Obr. 4-3 Blokové schéma vnějších chladících okruhů, podle [22] ................................................26 Obr. 6-1 Budovy AB II (C 3.1), trenažéru (C 3.2) a informačního centra (C 3.3).........................30 Obr. 6-2 Schéma otopné soustavy s tepelným čerpadlem ..............................................................32 Obr. 7-1 Mapa trasy horkovodu (červeně) [16].............................................................................43 Obr. 7-2 Parametry výměníku ........................................................................................................44 Obr. 7-3 Schéma ohřevu vody pro horkovod .................................................................................47 Obr. 7-4 Tlakový diagram horkovodu ............................................................................................51

Seznam tabulek

10

SEZNAM TABULEK Tab. 6-1 Tepelné ztráty objektů a potřeba TUV.............................................................................33 Tab. 6-2 Objemy čerstvého vzduchu, typy výměníků......................................................................36 Tab. 6-3 Ohřívače vzduchu ............................................................................................................37 Tab. 7-1 Teploty na ohřívácích, výběr z [18].................................................................................42 Tab. 7-2 Teploty na výměnících napájených výstupní vodou z daných ohříváků...........................44 Tab. 7-3 Výsledky předběžného výpočtu teplot ..............................................................................46 Tab. 7-4 Potřebné průtoky topné vody ...........................................................................................47 Tab. 7-5 Výsledky výpočtu tepelných ztrát Qz a teplot T1, T2 na úsecích horkovodu.....................48 Tab. 7-6 Velikosti ztrát tlaku ..........................................................................................................50

11

Seznam symbolů a zkratek

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Značky Značka

Veličina

Jednotka

c

měrná tepelná kapacita

J.kg-1.K-1

d

počet dnů otopného období

1

průměr

m

g

tíhové zrychlení

m.s-2.

h

výška

m

i´

měrná entalpie syté kapaliny

J.kg-1

i´´

měrná entalpie syté páry

J.kg-1

l

měrné skupenské teplo

J.kg-1

p

tlak

Pa

s

vrstva

m

t

čas

hod, min, s

teplota

°C

v

rychlost proudění

m.s-1

D

počet denostupňů

den.°C

L

délka

m

M

průtok, průtočné množství

kg.s-1, m3.s-1

P

tepelný výkon

W

Q

teplo, energie, tepelná ztráta

J

S

plocha, průřez

m2

T

teplota

°C

V2p

potřeba TUV za den

m3

α

součinitel přestupu tepla

W.m-2.K-1

ε

součinitel

1

η

účinnost

1

dynamická viskozita

Pa.s

λiz

součinitel tepelné vodivosti

W.m-1.K-1

λt

součinitel tření

1

ρ

hustota vody

kg.m-3

Seznam symbolů a zkratek

Zkratky EDU – jaderná elektrárna Dukovany CCHV – cirkulační chladící voda HVB – hlavní výrobní blok NT – nízkotlaký NTO – nízkotlaký ohřívák TČ – tepelné čerpadlo TUV – teplá užitková voda TVD – technická voda důležitá TVN – technická voda nedůležitá VT – vysokotlaký VTO – vysokotlaký ohřívák

12

1 Úvod

13

1 ÚVOD Rozvoj moderní společnosti souvisí s rostoucí spotřebou energií. Hlavní energetické zdroje jsou více či méně omezené a s přihlédnutím k budoucímu vývoji je na místě již dnes hledat, jakými postupy snížit plýtvání energiemi. Jedná se především o využívání tepla a elektřiny. Existuje přitom řada průmyslových oblastí s velkým potenciálem přebytečné tepelné energie, která se však ne vždy plně či aspoň částečně využívá. Vytápění objektů či příprava teplé vody se nabízí jako široké pole uplatnění odpadního tepla vystupujícího z různých technologií. S ohledem na tyto skutečnosti je diplomová práce zaměřena na zjištění množství tepelné energie odcházející v odpadních vodách z jaderné elektrárny. Získané poznatky jsou základem pro navazující části práce, které se věnují užití energie z odpadních vod pro vytápění. Je navržena otopná soustava pro vybrané objekty v areálu elektrárny a také vypracována studie dálkového vytápění. Při zpracování diplomové práce byly použity obecné metody vědecké práce, zejména analýza, komparace a deskripce. Podkladem pro zpracování práce byly informace získané jednak z odborných publikací, jednak z aktuálních internetových zdrojů. Diplomová práce je formálně rozdělena do osmi kapitol s obsahem, seznamem značek, zkratek, obrázků, tabulek a seznamem použité literatury. Třetí kapitola je věnována definici odpadního tepla, místům jeho vzniku a jeho zpětnému využití podle tepelných parametrů. Popisuje také zařízení sloužící k předávání tepelné energie a ke změně jejích parametrů. Čtvrtá kapitola podrobně seznamuje s jednotlivými důležitými částmi sekundárního okruhu jaderné elektrárny Dukovany a představuje vzájemné funkční návaznosti mezi prvky i celými systémy. Důraz je kladen především na části související se vznikem, opětovným využíváním a vypouštěním odpadního tepla. V páté kapitole se v sekundárním okruhu vybírají místa vhodná k odběru odpadní tepelné energie a v návaznosti na to se vypočítává množství energie, které lze z jednotlivých míst odvádět. S výsledky jsou uvedeny i předpokládané možnosti, jakým způsobem teplo získávat. Šestá kapitola je zaměřena na konkrétní návrh zapojení otopné soustavy využívající odpadní teplo. Na konci kapitoly jsou zmíněny ekonomické podmínky návrhu. Sedmá kapitola rozebírá možnost dálkového přenosu tepla horkovodem napájejícím městskou teplárenskou síť. Rovněž tento rozbor je doplněn o ekonomické zhodnocení. Závěrečná kapitola shrnuje poznatky zjištěné v diplomové práci.

2 Cíle práce

14

2 CÍLE PRÁCE Diplomová práce si klade za cíl teoreticky pojednat o vzniku a využití odpadního tepla v průmyslu, pojednat o sekundárním okruhu jaderné elektrárny Dukovany a na základě znalosti sekundárního okruhu shrnout poznatky týkající se odpadních vod z jaderné elektrárny Dukovany. Přibližné výpočty tepelné energie obsažené v odpadní vodě mají ukázat, jaké množství odpadního tepla se odvádí a zda je možné takové teplo alespoň z některých zdrojů využít. Interpretace výpočtů má vést k určení jednoho ze zdrojů odpadního tepla, který by byl schopen dodávat teplo pro vytápění. Cílem práce je také návrh otopné soustavy a její energetický a ekonomický popis. Součástí diplomové práce má být studie horkovodu napájejícího teplárenskou síť města Třebíče z jaderné elektrárny Dukovany.

3 Odpadní teplo

15

3 ODPADNÍ TEPLO Odpadní teplo je teplo vázané na odcházející plynné, pevné nebo kapalné látky technologické nebo energetické povahy. [25] Vzniká ve velkém množství v průmyslu (teplo koksárenského plynu, teplo surového železa, odlitků, z válcoven, teplo žhavého koksu v koksárně), v energetice (teplo z chlazení, kondenzátů, odkalovacích vod), při výrobě stavebních hmot (vápenky, cementárny, cihelny) i v menších provozech (chlazení potravin, prádelny, pekárny).

3.1 Možnosti využití Dodávka tepla je pro jednotlivé technologie nezbytná, ovšem velká část jej během procesu uniká nebo se odvádí na konci procesu právě jako odpad. Odpadní teplo lze vhodnou formou vracet zpět do procesu, využívat v jiné oblasti nebo převádět na další formu energie. Vysokopotenciální teplo, tedy teplo o vysoké teplotě (řádově stovky °C), se obvykle znovu využívá přímo v technologiích. Příklady: -

V hutním průmyslu: Vzduch vháněný do vysokých pecí se ohřívá teplem vycházejícím z pece či z koksárenského plynu.

-

V energetice: Systémy regeneračních stupňů a mezipřihřívání napájené odběrovou párou z turbíny.

-

Ve výrobě stavebních hmot: Sušení a předehřívání materiálu před vypálením.

Teplo nízkopotenciální lze nejčastěji využít k vytápění a na přípravu teplé vody v prostorách souvisejících s provozem, například dílny, sklady, administrativní budovy továren. Rozhodnutí o způsobu vytápěcí soustavy závisí na teplotě vstupního média. Pokud by bylo možné odpadním teplem přes jednoduché tepelné výměníky topnou kapalinu ohřát na teplotu kolem 60 °C, lze použít běžný otopný systém s vodními radiátory. Pokud by dosažitelná teplota byla nižší, přichází v některých případech v úvahu podlahové vytápění anebo využití tepelného čerpadla ve spojení s nízkoteplotním otopným systémem. Možnosti využití odpadního tepla jsou omezené také tím, zda je dodávka tepla stálá, kolísá nebo je přerušovaná. Menší změny dodávky tepla, nikoliv dlouhodobé výpadky, by bylo možné vyrovnávat akumulací energie například ve vodních zásobnících. Takový způsob využití by znamenal spíše doplňkový zdroj energie, který by musel být zálohován. Jednou z možností je zavádění tepla pomocí systému výměníků zpět do technologie. Zařízení EKOBlok firmy Kornfeil umožňuje využití odpadního tepla z pekárenských pecí. Tepelná energie vázaná na spaliny plynových a olejových pecí a na odtahovou páru o teplotách přes 250°C se přes výměníky dostává ve formě čistého ohřátého vzduchu opět do pece. Výstupní médium z EKOBloku se chemicky čistí, takže se do ovzduší nedostávají při hoření vznikající sirné produkty. Systém lze doplnit o výrobu elektrické energie a chladu. [15] Druhým způsobem využití odpadního tepla je výroba elektrické energie. Společnost KOHOUT Engineering nabízí jednotku Systém ORC (Organický Rankin - Clausiův cyklus) pro využití nízkopotenciálního odpadního tepla. Zařízení pracuje s teplem vázaným na spaliny (vstupní teplota aspoň 120°C) nebo na odpadní kapaliny či páry (135°C) při průtoku 3 l.s-1. Výstupem zařízení je elektrická energie. Elektrický výkon je 100 kW při napětí 230 V. [14]

3 Odpadní teplo

16

Využít lze i tepelnou energii vznikající v kondenzátoru chladících zařízení. Společnost GEA Farm Technologies dodává celkem čtyři druhy takových zařízení. Jedním z nich je Superheater Commercial, dvojitý výměník pro přípravu teplé vody energií odebranou chlazením mléka v mlékárně. [12]

3.2 Zařízení pro předávání tepla Předchozí text ukázal, že téměř nikdy není možné použít odpadní teplo v té podobě, v jaké opouští technologický proces. Je nutné je převést jinému médiu a případně změnit jeho parametry. To mohou zabezpečit tepelné výměníky a tepelná čerpadla.

3.2.1 Tepelný výměník Tepelný výměník je zařízení, v němž jedna tekutina předává teplo druhé tekutině. Tekutina, která teplo odevzdává, se nazývá ohřívající, tekutina, která teplo přijímá, je ohřívaná. [20] Pokud se tekutina ohřívající při průchodu výměníkem ochlazuje, hovoříme o výměníku rekuperačním. Obě tekutiny proudí zvláštními prostory oddělenými pevnou stěnou, teplosměnnou plochou. Zvětšení této plochy se dosahuje použitím kulatých nebo tvarovaných trubek, žeber a podobně. Rekuperační výměníky se používají jako kondenzátory, chladiče nebo přehříváky. Podle vzájemných směrů proudění tekutin rozeznáváme výměníky souproudé a protiproudé. Dalším druhem je výměník regenerační. Obsahuje jediný prostor a akumulační hmoty. Prostorem střídavě prochází ohřívající a ohřívaná tekutina a hmoty výměníku střídavě teplo přijímají a odevzdávají. Používají se například pro ohřívání vzduchu pro vysoké pece. Posledním druhem je směšovací výměník. Ohřívající a ohřívaná tekutina se mísí a předávají si teplo přímo. Příkladem jsou středotlaké regenerační stupně v elektrárnách (odplyňováky), kde se mísí topná pára s ohřívanou vodou nebo chladící věže, kde se teplá voda dostává do kontaktu s chladícím vzduchem.

Obr. 3-1 Tepelné výměníky 1 – rekuperační výměník, 2 – regenerační výměník, 3 – směšovací výměník jako odplyňovák vytápěný párou

3 Odpadní teplo

17

3.2.2 Tepelné čerpadlo Tepelné čerpadlo (TČ) je stroj, který umožňuje získávat teplo z látky o poměrně nízké teplotě a přečerpá je na vyšší teplotní hladinu. Používá se k vytápění objektů, ohřívání vody, k odpařování látek apod. Tepelné čerpadlo sestává z vnější a vnitřní části: Vnější část odebírá teplo zvolenému prostředí (voda, vzduch) a přenáší je k vnitřní části, která zajišťuje zvýšení teploty a účelné využití získaného tepla. Konstrukce i funkce TČ se podobá chladícímu zařízení s uzavřeným oběhem pracovní látky (chladiva). Princip znázorňuje obr. 3-2. Výparník V odebírá zdroji teplo o nízké teplotě. Získané teplo se váže na pracovní látku, která se tím odpařuje. Páry stlačuje kompresor K na vysoký tlak (a tím je ohřívá), páry ve srážníku (kondenzátoru) S kapalní a odevzdávají do okolí teplo s vyšší teplotou. Z kondenzátoru je kapalina vedena do škrtícího ventilu ŠV, kde škrcením sníží svůj tlak, a vrací se zpět do výparníku.

Obr. 3-2 Schéma tepelného čerpadla [3] K - kompresor; M - pohon kompresoru; S - srážník (kondenzátor); ŠV - škrtící ventil; V – výparník

Tlak chladiva na výstupu z kompresoru musí být takový, aby teplota chladiva byla vyšší než látky v druhém okruhu výměníku. Práce tepelného čerpadla se přirovnává k ideálnímu Carnotovu oběhu, který lze výhodně vynést do T-s diagramu (obr. 3-3 a) ). Chladivo se ve výparníku vypařuje za stálého tlaku (změna 4 - 1), izoentropicky se stlačí (1 - 2), izobaricky kondenzuje a odevzdává užitečné teplo (2 - 3), dále ve škrtícím ventilu izoentropicky expanduje (3 - 4) a je schopno znovu přijmout teplo a odpařit se. Reálný termodynamický děj v tepelném čerpadle probíhá s reálným plynem a odpovídá Clausiovu - Rankinovu oběhu (obr. 3-3 b) ). Procesy mezi jednotlivými stavy se shodují s Carnotovým dějem.

3 Odpadní teplo

Obr. 3-3 a) Ideální Carnotův děj[3]

18

Obr. 3-3 b) Reálný Clausiův - Rankinův děj [3]

Měrné výparné teplo odebrané zdroji tepla je v Carnotově oběhu plocha pod úsečkou 4 - 1, v Clausiově - Rankinově oběhu plocha 4 – 1 – c – b - 4. Měrné teplo získané po přečerpání je v obou případech plocha pod křivkou 2 - 3. Rozdílem těchto tepel je energie (nejčastěji elektrická) dodaná pro pohon kompresoru. [3]

4 Technologický okruh jaderné elektrárny Dukovany

19

4 TECHNOLOGICKÝ OKRUH JADERNÉ ELEKTRÁRNY DUKOVANY Jaderná elektrárna Dukovany (EDU) sestává ze dvou hlavních výrobních bloků. Hlavní výrobní blok sestává ze dvou reaktorových bloků. Tepelné schéma elektrárny je dvouokruhové. Jeden reaktorový blok obsahuje jeden primární okruh a jeden sekundární okruh. Zdrojem tepla v primárním okruhu je tlakovodní reaktor typu VVER 440, model V 213. Teplo vyvíjené v reaktoru se odvádí chladící vodou obíhající v šesti paralelních chladících smyčkách. Každá smyčka je vybavena jak na výstupu, tak i na vstupu do reaktoru elektricky ovládanými uzavíracími šoupátky, parogenerátorem, hlavní cirkulačním čerpadlem v bezucpávkovém provedení. Do jedné z chladících smyček je připojen kompenzátor objemu.

4.1 Sekundární okruh Sekundární okruh a jeho podpůrné systémy jsou zařízení určená pro plnění především těchto úkolů: - zajištění přeměny tepelné energie na energii mechanickou s vysokou účinností a dále její přeměnu na elektrickou pomocí parní turbíny a alternátoru, - dochlazování bloku při jeho plánovaném a havarijním odstavování, - vyvedení části tepelné energie pro vytápění objektů EDU, - odvod nízkopotenciální tepelné energie z kondenzátorů parních turbín a dalších zařízení do atmosféry (terciární okruh), - odvod tepla z vybraných zařízení primárního a sekundárního okruhu pomocí speciálních chladících okruhů, - sběr a odvod odpadních vod z elektrárny. [22] Při jmenovitém výkonu reaktorového bloku 440 MWe (dle původního projektu) se do sekundárního okruhu předává tepelný výkon 1375 MWt (dle původního projektu). Sytá pára (4,32 MPa, 1356 t.hod-1) vyrobená v šesti parogenerátorech se vede dvěma parovody ke dvěma turbosoustrojím 220 MWe. Turbosoustrojí sestává z třítělesové parní turbíny a generátoru. Turbína je složená z jednoho vysokotlakého (VT) a dvou nízkotlakých (NT) dílů. Ve VT dílu část páry kondenzuje a vede se do dvou separátorů – přihřívačů, kde se oddělují kapičky vody a zvyšuje se její teplota. Pára má na vstupu teplotu asi 150°C a tlak 0,5 MPa, na výstupu asi 0,45 MPa a 216°C až 218°C, 870 t.hod-1. Ze separátorů – přihřívačů se vede pára do NT dílů turbíny. [22] Po průchodu turbínou pára přichází do kondenzátoru. Kondenzátor je dvoudílný, jeden díl je vždy pod jedním NT dílem turbíny. Každým dílem kondensátoru prochází 376 tun páry za hodinu. V prvním dílu pára kondenzuje při tlaku 5 kPa, ve druhém při 7 kPa. Z kondenzátoru se teplo odvádí cirkulační chladící vodou (CCHV) terciálního okruhu. Voda prochází postupně prvním a druhým dílem kondenzátoru sériově propojených. Průtok vody je 35 000 m3.hod-1, při nominální teplotě 20°C (pohybuje se v rozmezí 14,5°C až 32°C). Zkondenzovaná voda se hromadí ve spodních částech dílů kondenzátoru, odkud je nasávána prvním stupněm kondenzátních čerpadel (tlak 0,6 MPa, výkon jednoho čerpadla 562 t.hod-1). Kondenzát se čerpá přes ionexové filtry k druhému stupni čerpadel (1,8 MPa, 550 t.hod-1). Dále


20

se voda čerpá do NT regenerace a k tepelné úpravě vody. NT regenerace je pětistupňová, ohřívá se párou z neregulovaných odběrů NT dílů turbíny na konečnou teplotu vody 143°C. Tepelná úprava vody spočívá ve středotlaké regeneraci napájené z parního kolektoru vlastní spotřeby (tlak 0,7 MPa). Do tepelné úpravy vody se přivádí také kondenzát ze separátorů – přihřívačů. Na tepelnou úpravu vody navazuje napájecí nádrž, kde se voda udržuje při 164°C a 0,7 MPa. Z napájecí nádrže se předehřátá voda čerpá napájecí stanicí s pěti čerpadly přes VT regeneraci do hlavního napájecího kolektoru a poté do parogenerátorů. Každé čerpadlo napájecí stanice může dopravovat 650 t.hod-1 při tlaku 6,5 MPa. VT regenerace ohřeje napájecí vodu na 223°C. Do hlavního napájecího kolektoru se přivádí množství vody 2720 t.hod-1 a v napájecích hlavách se průtok reguluje podle okamžité situace. Obvyklá hodnota je přibližně 460 t.hod-1.[22]

4.1.1 Technologické systémy sekundárního okruhu 4.1.1.1 Rozvod páry Sytá pára vyrobená v parogenerátorech proudí dvěma páry parovodů do hlavního parního kolektoru. Pomocí propojovacích potrubí lze rozdělovat množství páry mezi jednotlivými parovody podle okamžité situace, např. při výpadku některého parogenerátoru. Při nerovnováze mezi výrobou a spotřebou páry nastávají změny tlaku. Proti nebezpečnému vzrůstu tlaku je potrubí několikanásobně chráněno, protože má zásadní vliv na provoz bloku a také na radiační bezpečnost elektrárny. Přebytek páry je možné přepustit spojkami a přepouštěcími stanicemi do kondensátoru. Pokud tlak vzroste na 5,3 MPa, začne se pára vypouštět přes dvě přepouštěcí stanice do atmosféry připojené k hlavnímu parnímu kolektoru. Stanice uzavírá při 4,9 MPa. Při dalším růstu tlaků působí pojistné ventily parogenerátoru montované na každém parovodu v rozmezí tlaků 5,62 až 5,74 MPa a 5,72 až 5,84 MPa. Pokud by se parovod přesto roztrhl, oddělí se poškozený úsek rychločinnými oddělovacími armaturami připojenými na hlavní parní kolektor pro podélné rozdělení kolektoru a na parovodech pro oddělení parogenerátoru. Úplné oddělení parogenerátoru od hlavního parního kolektoru zajišťuje šoupátko hlavního parního uzávěru. Při dochlazování primárního okruhu se část systému rozvodu páry zaplňuje kondensátem. Prostřednictvím propojovacích potrubí lze přivádět páru z jednoho bloku do bloků ostatních. Pro zásobování vlastní spotřeby a neblokových spotřebičů slouží kolektory 0,7 MPa a 0,5 MPa. Kolektor 0,7 MPa se za normálního provozu napájí z VI. odběru turbíny přes redukční stanici 1,25 – 0,87/0,7 MPa, při sníženém výkonu ze VII. odběru přes redukční stanici 1,25-0,87/0,7 MPa a při nízkém výkonu turbíny (např. při najíždění bloku) z hlavního parního kolektoru redukční stanicí 4,7/0,7 MPa. Kolektor 0,7 MPa napájí především tepelnou úpravu vody a kolektor 0,5 MPa. Kolektor 0,5 MPa zásobuje jednak odplyňovače primárního okruhu pro systém doplňování a regulace prvního a druhého bloku, jednak budovu aktivních pomocných provozů. [22]


Obr. 4-1 Tepelné schéma sekundárního okruhu [22]

21


22

4.1.1.2 Parogenerátor Teplo se z primárního do sekundárního okruhu předává prostřednictvím šesti horizontálních parogenerátorů typu PGV – 213. Parogenerátor má podobu horizontálního válce s vypuklými čely z uhlíkaté oceli a nerezovým sběračem páry nahoře. Uvnitř je teplosměnná plocha z trubek profilu U a žaluziový separátor páry. Radioaktivní chladivo primárního okruhu vstupuje spodní částí parogenerátoru do vstupní komory, na kterou jsou napojeny U – trubky z austenitu. Trubky ústí opět do výstupní komory a spodní částí generátoru se primární chladivo odvádí k hlavnímu cirkulačnímu čerpadlu. Primární chladivo odevzdává při proudění v trubkách teplo okolní sekundární neradioaktivní vodě, která se odpařuje. Vzniklá sytá pára prochází žaluziovým separátorem do sběrače páry. Sekundární voda proudí mezi trubkami výměníku. Pro stálé chemické složení sekundární vody se parogenerátor trvale odluhuje a periodicky odkaluje. Nečistoty se odebírají ze spodní části nádoby. Protože se jedná o horizontální generátor, je vstupní a výstupní komora teplosměnných trubek svislá, nečistoty se na nich nemohou usazovat a klesají až na dno. Generátor se ze sekundární strany napájí normálním a superhavarijním napájením. Generátor je umístěný tak, aby se při výpadku hlavních cirkulačních čerpadel udržel průtok primárního chladiva samotíží a reaktor se stále chladil. Všech šest parogenerátorů je pružně zavěšeno na strop hermetických boxů v pravidelném uspořádání kolem reaktoru. [17], [19]

Obr. 4-2 Schematické znázornění parogenerátoru PGV – 213, podle [17] 1 – parní kolektor; 2 – žaluziový odlučovač vody; 3 – svazky trubek výměníku; 4 – drenážní hrdla; 5 – vstup a výstup chladiva; 6 – vstupní kolektor; 7 – výstupní kolektor


23

4.1.1.3 Parní turbína Parní turbína slouží k přeměně tepelné a tlakové energie na energii mechanickou, která se využívá k pohonu turbogenerátoru. Sytá pára prochází rychlozávěrným ventilem a dvojicí regulačních ventilů sloužících k regulaci výkonu, případně otáček turbíny. Před ventily má ostrá pára tlak 4,32 MPa, teplotu 256°C. Za ventily je připojen VT díl turbíny. Je dvouproudý stejně jako NT díly. Pára vstupuje čtyřmi přívody, v každé polovině turbíny prochází šesti stupni a vystupuje na konci jediným hrdlem. Ve VT dílu se přemění přibližně 20 % energie přeměněné v celé turbíně. Každá polovina VT dílu má tři neregulované odběry pro napájení parních spotřebičů. Pára využitá ve VT dílu se vede do dvou separátorů – přihřívačů, z nichž vystupuje pára přehřátá (261,5°C, 0,48 MPa). Dále se pára vede přes bloky rychlozávěrných a záchytných klapek do dvou NT dílů. Záchytné klapky řídí množství vstupní páry při nízkém výkonu turbíny. Každý NT díl obsahuje pět stupňů a v každé polovině tři (1. NT díl) nebo dva (2. NT díl) neregulované odběry. Na potrubích k parním spotřebičům jsou montované zpětné klapky zabraňující zpětnému proudění páry od spotřebičů do turbíny. V každém díle se přeměňuje asi 40 % celkové energie přeměněné v turbíně. Z NT dílů odchází zbytek páry (750 t.hod-1) do kondensátoru. [22]

4.1.1.4 Systém kondenzace Systém kondenzace slouží především k předání kondensačního tepla páry vystupující z turbíny do chladícího cirkulačního okruhu a tím zvýšení tepelného spádu na turbíně, dále k úpravě kondensátu a doplňování okruhu demineralizovanou vodou a k regulaci hladiny vody v kondensátoru pro zajištění zásoby kondensátu v sání prvního stupně kondensátních čerpadel. Pára v kondensátoru postupně expanduje v prvním (na tlak 5,35 kPa) a druhém díle (na tlak 6,82 kPa). K udržení tlaku v kondenzátoru přispívají tři vývěvy. Teplo se páře odebírá chladící vodou cirkulačního okruhu. Voda přiváděná do kondenzátoru má teplotu 20°C, vtéká celkovým průtokem 38000 m3.hod-1 a při tlaku 0,35 MPa do dvou částí prvního dílu kondenzátoru, zde se ohřeje na 26°C. Pod tlakem 0,32 MPa voda proudí do dvou částí druhého dílu, ohřeje se na 31°C a přes vratný kolektor je vedena do chladících věží. Ke každému hlavnímu výrobnímu bloku náleží čtyři věže. Jedno turbosoustrojí může pracovat při chlazení jednou věží. Ztráty chladící cirkulační vody ze všech osmi věží činí přibližně 4500 m3.hod-1. Ztráty jsou ovlivněny zejména teplotou vzduchu a výkonem. [22]

4.1.1.5 Nízkotlaká regenerace Systém se skládá z pěti nízkotlakých ohříváků (NTO), čtyř podchlazovačů kondenzátu, dvou expandérů a dvou kondenzátních čerpadel. Pro zajištění spolehlivého provozu je systém rozdělen na tři části: NTO 1 a 2, NTO 3 a 4, NTO 5. Blok lze provozovat, pokud jsou v činnosti aspoň dvě části systému. NTO se ohřívají párou z neregulovaných odběrů turbíny a navíc mají dva NTO napájení z parního kolektoru 0,7 MPa, který se využívá při nízkých výkonech turbíny. V NTO 5 zkondenzuje topná pára a kondenzát se vede do podchlazovače, kde předá část svého tepla hlavnímu kondenzátu, a pokračuje do NTO 4. Shodně proudí kondenzát topné páry do druhého podchlazovače a NTO 3. Kondenzát z NTO 4 se vede do expandéru, jehož parní prostor je napojen do NTO 3. V expandéru se tím srovnají parametry kondenzátů z obou NTO a dále se vedou společně k sání kondenzátních čerpadel.


24

Zapojení první části systému je odlišné. Kondenzát topné páry z NTO 2 se vede do podchlazovače kondenzátu, kde se část tepla předá hlavnímu kondenzátu. Podchlazený kondenzát topné páry přichází do expandéru, do jehož parního prostoru přichází pára z NTO 1. Z expandéru odchází kondenzát o stejných parametrech jako kondenzát z NTO 1, mísí se ve společném potrubí a vedou se do kondenzátoru. [22]

4.1.1.6 Tepelná úprava vody K omezení koroze potrubí a dalších částí sekundárního okruhu se u kondenzátu před vstupem do parogenerátoru snižuje obsah kyslíku a oxidu uhličitého tzv. termickým odplyněním. Systém tepelné úpravy vody dále vytváří zásobu upravené vody a zajišťuje tlak v sání napájecích čerpadel. Kondenzáty se přivádějí do horní části odplyňovače a nechají se rozstřikovat. Z povrchu vzniklých kapek se odlučují plyny a kapalina se hromadí ve spodní části. Sem je zaváděna pára z kolektoru 0,7 MPa, která dohřívá kondenzát na mez sytosti. Plyny se tak odlučují i z hladiny udržované v odplyňovači přepadem. Uvolněné plyny s topnou párou unikají přes separátor a redukční ventily do atmosféry. Při jmenovitém výkonu turbosoustrojí se do odplyňovačů přivádí 1010 t.hod-1 kondenzátu a do atmosféry odchází 3,5 až 7 t.hod-1 páry. Tepelně upravený kondenzát se shromažďuje v napájecích nádržích, které svým objemem představují zásobu kondenzátu na 5 minut provozu turbosoustrojí při jmenovitém výkonu a přerušené dodávce hlavního kondenzátu do odplyňovače. Z napájecích nádrží sají kondenzát napájecí čerpadla a také se odebírají vzorky pro chemickou laboratoř. Systém obsahuje celkem čtyři odplyňovače a dvě propojené napájecí nádrže. [22]

4.1.1.7 Napájení parogenerátoru Systém napájení dopravuje napájecí vodu do parogenerátoru při prohřívání a najíždění, nominálním provozu, odstavování i havarijních situacích a dále k regulaci přívodu napájecí vody v nominálním provozu a přívodu demineralizovanou vody při havarijních režimech. Při nahřívání bloku před najetím a asi do 3 % nominálního výkonu zajišťují napájení havarijní čerpadla v režimu 1+1, dodávají přitom asi 65 t.hod-1. Voda z výtlaku čerpadel postupuje přes hlavní napájecí kolektor přímo do parogenerátoru. Při zvyšování výkonu nad 3 % přechází do režimu 2+0 a navazují hlavní cirkulační čerpadla. Voda přitom proudí z výtlaku čerpadel do hlavního napájecího kolektoru a VT regenerace nebo její obtok. Od výkonu 75 % pracují čtyři čerpadla a páté je v záloze. Množství napájecí vody se řídí napájecími hlavami. Při havarijní situaci se do určených parogenerátorů čerpá ze zásobníků přes havarijní napájecí kolektor a havarijní napájecí hlavy demineralizovaná voda superhavarijními napájecími čerpadly v režimu 1+1. Jedno čerpadlo dodává až 60 t.hod-1 při tlaku 5,5 MPa [22].

4.1.1.8 Vysokotlaká regenerace Před vstupem do parogenerátoru se napájecí voda předehřívá na teplotu 220 až 250°C. Napájecí čerpadla tlačí vodu do vysokotlakého ohříváku (VTO) 1, kde se ohřívá odběrovou párou z VT dílu turbíny. Voda prochází podchlazovačem, kde získá část tepla od kondenzátu topné páry, a ve vyšší části VTO získává teplo od topné páry. Na výstupu z VTO 1 má voda teplotu asi 188,9°C. Funkce VTO 2 je shodná s VTO 1, voda se ohřeje na asi 222°C. Kondenzát z VTO 2


25

změní v expandéru tlak na hodnotu tlaku topné páry ve VTO 1 a vede se do VTO 1. Odtud je kondenzát veden do napájecích nádrží. Pro případ poruchy VT regenerace se voda může vést obtokem. [22]

4.2 Vodní hospodářství EDU Technologie jaderné elektrárny vyžaduje velké množství vody. Vodní hospodářství zajišťuje přívod surové vody dvěma potrubími z vyrovnávací nádrže Mohelno pod vodní nádrží Dalešice na řece Jihlavě přes vyrovnávací vodojem do areálu elektrárny k úpravě části vody na požadovanou kvalitu a přívody k technologiím. Vodojem chrání řady surové vody a čerpací stanici před vodním rázem. V úpravně chladící vody se připravuje voda do cirkulačního chladícího okruhu. Odsud se voda přivádí do cirkulační čerpací stanice, jejíž čerpadla zajišťují oběh chladící vody z kondenzátorů do chladících věží a zpět. Také se zde provádí odluhování. Chemická úpravna vody připravuje demineralizovanou vodu pro doplňování do primárního a sekundárního okruhu a ostatních zařízení. Systém kanalizace zabezpečuje shromažďování odpadních vod, čištění, kontrolu a vypouštění z areálu do řeky Jihlavy.

4.2.1 Ztráty vody Podstatná část přiváděné vody se spotřebuje na doplňování ztracené vody do okruhů jaderné elektrárny. Ztráty závisí zejména na výkonu bloků, na počasí, na ročním období. Rozeznáváme čtyři druhy ztrát s uvedením těch nejvýznačnějších: 1. Podle druhu vody - chladivo, popř. tritiové vody z primárního okruhu, - kondenzát ze sekundárního okruhu, - chladící vody z vnějších okruhů. 2. Podle způsobu vzniku ztrát - odpařování, - úlet, - prosakování, - odpouštění odluhů, - propouštění netěsnostmi. 3. Podle způsobu odvodu vody - organizované úniky pomocí technologických výpustí, - neorganizované úniky netěsnostmi potrubní a zařízení. 4. Podle zařízení, ze kterého se voda ztrácí - ztráty ze systému kondenzace – parovzdušná směs z kondenzátorů vedená do vývěvy a komínková pára vypouštěná do atmosféry, - brýdové páry z odplyňovače, - odpadní voda z čištění ionexových filtrů,


26

- odpařování a únos vody z chladících věží. Nejvyšší hodinové ztráty vody v EDU se při provozu čtyř bloků a teplého počasí uvádí následující: Odpařování z chladících věží 4500 m3.hod-1, úlet z chladících věží 1000 m3.hod-1, ztráty do kanalizace z odluhů cirkulační chladící vody, z chemických provozů apod. 900 až 2500 m3.hod-1, ztráty z primárního a sekundárního okruhu celkem do 200 m3.hod-1. Celkové ztráty v létě činí přibližně 7000 až 9000 m3.hod-1, v zimě jsou přibližně poloviční. [22]

4.2.2 Vnější chladící okruhy Přebytečnou tepelnou energii z vnitřních chladících okruhů (tj. sekundárního okruhu a vložených okruhů chlazení primárního a sekundárního okruhu) předávají výměníky do cirkulačního chladícího okruhu, který ji odvádí do atmosféry.

Obr. 4-3 Blokové schéma vnějších chladících okruhů, podle [22] 1 – chladící věž; 2 – přívod přídavné vody; 3 – tři čerpací stanice TVD; 4 – čerpací stanice TVN; 5 – čerpací stanice CCHV; 6 – zvyšovací čerpadlo TVN; 7 – spotřebiče technické vody důležité; 8 – vybrané spotřebiče technické vody nedůležité; 9 – spotřebiče technické vody nedůležité; 10 – spotřebiče cirkulační chladící vody.

4.2.2.1 Okruh cirkulační chladící vody Za normálního provozu pracuje v čerpací stanici cirkulační chladící vody vždy jedno čerpadlo na jedno pracující turbosoustrojí hlavního výrobního bloku. Voda se vede zdvojeným hlavním rozváděcím kolektorem společným pro celý blok. V plném provozu protéká kolektorem 152 000 m3.hod-1. Projektovaná teplota vody je 20 °C, během provozu se může před spotřebiči pohybovat od 15 do 32 °C. Cirkulační chladící voda se kolektory přivádí do strojovny, provozní budovy a budovy aktivních pomocných provozů bloku I. nebo II. a stanice zdroje chladu. Vodu z kolektorů využívají zejména tato zařízení: Kondenzátor parních turbín, olejové chladiče turbín, napáječky, podávací čerpadla kondenzátu a separátu, čerpadla sběrné nádrže kondenzátu. Průchodem spotřebiči se voda ohřeje přibližně o 11°C a vede se do hlavního


27

vratného kolektoru buď tlakovým způsobem nebo přes jímku vývěv. Tlakovým způsobem se vede voda z kondenzátoru, z olejových chladičů turbíny a dalších zařízení, kde to umožňuje velikost tlaku. Kde je tlak příliš nízký (např. podávací čerpadla separátu), musí se voda čerpat vývěvami. Hlavním úkolem vývěvy je vodní uzávěr parního prostoru kondenzátoru. [22] Ohřátá chladící voda proudí vratným kolektorem k chladícím věžím. Kolektor sestává ze dvou větví, které lze propojit. Každá větev je napojena na dvě věže. Voda prochází armaturní komorou do vnitřního prostoru věže. Jednou věží protéká jmenovitě 38 000 m3.hod-1. Aby se z vody odevzdalo co nejvíce tepla, je potřeba zvětšit co nejvíce vodní plochu, takže se voda rozstřikuje na drobné kapky, ty dopadají na desky, mezi kterými se vytváří vodní blána, a pod deskami voda v kapkách padá do sběrné nádrže. Teplý vzduch a pára odchází s podporou komínového jevu věží vzhůru do atmosféry. Chladící výkon jedné věže je 483 MWt. Ze sběrných nádrží voda odtéká samospádem do vtokového objektu cirkulační čerpací stanice. V zimě při nízkých teplotách vzduchu na ochlazení často stačí teplou cirkulační vodu vpouštět přímo do sběrné nádrže, protože průchod přes věže by vodu ochlazoval pod dovolených 12,5°C za věžemi. Nejvyšší dovolená teplota za věžemi je 32 °C. Odpařováním se ve vodě zvyšuje koncentrace solí, proto se voda odluhuje a znovu doplňuje čerstvou vodou. Odluhuje se buď z rozvodného nebo vratného kolektoru do kanalizace ,,S“. Kanalizace ,,S“ odvádí vody z primárního okruhu o aktivitě tritia 1,2.108 Bq.m3 zředěné v poměru 1:30, dále odluhy z okruhu cirkulační chladící vody a po neutralizaci vody z chemické úpravny vod a blokové úpravny kondenzátu. Kanalizace ,,S“ je napojena na hlavní sběrač dešťové kanalizace ,,B“ a retenční nádrže. Množství a radiace odpadních vod se sleduje v měřícím objektu. [22]

5 Energie v odpadní vodě z EDU

28

5 ENERGIE V ODPADNÍ VODĚ Z EDU Seznámení s ději v sekundárním okruhu EDU a systémy s ním spojenými ukazuje, že z elektrárny odchází velké množství tekutin obsahujících značnou energii. Je to převážně energie nízkopotenciální, neboť energie o vysoké teplotě se opětovně využívá v technologiích elektrárny ke zvýšení celkové účinnosti. Z předchozí kapitoly vyplývá, že teplo by bylo možné odebírat ze čtyř míst systému: -

cirkulační chladící voda,

-

retenční nádrže,

-

odluhy,

-

vypouštění brýdové páry z odplyňovačů.

Největším zdrojem tepla je okruh cirkulační chladící vody, který odvádí teplo z kondenzátorů a chlazení různých zařízení prostřednictvím chladících věží do atmosféry. Při provozu dvou reaktorových bloků odvádí chladící cirkulační okruh přibližně 1600 MWt při průtoku 152 000 m3.hod-1. Tento odvedený výkon představuje energii 1600 MJ za sekundu. Cirkulační voda nesoucí teplo má nejvyšší teplotu 32°C, proto by bylo možné teplo k vytápění využít jedině pomocí tepelných čerpadel pracujících s nízkoteplotní otopnou soustavou. Odpadní vodu vypouštěnou z elektrárny odvádí kanalizace dešťové vody, kanalizace splašků, průmyslová kanalizace ,,P“ odvádějící potenciálně zaolejovanou vodu a průmyslová kanalizace ,,S“ odvádějící odluhy, zředěné tritiové vody a vody z blokové úpravny kondenzátu a chemické úpravny vod. Pročištěné vody se shromažďují v retenční nádrži sloužící k zachycení případných úniků škodlivých látek. Voda z retenčních nádrží protéká měřícím objektem (měří se průtok a radiace) a přes pojistnou nádrž do Skryjského potoka. Průtok se pohybuje mezi 900 m3.hod-1 a 2500 m3.hod-1. Teplotu vody se nepodařilo zjistit. Pokud budeme uvažovat, že by ji bylo možné ochladit byť i jen o 5°C v oblasti kolem +5°C, mohla by být využitelná energie přibližně

Q1 = M (i1 ´−i 3 ´) = 900.10 3 kg.hod −1 (42 − 21)kJkg −1 = 18,9.10 6 J .hod −1 , čemuž odpovídá odvedený tepelný výkon Q1 18,9.10 9 J .hod −1 P1 = = = 5,250 MW . t 3600 s Vzhledem k nízké teplotě by se energie dala využít pouze prostřednictvím tepelného čerpadla, které by ji přečerpalo na vyšší teplotu. Vodu také nelze ochlazovat až těsně k bodu mrazu, aby nemohla nádrž zamrznout. Použití tepelného čerpadla při získávání energie k vytápění by bylo nutné také u následujícího případu s odluhy. Z cirkulační chladící vody bloků se celkem odvádí zhruba 2213 m3.hod-1 odluhů. Teplota se mění podle toho, zda se odluhuje z rozvodného nebo vratného kolektoru. V prvém případě je teplota nejvýše 21°C, v druhém 32°C. Uvažujme tedy tyto hodnoty jako nejvyšší a vypočítejme pro oba případy energii uvolněnou za jednu hodinu. [22]

5 Energie v odpadní vodě z EDU

29

M = 2213.10 3 kg .hod −1 i1´(32°C ) = 134,09 kJ .kg −1 i 2 ´(21°C ) = 104,30 kJ .kg −1 i3 ´(5°C ) = 21,05 kJ .kg −1 Odluhování z vratného kolektoru

Q1 = M (i1´−i 3 ´) = 2213.10 3 kg.hod −1 (134,09 − 21,05)kJkg −1 = 250,2.10 9 J .hod −1 Odluhování z rozvodného kolektoru

Q2 = M (i 2 ´−i3 ´) = 2213.10 3 kg.hod −1 (104,30 − 21,05)kJkg −1 = 184,2.10 9 J .hod −1 Tomu odpovídají tepelné výkony P1 =

Q1 250,2.10 9 J .hod −1 = = 69,50 MW a t 3600 s

P2 =

Q2 184,2.10 9 J .hod −1 = = 51,17 MW . t 3600 s

V systému regenerace je zařazen odplyňovák vytápěný párou. Z odplyňováku se přímo do atmosféry vypouští 3,5 až 7 t.hod-1 páry s plyny. Pro základní výpočet množství tepla uvažujme, že se jedná čistě o páru a dále počítejme s maximálním průtokem, tj. 7000 kg za hodinu. Teplota je 164°C. Pára se odběrem tepla ochladí na bod kondenzace (odevzdané teplo Qa), zkondenzuje (Qb) a kondenzát se dalším odběrem ochladí na 70 °C (Qc). Konečnou teplotu 70°C uvažujeme pro případ napájení otopné soustavy pracující s vyššími teplotami (65/55 °C apod.) s běžnými radiátory. Latentní teplo l = 2256,7 kJkg −1 Entalpie i1´´(164°C ) = 2763,6 kJ .kg −1 ; i 2 ´´(100°C ) = 2675,8 kJ .kg −1 i3 ´(100°C ) = 419,10 kJ .kg −1 ; i 4 ´(70°C ) = 293,00 kJ .kg −1 M = 7000 kg .hod −1

Qa = M (i1´´−i2 ´´) = 7000kg.hod −1 (2763,6 − 2675,8)kJ .kg −1 = 0,6146.109 J .hod −1 Qb = M .l = 7000kg.hod −1.2256,7 kJ .kg −1 = 15,76.109 kJ .hod −1 Qc = M (i3´−i4 ´) = 7000kg.hod −1 (419,10 − 293,00)kJ .kg −1 = 0,8827.109 J .hod −1 Celková energie získaná za hodinu může dosáhnout

Q = Qa + Qb + Qc = (0,6146 + 15,76 + 0,8827).109 J .hod −1 = 17,26.109 J .hod −1 Taková energie odpovídá tepelnému výkonu P=

Q 17,26.10 9 J .hod −1 = = 4,794 MW . t 3600 s

Množství brýdových par a tím i využitelné energie závisí na okamžitém výkonu bloku.

6 Návrh vytápění

30

6 NÁVRH VYTÁPĚNÍ Předchozí kapitola uvádí několik míst v zařízení EDU, odkud by bylo možné odebírat odpadní teplo k dalšímu využití. Nyní se zaměříme na návrh soustavy, která by odpadní teplo využívala pro vytápění, případně chlazení budovy AB 2, informačního centra a trenažéru. Vytápění vyžaduje stabilní dodávku energie. Jako nejvýhodnější z výše jmenovaných možností zdrojů odpadního tepla se jeví cirkulační chladící voda (CCHV). Její průtok je velmi velký, s tím souvisí i velké množství energie, které je k dispozici. Dodávka je stálá, kolísání se může vyrovnat vhodným dimenzováním výměníků pro odběr tepla CCHV, navíc množství tepla odváděné CCHV je podstatně větší než dostačuje k vytápění a přípravě teplé užitkové vody (TUV). Teplota CCHV je však přímo pro vytápění nízká. Energii vody je proto nutné převést na vyšší potenciál využitím tepelného čerpadla.

Obr. 6-1 Budovy AB II (C 3.1), trenažéru (C 3.2) a informačního centra (C 3.3)

6.1 Popis současného způsobu vytápění Budovy AB 2 (C 3.1), trenažéru (C 3.2) a informačního centra (C 3.3) jsou spolu s dalšími objekty hlavního výrobního bloku I (HVB I) a objekty k HVB I přidruženými vytápěny horkovodním topným systémem HVB I. Zdrojem tepla je pára z VI. a IV. odběrů parních turbín 1. a 2. reaktorového bloku. Teplo se do topného systému předává ve výměníkové stanici HVB I sestávající z výměníkové stanice pro 1. a 2. reaktorový blok. Výkon každé z nich je přibližně 14,53 MW. Jedna výměníková stanice obsahuje základní a špičkový ohřívák. Základní ohřívák se


31

vytápí ze IV. odběrů turbogenerátorů 12 a 21. Redukční stanice udržuje tlak páry na 5 až 50 kPa. Špičkový ohřívák je vytápěn párou ze IV. odběrů turbogenerátorů 11 a 22 přes redukční stanici udržující tlak v rozmezí 75 kPa až 300 kPa. V zimním provozu pracuje základní i špičkový ohřívák (největší ohřátí vody na 130°C), v letním provozu teplo dodává pouze ohřívák základní (největší ohřátí vody na 80°C). Z výměníkové stanice se teplo vede větví VII. rozvodu topné vody do předávací výměníkové stanice. Zde navazuje teplovodní systém vybavený radiátory. [22]

6.2 Návrh otopné soustavy s tepelným čerpadlem Efektivně navržené tepelné čerpadlo (TČ) má pokrývat 2/3 celkové potřeby energie, protože TČ dimenzované na plný výkon by po většinu roku nebylo plně využité – nejvyšší tepelná ztráta se uplatní jen v mimořádných mrazech několik dnů v roce. Nedostatek tepla se hradí z druhého zdroje, kterým v tomto případě může být původní předávací výměníková stanice sloužící i k vytápění jiných budov. Volba druhu otopné soustavy souvisí s použitím TČ jako zdroje energie pro soustavu. TČ dodává energii o nízké teplotě, proto nemůže spolupracovat s klasickými radiátory stavěnými na vyšší teploty. Vhodné jsou nízkoteplotní soustavy teplovodního podlahového nebo teplovzdušného vytápění. Otopná soustava je navržena jako teplovzdušná, protože kromě vytápění může zajišťovat i průběžné větrání prostorů. Schéma soustavy ukazuje obrázek 6-2. Tepelné čerpadlo typu voda – voda odebírá teplo cirkulační chladící vodě z hlavního vratného kolektoru vedoucího do chladící věže. Přísun vody k TČ zajišťuje čerpadlo. Oddělení TČ od chladícího okruhu zajišťují ventily V1. Přívod k TČ je vyveden z obou větví hlavního vratného kolektoru, aby byla zajištěna dodávka tepla i při odstávce jednoho reaktorového bloku, případně věže. Teplo odebrané CCHV přečerpá TČ přibližně z 30°C na 55°C a předá je do tepelného zásobníku. Vodní náplň tepelného zásobníku slouží jednak k akumulaci tepelné energie, jednak se z ní po ohřátí stává teplá užitková voda. Vytápění zajišťuje ohřátý vzduch rozváděný potrubím do vytápěných prostorů. Teplo akumulované v tepelném zásobníku se předává vodním okruhem do tepelného výměníku voda – vzduch, který připravuje teplý vzduch pro vytápění. Čerstvý vzduch se nasává zvenčí, prochází rekuperačním výměníkem a dostává se do tepelného výměníku. Zde se ohřeje a postupuje rozvodem do výdechů pod okny vytápěné místnosti. Při velmi chladném počasí, kdy již TČ nestačí dodávat dostatek tepelné energie, se použije jako doplňkový zdroj stávající předávací výměníková stanice napojená na VII. topnou větev výměníkové stanice HVB I. Stanice původně zajišťovala horkovodní vytápění budovy AB II, trenažéru, informačního centra a dalších objektů. Energie se z předávací výměníkové stanice předává do nové otopné soustavy ve formě horké vody dodávané do vodního okruhu spojujícího tepelný zásobník a výměník voda – vzduch. Ve vytápěné místnosti se vzduch ochlazuje a část jej odchází do rekuperačního výměníku. Zde se energie tohoto odpadního vzduchu využije k předehřívání čerstvého vzduchu. Odpadní vzduch po předání energie následně odchází ven do ovzduší. Druhá část vzduchu odcházejícího z vytápěné místnosti cirkuluje. Neustálá výměna celého objemu otopného vzduchu by vyžadovala podstatně větší rekuperační výměníky, proto je systém navržen pouze s částečnou výměnou vzduchu. Navržené teplovzdušné vytápění zajistí jednak úsporu energie předehříváním čerstvého vzduchu, jednak stálou výměnu potřebného objemu vzduchu v místnosti a udržení čerstvého prostředí.


32

Obr. 6-2 Schéma otopné soustavy s tepelným čerpadlem CCHV – cirkulační chladící voda; Č – čerpadlo, ventilátor; ChV – chladící věž; M – místnost; N – sání vzduchu; PVS – okruh předávací výměníkové stanice; RV – rekuperační výměník; SV – studená voda; TČ – tepelné čerpadlo; TUV – teplá užitková voda; TV – tepelný výměník; TZ – tepelný zásobník; V – výfuk vzduchu; V1 – ventily

33


6.2.1 Výpočet potřeby tepla na vytápění Roční potřeba tepla budov sestává z potřeby tepla na vytápění a potřeby na přípravu teplé užitkové vody. Výpočet množství těchto tepel uvádí ČSN 06 0210. Tabulka 6-1 uvádí tepelné ztráty jednotlivých budov a hodnoty nutné k výpočtu potřeby energie na přípravu TUV. Je to počet osob zde pracujících nebo návštěvníků, tabulková potřeba objemu TUV na osobu a den a objem TUV na celou budovu a den. Třípodlažní budova AB 2 (C 3.1) obsahuje kanceláře pro 45 lidí, v informačním centru (C 3.3) se sálem pro 40 návštěvníků pracují tři lidé, v objektu trenažéru (C 3.2) se pracuje 17 osob. Potřebu TUV uvádí Vyhláška 428/2001. Tab. 6-1 Tepelné ztráty objektů a potřeba TUV Tep. ztráta

Osob

TUV

TUV

kW

-

l/den

l/os.den

Budova C 3.1

AB II

384,555

45

900

20

C 3.2

Trenažér

49,834

17

340

20

C 3.3

Informační centrum

3

60

20

17,827 40

80

2

105

1380

62

C 3.3 exkurze celkem

452,216

Při výpočtu roční spotřeby tepla se vychází z celkové tepelné ztráty objektu, denostupňů, vnitřních a vnějších teplot a výsledek se koriguje opravným součinitelem. Zdroj [9] uvádí výpočet

Qv, r =

24Qc εD (kW.rok-1; h, kW, -,den.°C, °C) Ti − Te min

(6.1)

kde Qc – celková tepelná ztráta objektu, ε – opravný součinitel,

ε=

ε i .ε t .ε d (-; -, -, -, -, -) η o .η r

(6.2)

εi - součinitel vlivu infiltrace, εe – součinitel vlivu snížení teploty v místnosti během dne či noci, εd – součinitel zkrácení doby vytápění pro budovy s přestávkami v provozu (např. provoz pěti dní v týdnu), ηo – účinnost rozvodů, ηr – účinnost regulace soustavy.


34

D – počet denostupňů, tj. součin dnů otopného období a rozdílu průměrné vnější teploty Tes v otopném období a výpočtové vnější teploty Te D = d .(Tes − Te min )

(6.3)

Ti, Temin – průměrná vnitřní a výpočtová vnější teplota; vnitřní teplota se stanovuje podle účelu objektu (obytný, sklad apod.), vnější teplota se určuje z tabulek podle zeměpisné oblasti, d – počet dnů otopného období. Hodnoty pro návrh jsou stanoveny pro oblast Třebíčska: Qc = 452,2 kW εi =0,9, εe = 0,8, εd, = 1,0, ηo, = 0,95, ηr = 0,95 Ti = 20 °C, Temin = -15 °C, Tes = 2,5 °C [7] d = 247 dní [7] Po dosazení do (6.1), (6.2) a (6.3)

ε=

ε i .ε t .ε d 0,9.0,8.1,0 = = 0,8 η o .η r 0,95.0,95

D = d .(Tes − Te min ) = 247(2,5 − (−15))°C = 4322,5°C

Qv , r =

24Qc εD 24.452,216kW .0,8.4322,5°C = = 1072MWh.rok −1 Ti − Te min (20 − (−15))°C

6.2.2 Výpočet potřeby tepla na ohřev užitkové vody Výchozími hodnotami výpočtu je denní potřeba tepla, délka otopného období a teploty studené vody v létě a v zimě. Denní potřeba tepla se vypočte dle [9] jako Qt , d = ρcV 2 p kde

t 2 − t1 (kWh; kg.m-3, kJ.kg-1.K-1, m3, °C, °C) 3600

(6.4)

ρ – hustota vody, c – měrná tepelná kapacita vody, V2p – celková potřeba TUV během dne, t1, t2 – teplota studené a teplé užitkové vody.

Roční potřeba tepla na přípravu TUV se potom podle [9] stanoví jako

Qt , r = Qt , d .d + 0,8.Qt , d kde

55 − t svl (350 − d ) (kWh.rok-1; kWh, -, kWh, °C, °C, -) 55 − t svz

Qt,d – denní potřeba tepla, tsvl, tsvz – teplota studené vody v létě, v zimě, d – počet dní otopné sezóny.

(6.5)

35


Hodnoty pro návrh jsou:

ρ = 1000 kg.m-3 c = 4,182 kJ.kg-1.K-1 V2p = 1,38 m3 [8] t1 = 10°C, t2 = 55°C, tsvl = 15°C, tsvz = 7°C d = 247 dní Dosazením do (6.4) a (6.5) se získá roční potřeba tepla pro ohřev užitkové vody Qt ,d = ρcV2 p

t 2 − t1 55°C − 10°C = 1000kgm −3 .4,182kJkg −1 K −1 .1,38m −3 = 72,15kWh 3600 3600

Qt , r = Qt , d .d + 0,8.Qt , d

55 − t svl 55°C − 15°C (350 − d ) = 72,15kWh.222 + 0,8.72,15kWh (350 − 222) = 55 − t svz 55°C − 7°C

= (16,02+ 6,158) MWh.rok −1 = 22,18MWh.rok −1 = 79,84GJ .rok −1 Vydělením výsledku vztahu (6.4) počtem hodin za den se zjistí, že denní potřebě tepla na přípravu TUV odpovídá průměrný topný výkon 3,006 kW.

6.2.3 Volba součástí Výběr tepelného čerpadla spočívá ve stanovení tepelných parametrů stroje odpovídajících potřebám tepla a zvoleného zapojení soustavy. Tepelné čerpadlo má svým výkonem pokrývat 2/3 celkové potřeby energie. Celková tepelná ztráta objektů je 452,216 kW, průměrný topný výkon na přípravu TUV je 3,006 kW, celkem 452,216 kW. Požadovaný výkon TČ je potom

2 P = .452,216kW + 3,006kW = 304,483kW . 3 Přídavné přihřívání zajištěné předávací výměníkovou stanicí má být schopné dodat výkon 1 P = .452,216kW = 150,7 kW . 3 Pro navrhovanou soustavu volíme dvě TČ firmy Hennlich, odštěpný závod G-TERM, typ DS 5194.4 se šroubovým kompresorem a chladivem R 134 a. Při teplotě primární vody 20°C (tj. při projektové teplotě CCHV) a teplotě sekundární vody 55°C (tj. při teplotě, na jakou je třeba ohřívat vodu v tepelném zásobníku) je výkon 163,3 kW, příkon 63,9 kW. [13] Objem akumulační nádrže V = kde

3600.Qt , d

η .ρ .c.(t 2 − t svz ) c – měrná tepelná kapacita vody 4,18 kJ.kg-1.K-1,

η –účinnost ohřevu 0,93, ρ - hustota vody 1000 kg.m-3.

(6.6)

36


V =

3600.Qt , d

η .ρ .c.(t 2 − t svz )

=

3600.72,15kWh = 1,392m 3 −3 −1 −1 0,93.1000kgm .4,18kJ .kg .K (55 − 7)°C

Celkový objem akumulačních nádrží s výměníky má být 1,392 m3. Každému TČ bude příslušet jeden zásobník takový, aby celkem obsáhly požadovaný objem. Volí se dva zásobníky o objemu 750 l, typ NAD 750 v5, výroba DZD - Strojírna, s.r.o. Konkrétní rekuperační výměníky se určí podle požadovaných průtoků čerstvého vzduchu uvedených v Tab. 6-2. Výměna vzduchu v místnosti se počítá 20 m3.hod-1 na osobu [4]. Tab. 6-2 Objemy čerstvého vzduchu, typy výměníků.

Osob

Výměna vzduchu

-

m3.hod-1

Budova

Typ výměníku

C 3.1

AB II

45

900

Duplex S 1400

C 3.2

Trenažér

17

340

Duplex S 525

3

60

40

800

105

2100

C 3.3 Informační centrum C 3.3 exkurse

celkem

Duplex S 1400

Zvolené výměníky jsou výrobky firmy Atrea s.r.o., typy Duplex S 1400 a Duplex S 525 umožňující nejvyšší průtoky výměny vzduchu 1200 m3.hod-1 a 515 m3.hod-1. Každá budova má vlastní výměník podle Tab. 6-2. [1]. Ohřívače vzduchu se určí opět pro jednotlivé budovy. Topné výkony dodávané dvěma TČ se musí rovnoměrně rozdělit mezi tři vytápěné objekty. Je-li celková tepelná ztráta objektů 452,216 kW, musí každé TČ přes tepelný zásobník dodat právě polovinu tohoto výkonu. První TČ má dodávat výkon pouze do budovy C 3.1, tj. 226,108 kW. Ohřev vzduchu zajistí tři ohřívače TPO 8000.5. Zbytek výkonu do C 3.1 dodá druhé TČ přes dva ohřívače TPO 8000.5 s vyšším výkonem. Teplovodní ohřívače jsou výrobky firmy Atrea s.r.o. Jednotlivé ohřívače včetně jejich výkonů, průtoků a počtů jsou uvedeny v následující Tab. 6-3. Výběr ohřívačů dle [1]. K ohřívačům jsou zvolena oběhová čerpadla odpovídajících průtoků firmy Hennlich G-TERM. Vodu do ohříváků bude dodávat oběhové čerpadlo typu GHN 404C-R. Oba tepelné zásobníky dodávají teplo ohřívačům jedním čerpadlem. [13] Cirkulaci topného vzduchu zajišťují potrubní ventilátory výroby TXTR. Jejich průtoky odpovídají průtokům ohřívači sníženým o část vzduchu vyměňovaného přes rekuperaci. V budově C 3.1 je pět ventilátorů TXTR/4-630, v C 3.2 jeden ventilátor TXTR/6-500 a v C 3.3 jeden ventilátor TXTR/4-315. Výběr dle [24]. Oběhová čerpadla k TČ: Na primární i sekundární straně čerpadlo Hennlich G-TERM, typ GHN 804 B-R. Při průtoku 25 m3.hod-1 a výtlačné výšce 3 až 6 metrů je příkon 500 W. Každému TČ přísluší dvě oběhová čerpadla, celkem 4 kusy. [13]

37


Tab. 6-3 Ohřívače vzduchu

Tep. ztráta

Typ ohřívače

Budova

C 3.1

Průtok ohřívačem voda

vzduch

Počet ohřívačů

-

kW

l.hod-1

m3.hod-1

-

TPO 8000.5

76

2800

12500

3

TPO 8000.5

80

2800

15000

2

kW AB II

Výkon ohřívače

384,555

C 3.2

Trenažér

49,834

TPO 6000.5

50

2100

6000

1

C 3.3

Informační centrum

17,827

TPO 900.3

18

525

2100

1

6.2.4 Ekonomické hodnocení Ekonomické hodnocení nového způsobu vytápění obnáší odhad investic a provozních nákladů.

6.2.4.1 Investiční náklady Tepelné čerpadlo Hennlich G-TERM, typ DS 5194.4 Firemní ceník uvádí cenu TČ 36 150 €. Při kurzu přibližně 25 Kč za 1 Euro činí částka přibližně 903 750 Kč. Cena za dvě TČ je 1 807 500 Kč.

Akumulační zásobník NAD 750 v5 Firemní ceník uvádí cenu za kus 30 791 Kč. Jsou použity dva kusy, celkem 61 582 Kč.

Rekuperační výměníky Atrea včetně regulace a příslušenství Cena dle sdělení výrobce je u typu S 525 je 96 940 Kč S 1400 je 126 290 Kč, 2x 126 290 Kč = 252 580 Kč

Ohřívače vzduchu Atrea TPO Přibližná cena jednoho ohřívače je 22 000 Kč. 7x 22 000 Kč = 154 000 Kč.

Ventilátory TXTR/4-630: 5x 19 503 Kč = 97 515 Kč TXTR/6-500: 12 604 Kč TXTR/4-315: 8 108 Kč


38

Oběhová čerpadla Hennlich G-TERM GHN 804B-R: 4x 27 060 Kč = 108 240 Kč. GHN 404 C-R: 2x 17 292Kč = 34 584 Kč

Potrubí vzduchotechniky Cena za potrubí se udává ve tvaru cena za plochu plechových trub. Odhad ceny vychází z ceníku firmy Klima Rapid, spol. s.r.o., Praha, který uvádí cenu 265 Kč za metr čtvereční. Z rozměrů budov (Obr. 6-1) se zhruba určí potřebné délky potrubí a zvolí se obvyklý průřez potrubí. Tyto údaje poslouží k výpočtu celkové plochy a ceny potrubí. Uvažuje se jedno topné a jedno vratné odsávací potrubí, obě po celé délce budov. Dále se přidává svislé potrubí rozvodu do jednotlivých pater. Vzduchotechnika se uvažuje ve všech třech patrech budov. Budova C 3.1: Délka budovy 81 m, výška 11 m. Potrubí 3 x 2 x 81 m = 486 m. Svislá potrubí 2.11 = 22 m. Délka celkem s přičtením rezervy 10 %: 1,1 x (486 + 22) m = 560 m. Průřez potrubí dle ohřívače vzduchu 630 x 500 mm. Celková plocha potrubí: (2x 0,63 + 2x 0,5 m) x 560 m = 1266 m2 Budova C 3.2: Délka budovy 40 m, výška 11 m. Potrubí 3 x 2 x 40 m = 240 m. Svislá potrubí 2.11 = 22 m. Délka celkem s přičtením rezervy 10 %: 1,1 x (240 + 22) m = 290 m. Průřez potrubí dle ohřívače vzduchu 500 x 500 mm. Celková plocha potrubí: (4x 0,5 m) x 290 m = 580 m2 Budova C 3.3: Délka budovy 81 m, výška 11 m. Potrubí 3 x 2 x 23 m = 138 m. Svislá potrubí 2.11 = 22 m. Délka celkem s přičtením rezervy 10 %: 1,1 x (138 + 22) m = 180 m. Průřez potrubí dle ohřívače vzduchu 250 x 250 mm. Celková plocha potrubí: (4x 0,25 m) x 180 m = 180 m2 Vypočtený odhad ceny je potom 265 Kč.m-2x (1266 + 580 + 180) m2 = 536 890 Kč

Cenu za montáž není možné vyčíslit, neboť silně závisí na konkrétním dodavateli. Podle dostupných referencí firem zabývajících se montáží vzduchotechnických zařízení lze odhadovat cenu za montáže v řádech statisíců korun.

Součet cen za hlavní prvky vytápění v Kč činí 1807500 + 61852 + 252580 + 154000 + 97515 + 12604 + 8108 + 108240 + 34584 + 536890 = = 3 073 873 Kč


39

6.2.4.2 Porovnání původní a nové otopné soustavy Původní otopná soustava odebírala tepelný výkon ze sekundárního okruhu formou horké vody. Odebíraný výkon odpovídá celkové tepelné ztrátě budov a tepelnému výkonu potřebnému na přípravu TUV zvýšenému vlivem účinnosti přenosu tepla potrubím a účinnosti tepelných výměníků ve výměníkových stanicích. Při odhadnuté účinnosti potrubí 0,99 a účinnosti tepelných výměníků 0,95 bude výkon odebraný ze sekundárního okruhu přibližně 452,216kWt + 3,006kWt = 484,0kW t . 0,99.0,95

Nový otopný systém získává z CCHV odpadní tepelnou energii a díky TČ je schopen dodávat potřebný tepelný výkon. Nejvyšší tepelný výkon, který jsou TČ schopná dodat, je 326,6 kW při výše stanovených podmínkách. Zbylou část do 452,216 kWt celkové tepelné ztráty vytápěných budov a 3,006 kWt na přípravu TUV hradí předávací výměníková stanice. Tento zbytek činí 452,216 kWt + 3,006 kWt – 326,6 kWt = 128,622 kWt. Oproti původní otopné soustavě se tedy ze sekundárního okruhu při uvážení účinnosti potrubí 0,99 a účinnosti tepelných výměníků 0,95 odebírá tepelný výkon pouze 128,622kWt = 136,8kWt . 0,99.0,95 Rozdíl mezi výkonem odebíraným ze sekundárního okruhu původní a novou soustavou je 484,0kWt − 136,8kWt = 347,2kW t . Provoz zařízení nové otopné soustavy je hrazen elektrickou energií (předpokládá se v rámci vlastní spotřeby elektrárny). Vypočtením elektrického příkonu všech zařízení a přepočtem prostřednictvím účinností přeměny tepelné energie na elektrickou je možné zjistit, zda nová otopná soustava znamená úsporu provozních nákladů. Příkony udávají výrobci v katalozích. Výpočet celkového příkonu prvků otopné soustavy Katalogové listy výrobce uvádějí elektrický příkon TČ při teplotě vstupní vody 20°C a teplotě výstupní vody 55°C 63,9 kW. Dvě TČ odebírají 127,8 kW.

Ventilátory rekuperačních jednotek Jedna jednotka S 525: 0,35 kW Dvě jednotky S 1400 (s ventilátorem SVF 1200) 2x (2x 0,284 kW) = 1,136 kW

Ventilátory cirkulace vzduchu TXTR/4-630: 5x 1,4 kW = 7 kW TXTR/6-500: 0,27 kW TXTR/4-315: 0,13 kW


40

Oběhová čerpadla GHN 804B-R: Příkon 4x 0,5 kW = 2 kW GHN 404 C-R: Příkon 2x 0,18 kW = 0,36 kW

Celkový příkon (127,8 + 0,35 + 1,136 + 7 + 0,27 + 0,13 + 2) kW = 138,686 kW

Elektrický příkon lze pomocí účinnosti přeměny energie v turbíně a v alternátoru vyjádřit jako tepelný výkon dodaný sekundárním okruhem. Přesné účinnosti dostupné odborné zdroje ([18], [22]) neuvádí. Obvyklá účinnost turbíny bývá 0,97, účinnost alternátoru 0,98. K dodání elektrického výkonu 83,686 kW je potom potřeba tepelný výkon 138,686kW = 145,9kWt . 0,97.0,98

Vypočtené výsledky se porovnají pro dva stavy: 1. Teplo dodává TČ i výměníková stanice Stav nastává, pokud je venkovní teplota velmi nízká. Obvykle je to jen několik dní v roce při nejtužších mrazech. Celková tepelná ztráta objektů je 452,216 kWt, výkon na přípravu TUV je 3,0026 kWt, z toho 326,6 kWt dodává TČ, 128,622 kWt dodává výměníková stanice. Dle předchozích výpočtů potřebuje otopná soustava na svůj provoz 145,9 kWt. Výměníková stanice potřebuje 128,622 kWt. Celková potřeba tepelného výkonu dodaného sekundárním okruhem je 145,9kWt + 128,622kWt = 274,522kW t . Porovnáním s původní otopnou soustavou se získá úspora tepelného výkonu dodávaného sekundárním okruhem: 274,522kWt   1 − .100% = 100% − 60,31% = 39,69%  452,216kWt + 3,006kWt  Nová otopná soustava potřebuje k dodání stejného tepelného výkonu 60,31 % tepelného výkonu ze sekundárního okruhu oproti původní soustavě. Úspora činí 39,69 %. Jak je výše naznačeno, tento stav vytápění oběma zdroji trvá jen několik dní v roce. Proto dále vypočteme úsporu v případě, že teplo dodává jen TČ.

2. Teplo dodává pouze TČ Výpočet úspory se provede pro stav, kdy TČ pracuje na plný výkon, ale výměníková stanice výkon ještě nedodává. Celková tepelná ztráta budov spolu s výkonem na přípravu TUV odpovídá právě tepelnému výkonu obou TČ. Otopná soustava potom potřebuje na svůj provoz dodávat pouze elektrickou energii. Dle výpočtů provedených výše je celkový příkon zařízení 138,686 kW, k čemuž je nutné ze sekundárního okruhu dodat tepelný výkon 145,9 kWt.


41

Porovnáním s potřebou tepelného výkonu původní tepelné soustavy se získá úspora tepelného výkonu dodávaného sekundárním okruhem:

 145,9kWt  1 − .100% = 100% − 44,67% = 55,33%  326,6kWt  Potřeba tepelného výkonu dodávaného sekundárním okruhem je nyní 44,67 % tepelného výkonu dodávaného původní soustavě. Úspora činí 55,33 %.

Výpočty dokazují, že zpětným využitím odpadního tepla CCHV lze dosáhnout značných úspor tepelného výkonu odebíraného ze sekundárního okruhu. Během provozu bude úspora kolísat podle okamžitého počasí. Při vyšší venkovní teplotě bude tepelná ztráta budov nižší a TČ bude dodávat teplo do tepelného zásobníku přerušovaně, nikoliv trvale. Vyjádření úspor při různých venkovních teplotách by vyžadovalo informace o tepelných ztrátách budov při těchto teplotách.

42

7 Horkovod

7 HORKOVOD Součástí zadání diplomové práce je vytvoření základního návrhu horkovodu dodávajícího tepelnou energii z EDU do teplárenské sítě města Třebíče. Zpracuje se způsob ohřívání vody pro horkovod, zvolí se druh a trasa horkovodu, určí se teplotní poměry na trase, velikost potrubí, tlakové poměry. Cílem je přibližně zjistit, kolik tepelné energie je možné do teplárenské sítě města Třebíče dopravit.

7.1 Předběžný návrh Navržený horkovod je dvoutrubkový uzavřený, vedený na povrchu, s tlakově nezávislými předávacími stanicemi, nosičem tepla je voda, izolace je ze skelných vláken.

7.1.1 Trasa Trasa horkovodu by měla: a) být co nejkratší kvůli tepelným i tlakovým ztrátám, b) vést pokud možno tak, aby zbytečně neznehodnocovala krajinu (vedení po okrajích polí, v blízkosti silnic, obcházení sídel). Mapa na Obr. 7-1 ukazuje návrh trasy. Celková délka z EDU do průmyslové oblasti na okraji Třebíče je 23 km.

7.1.2 Ohřev a tepelné poměry Schéma tepelného oběhu EDU ukazuje, že z ohříváků odchází jisté množství kondenzátu topné páry o vysoké teplotě. Jedná se o nízkotlaké (NTO) a vysokotlaké (VTO) ohříváky napájené z odběrů turbíny. Kondenzát topné páry odchází z ohříváků do středotlakého ohříváku odplyňováku, kde se zavádí do napájecí vody. Přehled teplotních poměrů na ohřívácích ukazuje Tab. 7-1. Tab. 7-1 Teploty na ohřívácích, výběr z [18]

Ohřívaná látka

NTO1

NTO2

NTO3

NTO4

NTO5

VTO1

VTO2

220,7

230,7

220,7

264,3

264,3

377,0

377,0

37,4

54,3

75,4

100,3

120,2

166,1

189,2

54,3

75,4

100,3

120,2

145,2

189,2

222,3

Vstup (°C)

57,85

79,7

102,4

147,6

156,2

191,7

225,9

Výstup (°C)

45,7

61,4

80

108,1

127

174,45

196,9

Průtok (kg.s-1)

6,444

8,499

10,00

9,872

12,83

21,15

29,30

Průtok (kg.s-1)

Vstup (°C) (sekundární okruh) Výstup (°C) Topná látka (odběrová pára)

Pozn.: Výstupní teplota 80°C topné látky z NTO 3 je odhadnutá, [18] ji neuvádí. Průtoky topné látky jsou vypočtené podle teplot a průtoku ohřívané látky, [18] je neuvádí.

7 Horkovod

Obr. 7-1 Mapa trasy horkovodu (červeně) [16]

43

44

7 Horkovod

Z tabulky vyplývá, že dostatečnou teplotu pro postupný ohřev vody má kondenzát topné páry z NTO 2, 3, 4, 5 a VTO 1, 2. Obr. 7-2 názorně ukazuje obecné parametry výměníku používané při všech následujících výpočtech.

Obr. 7-2 Parametry výměníku i – entalpie; t – teplota; M – průtočné množství

Nejprve je nutné zjistit, jak se přibližně bude ochlazovat voda v horkovodu, aby bylo možné stanovit ohřívání v EDU. Je nutné vypočíst, jakého průtoku ohřívané vody lze dosáhnout. Předběžně se odhadnou teploty na výměnících, a to postupně od nejvyšší teploty ohřívané vody po nejnižší. Pro první výpočet bylo odhadnuto, že zdroj tepla (EDU) musí vodu ohřát ze 40°C na teplotu co nejvyšší, kolem 190°C. Uvažuje se postupné ohřívání ve výměnících vytápěných kondenzátem topné páry z NTO a VTO. Účinnost výměníku se uvažuje obvyklá hodnota 0,99. Vyjde se z teploty topné vody odcházející z VTO 2 t´1a = 196,9°C, která je na vstupu výměníku. Teplotní spády na výměnících jsou zvoleny podobné jako u NTO a VTO (Tab. 7-1), podle nichž se odhadem určily teploty na jednotlivých výměnících. Hodnoty uvádí tabulka 7-2. Tab. 7-2 Teploty na výměnících napájených výstupní vodou z daných ohříváků

Topná voda z

VTO 2

VTO 1

NTO 5

NTO 4

NTO 3

t´1a

196,9

174,5

127,0

108,1

80,0

t´1b

155,9

115,0

97,0

68,0

32,0

t´1

193,9

170,0

123,0

105,0

76,0

t´2

170,0

123,0

105,0

76,0

40,0

°C

Teplotám se podle tabulek [21] přiřadily entalpie a podle upravené rovnice tepelné bilance výměníku

M = M 1.

(i´1a .η − i´1b ) (kg.s-1; kg.s-1, kJ.kg-1,1 , kJ.kg-1, kJ.kg-1, kJ.kg-1) (i´1 −i´2 )

(7.1)

45

7 Horkovod

se vypočetly odpovídající hmotnostní průtoky. Jsou-li výměníky pro ohřev vody horkovodu v sérii, je nutné uvažovat nejnižší průtok ze všech. Nejnižší průtok M = 13,1 kg.s-1 výpočtem vychází u nejchladnějšího stupně napájeného z NTO 3. Pro horkovod se počítá s příspěvky od všech osmi turbín. Navazující výpočet ztrát tepla a úbytků teploty na trase horkovodu počítá s průtokem 8x 13,1 kg.s-1 = 104,8 kg.s-1. Výpočty jsou zjednodušené, protože se uvažuje pouze přímé potrubí (bez ohybů a armatur). Zdroj [6] uvádí tepelnou ztrátu potrubí jako

Qz =

kde

π .L.(t u − t v )

d + 2.s iz 1 1 . ln v + 2.λ iz dv α v .(d v + 2.s iz )

(W; m, °C, °C, Wm-1.K-1, m, m, m, Wm-2.K-1, m, m)

(7.2)

L – délka potrubí, tu – teplota vody v potrubí, tv – teplota okolí,

λiz – tepelná vodivost isolace dv – vnější průměr potrubí, siz – vrstva isolace,

αv – součinitel přestupu tepla do okolí. Střední tepelná vodivost sklovláknité izolace je podle [6] 0,5 W.m-1.K-1. Vnější průměr potrubí DN 300 udává [6] 325 mm. Vrstva izolace se volí 300 mm. Horkovod vede ve směru severozápad – jihovýchod, takže nejčastěji (v zimě především) vane vítr podél potrubí. Součinitel přestupu tepla do okolí se vypočte podle [6]

α v = 9,2 + 0,066

tu − tv (Wm-2.K-1; °C, °C). 2

(7.3)

Výpočtová teplota pro oblast Třebíčska je -15°C, teplotu v horkovodu volíme 180°C.

α v = 9,2 + 0,066

tu − tv 180°C − (−15°C ) = 9,2 + 0,066 = 14,65Wm − 2 K −1 2 2

Známá tepelná ztráta umožňuje vypočítat úbytek teploty a tím teplotu na konci úseku t 2 = t1 − kde

Qz (°C; °C, W, kg.s-1, Jkg-1.K-1). M .c

(7.4)

t1 – teplota na začátku úseku, t2 – teplota na konci úseku, Qz – tepelná ztráta úseku, M – průtočné množství, c – měrná tepelná kapacita odpovídající teplotě vody.

Aby bylo možné zjistit, jak se mění teplota po délce horkovodu a jestli se tím pádem nemění parametry dosazované při výpočtu, rozdělí se trasa na tři úseky po 5000 m a jeden úsek 8000 m. Pro první úsek vypadá výpočet následovně:

46

7 Horkovod

Qz =

=

π .L.(t u − t v )

d + 2.s iz 1 1 . ln v + 2.λ iz dv α v .(d v + 2.s iz )

=

π .5000m.(193,9 − (−15))°C (0,325 + 2.0,3)m 1 1 . ln + −1 −1 −2 −1 0,325m 2.0,5Wm K 14,65Wm K (0,325 + 2.0,3)m

= 2,93MW

Teplota na konci prvního pětikilometrového úseku je t 2 = t1 −

Qz 2,93.10 6 W = 193,9°C − = (193,9 − 6,2)°C = 187,7°C . M .c 104,8kgs −1 .4479 Jkg −1 K −1

Postupně se takto vypočtou všechny úseky až po výměníkovou stanici v Třebíči, tím zjistíme teplotu vody vstupující do stanice. Podle odborného odhadu může výměníková stanice vodu v horkovodu ochladit na 80°C. Tato teplota se bere jako vstupní pro výpočet teplot na úsecích vratného potrubí horkovodu. Stejným postupem se zjistí teplota ochlazené vody vstupující do EDU. Výsledky předběžného výpočtu shrnuje Tab. 7-3. Tab. 7-3 Výsledky předběžného výpočtu teplot Úsek (km)

0. - 5.

5. – 10.

10. – 15. 15. – 23.

23. – 15.

15. – 10.

10. – 5.

5. – 0.

Qz (MW)

2,930

2,843

2,757

4,279

2,132

1,165

1,131

1,098

t1 (°C)

193,9

187,7

181,6

175,7

80,00

75,15

72,50

69,92

t2 (°C)

187,7

181,6

175,7

166,4

75,15

72,50

69,92

67,42

Z tabulky vyplývá jednak využitelný spád teplot ve výměníkové stanici Třebíč, jednak spád na ohřátí v EDU (zvýrazněné hodnoty). Teplota ochlazené vody přicházející do EDU není 40°C, jak se předběžně předpokládalo, ale přibližně 67°C. Upraví se proto postup ohřívání.

7.2 Změny ve výpočtu 7.2.1 Ohřev Porovnáním teplot na výměníku napájením z NTO 3 v Tab. 7-1 a teplotou vody vracející se do EDU je patrné, že poslední výměník by ohříval jen o velmi malou teplotu. Nadále se tedy ohřev bude dít pouze čtyřmi výměníky (napájené z NTO 4 a 5 a z VTO 1 a 2). Menší vypočtený spád teplot, jakého je potřeba ohřevem dosáhnout, dovolí také vyšší průtok vody horkovodem a tím odvedení větší energie. Zvolí se vyšší průtok ohřívané vody 16 kg.s-1, upraví se teploty na výměnících. Z průtoku a příslušných entalpií lze rovnicí tepelné bilance výměníku

M1 = M.

(i´1 −i´2 ) (kg.s-1; kg.s-1, kJ.kg-1,1 , kJ.kg-1, kJ.kg-1, kJ.kg-1) (i´1a .η − i´1b )

zjistit, jaký má být průtok topné vody. Vypočtené hodnoty shrnuje Tab. 7-4.

(7.5)

47

7 Horkovod

Tab. 7-4 Potřebné průtoky topné vody

Výměník

A

B

C

D

Napájený odpadní vodou z

NTO 4

NTO 5

VTO 1

VTO 2

t´1a (°C)

108,1

127

174,5

196,9

i´1a (kJ.kg-1)

452,5

533,3

740,9

838,5

t´1b (°C)

60,00

82,00

112,0

162,0

i´1b (kJ.kg-1)

251,1

364,8

259,5

684,1

M1 (kg.s-1) potřebný

9,762

12,01

7,278

11,54

M1 (kg.s-1) možný

9,872

12,83

21,15

29,30

t´1 (°C)

91,00

120,0

170,0

193,9

i´1 (kJ.kg-1)

381,2

503,7

719,3

824,6

t´2 (°C)

67,4

91,00

120,0

170,0

i´2 (kJ.kg-1)

261,1

381,2

503,7

719,3

M (kg.s-1)

16

16

16

16

Topná

Ohřívaná

Srovnáním potřebných a nejvyšších možných průtočných množství topné vody je patrné, že zvolený průtok ohřívané vody 16 kg.s-1 lze použít. Všechny čtyři výměníky budou odebírat pouze část vody odcházející z ohříváků. Schéma ohřívání je na Obr. 7-3.

Obr. 7-3 Schéma ohřevu vody pro horkovod EXP – expandér Pozn.: Ostatní značení je shodné s Tab.7-4.

48

7 Horkovod

Vyššímu průtoku musí odpovídat průřez potrubí. Podle odborného odhadu má být kvůli menším tlakovým ztrátám rychlost proudění 1 až 1,5 m.s-1. Podle vztahu v=

M 4.M = (m.s-1; m3.s-1; m2, m3.s-1, m) 2 S π .d

(7.6)

se ze známého průtoku M a zvoleného normalizovaného průřezu potrubí S vypočte rychlost proudění. Bylo zvoleno potrubí DN 350 o vnitřním průměru 0,377 m [6], aby se omezily tlakové ztráty: v=

4.M 4.(8.0,016)m 3 .s −1 = = 1,147 ms −1 . π .d 2 π .(0,377m) 2

Rychlost proudění spadá do daného rozsahu, při dalším výpočtu tedy lze počítat s DN 350.

7.2.2 Tepelné poměry na horkovodu Nyní se vypočtou tepelné ztráty (vztah (7.2)) a úbytky teploty (7.4) na úsecích horkovodu. Výsledky obsahuje Tab. 7-5. Tab. 7-5 Výsledky výpočtu tepelných ztrát Qz a teplot T1, T2 na úsecích horkovodu Úsek (km)

0. - 5.

5. – 10.

10. – 15. 15. – 23.

23. – 15.

15. – 10.

10. – 5.

5. – 0.

Qz (MW)

3,306

3,195

3,087

4,771

2,207

1,306

1,263

1,221

T1 (°C)

193,9

186,9

180,0

173,3

80,00

74,98

72,01

69,13

T2 (°C)

186,9

180,0

173,4

163,0

74,98

62,01

69,13

66,35

Zvýrazněné hodnoty ukazují spády teplot při ohřívání v EDU (193,9°C a 163,0°C) a při odvádění tepla v předávací výměníkové stanici v Třebíči (80,00°C a 66,35°C). Z entalpií odpovídajících teplotám, účinnosti výměníku 0,99 a z průtoku se vypočte energie, kterou lze horkovodem dodat: Q = M (i´163 .η − i´80 ) = 128kg.s −1 .(688,5.0,99 − 334,95)kJ .kg −1 = 44373kJ .s −1

(7.7)

Vypočtená energie přímo odpovídá tepelnému výkonu 44,37 MW. Množství energie se bude měnit podle skutečné účinnosti výměny tepla v předávací stanici. Při venkovní teplotě vyšší než -15°C bude úbytek teploty na trase horkovodu menší a tím se zvýší využitelný teplotní spád. Změna úbytku teploty na trase je přibližně 0,74°C na 5°C změny vnější teploty. Využitelná energie by se tím měnila řádově o stovky kJ dodaných za sekundu, tj. stovky kW tepelného výkonu.

7.2.3 Tlakové poměry na horkovodu Správný chod horkovodu je zaručen, pokud se v potrubí udržují vhodné tlakové poměry. V žádném místě potrubí nesmí tlak poklesnout pod bod sytosti vody. Začala by se objevovat pára, což je nepřípustné. Tlak v každém místě potrubí určuje tlakový diagram (Obr. 7-4). Při jeho sestrojování se vychází z podélného profilu trasy horkovodu (křivka T). Křivka N je úroveň terénu zvýšená o rezervu tlaku 10 m vodního sloupce podle odborného doporučení. V žádném

49

7 Horkovod

místě diagramu nesmí čára tlaku v potrubí klesnout pod křivku N, aby nenastal podtlak a netěsnostmi se nenasál vzduch. Přerušila by se tím cirkulace vody. Tlak v potrubí nesmí přesáhnout nejvyšší tlak dovolený pro jednotlivé součásti okruhu. Spád tlaku v přívodní i zpětné větvi má být takový, aby bylo dimenzování potrubí co nejvýhodnější. V předchozí kapitole bylo zvoleno potrubí DN 350 a vypočtena rychlost proudění vody při daném průtoku. Nyní lze vypočítat tlakovou ztrátu potrubí. Jako zjednodušující předpoklad uvažujeme pouze přímé potrubí bez kolen a armatur. Výpočet se provádí podle následujícího postupu. Zjistí se Reynoldsovo číslo Re =

v.d .ρ

η

(1; m.s-1, m, kg.m-3, Pa.s),

(7.8)

v – rychlost proudění,

kde

d – vnitřní průměr potrubí,

ρ – hustota tekutiny, η – dynamická viskozita. Podle [18] je pro vodu o teplotě 180°C hustota 886,9 kg.m-3, dynamická viskozita 1,526.10-4 Pa.s a vychází

Re =

v.d .ρ

η

1.389m.s −1 .0,31m.886,9kg.m −3 = = 2,5.10 6 . −4 1,526.10 Pa.s

Počítá se s hustotou vody odpovídající její teplotě uprostřed délky potrubí. Tabulky [18] uvádějí drsnost stěn horkovodního potrubí e = 0,2 mm, pak poměrná drsnost stěn

ε=

e 0,2mm = = 0,0006 . d 310mm

Z diagramu v [6] odečteme pro toto Re a pro poměr e/d součinitel tření λt = 0,02. Teplota na trase horkovodu se sice mění, ale její změny a tím i změny hustoty mají na Re a následně na odečtený λt nepatrný vliv. Ztráta tlaku v horkovodu je při zanedbání místních ztrát L v2 ∆p z = λ t . . .ρ (Pa; -, m, m, m.s-1, kg.m-3), d 2 kde

(7.9)

∆pz – tlaková ztráta, λt – součinitel tření, L – délka, v – rychlost proudění,

ρ – hustota vody, d – průměr potrubí. Voda má v přívodní a vratné větvi rozdílné teploty. Souvisí s tím znatelný rozdíl hustot, což se projeví na změně rychlosti proudění. Do vztahu (7.9) se rychlost dosadí podle vztahu

50

7 Horkovod

v=

kde

4.M (m.s-1; kg.s-1, kg.m-3, m), 2 ρ .π .d

(7.10)

ρ – hustota vody při dané teplotě, M – hmotnostní průtok, d – průřez potrubí.

Hustota se uvažuje pro teplotu uprostřed délky větve horkovodu. Pro vodu v přívodní větvi je při teplotě 180°C hustota 887 kg.m-3, pro vratnou větev při 62°C je hustota 986 kg.m-3. Hmotnostní průtok a průřez potrubí se dosazuje shodně jako při výpočtu vztahem (7.6). Rychlost proudění v přívodní větvi je 1,293 m.s-1, ve vratné větvi 1,163 m.s-1. Vypočtené ztráty tlaku uvádí Tab. 7-6: Tab. 7-6 Velikosti ztrát tlaku Větev

Přívodní

Zpětná

Ztráty tlaku (kPa)

904,7

813,6

Průměrné ztráty tlaku (kPa.km-1)

39,34

35,38

Do tlakového diagramu (Obr. 7-4) jsou tlaky vyneseny v přepočtu na výšku vodního sloupce podle upraveného vztahu pro hydrostatický tlak. h= kde

p (m; Pa, kg.m-3, m.s-2), ρ .g

(7.11)

h – výška, p – hydrostatický tlak,

ρ – hustota, g – tíhové zrychlení. Diagram se sestrojuje od vratné větve V. Sklon (odpovídá ztrátám tlaku) i délka (odpovídá délce horkovodu) úsečky jsou známé. Úsečka se na diagramu posune do tečné polohy s mezní křivkou N. Tím je daný tlak v potrubí na straně EDU i na straně výměníkové stanice v Třebíči. V místě EDU je podle diagramu tlak přibližně 665 kPa. Voda zde má teplotu pod 70°C. Odpovídající tlak je 31,2 kPa, tedy o řád menší než skutečný. Vznik páry tedy nehrozí. Na straně výměníkové stanice je tlak o ztráty ∆pzz vyšší, tj. přibližně 1479 kPa. Teplotě vody 80°C odpovídá tlak na mezi sytosti 47,4 kPa, rezerva tlaku je tedy více než dostatečná. Dále se do diagramu zavádí tlaková ztráta výměníkové stanice ∆pzt. Přesný výpočet této ztráty může vycházet teprve z kompletního návrhu stanice s uvažováním hydraulických odporů všech armatur, kolen, výměníků atd. Takový návrh již překračuje rozsah zadání práce. Do diagramu je proto vynesena jen tlaková ztráta daná rozdílem tlaků vody na mezi sytosti odpovídající teplotám na vstupu a výstupu stanice.

7 Horkovod

51

Obr. 7-4 Tlakový diagram horkovodu 1 – varianta bez čerpací stanice; 2 – varianta s čerpací stanicí; N – nejnižší možný tlak v horkovodu; P – přívodní větev; T – úroveň terénu; V – vratná větev ∆pčs – zvýšení tlaku v čerpací stanici; ∆pst – stacionární tlak; ∆pzp – tlaková ztráta přívodní větve; ∆pzt – tlaková ztráta výměníkové stanice; ∆pzz – tlaková ztráta vratné větve

7 Horkovod

52

Uvažuje se, že tlak vody v potrubí před výměníkovou stanicí je o 745 kPa vyšší, tj. asi 2224 kPa. Podle známé tlakové ztráty přívodní větve P se vynese odpovídající směrnice. Její čárkovaná polovina (1) se v průsečíku s osou výšek protíná na hodnotě odpovídající tlaku na výstupu z EDU 3129 kPa. Tím je dán tlak vody, jaký musí vytvořit čerpací stanice na začátku horkovodu v EDU. Je to nejvyšší tlak na trase horkovodu, podle něj se proto volí jmenovitý tlak potrubí (dovolený jmenovitý tlak potrubí, označení kódem PN) a také se podle něj konstruuje čerpací stanice na začátku horkovodu. Může nastat případ, kdy nejvyšší tlak vychází jen o málo vyšší než dovolený tlak pro určité PN. Např. ve výše uvedeném případě se jedná o 3129 kPa. Normované potrubí je PN 25 odolávající jmenovitému tlaku 2500 kPa. Nelze je samozřejmě použít, musí se zvolit nejbližší vyšší, což je PN 40 (jmenovitý tlak 4000 kPa). Pokud by nejvyšší tlak přesahoval dovolený tlak potrubí jen málo, je možné umístit uprostřed trasy čerpací stanici. Tlaková ztráta je na polovičním úseku také poloviční. Čerpací stanice tlak zvýší v tomto případě přibližně o 453 kPa na hodnotu shodnou se začátkem potrubí a od poloviny trasy po výměníkovou stanici následuje opět poloviční pokles tlaku, než by byl na celé trase. Význam čerpací stanice spočívá v dimenzování potrubí a čerpací stanice na začátku na tlak. Zařazení čerpací stanice umožní snížit tlak na začátku horkovodu, pak lze použít slabší a tím i levnější potrubí. Zároveň nemusí čerpací stanice na začátku trasy pracovat s příliš vysokými tlaky. Varianta s čerpací stanicí v přívodním potrubí je v tlakovém diagramu odlišná mezi 0. a 11,5. km. Plnou čarou je vyznačena varianta s čerpací stanicí (označena 2), čárkovaně bez stanice (1). Průběh terénu nevyžaduje použití čerpací stanice ve vratné větvi.

7.2.4 Ekonomické hodnocení Otázka dodávky tepla do teplárenské sítě ve městě Třebíči má stránku technickou a finanční. Technická stránka věci spočívá v dodávce tepla z jaderné elektrárny jako relativně stabilního zdroje. Znamená to odlehčení současným výrobnám tepla zapojeným do sítě a na to navazující úspory palivového plynu. Přistupuje k tomu i fakt jisté okamžité závislosti na dodávkách plynu ze zahraničí. Při nedostatku paliva lze krátkodobě využívat velkoobjemové zásobníky plynu. Naproti tomu je jaderný reaktor díky kampaňovitému provozu po zavezení palivem schopen produkovat teplo po dobu podstatně delší. Finanční hodnocení závisí na nákladech investičních a provozních, na vzájemných dohodách zúčastněných stran o nákupu a prodeji tepla. Úplná finanční bilance projektu horkovodu může vycházet až z projektu zahrnujícího celý systém ohřívání v EDU, výstavbu horkovodu, případně i čerpací stanice a také předávací stanici mezi horkovodem a teplárenskou sítí. S ohledem na zadání práce lze nyní odhadnout pouze cenu výstavby vlastního horkovodu. Srovnat lze například s aktuálním projektem realizovaným firmou ČEZ, a. s., horkovodního napáječe zásobujícího teplem z elektrárny Dětmarovice město Bohumín. Výstavba 14,3 km dlouhého horkovodu vyžaduje investici 500 mil. Kč. Významný rozdíl však spočívá v uložení horkovodu do země, což znamená podstatné prodražení oproti venkovnímu uložení. Srovnání cen dříve realizovaných projektů v referencích odborných firem (Install Top, spol s r.o.; SE-MO; Hochtief CZ; a.s.; DC Avex, spol. s r.o.; Thermoplus, s.r.o.; Chemoprojekt, a.s.) se ukázalo jako nevhodné, protože žádná akce se svým druhem ani rozsahem nedala dobře porovnat s případem horkovodu EDU – Třebíč.

7 Horkovod

53

Odborný odhad měrné ceny horkovodu hovoří obecně o desítkách tisíc korun za jeden metr potrubí horkovodního napáječe. Při délce trasy 23000 m lze tedy náklady na stavbu odhadovat na nejméně 230 milionů korun. Výsledná cena závisí na výběru konkrétního dodavatele, na aktuálních cenách materiálu i energií, a proto je její přesnější odhad obtížný.

8 Závěr

54

8 ZÁVĚR Odpadní teplo je teplo vázané na odcházející plynné, pevné nebo kapalné látky technologické nebo energetické povahy, které se bez užitku odvádí do okolí. Vzniká ve velkém množství v průmyslu, v energetice i v menších provozech. Teplo je pro technologické procesy nezbytné. Část jej přitom uniká do okolí nebo se na konci odvádí jako odpad. Může mít i negativní účinky na okolí, např. chladící voda elektrárny Mělník vypouštěná přímo do řeky výrazně otepluje říční vodu a mění tím životní prostředí vodních živočichů. Odpadní teplo lze je vracet zpět do procesu, využívat v jiné oblasti nebo převádět na další formu energie. Teplo může nést látka o vysoké teplotě (teplo vysokopotenciální) nebo o nízké teplotě (nízkopotenciální). Změnu vysokopotenciálního tepla na nízkopotenciální lze zajistit tepelným čerpadlem. Nízkopotenciální teplo produkuje také Jaderná elektrárna Dukovany. Elektrárna sestává ze dvou hlavních výrobních bloků. Tepelné schéma je dvouokruhové. Zdrojem tepla je tlakovodní reaktor typu VVER 440, model V 213. Teplo vyvíjené v reaktoru se odvádí chladící vodou obíhající v šesti paralelních chladících smyčkách. Každá chladící smyčka je vybavena na výstupu i vstupu do reaktoru elektricky ovládanými hlavními uzavíracími armaturami, parogenerátorem a hlavním cirkulačním čerpadlem v bezucpávkovém provedení. Do jedné smyčky je připojen kompenzátor objemu. Parogenerátory se předává tepelná energie do sekundárního okruhu a odvádí se parovody k turbosoustrojí. Turbosoustrojí sestává z třítělesové parní turbíny a alternátoru. Ve VT dílu část páry zkondenzuje a vede se do dvou separátorů – přihřívačů a dále do NT dílů turbíny. Poté pára přichází do dvoudílného kondenzátoru. Cirkulační chladící voda odvádí teplo do atmosféry. Zkondenzovaná voda se dále čerpá přes ionexové filtry do pětistupňové NT regenerace a k tepelné úpravě vody. Tepelná úprava vody spočívá ve středotlaké regeneraci napájené z parního kolektoru vlastní spotřeby. Z napájecí nádrže se předehřátá voda čerpá napájecí stanicí s pěti čerpadly přes VT regeneraci do hlavního napájecího kolektoru a poté do parogenerátorů. Regenerace snižuje tepelné namáhání parogenerátoru a zvyšuje účinnost elektrárny. Z jaderné elektrárny Dukovany odchází převážně energie nízkopotenciální, neboť teplo o vysoké teplotě se v elektrárně opětovně využívá. Čistá účinnost elektrárny činí 28,22 %. Účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou je vysoká, takže velká část ztrát připadá právě na tepelný oběh. Nejvíce odpadního tepla odvádí cirkulační chladící voda (odváděný výkon asi 3200 MWt), Teplo by bylo možné dále odebírat z retenčních nádrží (5,250 MWt), odluhů (až 69,50 MWt) a z par vypouštěných z odplyňovače (asi 38,35 MWt). Všechny údaje platí pro provoz obou hlavních výrobních bloků a jsou závislé na okamžitém výkonu elektrárny a vnější teplotě. V prvních třech případech by bylo možné energii na vytápění budov získávat pouze přes tepelné čerpadlo. Páry z odplyňovače mohou pro svou vysokou teplotu ohřívat topné médium pouze přes tepelný výměník. Velikosti vypočtených tepelných výkonů ukazují, že využití odpadního tepla pro vytápění je možné. Na základě předchozích poznatků byl k vytápění budovy AB II, informačního centra a budovy trenažéru navržen teplovzdušný otopný systém využívající energii cirkulační chladící vody. Původní otopný systém je horkovodní s radiátory. Zdrojem tepla je pára z odběrů parních turbín napájející předávací výměníkovou stanici. V novém otopném systému je zdrojem tepla tepelné čerpadlo typu voda – voda odebírá teplo cirkulační chladící vodě. Přívod k tepelnému čerpadlu je vyveden z obou větví hlavního vratného kolektoru, aby byla zajištěna dodávka tepla i při odstávce jednoho reaktorového bloku nebo chladící věže. Tepelné čerpadlo přečerpá teplo na vyšší teplotu a předá je do tepelného zásobníku. Zde se akumuluje energie a připravuje teplá užitková voda. Vzduch pro vytápění se ohřívá vodními ohřívači a rozvádí se potrubím do místností. Cirkulující vzduch se odsává z vytápěných prostor a přivádí zpět do vodních ohřívačů. Část vzduchu se odvádí k rekuperaci, kde se předehřívá čerstvý vzduch nasávaný zvenčí. Z rekuperačního výměníku se vzduch vede do ohříváků a

8 Závěr

55

opět se rozvádí potrubím na místa spotřeby.Výměna celého objemu topného vzduchu by vyžadovala velmi velké rekuperační výměníky, proto byl systém navržen pouze s částečnou výměnou. V navrženém systému pracují dvě tepelná čerpadla Hennlich, G-TERM DS 5194.4 o výkonu 2x 163,3 kW. Špičkový zdroj tepla je stávající předávací výměníková stanice. Každému tepelnému čerpadlu náleží jeden tepelný zásobník NAD 750 v5. Na první zásobník jsou připojeny tři vodní ohříváky topného vzduchu TPO 8000.5 vytápějící část budovy AB II. Druhý zásobník dodává teplo do dvou ohřívačů TPO 8000.5 pro budovu AB II, jednoho TPO 6000.5 pro budovu trenažéru a jednoho TPO 900.3 pro informační centrum. Přísun vzduchu ke každému ohřívači zajišťuje jeden potrubní ventilátor TXTR. Rekuperace se provádí dvěma jednotkami Atrea S 1400 pro budovu AB II a informační centrum a jednou jednotkou Atrea S 525 pro trenažér. Celkové náklady na základní prvky otopného systému činí 3 073 873 Kč. Náklady na montáž není možné přesně určit, neboť závisí na konkrétním dodavateli. Srovnáním referencí odborných firem lze náklady na montáž odhadnout na řádově statisíce korun. Úspora provozních nákladů je vypočtena srovnáním potřeby tepelného výkonu dodaného ze sekundárního okruhu původnímu a novému otopnému systému. Díky odebíraní odpadního tepla cirkulační chladící vodě je při nízkých teplotách, kdy mimo tepelného čerpadla dodává teplo také výměníková stanice, úspora potřebného tepelného výkonu 39,69 % oproti původní otopné soustavě. Pokud je zdrojem tepla pouze tepelné čerpadlo, je úspora 55,33 %. Úspory během provozu závisí na venkovní teplotě. Horkovod dodávající tepelnou energii z EDU do teplárenské sítě města Třebíče je navržen uzavřený, dvoutrubkový, vedený povrchově, se sklovláknitou isolací. Trasa horkovodu mezi jadernou elektrárnou Dukovany a průmyslovou oblastí v Třebíči je dlouhá 23 km. Z důvodu co nejmenšího znehodnocení krajiny sleduje po většinu své délky silnici Třebíč – Dalešice. Voda o výstupní teplotě 193,9°C se připravuje ohříváním ve výměnících vytápěných kondenzátem odcházejícím ze dvou vysokotlakých a dvou nízkotlakých ohříváků sekundárního okruhu. Ohřívání vody zajišťují ohříváky v okruzích všech osmi turbín. Zvyšovací čerpadlo dodává vodu pod tlakem 3129 kPa do horkovodu. Tlakové ztráty v přívodní (horké) větvi jsou 905 kPa. Během dopravy se voda ochladí na 163°C. Předávací výměníková stanice v Třebíči vodu ochladí na 80°C. Při průtoku 128 kg.s-1 se odevzdává teplo 44,37 MJ.s-1, což odpovídá tepelnému výkonu 44,37 MW. Ochlazená voda se vrací vratnou větví, přičemž na konci má teplotu 66°C. Tlakové ztráty jsou 814 kPa. Tlakové poměry na horkovodu jsou spočteny za zjednodušujících předpokladů. Při výpočtech se uvažovalo pouze přímé potrubí bez ohybů. Skutečné tlakové ztráty by byly vyšší. Není známa přesná tlaková ztráta předávací stanice v Třebíči, která má zásadní vliv na tlaky v přívodní větvi. Umístění čerpací stanice uprostřed délky (km 11,5) horkovodu dovolí snížení tlaku v horkovodu na výstupu z elektrárny o polovinu tlakových ztrát. Dodávka tepla z jaderné elektrárny má výhodu v relativně stabilním zdroji. Znamená to odlehčení současným výrobnám tepla zapojeným do teplárenské sítě a úspory palivového plynu včetně jisté nezávislosti na dodávkách plynu ze zahraničí. Při nedostatku plynu lze krátkodobě využívat velkoobjemové zásobníky plynu. Naproti tomu je jaderný reaktor díky kampaňovému provozu po zavezení palivem schopen produkovat teplo po podstatně delší dobu. Odborný odhad měrné ceny horkovodu hovoří obecně o desítkách tisíc korun za jeden metr potrubí horkovodního napáječe. Při délce trasy 23 km lze náklady na stavbu odhadovat na nejméně 230 milionů korun. Výsledná cena závisí na výběru konkrétního dodavatele, na aktuálních cenách materiálu i energií, a proto je její přesnější odhad obtížný.

Použitá literatura

56

POUŽITÁ LITERATURA [1]

ATREA, SPOL. S R.O., výrobce rekuperačních jednotek, firemní webové stránky, [online], www.atrea.cz

[2]

BLÁHA, J., BRADA, K., Příručka čerpací techniky, Vydavatelství ČVUT, Praha 1997

[3]

BOHŮN, V., Kooperace pasivního solárního systému a tepelného čerpadla, Brno 2008

[4]

CIHELKA, J., Vytápění a větrání, SNTL, Praha 1969

[5]

CIHLÁŘ, J., FIALA, J., Technická zařízení budov, II. díl Ústřední vytápění, skriptum ČVUT v Praze, SNTL Praha 1975

[6]

ČERNÝ, V., Teplárenství a potrubní sítě, skripta ČVUT v Praze, Ediční středisko ČVUT Praha 1984

[7]

ČVUT V PRAZE – Fakulta stavební, Katedra TZB, Výpočet tepelných ztrát budov dle ČSN 06 0210:1994, [online] http://tzb.fsv.cvut.cz/?mod=podklady&id=2

[8]

ČVUT V PRAZE – Fakulta stavební, Katedra TZB, Tabulky pro navrhování ohřevu TUV, [online], http://tzb.fsv.cvut.cz/?mod=podklady&id=3

[9]

ČVUT V PRAZE – Fakulta stavební, Katedra TZB, Tepelné výpočty, [online], http://tzb.fsv.cvut.cz/?mod=podklady&id=1

[10]

DEBREZCENI, O., Potrubní technika I. a II. díl, provizorní učební texty VUT v Brně, FSI, Brno 2005

[11]

DZ DRAŽICE – STROJÍRNA, výroba ohřívačů vody, [online], www.dzd.cz

[12]

GEA FARM TECHNOLOGIES, [online], www.westfalia.com/cz/cz/products_services/proformance_equipment/products/default.aspx

[13]

HENNLICH, ZÁVOD G-TERM, výrobce tepelných čerpadel, oběhových čerpadel a příslušenství, firemní webové stránky, [online], http://www.hennlich.cz/index.php?redakce=1

[14]

KOHOUT ENGINEERING, S.R.O., [online], http://www.powerwiki.cz/attach/ET2/ORC.doc

[15]

KORNFEIL, S.R.O., [online], http://www.kornfeil.cz/produkty/vyuziti-odpadniho-tepla-vpekarnach.php

[16]

MAPOVÉ PODKLADY, [online], www.mapy.cz

[17]

MATOUŠEK, A., Elektrárny I, Ediční středisko VUT Brno, 1981

[18]

ORGREZ K.Ú.O. BRNO, Pasporty jaderných elektráren – Dukovany, Brno 1986

[19]

RAČEK, J., Jaderné elektrárny, Ústav elektroenergetiky, Brno 2002, ISBN 80-214-2158-4

[20]

RAČEK, J., Technická mechanika. Mechanika tekutin a termomechanika, Nakladatelství Novotný, Brno 2006, ISBN 80-214-2862-5

[21]

RAČEK, J., Technická mechanika, podklady pro cvičení, Nakladatelství Novotný, Brno 2004, ISBN 80-214-2773-6

[22]

ŠKRANC, K., HLAVINKA, M., Sekundární část JE VVER 440, část I. a II., ČEZ, Brno 1997

[23]

TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ BUDOV, odborný internetový server, [online], www.tzb-info.cz

[24]

VENTILÁTORY TXTR, webové stránky prodejce, [online], http://www.ventilatory.net/index.php?nid=5242&lid=CZ&oid=815496

[25]

VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE, ÚSTAV ENERGETIKY, [online], http://www.vscht.cz/ktt/zdrene/7.0_Druhodn%E9_zdroje.pdf

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Ústav elektroenergetiky. Diplomová práce. magisterský navazující studijní obor Elektroenergetika

Recommend Documents