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.

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 MW_e 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/kW_e. 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.

Pohled na otevřenou spalovací turbínu (zdroj: Siemens)

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.

3D model parního turbosoustrojí s příslušenstvím.

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 MW_e)


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.

Palivo

Jak funguje paroplynová elektrárna

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

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

O paroplynové energetice