Efektivní metody řešení modernizace kotlů

Jedním z pilířů české i světové energetiky budou ještě dlouho uhelné elektrárenské bloky. Požadavky, kladené na jejich provoz, jsou stále tvrdší, zejména díky těm, které souvisejí s ochranou životního prostředí. Společným řešením všech z toho vyplývajících zadání je zvyšování účinnosti transformace energie, což vede k zlepšování stávajících a vývoji nových technologií. Tento vývoj je navzdory obecně rozšířenému odmítání uhelné energetiky a současně právě díky němu pozoruhodný. Příkladem rozvoje moderních technologií mohou být bloky s nadkritickými parametry páry, tlakové fluidní kotle, či bloky s integrovaným zplyňovacím kombinovaným cyklem.
Bohužel, českému energetickému strojírenství tento vlak ujel. Příliš jsme se spoléhali na rozvoj jaderných zdrojů, podcenili jsme společenskou sílu tlaku na ekologizaci zdrojů uhelných a dostatečně jsme nevěnovali pozornost ve světě široce podporované a rozvíjené koncepci decentralizace zdrojů. Soustavný mediální tlak ekologistů vytvořil ve velké části veřejnosti dojem, že možný budoucí nedostatek energie vyřeší využívání obnovitelných zdrojů a tak jsme dnes v situaci kdy lze jen obtížně prosadit jakékoliv racionální a efektivní opatření. Nějak jsme pozapomněli, že spolehlivá a dostupná energie je základním kamenem moderní společnosti.
Škody vzniklé nedoceněním významu energetiky jsou značné. Nejenže dnes neexistuje český výrobce, schopný zajistit dodávku moderního energetického bloku, ale v bývalých významných firmách zcela chybí střední generace konstruktérů a projektantů, vybavená zkušenostmi předchůdců a o mnoho lepší není situace na technických vysokých školách. Systematické přesvědčování veřejnosti o významu obnovitelných oborů energie vyvolává zvýšený zájem studentů energetických oborů o tato zaměření a o klasickou energetiku zájem není. Jako by zde již bylo vše vyřešeno. A podobně je tomu i ve státem dotovaném výzkumu a vývoji. Je nesrovnatelně snazší získat grant na využívání obnovitelných zdrojů, než na moderní uhelný blok.
Snad se ale začíná blýskat na lepší časy a hybatelem byly České energetické závody. Již zahájený retrofit elektrárny Tušimice II a dlouho avizovaná výstavba moderního bloku s nadkritickými parametry páry mohou být prvními kroky na cestě k znovunabytí opuštěných pozic a je potěšitelné, že tyto kroky našly odezvu ve státní správě a na vysokých školách. Ministerstvo průmyslu a obchodu dotuje několik projektů, souvisejících s bloky s nadkritickými parametry páry, Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy podporuje v programu Výzkumná centra projekt „Progresivní technologie a systémy pro energetiku“ (PTSE), na jehož řešení se podílí spolu s průmyslovými partnery a výzkumnými a projektovými institucemi čtyři technické vysoké školy a na Vysoké škole báňské- Technické univerzitě v Ostravě byl s podporou společnosti Vítkovice a.s. znovu otevřen studijní obor Stavba parních kotlů a tepelných zařízení. A našlo se i 6 studentů, kteří si tento obor zvolili.

Výzkumná témata projektu PTSE
Projekt, jehož nositelem je ČVUT v Praze má za cíl „soustředit špičková vědecká a výzkumná pracoviště z ČR do výzkumného týmu, který bude řešit aktuální otázky rozvoje energetiky v ČR s využitím nejnovějších poznatků světové i tuzemské vědy a zajistit propojení na uživatelskou sféru“. Vědecko-výzkumnou náplň projektu zajišťují vybraná pracoviště strojní fakulty ČVUT v Praze, Technické univerzity v Liberci, Západočeské univerzity v Plzni, Vysoké školy báňské-Technické univerzity Ostrava a Ústavu jaderného výzkumu Řež a.s. Potenciálními uživateli výsledků dílčích částí řešení, kteří také mají zajistit nezbytné spolufinancování projektu, jsou s energetikou úzce související firmy Alstom, Dalkia ČR, Rubing, Škoda Power, Sigma Group, Vítkovice, ZVVZ Milevsko a někteří další.
Dílčí témata projektu zahrnují širokou oblast problematiky počínaje stanovením kvalitativních parametrů českých uhlí, přes analýzu klíčových uzlů parních oběhů, optimalizaci zařízení kotelny a strojovny, vypracování algoritmů řízení až po otázky spolehlivosti.
Vysokou školu báňskou – Technickou univerzitu Ostrava zastupuje v projektu Výzkumné energetické centrum a náplní jeho vědecko-výzkumné činnosti je:

• stanovení a zpracování přehledu kvalitativních parametrů domácích druhů uhlí pro nové elektrárenské bloky
• koncepční řešení matematického modelu ohniště uhelného bloku, využívajícího znalosti kvalitativních parametrů uhlí
• studium a návrh koncepčního řešení bezemisního parního cyklu.

První dvě témata se bezprostředně týkají moderních uhelných bloků a proto jsou dále uvedeny bližší informace o jejich zaměření.

Kvalitativní parametry uhlí
Při výrobě nového uhelného elektrárenského bloku velkého výkonu s vysokou účinností budou bezesporu použity technologie, realizované a provozně věřené v různých zemích světa. Prostý přenos technologie na českou palivovou základnu pravděpodobně narazí na řadu problémů, vedoucích k nedosahování předpokládaných provozních parametrů, provozním problémům a obtížné optimalizaci. Má-li kotel s nadkritickými parametry a tedy vysokou účinností bloku plnit požadované technické, emisní a ekonomické ukazatele, musí jeho konstrukce (a nejen kotel, ale celý systém přípravy paliva) vycházet z dokonalé znalosti relevantních vlastností uhlí.
Česká uhlí se například liší od německých svými termokinetickými vlastnostmi, významně ovlivňujícími spalovací proces, chemickým složením hořlaviny (téměř dvojnásobným obsahem dusíku v hořlavině) a nižší výhřevností, danou vysokým obsahem popeloviny. Stanovení termokinetických vlastností uhlí je hlavní náplní řešení této části projektu. K tomuto účelu byla v loňském roce zahájena výstavba ojedinělého experimentálního zařízení, známého jako pádová trubka, (obr. 1).

obr. 1 Pádová trubka

• Elektricky vyhřívaná kovová trubice (Fe75Cr20Al5)
• Výška reakční komory 5 m
• Vnitřní průměr 70 mm
• Teplota až 1.200 °C
• Rychlost proudění reakčního plynu až 3 m.s^-1 (spotřeba reakčního plynu 5–8 m³.hod^-1)
• Koncentrace O₂ v reakčním plynu 4–30%

Pádovou trubkou proudí směrem dolů požadovanou rychlostí reakční plyn (oxidant), jehož složení (obsah kyslíku) a teplota je volitelná a regulovaná, viz. obr 2.

obr. 2 Schéma přípravy plynu

Po výšce jsou nainstalovány injekční otvory, jimiž lze do proudícího plynu dávkovat jednotlivé částice uhelného prášku známého složení a granulometrie částic, které jsou dávkovány v tak malém množství, aby jejich hoření významně neovlivnilo prostředí v trubce, při pádu trubkou vyhořívají a na dolním konci jsou okamžitě ochlazeny, shromážděny a následně analyzovány. Postupným zvyšováním místa injektáže se prodlužuje doba hoření a tak lze zajistit dobu, potřebnou pro dokonalé vyhoření. Analyticky stanovený obsah hořlaviny v jednotlivých vzorcích pak umožní graficky určit křivku vyhoření a její derivací pak křivku rychlosti hoření. Tyto křivky pak velice přesně popisují průběh hoření při konkrétních podmínkách experimentu, tj. pro složení uhlí, velikost částic, reakční teplotu a obsah kyslíku, viz. obr. 3.

obr. 3 Průběh vyhoření a rychlost hoření uhelné částice

Obecně platné závislosti významných parametrů paliva na podmínkách hoření (termokinetické vlastnosti) lze získat opakovanými zkouškami při vhodně zvolených parametrech experimentu – teplota, obsah kyslíku a rozměr částice. Bezprostřední výsledky experimentu bude možné porovnat s již dříve zjištěnými průběhy hoření uhelného prášku v ohništích reálných kotlů, získaných provozním měřením. Ukázkou výsledků provozního měření v ohništi 200 MW uhelného bloku je obr. 4.

 
obr. 4 Průběh vyhořívání a rychlost hoření uhelného prášku v ohništi bloku 200 MW

Získané výsledky budou užitečné při návrhu konstrukčního řešení nového ohniště, poslouží při srovnávání různých druhů uhlí a ověří jejich vhodnosti pro spalování v konkrétním ohništi a zejména budou velice kvalitními zadávacími parametry pro matematické modelování ohnišť.

Matematické modelování
Moderní a efektivní metodou pro návrhy konstrukčního řešení ohnišť a spalovacích zařízení je používání matematických modelů. Jejich použití umožňuje rychle a levně srovnávat navržené varianty řešení a optimalizovat konečnou volbu. Podmínkou však je, aby výsledky výpočtu dostatečně přesně odpovídaly skutečnosti. Tento postup je stále více používán ve většině inženýrských činností a postupně se začíná uplatňovat také při řešení úloh, zahrnujících spalovací procesy.
Výzkumné energetické centrum již několik let spolupracuje v této oblasti se společností MORE a vždy je důsledně dodržováno nezbytné srovnání model – dílo. Zajímavým výsledkem vzájemné spolupráce je například matematický model ohniště pro spalování dřeva o jmenovitém výkonu 8 kW, jehož výsledky jsou úspěšně využívány při návrhu ohnišť krbových kamen, obr. 5.

obr. 5 Výpočet trajektorie spalin v ohništi krbových kamen

Nyní v rámci projektu PTSE, bude spolupráce pokračovat a zaměří se na zdokonalování matematického modelu ohniště práškového kotle velkého výkonu. Budou přitom využity dosavadní zkušenosti a poznatky z provozních měření, jakož i získané poznatky o termokinetických vlastnostech vybraných druhů uhlí z výsledků testů, prováděných na pádové trubce.
Společnost MORE se systematicky věnuje vývoji a zdokonalování matematického modelování ohnišť CFD programem Fluent a vedle spolupráce s Výzkumným energetickým centrem také spolupracuje s měřící skupinou Katedry energetiky Vysoké školy báňské-Technické univerzity Ostrava. Jejími pracovníky provedené srovnávací měření v ohništi kotle Elektrárny Prunéřov umožnilo dále upřesnit postup matematického modelování, což dokládají následující obrázky. Na obr. 6 je ukázka výsledku výpočtu koncentrace uhelného prášku a teplotního pole v ohništi.

obr. 6 Výpočet koncentrace uhelného prášku a teplotního pole ve spalovací komoře

Obr. 7 pak nabízí srovnání vypočteného a naměřeného teplotního pole ohniště – srovnání model/dílo.

obr. 7 Teplotní pole v ohništi, model/dílo

Závěr
Řešení dílčích témat projektu PTSE, týkajících se spalování uhelného prášku, rozšíří poznatky o kvalitativních parametrech uhlí ve vztahu k průběhu a kvalitě spalovacího procesu a umožní dále upřesnit metodiku matematického modelování ohnišť. Získané výsledky budou představovat nabídku technické podpory firmám, zabývajícím se výstavbou, či rekonstrukcí uhelných kotlů. Nezanedbatelné také je, že tento technicky náročný a zajímavý projekt je řešen na vysoké škole, často se spoluúčastí studentů. Nepochybně to posílí zájem o studium náročných energetických oborů. A to je snad nejdůležitější.

Oznámení
Tento příspěvek vznikl díky řešení projektu „Progresivní technologie a systémy pro energetiku“ – 1M 06059 programu MŠMT „Výzkumná centra“.

Tento příspěvěk byl prezentován na koferenci Kotle a energetická zařízení 2007.

Autor

• Prof. ing. Noskievič Pavel CSc.