O paroplynové energetice

Technologie paroplynových oběhů se začala rozvíjet v návaznosti na vývoj leteckých proudových motorů, který započal koncem 30. let minulého století. Od konce 80. let zaznamenávají paroplynové oběhy rozkvět, podnícený snahou o ekologizaci průmyslové energetiky a rostoucími ověřenými celosvětovými zásobami zemního plynu.

Model paroplynové elektrárny

Model paroplynového cyklu.

V novém tisíciletí let se celosvětová energetická síť rozrostla řádově o stovky nových paroplynových zařízení (včetně těch ve výstavbě) a celkový počet instalovaných jednotek o výkonu nad 400 MWe jde do tisíců.

Vedoucím tandemem v instalaci nových paroplynových zařízení jsou USA a Japonsko, v Evropě jsou průkopníky především Itálie, Španělsko a Velká Británie.

Paroplynový cyklus je moderním a ve světě velmi užívaným a osvědčeným zdrojem výroby elektrické energie, který díky základní konfiguraci hlavních komponent, čili spalovacích turbín, jejichž odpadní teplo obsažené ve spalinách využívají generátory páry a zásobují parou parní turbínu, dosahuje ve srovnání s uhelnými bloky vyšší tepelné účinnosti.

Spolu s použitím ekologického typu paliva, tedy zemního plynu, se tím výrazně snižuje zatížení životního prostředí oproti klasickým uhelným blokům.

Jde o jednu z variant kombinovaných oběhů, ve kterých dochází  k vícenásobnému využití vstupního tepla. Výhodami kombinovaných oběhů jsou lepší využití vložené energie a nižší emise spalin vztažené na vyrobenou MWh.

Nejnákladnější částí paroplynových zařízení je spalovací turbína. Jedním z hlavních témat pro její neustálé zdokonalování je zvyšování teploty spalin na vstupu, což zvyšuje účinnost turbíny. Během příštích pěti let se očekává postupné zvyšování na 1500°C, a tím i zvýšení čisté tepelné účinnosti paroplynového oběhu na 60%. Paroplynové elektrárny se dnes dodávají v podstatě „na klíč“, cena standardních modelů se pohybuje okolo 500 EUR/kWe. Rozptyl výsledných investičních nákladů je způsoben rozdílnými technickými a ekonomickými podmínkami instalace a uvádění do provozu, takže průměrné výsledné investiční náklady jsou zhruba dvojnásobné. Doba výstavby paroplynového zařízení se pohybuje v rozpětí 30-40 měsíců, což je výrazně méně než v případě klasických uhelných nebo jaderných elektráren.

Díky nejnižším investičním nákladům, krátké době realizace a vysoké tepelné účinnosti jsou paroplynové elektrárny výrazně zvýhodněny oproti ostatním zdrojům na fosilní paliva. Cenou za tyto přednosti je potřeba ušlechtilého a drahého paliva pro provoz spalovací turbíny.  Nové trendy v technických parametrech nebo investičních nákladech je možné sledovat na http://www.power-technology.com.

Palivo

Nejčastějším palivem paroplynových zdrojů je zemní plyn, méně často olej. V úvahu přicházejí i jiná plynná paliva, např. plyny po zplynování uhlí, biomasy nebo z různých technologických procesů, tyto případy jsou však spíše výjimečné. Jistou  perspektivu do budoucna nabízejí snad jen paroplynové zdroje s integrovaným zplynováním uhlí (IGCC – Integrated gasification combustion cycle), které patří k tzv. technologiím čistého uhlí (Clean Coal Technologies).

Výrazným rysem všech paroplynových cyklů je závislost jejich výkonu na okrajových podmínkách, tedy na teplotě vzduchu, nadmořské výšce a relativní vlhkosti. Nejvýrazněji se projevuje vliv teploty, kdy se vzrůstající teplotou okolí výrazně klesá výkon plynových turbín a mění se parametry vystupujících spalin, což ovlivňuje parní část pracovního oběhu. Je to dáno zejména změnou průtoku vzduchu nasávaného kompresorem kvůli měnící se měrné hmotnosti vzduchu.

Pro účinnost tepelných oběhů platí, že je tím vyšší, čím vyšší je střední teplota přívodu tepla do oběhu, a čím nižší je střední teplota odvodu tepla z oběhu. Vysoké účinnosti kombinovaného tepelného oběhu dosáhneme spojením parního a plynového oběhu s využitím jejich specifických předností, tj. vysoké teploty přívodu tepla ve spalovací turbíně a nízké teploty odvodu tepla v parní turbíně. Podívejte se na graf "Závislost výkonu na teplotě okolí".

Samotný výraz “paroplynový cyklus” je vlastně zjednodušený, protože z technického hlediska se jedná o dva oběhy, parní a plynový, vzájemně propojené spalinovým kotlem, kde je zbytková energie spalin vystupujících z plynové turbíny využita pro vývin páry pro parní turbínu.

Paroplynové elektrárny jsou vysoce flexibilním zdrojem, který je schopný stabilizovat elektrizační soustavu a rychle tak vyrovnávat spotřebu elektřiny s její výrobou. Jejich provozem se vykrývají špičky ve spotřebě elektřiny

Shrneme-li to, paroplynový cyklus je výjimečný svojí vysokou provozní disponibilitou, výkonem a šetrností k životnímu prostředí, na druhou stranu jsou všechny tyto výhody vyváženy potřebou ušlechtilého a drahého paliva pro provoz spalovací turbíny. 

Jak funguje paroplynová elektrárna

Výroba elektřiny v paroplynovém cyklu je snahou o maximálně účinnou výrobu elektřiny, což je zajištěno součinností dvou tepelných oběhů, parního a plynového.

Chemicky vázaná energie plynu se po jeho spálení využije nejprve v plynové turbíně a následně ve spalinovém kotli k výrobě páry, kterou je poháněna parní turbína. Elektrická energie se získává jak z generátoru poháněného plynovou tak z generátoru poháněného parní turbínou.

Tepelný oběh plynové turbíny se skládá z komprese vstupního vzduchu, jeho smísení s palivem, které shoří, a následné expanze spalin v plynové turbíně. Oběh je uzavřen výstupem spalin přes spalinový výměník.

Tepelný oběh parní turbíny se skládá z ohřevu tlakové vody na teplotu varu, vypařování, přehřátí páry na pracovní teplotu a následné expanze páry v parní turbíně. Oběh je uzavřen kondenzací páry na vodu.

Parametry paroplynového oběhu (příklad elektrárny o inst. výkonu 400 MWe)

 
Teplota spalin na vstupu do turbíny 1 400 °C
Teplota spalin na vstupu do spalinového kotle  600 °C
Tlak a teplota páry na vstupu do turbíny 16 MPa / 560 °C
Tlak a teplota páry na výstupu z turbíny 4 kPa / 29 °C
Čistá tepelná účinnost kombinovaného oběhu 58%

Výhodou paroplynového oběhu je téměř dvojnásobná účinnost výroby elektrické energie ve srovnání s klasickou uhelnou elektrárnou při dosažení minimální ekologické zátěži okolí.