Od Špitálky k Červenému mlýnu Energie a teplo pro Brno (3)

Poválečné Brno potřebovalo velké množství energie a tepla. Významnou měrou ho musela pokrýt teplárna na Špitálce. První rekonstrukční a modernizační kontakty s generálním projektantem díla Škodovými závody započaly již na podzim roku 1945. Město rozhodlo zůstat u základního schématu teplárny. Zvýšilo však oba základní parametry: tlak páry na 10,0 MPa a teplotu na 510 ?C. Výstavba započala v roce 1949. Byly postaveny tři kotle, každý o výkonu 79 MW. Do roku 1955 pak byla Špitálka doplněna o dvě protitlaké turbíny (shodně 25,5 MW) a dvě kondenzační turbíny (22,8 a 5,0 MW), čímž vzrostl celkový elektrický instalovaný výkon na 101,1 MW. Krátce (do roku 1964) se změnilo rovněž palivo: uhlí v teplárně vystřídal zemní plyn. Zpětný převod teplárenského provozu na pevná paliva si vyžádal posílení kapacity centrální mlýnice. Ke zlepšenému zásobování teplem bylo rovněž vybudováno propojení se závodní teplárnou První brněnské strojírny. Tím vzrostla kapacita dodávek tepla zejména pro východní průmyslové části Brna. Nezbytnou modernizací a rozvojem prošly rovněž teplárenské sítě: parní i horkovodní. Stávající páteřní síť se v centru města a v nových obytných okrscích začala lokálně rozvětvovat. Napomohly k tomu vývody ze závodních tepláren, zejména z První brněnské strojírny. I přes nastoupené vysoké tempo výstavby nových a propojování stávajících sítí soustava chvílemi nestačila plně uspokojovat požadavky firem i občanů na teplo. V některých úsecích (zvláště koncových) se vyskytovaly větší poklesy tlaku. V letech 1969 a 1970 se hledala různá technická opatření, jak této situaci čelit. Špitálka řadu let zápasila se zanášením agregátů tvrdými krystalickými křemičitými nánosy. K zásadní proměně jejího vodního a chemického režimu došlo v roce 1955, kdy byla zprovozněna kotelna 10 MPa. Přídavná napájecí voda byla napříště desilikovaná vápnem zahorka. Tvůrcem této revoluční metody byl Ing. František Kopecký. Původní kvinteto desilikačních stanic bylo projektováno na výkon 5 × 70 t.h-1. Reálný výkon se však ustálil na 5 × 60 t.h-1. Zároveň se začala provádět koncepční úprava vratných kondenzátů, které byly po průchodu mechanickým filtrem doměkčovány v sodíkovém cyklu. BRNĚNSKE TEPLO V 60. A 70. LETECH 20. STOLETI V Brně začala vyrůstat nová sídliště. Zájem o spolehlivé dodávky cenově dostupného tepla se stupňoval. Brněnská teplárenská soustava, kterou postupně napájelo šest teplárenských zdrojů, definitivně ztrácí dominantní rysy proprůmyslové soustavy a transformuje se v soustavu oblastní, rovnoměrně zásobující jak velkoodběratele v průmyslových a administrativních objektech, tak občanskou veřejnost. Zbavila se rovněž předchozí pečeti vysoce komfortního způsobu vytápění a stala se integrální součástí standardního života města a jeho obyvatel. I přesto, že objemy vyrobeného a distribuovaného tepla postupně rostly, v sezónní špičce se vedle centrálního zdroje musely do soustavy zapojovat závodní teplárny a blokové kotelny. Jako špičkové zdroje se využívaly rovněž nové výtopny v postupně budovaných sídlištích na okrajích města. Aby teplo získali i obyvatelé nového sídliště na Starém Brně, vznikla zde v roce 1964 špičková výtopna se čtyřmi parními kotli na hnědé uhlí, o tlaku 1,4 MPa, teplotě 235 ?C, každý o výkonu 12 t.h-1. Pro sídliště Lesná, Žabovřesky a Královo Pole vyrostla špičková výtopna Červený mlýn (1966-1969). Byla vybavena čtyřmi horkovodními (2 × 11,6 MW a 2 × 58 MW) kotli. Do parní teplárenské soustavy Brna se zapojila i závodní teplárna Královopolské strojírny. V roce 1964 tu vznikla redukční stanice o výkonu 30 MW/40 t.h-1. Zásadním příspěvkem k uspokojení rostoucí poptávky po teple se měl stát na počátku roku 1970 nový zdroj v Brně-Maloměřicích. Termín zahájení výstavby však byl několikrát přesunut. Jihomoravské elektrárny z titulu snížení disparity prosadily alespoň výstavbu dalších špičkových kotlů na těžký topný olej v teplárně Špitálka. První (36 MW/50 t.h-1) byl zprovozněn v roce 1969. Další dva kotle (17 MW/24 t.h-1) jej následovaly o tři roky později. S cílem vyhovět novým potřebám a neohrozit vnitřně provázaný chod města a zajistit, aby vynaložené investice garantovaly bezporuchový chod energetické a teplárenské soustavy Brna a přilehlé aglomerace, objednaly krajské i městské orgány u Energoprojektu teplofikační studii. Ta se měla stát dlouhodobě platnou integrální součástí Směrného územního plánu města. Byla schválena v květnu 1970, mj. umožnila do roku 1972 výstavbu dalších špičkových kotlů na Špitálce a přistoupit k výstavbě nové teplárny Brno-sever (1971). Projektanti maloměřické teplárny počítali v I. etapě výstavby se dvěma parními mazutovými kotli, každý o výkonu 55 MW/75 t.h-1, 1,3 MPa a 240 ?C. Dokončili je v roce 1974 a o rok později propojili s teplárenskou soustavou pomocí nově budovaného parovodu Js 800. Jejich význam město a obyvatelé ocenili vzápětí: 28. února 1975, kdy na Špitálce došlo k závažné havárii. Náprava jejích důsledků vnesla do brněnského teplárenství řadu technických a provozních změn. Rozhodnutím vlády bylo ukončeno spalování polského černého uhlí a Špitálka přešla na zemní plyn. Vládní usnesení č. 127/1975 počítalo nejen s obnovou poničeného zařízení (zejména kotle K 26), ale i s urychlenou výstavbou teplárny Brno-sever v Maloměřicích. Tam byly nasazeny tři středotlaké parní kotle, každý s parametry 75 MW/ 115 t.h-1, 1,3 MPa, 240 ?C. Třebaže objemy vygenerovaného tepla překračovaly předválečné bilance, vlivem zmíněné havárie, ale i disproporcí při výstavbě nových sídlišť a nových tepelných zdrojů, muselo město v 70. letech přistoupit k poměrně razantním regulačním opatřením. Odborníci volali po sofistikované dlouhodobé koncepci zásobování Brna teplem. Zpřísňovaly se ekologické a zdravotní normy. V návrzích na řešení dostatečné výroby tepla pro Brno se objevil i jeden pozoruhodný: využít k vytápění Brna velkokapacitní zdroj v podobě dodávek horké vody z jaderné elektrárny Dukovany. Experti zvažovali dvě základní varianty: dálkový přenos tepla v horké vodě (max. 800–900 MW), přičemž po trase by se mohli časem připojit další odběratelé (zejména v jiho- a severozápadních okrajích Brna), anebo výstavbu jaderné výtopny se dvěma reaktory o výkonu 2 × 300 MW na jižním předměstí Brna. Žádná z tehdejších variant se však nenaplnila. PAROPLYNOVA TECHNOLOGIE TEPLARNY ČERVENY MLYN Na přelomu 80. a 90. let se Teplárny Brno staly předmětem kritiky veřejnosti za špatné ekologické parametry uhelných kotlů v lokalitě Červený mlýn, jejímž hlavním úkolem bylo zásobovat teplem rozrůstající se sídliště Lesná, Žabovřesky a Královo Pole. Nabízela se obnova uhelných kotlů s novými filtry a odsířením, výměna uhelných kotlů za plynové – ať už s kogenerací či bez ní – nebo nová, vyšší forma kogenerace, paroplynový cyklus. Největší výhodou paroplynové technologie je ještě vyšší využití ušlechtilého paliva k výrobě elektrické energie a tepla a díky tomu ještě vyšší účinnost zařízení, než jaké dosahují obvyklé kogenerační technologie. Palivo, zemní plyn, je vedeno nejdříve na plynovou turbínu, která přes spojku pohání první generátor vyrábějící elektrickou energii. Protože plyny za turbínou, jejíž spalovací komory pracují s teplotami kolem 1100 ?C, dosahují stále ještě teploty 571 ?C, jsou vedeny do zvláštního spalinového kotle, kde se vyrábí pára napájející parní turbínu s odběrem. Na tu je napojen další generátor, zatímco zbytek zařízení za touto turbínou se podobá nám již známé kogenerační technologii. Je tedy zřejmé, že paroplynová technologie nabízí ve svém důsledku vyšší využití paliva a tím i vyšší účinnost, jak je patrné i z technických parametrů provozu Červený mlýn. Je tu však ještě jedna velká výhoda této technologie spočívající v možnosti výroby elektrické energie z plynové turbíny v období, kdy požadavky na odběr tepla nejsou dost vysoké k tomu, aby provozovatel udržoval v chodu celou paroplynovou technologii. Paroplynový cyklus má díky mnohonásobnému využití energie paliva vysokou účinnost, až 89% (české elektrárny přitom mají v průměru 30% účinnost), šetří palivo, je ekologický a flexibilní. Pracuje však s plynem, v našich podmínkách poměrně drahým palivem. Proto se s ním musí umět zacházet – jeho nasazení se nejlépe projeví v kombinaci s jinými technologiemi a dalšími, navzájem propojenými zdroji. Právě to byla situace brněnských tepláren na počátku 90. let. Stručně řečeno, pro budoucí provoz Červeného mlýna bylo možné volit levnou výrobu tepla, ale s menší účinností, nebo využít sice drahé technologie, ale vyrábět s vysokou účinností teplo a elektrickou energii odpovídající moderním požadavkům na využití paliva a emisním limitům. Navíc se zde nabízela teoretická možnost: v případě potřeby, tedy v krajní nouzi způsobené například narušením elektrického vedení české přenosové soustavy, by tato paroplynová jednotka mohla za určitých okolností zásobovat město Brno elektrickou energií, byť v úsporném až havarijním režimu. Volba paroplynové technologie měla i své odpůrce, ale čas prokázal, že vysoká účinnost zařízení se může v nových podmínkách organizace energetického trhu prosadit. Vedení Tepláren Brno na počátku 90. let posílilo už tak vysokou technickou úroveň zařízení dalšími požadavky a doplnilo tehdy obvyklou paroplynovou technologii výraznými, v té době ještě neobvyklými prvky. Prvním byla stavba tzv. zásobníku tepla a druhým příprava základů tzv. by-passového komína, jehož stavba se uskutečnila až v roce 2004. Oba prvky silně omezily známé nevýhody teplárenských energetických zařízení vyplývající ze sezónního režimu spotřeby tepla. Energii totiž nelze vyrobit do zásoby a nelze ji skladovat. Je však možné pro teplárenské potřeby akumulovat vyrobené teplo, pro které není okamžitý odběr, ve vodě v izolované a od soustavy oddělené nádrži. V provozu Červeného mlýna byla právě taková nádrž na žádost Tepláren Brno instalována. Ve vhodný okamžik tak mohou teplárny vpustit teplo do systému, i když výrobní část třeba právě nepracuje. Takto mají teplárny v rezervě pro špičkovou spotřebu akumulováno 600 GJ tepla. By-passový komín dovoluje zkrátit výrobní cyklus energie a omezit provoz jen na využití první části, plynové turbíny s generátorem. Plynová turbína může být díky rychlému startu a snadné regulaci nasazena právě v podpůrných službách přenosové soustavy a vyrábět tak energii i ve chvíli, kdy je spotřeba tepla v systému CZT minimální a paroplynový cyklus by musel být odstaven. Srdcem paroplynového zařízení je plynová turbína. V případě brněnské instalace je to jednohřídelový stroj s kompresorovou a spalovací částí. Na hřídel turbíny je napojen dvoupólový synchronní generátor, a to přes převodovku, neboť samotná plynová turbína dosahuje otáček kolem 5400 min-1. Ty je třeba redukovat na stabilní otáčky generátoru v úrovni 3000 min-1. Spalováním plynu na 24 hořácích kruhové spalovací komory přeplňované kompresorovou částí je poháněna čtyřstupňová turbínová část stroje. Kompresorová část se 17 řadami lopatkování je umístěna na stejné hřídeli, ale před spalovací komorou a vhání do spalovací komory 188,5 kg.s-1 vzduchu. I při tomto přeplňování spalovacích komor je výstupní teplota spalin 571 ?C a tato tepelná energie je dále využívána ve spalinovém kotli. Ten je dalším výrazným prvkem paroplynové technologie a v běžné kogenerační technologii neexistuje. Spalinový kotel je umístěn za plynovou turbínou a využívá teplo, které z ní vychází. Je to velmi zajímavé zařízení na vývoj páry a horké vody, jež si sice vystačí s horkými spalinami turbíny, ale může být případně vybaveno i dodatečným přídavným ohřevem. V případě Červeného mlýna je jeho konstrukce uzpůsobena pro třítlakový provoz a přirozenou cirkulaci. Má vysokotlakou a nízkotlakou část, parní okruh pro termické odplynění a ohřívák síťové vody. Konstrukcí i požadavky provozu je dáno, že různé části kotle pracují s různými tlaky a teplotami. Vstupní teplota spalin do tohoto kotle je 571 ?C a vysokotlaká část je pod tlakem 3,5 až 6,5 MPa. Další konstrukční prvky kotle jsou určeny k regulaci provozu kotle pro co největší využití tepla spalin. K zajištění špičkového výkonu v odběru tepla je provoz Červený mlýn, který dnes zásobuje sídliště Žabovřesky a Královo Pole, vybaven i dvěma plynovými horkovodními kotli s výkonem 2 × 27 MW. Ty jsou zařazeny až za výměníkovou stanici a ohřívají oběhovou vodu CZT na potřebnou teplotu při špičkových odběrech za silných mrazů. PAROPLYN A LIBERALIZOVANY TRH Provozovat paroplynový cyklus je možné jen v prostředí vysoce organizovaného systému výroby a prodeje tepla a elektrické energie. Takovou situaci v Teplárnách Brno předpokládali již na počátku 90. let. Skutečná liberalizace českého trhu s elektřinou ale nastala až po roce 2002. Specifičnost podmínek liberalizovaného trhu s elektřinou však díky instalované paroplynové technologii nabídla Teplárnám Brno příležitost působit nejen jako dodavatel předem sjednaných odběrů, ale vstoupit do systému elektrizační soustavy také jako poskytovatel podpůrných služeb. V praxi to znamená, že Teplárny Brno poskytují regulační služby systému a přispívají tak ke spolehlivému chodu celé elektrizační soustavy. Variabilním využitím paroplynového cyklu se tak Teplárnám Brno otevřely nové možnosti příjmů, které se odrážejí i v cenách tepla pro Brňany. NIŽŠI EMISE Výstavbou paroplynové technologie v provozu Červený mlýn se dosáhlo významného snížení emisí při výrobě tepla pro centrální zásobování. Při spalování zemního plynu jsou emise oxidů dusíku a oxidu uhelnatého nižší než příslušné limity. Emise oxidu siřičitého se dostaly na hodnoty nesrovnatelně nižší než v předešlých letech. Teplárny Brno zásobují asi 92 000 brněnských domácností (zbytek domácností využívá individuální kotelny a topidla na plyn) a mnoho společenských budov, tedy celkem 1054 míst, lze říci, že zatěžuje brněnské ovzduší jen minimálně. Při bližším pohledu na kategorii energetických zdrojů s výkonem nad 5 MW a jejich podíl na znečištění Brna, pak jde pouze o 7,8 %. Domácnosti nenapojené na CZT Tepláren Brno produkují 6,3 % celkového emisního zatížení města, zatímco doprava zodpovídá za plných 85,9 % znečištění ovzduší Brna. /tt/