Úspory energie rekonstrukcí pohonů napájecích čerpadel v Teplárně Strakonice

Ing. Naděžda Pavelková, ABB s. r. o.,
Ing. Pavel Kajtman, Teplárna Strakonice, a. s.

Teplárna Strakonice, a. s., patří mezi středně velké centralizované zdroje tepla. Zásobuje teplem asi 7 000 bytů a nebytový sektor v katastru města Strakonice (roční objem dodávek tepla 800 TJ, asi 34 km parovodů, asi 29 km teplovodů). Současně s tím produkuje v kombinované výrobě elektrickou energii (dodávky do distribuční sítě E.ON, roční objem výroby asi 120 GW∙h, z toho v kogeneraci 50 GW∙h).

Základní výrobní zařízení teplárny se skládá z těchto celků:

vysokotlaká část 

• kotel K1 27 MW, pára (6,3 MPa, 460 °C), hnědé uhlí (+ biomasa), z roku1954 (plánovaná rekonstrukce 2012 až 2013), 
• kotel K2 27 MW, pára (6,3 MPa, 460 °C), hnědé uhlí (+ biomasa), z roku1954, (probíhá rekonstrukce 2011 až 2012), 
• kotel K3 55 MW, pára (6,3 MPa, 460 °C), hnědé uhlí, z roku 1964 (rekonstrukce proběhla 1991), turbogenerátor TG1 8,8 MW, protitlaký, z roku 1996, 
• turbogenerátor TG2, 21,2 MW, kondenzační odběrový, z roku 1954 (modernizace 1999);

nízkotlaká část 

• kotel K4 a K5; 2× 52,5 MW, pára (1,57 MPa, 240 °C), palivo mazut, z roku 1984.

V roce 2006 bylo z důvodu nutné obnovy zařízení a optimalizace provozních nákladů rozhodnuto o přípravě modernizace napájecích stanic pro vysokotlakou část kotelny. Napájecí stanice před modernizací (uvedené do provozu v sedmdesátých letech minulého století) tvořily dvě turbonapáječky TN1, TN2 a tři elektronapáječky EN3, EN4, EN5 s motory na 6 kV (neregulované, 2 950 min–1). V roce 2008 byla TN2 nahrazena strojem s turbínou od společnosti G-team (typ TRM) a čerpadlem KSB (typ HGM). Stroj TN1 byl odstaven do studené zálohy – nadále bude využíván pouze v mimořádných provozních stavech. Po rekonstrukci kotlů K1 a K2 bude rozhodnuto o jeho dalším využití.

V roce 2007 byla zahájena příprava podkladů pro rozhodnutí o způsobu modernizace elektronapájecích stanic. Za tím účelem byl vyhodnocen dosavadní provoz a stanovena možná řešení. Základním vstupním údajem pro výpočty byla roční křivka trvání parního výkonu vysokotlaké části kotelny z údajů roku 2006 (ca 865 000 tun napájecí vody). Napájecí stanice pracují do společné sběrny napájecí vody pro kotle K1, K2, K3; dostatečný provozní tlak napájecí vody pro kotle je 8 MPa; pro provoz jsou dostačující dvě čerpadla (ostatní jsou záloha).

Pro nové napájecí stanice byla uvažována čerpadla KSB typu HGM se jmenovitými otáčkami čerpadla 3 437 min^–1, velké otáčky (původně 2 950 min^–1) jsou dosažitelné použitím měniče frekvence. Původní motory byly na napětí 6 kV, proto vznikla otázka, jakou napěťovou hladinu zvolit pro nové regulované pohony. Byla zvolena varianta s transformátorem ze 6 kV na 690 V, což bylo technicky a investičně výhodnější řešení. Dále bylo posouzeno použití menšího počtu měničů frekvence, než je počet čerpadel, s možností přepínání. Z pohledu investičních nákladů by toto řešení bylo výhodnější, z důvodu menší spolehlivosti důležitého zařízení pro provoz teplárny však bylo zamítnuto.

Provoz elektronapáječek EN3, EN4, EN5 byl kontrolován pro tyto režimy: 

• režim 1: turbonapáječka 1, elektronapáječka 3, elektronapáječka 4, 
• režim 2: elektronapáječka 3, turbonapáječka 1, elektronapáječka 4, 
• režim 3: elektronapáječka 3, elektronapáječka 4.

Výsledkem byl také výpočet energetických úspor, který vycházel z těchto předpokladů: 

• při provozu jen jednoho napájecího čerpadla je uvažován režim požadovaného průtoku (do maximální hodnoty 107 t∙h^–1); tlak ve sběrně výtlaku není udržován na konstantní hladině, což přináší další mírné zvýšení úspor; 
• při provozu dvou až tří paralelně provozovaných čerpadel se pracovní bod pohybuje na konstantní požadované hladině tlaku ve sběrně výtlaku; 
• výpočet energetické úspory výrazně ovlivňuje vlastní charakteristika použitého čerpadla a také účinnost čerpadla v různých pracovních bodech; je třeba zdůraznit, že průběh účinnosti čerpadla je velmi výrazným činitelem; na rozdíl od oběhových čerpadel napaječky pracují do vysokého statického protitlaku, a proto se vliv křivky účinnosti výrazně uplatňuje.

Režim 3 vyplynul jako jednoznačně nejvýhodnější.

Tato varianta provozu maximálně využívá elektronapáječky EN3, EN4 a EN5 k celoročnímu pokrytí výkonů bez využití turbonapáječek TN1 a TN2. První elektronapáječka zajišťuje pokrytí parního výkonu do maximální hodnoty 80 t∙h–1 a druhá elektronapáječka od výkonu 80 t∙h–1 do maximálního výkonu 160 t∙h^–1. První elektronapáječka EN3 pracuje v režimu s konstantním parním průtokem a proměnlivým tlakem ve sběrně výtlaku.

Tento režim umožňuje maximálně využít vlastnosti regulovaného čerpadla. Při provozu dvou paralelně řazených elektronapáječek je ve sběrně tlaku udržován konstantní tlak 7,5 MPa (pro nastavení FM byl později zvolen tlak 8 MPa z důvodu větší provozní bezpečnosti). První pásmo v rozsahu 80 t∙h^–1 zajišťuje první elektronapáječka EN3. Pásmo s konstantním průtokem trvá v tomto úseku 5 650 h. Zbývající časový úsek proměnlivého výkonu první elektronapáječky EN3 je rozdělen do pěti stejných časových úseků po 600 h. Pro jednotlivé časové úseky je integrována střední hodnotou parního výkonu.

Obr. 1. Transformátory
Obr. 2. Měniče frekvence
Obr. 3. Napájecí stanice
Obr. 4. Grafické vyjádření úspor vlivem regulace otáček čerpadla

Tab. 1. Porovnání měrné spotřeby v kW∙h/t v letech 2008 a 2010