CZ18362U1 - Energetický systém s rozšířeným regulačním rozsahem - Google Patents

Description

Energetický systém s rozšířeným regulačním rozsahem

Oblast techniky

Toto technické řešení se týká energetického systému s rozšířeným regulačním rozsahem. Dosavadní stav techniky

Jedním z největších problémů při využívání elektřiny je nemožnost ji skladovat v původní formě energie. V každém okamžiku proto musí být zachována rovnováha mezi výrobou a spotřebou elektřiny. O to se musí v každé elektrizační soustavě starat systémový operátor, který obstarává od elektráren a tepláren podpůrné služby. Podpůrnou službou se míní možnost zdroje elektřiny velmi rychle zareagovat na požadavek systémového operátora na změnu výkonu.

Pro účely této přihlášky jsou teplárny a elektrárny v textu přihlášky označovány také jako „zdroje“.

Podpůrné služby mohou dodávat jen některé typy zdrojů. Například jaderné elektrárny je většinou neposkytují nebo jen v minimálním rozsahu. Podpůrné služby poskytují ve větším rozsahu teplárny a elektrárny vyrábějící elektřinu a teplo z uhlí nebo plynu. Rozsah poskytování podpůr15 ných služeb je však omezen instalovaným výkonem zdroje shora a minimálním technickým výkonem zdola. Minimálním technickým výkonem se myslí výkon, při kterém je možno zdroj ještě stabilně provozovat. Toto pásmo bývá u některých zdrojů ještě omezeno povinností dodávat teplo.

Důvodem nemožnosti snížit výkon tepelného zdroje na výrobu elektřiny prostým snížením výko20 nu turbíny je určité regulační pásmo provozu turbíny a parních kotlů, kde je turbínu a kotle možno provozovat. Při vysokém odběru tepla z odběrových kondenzačních turbín je navíc vysoká vynucená výroba elektřiny na vysokotlakém dílu turbíny před odběrem vyvolána právě vysokým průtokem, který je nutno pro dodávku tepla dostat z kotlů přes vysokotlaký díl turbíny a odběr páry ke spotřebiči. Parní turbínu je možno odstavit a dodávku tepla realizovat s použitím redukce páry (škrcení a chlazení o vysokých parametrech - tlak a teplota) páry vyrobené v kotlích. Při odstávce turbíny je však její další uvedení do provozu časově náročné a je spojeno s čerpáním její životnosti a značnými ztrátami na najetí z odstaveného stavu na požadovaný výkon.

Výroba tepla pro dodávku koncovým zákazníkům je u většiny zdrojů s výrobou tepla a elektřiny realizována spalováním paliva a výrobou páry v kotli. Pára o vysokých parametrech tlaku a tep30 loty prochází parní turbínou, kdy po vykonání práce a výrobě elektřiny vystupuje z turbíny a je možno ji využít k výrobě tepla pro dodávku koncovým zákazníkům v tepelném výměníku. Úroveň, kdy je pára z turbíny odebrána pro výrobu teplaje závislá na konkrétní lokalitě a technologickém uspořádání teplárny. Principielně může být odebrána jen část páry a zbytek může pokračovat například do kondenzačního dílu (odběrová turbína) nebo může být odebrána veškerá pára procházející turbínou (protitlaková turbína). Z tepelného výměníku již většinou vystupuje horká nebo teplá voda sloužící jako nosič tepelné energie ke koncovým zákazníkům. Od zákazníků se voda vrací ochlazená a ve výměníku je ohřívána opět parou na výstupní teplotu a proudí ke koncovým zákazníkům. Při výrobě elektřiny v turbíně je určitá minimální hranice jejího trvale udržitelného výkonu, tato hranice minimálního výkonu turbíny je většinou zvyšována požadavkem na dodávku tepla z odběru turbíny. V případě požadavku na snížení výkonu turbíny pro potřeby regulace výkonu může dojít k podkročení tohoto minimálního výkonu turbíny, může být využit pouze rozsah fungování turbíny daný jejími technickými možnostmi a navíc ovlivněný vynucenou výrobou elektřiny při dodávce tepla (nucené zvýšení výroby při výrobě v kombinovaném režimu).

Potřeba rozsahu regulace elektrizační soustavy se v posledních letech zvyšuje. Jednou z příčin je nárůst instalovaného výkonu ve větrných elektrárnách, jejichž provoz závisí od povětrnostních podmínek a možnost predikce provozu je tudíž minimální. Jak plyne z výše uvedeného, nevýhodou dosavadních zdrojů na výrobu elektřiny je jejich nedostatečná schopnost měnit rozsah výko- 1 CZ 18362 Ul nu elektrické energie, dodávané do sítě, při zachování stabilního provozu zdroje a bez nutnosti maření části vyrobené elektřiny.

Cílem předkládaného technického řešení je navrhnout energetický systém s rozšířeným regulačním rozsahem, který umožňuje dosažení širšího regulačního rozsahu elektrického výkonu dodávaného do elektrizační soustavy.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení splňuje energetický systém s rozšířeným regulačním rozsahem elektrického výkonu, ve kterém může být elektrická energie, vyráběná zdrojem na výrobu elektřiny nebo výrobu elektřiny a tepla, dodávána v místě připojení do elektrizační soustavy, kde regulační rozsah samotného zdroje je omezen daným maximálním výkonem zdroje shora a zdola minimálním výkonem zdroje, při kterém je možno ještě zdroj stabilně provozovat, jehož podstata spočívá v tom, ze obsahuje spotřebič elektrické energie, instalovaný ke zdroji před místem připojení do elektrizační soustavy.

Spotřebičem elektrické energie je s výhodou elektrický ohřívač pro ohřev teplonosného média.

Podle dalšího výhodného provedení je k parnímu výměníku zdroje, určenému pro ohřev topné vody parou, instalován elektrický ohřívač vody pro ohřev vody v případě potřeby snížení elektrického výkonu v místě připojení do elektrizační soustavy pod minimální výkon zdroje.

Elektrický ohřívač vody může být uspořádán pro ohřev alespoň části vratné ochlazené vody od odběratele nebo odběratelů tepla před jejím vstupem do parního výměníku, nebo pro dodatečný ohřev alespoň části vody vycházející z parního výměníku k odběrateli nebo odběratelům tepla, přičemž tyto varianty lze i kombinovat.

Přehled obrázků na výkresech

Dále budou popsána některá výhodná provedení technického řešení, z nichž jedno je popsáno s odkazem na připojený obr. 1, zobrazující schéma jednoho z možných uspořádání spotřebiče elektrické energie, který je součástí energetického systému podle technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Elektrizační soustava je poměrně často ve stavu přebytku elektřiny s požadavkem na snížení výkonu. Ekvivalentem nevyrobené elektřiny je spotřeba této energie nebo její maření. Rozsah regulace zdroje na výrobu elektřiny nebo výrobu elektřiny a tepla se dá zvětšit zařazením spotřebiče elektrické energie do energetického systému, který tak vedle zdroje obsahuje i tento spotřebič elektrické energie. Elektrická energie se nebude mařit, ale využije se na výrobu potřebného tepla.

Technické řešení využívá spojení výroby tepla se zvýšením spotřeby elektřiny v tepelných zdrojích na výrobu elektřiny nebo elektřiny a tepla (dále také jen „zdroj“), přičemž energie nebude mařena, ale účelně využita.

Zvýšení vlastní spotřeby může být realizováno například zapnutím elektrického ohřevu vody nebo jiného teplonosného média pro dodávku odběratelům nebo pro vlastní potřeby zdroje. Tím bude část elektřiny spotřebována na výrobu tepla a zároveň bude turbína provozovatelná v širším pásmu, neboť nedojde k podkročení minimálního výkonu. Při tomto řešení, zvýšení vlastní spotřeby a tím snížení sumárního výkonu energetického systému pod z hlediska turbíny udržitelnou úroveň, bude ke stávajícímu parnímu nebo horkovodnímu výměníku (dále také jen „výměník“) pro ohřev topné vody instalován elektrický ohřívač vody. Uspořádání a konkrétní řešení ohřívače vody bude záležet na každém konkrétním zdroji. Existují omezující faktory v podobě dispozičního uspořádání zdroje, parametrů topného média, specifik lokálního trhu s teplem apod.

-2CZ 18362 Ul

V případě požadavku náhlého snížení elektrického výstupu z energetického systému pod regulační rozsah turbíny v daném okamžiku (regulační rozsah je odvozen také od aktuálních dodávek tepla) bude vratná ochlazená voda od odběratelů tepla ohřívána před vstupem do výměníku elektrickým ohřevem v elektrokotli, případně topnou spirálou instalovanou přímo v potrubí nebo v jiném průtočném místě. Obdobným způsobem lze případně přihřívat vodu proudící k odběratelům. Průtok přes výměník bude zachován, spotřeba páry pro ohřev vody bude však regulována podle potřebného dohřátí vody pro potřeby kvalitní dodávky tepla koncovým zákazníkům. Schéma jednoho z možných způsobů zapojení znázorňuje obr. 1.

Elektrický kotel může být proveden jako průtočný kotel s rozsáhlou topnou plochou a bude zaío pojen ke zdroji jako součást energetického systému. Při provozu pouze s výměníkem (bez požadavku zvýšení vlastní spotřeby elektřiny) bude elektrický kotel oddělen od technologie bez jakéhokoliv vlivu na fungování zdroje. Pro eliminaci tlakové ztráty vody vlivem průtoku elektrickým kotlem při jeho nasazení může být zvýšen výkon oběhových čerpadel topné vody. Pro regulaci průtoku elektrokotlem může být instalována uzavírací armatura, která nastavením tlakových po15 měrů bude ovlivňovat průtok přes elektrokotel. Elektrokotel může být vybaven technologií pro ochranu topných ploch před provozem bez chladicího média.

Stejně bude fungovat zapojení, kterým nebude protékat veškerá vratná voda od zákazníků, ale pouze její část. V takovém případě bude navíc instalována soustava uzávěrů pro oddělení nově instalovaného zařízení.

Popsané uspořádání elektrokotle je jedním z mnoha technicky možných způsobů zvýšení vlastní spotřeby elektřiny pro ovlivnění sumárního výkonu energetického systému a tedy rozsahu nabízených podpůrných služeb.

Jak bylo shora ukázáno, hlavní výhodou a odlišností energetického systému podle technického řešení v porovnání s dosavadním stavem techniky je to, že navrhovaný energetický systém umožňuje snížit elektrický výkon v místě připojení do elektrizační soustavy v porovnání s elektrickým výkonem dodávaným samotným zdrojem, a to zvýšením spotřeby elektřiny, přičemž elektřina je účelně využita za účelem dodávek tepla. Toto řešení v porovnání s prostým mařením energie nebo celkovým odstavením zdroje kromě zvýšení regulačního výkonu přináší i účelné využití energie v palivu aje šetrnější k životnímu prostředí.

Claims (5)

1. Energetický systém s rozšířeným regulačním rozsahem elektrického výkonu, ve kterém může být elektrická energie, vyráběná zdrojem na výrobu elektřiny nebo výrobu elektřiny a tepla, dodávána v místě připojení do elektrizační soustavy, kde regulační rozsah samotného zdroje je omezen daným maximálním výkonem zdroje shora a zdola minimálním výkonem zdroje, při

35 kterém je možno ještě zdroj stabilně provozovat, vyznačující se tím, že obsahuje spotřebič elektrické energie, instalovaný ke zdroji před místem připojení do elektrizační soustavy.

2. Energetický systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že spotřebičem elektrické energie je elektrický ohřívač pro ohřev teplonosného média.

40

3. Energetický systém podle nároku 2, vyznačující se tím, žek parnímu nebo horkovodnímu výměníku (1) zdroje, určenému pro ohřev topné vody parou, je instalován elektrický ohřívač (2) vody pro ohřev vody v případě potřeby snížení elektrického výkonu v místě připojení do elektrizační soustavy pod minimální výkon zdroje.

CZ 18362 Ul

4. Energetický systém podle nároku 3, vyznačující se tím, že elektrický ohřívač (2) vody je uspořádán pro ohřev alespoň části vratné ochlazené vody od odběratele nebo odběratelů tepla před jejím vstupem do výměníku (1).

5. Energetický systém podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že elektrický 5 ohřívač (2) vody je uspořádán pro dodatečný ohřev alespoň části vody vycházející z výměníku (1) k odběrateli nebo odběratelům tepla.