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.

			Stadtwärme Lienz	ORC teplárna Třebíč	Teplárna Trhové Sviny
Palivo			dřevní štěpka	dřevní štěpka	dřevní štěpka
Tepelný výkon kotle		MWt	5,8	6,6	3,5
Výkon jednotky ORC	tepelný	MWt	4,65	5,38	2,8
	elektrický	MWe	1	1	0,6
Účinnost zařízení při jm.výkonu	tepelná	%	80	80,5	80
	elektrická	%	18	17	17,1
Roční využití jednotky ORC		hod/rok	7200	5500	7000
Dodávka tepla z biomasy *		MWh/rok	60000	35800	8400
Dodávka el. energie z biomasy		MWh/rok	7200	5500	4200
Průměrná cena paliva		Kč/t	1250	720	350
Celková investice **		mil. Kč	231	194	115
Uvedení do provozu		rok	2003	2005	2005
Celkový tepelný výkon teplárny ***		MWt	24,5	44,4	14,8
Délka rozvodů SCZT		m	37500	14700	8400

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