ORC technologie v realizaci (II) - Trhové Sviny, srovnání

Teplárna na biomasu Trhové Sviny

Město Trhové Sviny, ležící v Jihočeském kraji v nadmořské výšce 458 m, je vstupní branou do Novohradských hor. Žije zde zhruba 4800 obyvatel.

Historie centrálního zásobování teplem ve městě Trhové Sviny sahá do roku 1977, kdy se začalo s budováním soustavy CZT. Hlavním zdrojem tepla byla výtopna spalující hnědé uhlí s celkovým tepelným výkonem 12 MW_t. V letech 1993 - 1997 byly hnědouhelné kotle postupně nahrazovány kotli plynovými o celkovém tepelném výkonu 8,73 MW_t. Tepelné hospodářství města Trhové Sviny s.r.o., jež je provozovatelem centrální kotelny, hledalo způsob zajištění vhodného alternativního zdroje tepla, a proto byl koncem roku 1999 spuštěn kotel na spalování biomasy (dřevní štěpka, piliny, kůra) o tepelném výkonu 2,5 MW_t, na který mimochodem město získalo dotaci od České energetické agentury ve výši 3mil. Kč. Dobré zkušenosti s výrobou tepla z biomasy, zejména jeho celoroční využití, snížení provozních nákladů a v neposlední řadě do jisté míry nezávislost na dodávkách zemního plynu, vedly provozovatele k úvahám o rozšíření výroby tepla z tohoto obnovitelného zdroje. Proto byla v dubnu v roce 2004 zahájena instalace dalšího kotle na spalování biomasy, tentokrát s využitím biomasy při společné výrobě tepla a elektrické energie se systémem ORC. V současné době jsou v teplárně instalovány tyto hlavní zdroje:

• 3 plynové kotle (3 x 2,91 MW_t), z nichž jeden je ve stavu studené zálohy
• kotel na spalování biomasy o tepelném výkonu 2,5 MW_t
• termoolejový kotel na spalování biomasy o tepelném výkonu 3,5 MW_t
• jednotka ORC o elektrickém výkonu 0,6 MW_e
• 2 plynové kogenerační jednotky o celkovém elektrickém výkonu 0,044 MW_e a celkovém tepelném výkonu 0,091 MW_t

Rozvod tepla, provedený pomocí dvoutrubkového předizolovaného potrubí, byl z původní délky 5,3 km rozšířen v rámci instalace technologie ORC na současných 8,4 km.

V provozu teplárny mají prioritu oba kotle spalující biomasu, přičemž maximální roční využití se předpokládá u termoolejového kotle, který je zdrojem tepla pro jednotku ORC. Jako špičkové zdroje v dodávce tepla slouží dva plynové kotle (palivo zemní plyn). Principiální skladba jednotlivých celků je totožná jako u předchozích dvou instalací (Lienz, Třebíč), liší se pouze v některých částech.

Dávkování paliva z denního skladu paliva do termoolejového kotle je zabezpečeno přesuvným hydraulickým dopravníkem, rošt kotle je šikmý posuvný s přívodem spalovacího vzduchu pomocí spalinových ventilátorů.

Obr.1 - Instalace kotle termoolejového kotle na biomasu

Obr.2 - Pohled do spalovací komory (posuvný rošt) po usazení
a před instalací vyzdívky

Spaliny z kotle proudí přes olejový výměník, ekonomizéry oleje a vody do odlučovače tuhých částic (multicyklonu) a následně do komínu. Před vstupem do komínu mají teplotu cca 200 °C. Odvod popela ze spalovací komory do venkovního kontejneru zajišťuje dopravník popele.

Obr.3 - Spalinový ventilátor a multicyklonový odlučovač tuhých
částic při instalaci

Kogenerační jednotka ORC pracuje na principu popsaném již v článku Biomasa - efektivní palivo pro ORC technologii, její elektrický výkon je 0,6 MW_e. Termoolej předehřátý v olejovém ekonomizéru (spaliny/termoolej) a v olejovém výměníku kotle ohřátý na 300°C je zavedený buď do výparníku jednotky ORC nebo do výměníku přímého ohřevu topné vody (podle potřeby) a dále zpět do olejového ekonomizéru. Havarijní chlazení okruhu termooleje je řešeno pomocí nádoby s trubkovým výměníkem termoolej/voda s přímým odparem vody z této nádoby do okolního prostředí. Systém zapojení okruhu topné vody kogenerace je oddělen od ostatního topného teplovodního systému kotelny hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků. V teplárenském režimu provozu (jednotka ORC je mimo provoz), je ohřev topné vody zajišťován pomocí výměníku termoolej/voda a dále přes výměník spaliny/voda (vodní ekonomizér). Regulace se provádí na straně termoolejového okruhu.

Obr.4 - Instalace olejového a vodního ekonomizéru

V elektrárenském režimu provozu (jednotka ORC je v provozu), je topná voda vedena od hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků přes dochlazovací výměník (teplota topné vody 60°C) do kondenzátoru jednotky ORC, kde se ohřívá na teplotu cca 80°C. Dále je topná voda vedena přes vodní ekonomizér, kde se dohřívá na požadovanou teplotu, zpět do hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků a odtud k odběru do topné sítě. Teplota topné vody na výstupu z vodního ekonomizéru je regulována škrcením na straně spalin. Maximální teplota topné vody do okruhu topné sítě je 110°C.

Obr.5 - Instalace modulu ORC

Obr.6 - Pohled na vlastní turbínu jednotky ORC

Jelikož je nutné při provozu jednotky ORC udržovat teplotní spád topné vody na kondenzátoru 80/60°C, je v okruhu topné vody vložen dochlazovací výměník, který udržuje teplotu topné vody před vstupem do kondenzátoru pod 60°C. Tento výměník je zapojen ve vloženém okruhu s nemrznoucí směsí, jehož chlazení zajišťují výměníky vzduch/nemrznoucí směs s axiálními ventilátory.

Obr.7 - Výměníky vzduch/nemrznoucí směs s axiálními ventilátory
vloženého chladicího okruhu

V porovnání s obdobnou instalací v teplárně v Třebíči či Lienzu je toto řešení z technického hlediska méně efektivní, neboť se nevyužije veškerý tepelný potenciál, který kombinovaná výroba tepla a elektrické energie tímto systémem nabízí. Jak je patrno i z předcházejícího článku, biomasa využitá v městských teplárnách ke společné výrobě tepla a elektrické energie je možnou alternativou k převážně plynovým zdrojům tepla, otázkou zůstávají náklady na pořízení takovéto technologie.

Tabulka porovnání technických parametrů jednotlivých realizací

* u teplárny Lienz se jedná o teplo vyrobené z obou kotlů na biomasu
** obtížně porovnatelné, obsahují různé technologické části a stavební objekty
*** jedná se o celkový instalovaný tepelný výkon všech spalovacích zařízení