Jak snížit emise aneb vzpomínky na minulost

Článek se zaměřuje na provozní úpravu stávajícího systému centrál­ního zásobování teplem s ohledem na splnění podmínek zákona č. 383/2012 Sb. o podmínkách obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů. Autor na základě reálných provozních a lokálně klimatických podmínek upravuje nastavení jednotlivých zdrojů tepla tak, aby byl jednak splněn požadavek na zajištění dostatečného množství tepla, ale také aby nebyla překročena hranice 20 MW zavazující výrobce k obchodování s emisními povolenkami v tomto případě s emisemi oxidu uhličitého.

Recenzent: Roman Vavřička

1. Snížení jmenovitého tepelného příkonu plynové kotelny s ohledem na emise

Firma Tepelné hospodářství s. r. o. jako provozovatel výroby tepla a elektrické energie má ve svém areálu tři objekty:

• Kotelnu pro spalování zemního plynu, ve které jsou instalovány dva horkovodní kotle s označením K1 a K2 každý o příkonu 5,7 MW a jeden parní kotel s označením K3 o příkonu 14,8 MW. Celkový instalovaný příkon kotelny je Q_p = 26,2 MW.
• Budovu pro dvě kogenerační jednotky (dále jen KJ) o příkonu Q_t = 2 × 1,0 MW pro výrobu elektrického proudu a otopné vody. KJ mohou pracovat zcela nezávisle na kotelně a mají vlastní komíny. Dle vyjádření MŽP příkon KJ do zákona č. 383/2012 Sb. o podmínkách obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů nespadá.
• Objekt úpravny parametrů pára-horká voda, kde je také umístěna tzv. „točivá redukce páry“ s generátorem typu TR320 (obr. 1) pro výrobu elektrického proudu v rozsahu od 50 do 400 kW.

Poznámka recenzenta: Točivá redukce je zařízení sloužící k pohonu točivých strojů, nebo pohonu generátoru a následně k výrobě elektrické energie. Zařízení pracuje na základě redukcí tlaků páry z vyššího tlaku na nižší, s podmínkou, že snižuje obsah tepla obsažený v páře a vyrábí mechanickou práci [3]. Točivé redukce využívají část tepelné energie k výrobě elektrické energie. Teplo, které není přeměněno na elektrickou energii, se následně vy­užívá pro technologické účely nebo pro vytápění. Výkon točivé redukce je přímo úměrný množství spotřebovaného tepla a účinnosti, ale i rozdílu zpracovaného entalpického spádu [4].

Dle zákona č. 383/2012 Sb., přílohy č. 1 spadá kotelna do seznamu činností se zařízením o jmenovitým tepelném příkonu vyšším než 20 MW. Jako skleníkový plyn je uveden oxid uhličitý. Provozovatel zdroje tepla o příkonu 26,2 MW by se dle výše uvedeného zákona již dopouštěl správního deliktu a vztahovala by se tak na něj sankce dle § 18. V kotelně je prostor na umístění horkovodního kotle s příkonem 2,9 MW. Dle zákona č. 383/2012 Sb. se k jednotkám o jmenovitém tepelném příkonu nižším než 3 MW, pro účely výpočtu celkového jmenovitého tepelného příkonu, nepřihlíží.

Aby se provozovatel zdroje tepla vyhnul správnímu deliktu, musel získat od MŽP rozhodnutí o zrušení povolení k emisím. Cesta k souhlasu vedla pouze přes snížení instalovaného tepelného příkonu kotelny pod 20 MW. Z tohoto důvodu byly řešeny následující úkoly:

1. Zajistit nejvyšší možnou míru využití točivé redukce TR320 pro výrobu elektrického proudu.
2. Zabezpečit zálohu ve zdroji tepla při nejnižší venkovní teplotě při výpadku největšího zdroje tepla (parní kotel K3).
3. Zajistit přípravu teplé vody zejména v letním období.

Řešení výše uvedeného spočívalo v postupu:

• Vypočítat a nakreslit skutečný roční průběh potřeby tepla pro délku otopného období v závislosti na četnosti výskytu teploty pro danou oblast.
• Na základě ročního průběhu potřeby tepla stanovit provoz ze tří nestejných zdrojů tepla.

2. Roční průběh spotřeby tepla

Vzhledem k tomu, že Český hydrometeorologický úřad (ČHMÚ) nevede podklady pro výpočet četnosti dnů s teplotou nižší (vyšší) pro dané město, tak jsem využil dostupných podkladů z knihy Vytápění a větrání [2] pro město Liberec, které má stejné teplotní výpočtové pásmo a přibližně srovnatelnou nadmořskou výšku.

Délka topného období pro dané město d = 252 dní pro četnost výskytu teploty t_e = +13 °C a nižší. Tab. 1 udává přehled úseků pro vytvoření četnosti výskytu venkovní teploty.

Celková délka otopného období je d = 252 dnů. Doba provozu kogeneračních jednotek výhradně pro přípravu teplé vody je pak 113 dnů.

Pozn.: Četnost dní s určitou teplotou závisí na klimatických podmínkách, které se samozřejmě mohou rok od roku lišit.

3. Návrh na snížení příkonu kotlů seřízením hořáků

Kotel K3

Na parním kotli jsou instalovány dva hořáky, které musí pracovat současně. Každý z nich má rozsah příkonu od 1,48 MW do 7,4 MW.

Celkový příkon dvou kusů hořáků na kotli v rozsahu od 2,96 MW do 14,8 MW.

Návrh rozsahu seřízení 2 ks hořáků:

Seřídit příkon obou hořáků v rozmezí od 4,2 do 10,08 MW (příkon jednoho hořáku 2,1 až 5,04 MW), procentuálně vyjádřeno snížení příkonu obou hořáků v rozsahu 28 % až 68 % jmenovitého příkonu hořáků. Minimální tepelný výkon parního kotle pro hmotnostní průtok 5 t·h^–1. páry byl podmíněn posudkem na stanovení minimálního tepelného výkonu kotle.

Kotle K1, K2

Na každém horkovodním kotli jsou instalovány dva dvoupalivové hořáky typu pro spalování zemního plynu nebo LTO – každý o příkonu 0,45 až 4,46 MW. Celkový příkon hořáků na jeden kotel: 0,9 až 8,92 MW.

Pozn.: Vzhledem k možnosti nasazení KJ o příkonu 2 x 1,0 MW může být dolní hranice příkonu kotle omezena příkonem 1,0 MW.

Návrh na seřízení 2 ks hořáků:

Seřídit příkon obou hořáků v rozmezí od 1,0 do 5,7 MW (příkon jednoho hořáku 0,5 až 2,43 MW), procentuálně vyjádřeno snížení příkonu obou hořáků v rozsahu 15 % až 34 % jmenovitého příkonu hořáků.

Jmenovitý příkon hořáků umístěných na kotlích K3, K1 a K2 maximální:

10,08 + 4,86 + 4,86 = 19,8 MW.

Tento návrh byl ze strany servisní firmy na provozní rozsah plynových hořáků písemně potvrzen.

[iamge:3]

4. Zdůvodnění snížení příkonu kotlů a návrh na seřízení hořáků kotlů

Ve zdůvodnění rozsahu nastavení výkonu hořáků na jednotlivých kotlích K3, K1 a K2 byla zkoumána různá kritéria tak, abychom celkový příkon kotelny snížili na požadovanou hodnotu Q_ko,p = 19,8 MW.

Hlavním kritériem bylo spolehlivé zajištění provozu parního kotle K3 v rozsahu 5 až 12 t·h^–1 páry z důvodu provozu točivé redukce TR320, která slouží také i k výrobě elektrického proudu.

Návrh na jmenovitý příkon kotlů: Q_ko,p = 10,08 + 4,86 + 4,86 = 19,8 MW

Účinnost kotlů:

• Horkovodní kotel K1, K2 h = 0,88
• Parní kotel K3 h = 0,90

Potřeba tepla do horkovodní sítě města:

Maximální potřeba tepla Q_h,max = 12,2 MW. Maximální potřeba tepla při venkovní teplotě t_e = –18 °C je ovlivněna nasmlouvanou maximální spotřebou plynu. Stoupne-li potřeba tepla při poklesu teplot nad Q_h,max > 12,2 MW, najede jeden z kotlů K1 nebo K2 pro provoz hořáků na LTO.

Při výpadku parního kotle K3 bude dodávka tepla zajištěna následujícím způsobem:

kotel K1 a K2

• příkon kotle K1 Q_pK1 = 4,86 MW
• tepelný výkon kotle Q_tK1 = 4,86 x 0,88 = 4,27 MW
• příkon kotle K2 Q_pK2 = 4,86 MW
• tepelný výkon kotle Q_tK2 = 4,86 x 0,88 = 4,27 MW

Tepelný výkon obou horkovodních kotlů bude v případě výpadku kotle K3 posílen tepelným výkonem dvou kogeneračních jednotek o tepelném příkonu Q_t = 2x 0,9 MW = 1,8 MW. Maximální potřeba tepla do horkovodní sítě města při výpadku kotle K3 bude následující:

Q_h,max= 4,27 + 4,27 + 1,8 = 10,34 MW

Zástupci provozovatele byli současně upozorněni na skutečnost, že v případě výpadku kotle K3 ­nebude zajištěna 100% záloha ve zdroji tepla. Tuto skutečnost vzali na vědomí s tím, že se v budoucnu naskýtá možnost instalace dalšího horkovodního kotle s příkonem 2,9 MW, nebo omezení přípravy teplé vody. Případný schodek by měl pokrýt horkovodní kotel o příkonu Q_p = 2,9 MW, což při účinnosti h = 0,9 bude představovat tepelný výkon kotle Q_th = 2,61 MW. V budoucnu by tak měl být celkový tepelný výkon kotelny Q_tk = 12,95 MW_.

kotel K3

V pasportu parního kotle jsou uvedeny různé maximální výkony parního kotle v rozmezí 16 až 20 t·h^–1 páry. Minimální výkon parního kotle v pasportu není uveden. Bohužel, tepelný výkon kotle je omezen příkony dvou kusů plynových hořáků v rozsahu od 2,96 do 14,8 MW. Při dochlazení kondenzátu na cca 65 °C můžeme použít následující převod:

1 t·h^–1 páry = 0,756 MWh, nebo 1 MWh = 1,3227 t·h^–1 páry

Při účinnosti parního kotle h = 90 %, bude následně tepelný výkon parního kotle v rozsahu:

Q_tmin. = 2,96 x 1,3227 x 0,9 = 3,52 t·h^–1 páry

Q_tmax. = 14,8 x 1,3227 x 0,9 = 17,62 t·h^–1 páry

Hlavním kritériem pro využití rozsahu točivé redukce TR320 při hmotnostním průtoku páry v rozsahu m = 5 až 12 t·h^–1 páry, což představuje příkon na hořácích v rozmezí od 4,2 do 10,08 MW.

• příkon parního kotle (hořáku) max. Q_pK3 = 10,08 MW
• příkon parního kotle (hořáku) min. Q_p3 = 4,2 MW
• tepelný výkon kotle max.Q_tK3= 10,08 x 0,90 = 9,072 MW
• tepelný výkon kotle max.Q_tK3 = 9,072 x 1,3227 = 12 t·h^–1 páry
• tepelný výkon kotle min. Q_tK3= 4,2 x 0,90 = 3,78 MW
• tepelný výkon kotle min. Q_tK3 = 3,78 x 1,3227 = 5 t·h^–1 páry

Rozsah nastavení hořáků na kotli K3:

2 ks hořáků, každý hořák nastavit v rozsahu příkonu 2,1 až 5,04 MW.

Rozsah hmotnostního průtoku páry v točivé redukci: m = 5 až 12 t·h^–1 páry.

5. Vyhodnocení provozu tří nestejných zdrojů tepla

Diagram ročního průběhu potřeby tepla kryté dodávkou ze tří nestejných zdrojů tepla byl vytvořen v červnu 2019 – viz obr. 4. Po seřízení hořáků na nižší příkon jsem s napětím očekával výsledek nasazení provozu kotlů s ohledem na potřebu tepla – viz obr. 2. V období na přelomu roku 2020 a 2021 panovala po dlouhé době opravdová česká zima. Dle sdělení provozovatele zdrojů tepla se potvrdily výsledky nasazení nestejných zdrojů tepla dle ročního průběhu potřeby tepla.

Literatura

[1] Zákon č. 383/2012 Sb. ze dne 24. října 2012 o podmínkách obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů a související předpisy. In Sbírka zákonů České republiky. 16. 11. 2012, částka 142, s. 4930. Dostupné z <https://www.epravo.cz/_dataPublic/sbirky/2012/sb0142-2012.pdf>.
[2] CIHELKA, J.: Vytápění a větrání. 2. přeprac. a dopl. vyd. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1975, 697 s.
[3] Pasporty kotlů K1, K2 a K3.
[4] Informativní charakteristika točivé redukce páry TR 320 dodaná výrobcem.
[5] AMiT spol. s.r.o.: Reference: Výběr z referencí: Energetika: redukce páry [on line]. [cit. 2011-12-4]. Dostupné z WWW: http://www.amit.cz/cz/refs/ energetics/steam.htm
[6] REMER s.r.o.: Produkty: Turbíny: Obecné informace [on line]. [cit. 2011- 12-4]. Dostupné z WWW: http://www. remer.cz/pg_produkty_turbiny0_cs.htm

---

How to reduce emissions or memories of the past

The article focuses on the operational modification of the existing system of central heat supply with regard to meeting the conditions of Act No. 383/2012 Coll. on the conditions for trading in greenhouse gas emission allowances.

Based on real operating and local climatic conditions, the author adjusts the settings of individual heat sources so that the requirement to ensure a sufficient amount of heat is met, but also so that the limit of 20 MW obliging the manufacturers, who trade in emission allowances – in this case with carbon dioxide emissions, is not exceeded.

Keywords: heat supply, gas boiler rooms, steam boilers, rotary reduction, emission permits, operation optimization