Žilinská univerzita v Žilině
Strojnícka fakulta
Katedra energetickej techniky
Zdroje tepla a tepelné sítě
Část 1.
Teplárenství, vznik, historie, současnost soustav CZT,
charakteristika soustav CZT
Teplárenství
Teplárenství = odvětví energetiky = krytí potřeb tepla bytových domů,
objektů občanské vybavenosti a průmyslových podniků je zajišťováno
prostřednictvím soustav centralizovaného zásobování teplem.
Co je soustava CZT?
... systém vytápění, kdy je teplo vyráběno centrálně v jednom zdroji a následně
je přes distribuční teplárenské sítě dopravováno do více objektů.
Používá se také pojem: dálkové vytápění
Soustavy centralizovaného zásobování teplem jsou tvořeny vzájemně
propojenými částmi:
zdroje tepla = samostatně umístěné energetické výrobny, jejichž alespoň jeden
produkt tvoří teplo dodávané do tepelných sítí,
tepelné sítě = soubory zařízení určených pro dopravu tepla ze zdrojů
k odběratelům, popřípadě k propojení zdrojů mezi sebou,
předávací stanice = zařízení pro úpravu parametrů teplonosné látky na
hodnoty požadované vnitřními spotřebitelskými zařízeními,
vnitřní spotřebitelská zařízení = (zpravidla otopné soustavy a rozvody TV)
určená pro vnitřní rozvody tepla v objektech, nebo v souborech objektů
jednoho odběratele.
Vznik a historie CZT
- datuje se již před 2. světovou válkou (= název „dálkové vytápění“)
- zdrojem tepla kotel parní elektrárny
účinnější využití páry = vytápění
- myšlenka bezobslužného vytápění
- výraznější prosazení počátkem 50. let
- místo lokálních zdrojů (domových kotelen)
vytápění budoucnosti!
výstavba sídlišť
první soustavy CZT
- skupina domů napojena distribuční sítí na společnou (blokovou) kotelnu
- nejvýznamněji se CZT rozvíjelo ve městech s provozem parní elektrárny
Výhody tehdejšího CZT
- výtápěný objekt byl bez instalovaného zdroje tepla
odpadl tak komín
- menší nároky na prostor předávacího zařízení (připojení na tepelnou síť) proti
prostoru na kotel a další vybavení kotelny
- odpadl sklad paliva
možnost využití tohoto prostoru na jiné účely
- odlehčení komunikací při dovozu paliva a odvozu popela
- nižší úroveň emisní zátěže v uzavřených městských čtvrtích (zimní smog)
…však tyto přednosti se musí zaplatit
určitý finanční náklad…
Současnost CZT
postupná liberalizace cen paliv a energií, utváření konkurenčního prostředí a
příchod zahraničních investorů,
přijetí nových ekologických a energetických zákonů souvisejících s procesem
sbližování slovenské legislativy s legislativou a standardy EU
dostupnost nejmodernějších teplárenských technologií.
Důsledek výše uvedených vlivů:
stagnace v realizaci nových soustav CZT...
...ale vysoká intenzifikace celého procesu u dnes provozovaných soustav od
výroby až po konečnou spotřebu...
...typické nové prvky ve zdrojích jsou fluidní kotle, odsiřovací zařízení,
kogenerační jednotky, atd., v distribuci tepla prefabrikovaná předizolovaná
potrubí, kompaktní objektové předávací stanice, u spotřebitelů měření, regulace
a termostatické ventily.
V současné době je na území SR poměrně velké procento objektů zásobováno
systémy CZT.
I když má systém CZT celou řadu nedostatků, má dvě nesporné výhody:
- jen systém CZT může využívat alespoň část tepla, které už není
možné využít pro výrobu elektřiny,
- pomocí systému CZT lze účinně využívat netradičních paliv,
zejména pro jednomediální soustavy.
Další aspekty:
- ekologie (nižší počet nízkých komínů, BAT systémy na snižování
emisní zátěže – monitoring spalin v komínech).
- efektivnější využívání účinnosti paliva v centrálních zdrojích,
méněhodnotná a různorodá paliva, včetně odpadů, kogenerace,
- variabilita zdrojů = dodávka tepla i v případě nedostatku paliva.
- niž
ni ší poč
po et pracovníků obsluhy a údrž
dr by,
- mož
mo nost centrální regulace množ
mno ství dodávaného tepla,
- větší tepelná účinnost správně
vn navrhnutého zdroje.
Nevýhody CZT
- vysoké jednorázové investič
investi ní náklady (zdroj tepla, distribuce),
- neefektivní provoz při nízkém nebo nerovnomě
nerovnom rném vytížení soustavy,
- ztráty v dopravě a v distribuci tepla,
- obtížnější způsob měření, řízení a regulace.
Zastánci soustav CZT tvrdí...
... úvahy o odpojování nejsou na místě
st – komfort, ekonomika
odpadají vlivy jako: odpis kotle, opravy a údrž
dr ba kotle, seř
se izování hoř
ho áků,
spotř
spot eba elektrické energie pro obě
ob hová čerpadla, ceny paliva (pro
velkoodbě
velkoodb ratele).
Nejrozvinutější sítě CZT: Německo, Dánsko, Švédsko, Island
Hospodárnost moderní soustavy CZT
Meze hospodárnosti jsou dány investičními náklady tepelných sítí.
Čím vyšší je potřeba v dané lokalitě, tím nižší jsou investiční náklady na
tepelnou síť i na provoz (dopravu tepla).
Důležitá není jen potřeba tepla, ale i potřeba elektrické energie…
…s vyššími teplotami v přívodních potrubích, resp. při vyšších tlacích páry
se snižuje výroba elektrické energie.
Mnohé stávající rozvody a zařízení CZT si v současnosti vyžadují
rekonstrukce (omezení tepelných ztrát, kvalitní a komfortní teplo, nízká
cena).
Nutnost využívat nové technologie, netradiční zdroje tepla, druhotné paliva,
automatizace a řízení soustav CZT.
Když investiční a provozní náklady ovlivní cenu za teplo tak, že bude výrazně
vyšší, než při lokálním zdroji, soustava CZT = neperspektivní.
Zbytečná argumentace: o bezstarostnosti s údržbou, servisem, revizemi.
Cenu tepla může ovlivnit: snižování emisí (přechod na ekologické palivo)
Výsledná cena tepla
velkého počtu objektů.
základní motivační podmínka pro připojení
Vliv na budoucnost CZT
úplná liberalizací energetického trhu a globalizací světové ekonomiky,
mezinárodními úmluvami o ochraně naší planety (snižování emisí skleníkových
plynů, atd.),
legislativními normami a energetickou politikou zemí EU (podpora využívání
obnovitelných a netradičních energetických zdrojů, podpora kombinované
výroby elektřiny a tepla, atd.).
Budoucnost teplárenství lze charakterizovat slovy intenzifikace a kvalita.
Zaměření CZT na zvýšenou míru využívání obnovitelných zdrojů energie,
kogenerace, akumulace, měření a regulace.
Rozhodujícím měřítkem však vždy bude cena!
Principiální technologické schéma složitějšího (typického) uspořádání CZT
Principiální technologické schéma jednoduchého uspořádání CZT
Rozdělení soustav CZT
Distribuční teplárenská síť dopravuje od zdroje první médium = primární = primární
teplárenská síť.
Dopravované médium - pára = parovod
- horká voda (nad 110 °C) = horkovod
- teplá voda (do 110 °C) = teplovod
Vytápěcí médium z centrálního zdroje může mít parametry pro přímé nebo nepřímé
použití ve vytápěných objektech.
U nepřímého použití = nutná transformace média na potřebné parametry.
výměníkové předávací stanice
Předávací stanice: objektové (pouze pro 1 objekt), okrskové (více objektů).
Pro transformované médium: vlastní distribuční síť
druhé médium
sekundární síť
Taktéž existují termíny:
- jednomediální soustava CZT
ze zdroje přímo ke spotřebileli
- dvoumediální soustava CZT
ze zdroje do předávacích stanic
Teplonosná média
teplonosná látka:
- teplonosná látka musí být levná a snadno dostupná,
- nesmí způsobovat nadměrnou korozi soustavy,
- nesmí být jedovatá,
- musí být chemická stálá v rozsahu provozních tlaků a teplot,
- musí být snadno regulovatelná vzhledem k charakteru dodávky a odběru
tepla
Nejvhodnější: páry, plyny a především kapaliny = vyšší tepelná kapacita,
= výrazně nižší objem v oblasti obvyklých tlaků.
Z hlediska dostupnosti se využívá především voda a vodní pára.
Voda
- vysoká hodnota specifické měrné tepelné kapacity,
- při teplotách do 200 °C chemicky stálá.
nevýhody:
- obsahuje minerály = zanášení potrubí (zmenšování průřezu),
- zvětšuje se tepelný odpor (nežádoucí tepelná izolace) = nižší
účinnost přestupu tepla např. ve výměnících tepla,
- nutná úprava vody (magneticky, chemicky)
Rychlost proudění vody v potrubní soustavě CZT (vně obytných budov) = 2 až
3 m·s-1
Rychlost proudění vody u dálkového horkovodního rozvodu = 1 až 4 m.s-1
Teplota v přívodním potrubí soustavy CZT: 110 až 180 °C
Teplota ve vratném potrubí soustavy CZT: 60 až 90 °C
Nutnost čerpadel!
Pára
Oproti vodě:
- má větší tepelný potenciál,
- lze s ní vytápět i využívat ji k výrobním účelům (pohon),
- dopravuje se vlastním tlakem (není potřeba čerpadel),
- u tepelných spotřebičů lze využívat i teplo kondenzátu (60 až 80 °C),
- průměr vratného potrubí (pro kondenzát) je asi třetina parního potrubí.
Rychlost proudění páry v potrubí: 25 až 60 m·s-1
- pára se vyrábí v parních kotlích nebo v jaderných elektrárnách,
- v technické praxi se využívá přehřátá pára.
Jakým způsobem se získává přehřátá pára?
voda
voda na bodě
varu
x =0
mokrá
pára
0<x<1
sytá
pára
x=1
přehřátá
pára
V4
V3
V1
T
V2
V5
Kritický bod: hustota plynu se vyrovná hustotě kapaliny…
kritický bod (T = 374 °C, p = 22 MPa)
iv
kř
…fázové rozhraní mezi
kapalinou a plynem mizí…
ka
x=
x = 0,5
voda
p = konst.
kř
iv
ka
x = 0,75
kř i
v
x = 0,25
1
y
T = konst.
kritický bod (T = 374 °C, p = 22 MPa)
T
mok rá pára
x
=0
x=0
křivka sy
tosti
vody
y
ár
přehřátá pára
ka
sy
to
p
sti
to
sy
voda
sti
vo
d
p
v
…při vyšších tlacích nelze žádný
var pozorovat…
x = 0,25
přehřátá pára
sy
to
st
ip
ár
y
x=
1
x = 0,75
x = 0,5
mokrá pára
S
Technicky čistá pára
Pára má dosáhnout takové čistoty, aby nedocházelo k usazování solí v
přehřívácích páry (poruchy z přehřátí stěn trubek) a v parní turbině ( snížení
výkonu soustrojí). Pára, která nezpůsobuje nánosy je technicky čistá pára.
Pára se může znečistit přestřikem kotelní vody, která obsahuje až o několik řádů
vyšší koncentrace solí, než je limitní koncentrace solí v páře.
Proto je nutné páru na výstupu z bubnu co nedokonaleji zbavit zbytků
kotelní vody (vnitřní cyklony, kluzné plechy v kotlích).
V přehřáté páře se rozpouštějí jak přírodní příměsi tak i korozní produkty.
Rozpustnost v páře menší než ve vodě, nižší měrná hmotnost páry.
Velký význam má chování příměsí v páře o nadkritických parametrech při
průchodu turbinou, kdy parametry páry jsou od cca 24 MPa do několika kPa.
Při vysokých tlacích je rozpustnost látek v páře vysoká, ale při poklesu tlaku
klesá a soli vypadávají jako pevná fáze.
Charakteristika teplárenských soustav
Každá soustava centralizovaného zásobování teplem je charakteristická svými:
energetickými parametry (spotřeby, výroby a dodávky energie),
technickými parametry (typy a parametry instalovaných zařízení),
ekologickými parametry (produkcí odpadů a emisí znečišťujících látek do ovzduší),
ekonomickými parametry (náklady a tržbami, závazky a pohledávkami).
Teplo dodávané ze zdrojů soustavy CZT je v soustavách spotřebováváno pro
účely:
uspokojování potřeb odběratelů krytí ztrát v rozvodech,
krytí ztrát v rozvodech a výměníkových stanicích.
Prostřednictvím soustav CZT je teplo dodáváno třem hlavním typům
odběratelů:
- bytové domy (obytné soubory, činžovní a rodinné domy,
- občanská vybavenost (školy, úřady, nemocnice, obchody, sportoviště, atd.),
- průmyslové podniky (výrobní a montážní haly, administrativní budovy, sklady).
Potřeby tepla pro vytápění jsou ovlivňovány zejména vnější teplotou, tepelně
technickými vlastnostmi obvodových plášťů budov a zvoleným vytápěcím
režimem pro daný objekt.
Spotřeba tepla pro přípravu TV závisí předně na provozním charakteru
zásobovaných budov a počtu osob, které ji využívají:
- zvýšené odběry TV u bytových domů ráno a večer,
- v nemocnicích je spotřeba TV podstatně vyrovnanější,
- v průmyslových podnicích možný výskyt ostrých odběrových špiček při střídání
pracovních směn.
Nerovnosti v odběru TV jsou s ohledem na dimenzování zdrojů u spotřebitelů
zpravidla vyrovnávány akumulací.
Typické průběhy denních potřeb tepla pro vytápění různých typů odběratelů
Typický diagram potřeby tepla podle účelů spotřeby
Nejrovnoměrnější spotřeby (samozřejmě kromě ztrát tepla v rozvodech) vykazují
technologické odběry.
Odběry tepla pro technologické účely jsou typické pro parní soustavy CZT.
Pára se využívá např. v potravinářském průmyslu (mlékárny, masokombináty,
konzervárny), v chemickém průmyslu, ve strojírenství, ale i v nemocnicích
(kuchyně, sterilizace, prádelny).
Pro provoz zdrojů soustav CZT nejsou odběrové diagramy jednotlivých
spotřebitelů zase tak důležité.
Důležitější je výsledek součtu průběhů všech odběrů = projevení se efektu
současnosti (statistické rozložení špiček odběrů do delšího časového pásma).
U horkovodních soustav CZT se projevuje i efekt rozdílných dopravních
zpoždění (požadavky odběratelů lokalizovaných blíže ke zdroji se projeví dříve,
než požadavky odběratelů vzdálených).
Typický diagram doby trvání tepelného výkonu horkovodní soustavy CZT
Diagram doby trvání tepelného výkonu = sestupné seřazení hodnot okamžitých
(hodinových) výkonových zatížení soustavy v průběhu celého roku. Lze odečítat,
kolik hodin byla, je, nebo pravděpodobně bude zatížení soustavy vyšší, než zvolená
hodnota.
Základní ukazatele teplárenských soustav
Qroč = roční celková dodávka tepla do soustavy CZT (dodávka tepla pro
vytápění, pro přípravu TV, pro krytí ztrát v rozvodech a případně i dodávka tepla
pro technologické účely nebo pro chlazení a klimatizaci).
Pmax = maximální výkonové zatížení teplárenské soustavy (zpravidla nastává
při nejchladnějších pracovních dnech v roce v době ranních odběrových špiček),
Pmin = minimální výkonové zatížení teplárenské soustavy (nastává v letním
období, zpravidla ve volných dnech a v době dovolených, v nočních hodinách a
často se rovná pouze momentálnímu příkonu ztrát tepla v rozvodech),
τ = doba využití maximálního tepelného výkonu (udává dobu, za kterou by
byla realizována celková roční dodávka tepla Qroč při maximálním zatížení
teplárenské soustavy Pmax,
ttop = doba trvání vytápěcí sezóny (doba, po kterou je v zásobovaných
objektech teplo využíváno pro vytápění),
tods = doba odstávky v letním období (doba, po kterou jsou dodávky tepla
přerušeny z důvodu plánovaných oprav, nebo revizí zařízení).
Obvyklé hodnoty základních ukazatelů charakterizujících průběhy dodávek
tepla
Energetické účinnosti teplárenských soustav
Na celkových energetických účinnostech teplárenských soustav se projevuje
zejména:
- efekt účinnosti spalovacích zařízení (kotlů),
- efekt kombinované výroby elektrické energie a tepla ve zdrojích,
- ztrát tepla při jeho dopravě a distribuci,
U spalovacích zařízení (kotlů) obecně platí: čím větší výkon kotle = tím je lepší
jeho střední roční energetická účinnost.
Důvod lepší energetické účinnosti ve prospěch větších jednotek = konstrukční
dokonalost (ekonomizéry, řízené procesy spalování), způsob provozu (řazení
více jednotek a jejich udržování v optimálních režimech) a kvalita obsluhy
(proškolený personál disponující prostředky měření, řízení a regulace).
Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla = lepší zhodnocení energie
uvolňované při spalování paliv, než je tomu v případech samostatné výroby pouze
elektrické energie a samostatné výroby pouze tepla.
Parní cykly: z hlediska elektrické energie možné mírné snížení její výroby v
důsledku vyšších parametrů odebírané či emisní páry, veškeré kondenzační teplo
této páry se však využívá pro užitečné dodávky tepla a není mařeno v
kondenzátorech a následně v chladících věžích.
Porovnání výsledných efektů energetických transformací v různých typech zdrojů
spalujících tuhá paliva.
Porovnání výsledných efektů energetických transformací v různých typech
zdrojů spalujících ušlechtilá paliva.
Na celkové energetické účinnosti teplárenských soustav se samozřejmě
podílejí i ztráty tepla při jeho dopravě a distribuci.
Obvyklé hodnoty procentních ztrát tepla v jednotlivých částech a typech tepelných sítí
Download

Zdroje tepla a tepelné sítě Část 1. - Strojnícka fakulta