Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

25. PARNÍ TURBÍNA V TECHNOLOGICKÉM CELKU

Koupit celý článek ve formátu PDF za 90 Kč
nahled pdf formatu Často kladené dotazy, informace o prodeji a nabídku dalších článků tohoto webu (včetně výhodnějších nákupů více článků stejného tématu) naleznete zde.
Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie; ISSN 1804-8293;
www.transformacni-technologie.cz; Copyright©Jiří Škorpík, 2011-2020. All rights reserved. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
25. Parní turbína v technologickém celku

Úvod

Tento článek přímo navazuje na rozsáhlou kapitolu 23. Úvod do parních turbín, kde jsou popsány základní konstrukční rysy parních turbín a jejich rozdělení, na které se zde navazuje popisem chování parní turbíny v rámci technologického celku. V tomto článku jsou v rámci tématu Tepelné turbína a turbokompresory koncentrovány informace v rozsahu potřeb projektantů a provozovatelů technologických celků s parní turbínou.

Parní turbína se navrhuje pro parametry konkrétního technologického celku. Těmito parametry mohou být například výkon, omezení velikosti, otáčky parní turbíny apod. Případně jsou vyžadovány další vlastnosti jako jsou například výkonová charakteristika turbíny, průměrný počet startů za rok a jejich rychlost, množství a místo odběrů páry, způsob regulace aj.

● ● ●

Zástavbová a provozní specifika parní turbíny

● Zapojení parní turbíny

Zapojení parní turbíny v technologickém celku závisí na typu tohoto celku, obvykle obsahuje parní turbína připojovací uzly, které jsou zobrazeny na Obrázku 830 – obrázek neobsahuje okolní smyčky, které jsou v provozu při najíždění případně odstavení turbíny, obvyklá schémata těchto smyček naleznete například v [19].

Příklad zapojení parní turbíny s odběry páry
830 Příklad zapojení parní turbíny s odběry páry
1 přívod páry k turbíně; 2 odvodnění vstupního parovodu; 3 uzavírací/havarijní ventil; 4 ovládaní ventilů (nejčastěji mechanicko-hydraulické); 5 regulační ventil/y; 6 odvodnění komor regulačních ventilů; 7 potrubí regulovaného odběru páry; 8 regulační ventil odběru páry; 9 potrubí neregulovaného odběru páry; 10 výstup páry do kondenzátoru; 11 odvodnění stupňové části turbíny (po délce turbíny jich může být několik); 12 vysokotlaké labyrintové ucpávky; 13 nízkotlaké labyrintové ucpávky s přívodem zahlcovací páry; 14 mazací soustava ložisek; 15 sledované veličiny turbosoustrojí(2); 16 přední ložiskový stojan; 17 zadní ložiskový stojan. p [Pa] tlak páry; t [°C] teplota páry; n [s-1] otáčky; P [W] výkon turbosoustrojí.

Přes ucpávky může unikat z parní turbíny relativně velké množství páry (do 2 % u malých turbín včetně spotřeby zahlcovací páry a do 1 % u velkých turbín) – záleží i na opotřebení ucpávky. Samozřejmostí je únik páry přes ucpávky nějak využít: ● Páru z ucpávek lze odvést do tzv. ucpávkových kondenzátorů, kde se využívá teplo z kondenzace k ohřevu napájecí vody kotle (viz kapitola Schémata zařízení s parními turbínami, s. 7). ● Ve vysokotlakých ucpávkách se tlak snižuje postupně ze výstupního tlaku, takže ve vhodných tlakových úrovních ucpávky je možné tuto páru odvést do odběrů, ale je nutné zohlednit vyšší teplotu ucpávkové páry, která může významně zvýšit teplotu páry v odběru po promíchání – ještě nebezpečnější může být pro blízký spotřebič nepromíchaný proud ucpávkové páry o vysoké teplotě a odběrové páry. Více o zapojení ucpávek např. [10, s. 152].

1
25. Parní turbína v technologickém celku

Samozřejmostí je únik páry přes ucpávky nějak využít: ● Páru z ucpávek lze odvést do tzv. ucpávkových kondenzátorů, kde se využívá teplo z kondenzace k ohřevu napájecí vody kotle (viz kapitola Schémata zařízení s parními turbínami, s. 7). ● Ve vysokotlakých ucpávkách se tlak snižuje postupně ze vstuppního tlaku, takže ve vhodných tlakových úrovních ucpávky je možné tuto páru odvést do odběrů, ale je nutné zohlednit vyšší teplotu ucpávkové páry, která může význámně zvýšit teplotu páry v odběru po promíchání – ještě nebzpečnější může být pro blízký spotřebič nepromíchaný proud ucpávkové páry o vysoké teplotě a odběrové páry. Více o zapojení ucpávek např. [10, s. 152].

Hlavní kontrolované veličiny u parní turbíny jsou tlaky a teploty páry na vstupu a výstupu z turbíny a odběrů; tlak a teplota mazacího oleje; otáčky, výkonové parametry generátoru (napětí, proud); polohy regulačních ventilů; poloha hlavní uzavírací/havarijní armatury (otevřeno-zavřeno). Rozmístění měřících míst podle typu bloku, kterého je soustrojí součástí je uvedeno např. v [7, s. 513, 515, 519]. Další sledované veličiny a napojení parních turbín je uvedeno v kapitole 23. Další části parní turbíny a její vybavení.

● Start parní turbíny a její najížděcí diagram

Hlavními pracovními režimy parních turbín jsou startování, normální provoz a odstavování parní turbíny, přičemž startování je složeno ze dvou podrežimů a to spouštění a zatěžování.

Ke každé turbíně existuje najížděcí diagram dodaný výrobcem, viz Obrázek 301. Obvykle startování parní turbíny vypadá následovně: před najetím ze studeného stavu (turbína má teplotu okolí) je nutno ji prohřát puštěním malého množství páry při zapnutí odvodnění a odvodu páry z turbíny (například do kondenzátoru). V při nízkých průtocích je parní turbína protáčena protáčecím zařízením pro rovnoměrné a rychlé prohřátí parní turbíny (jinak v důsledku teplotní roztažnosti materiálu turbíny může docházet k deformacím a poškození turbíny). Pokud je turbína vybavena hydrostatickým ložiskem je při spouštění aktivní.

kondenzátoru). V při nízkých průtocích je parní turbína protáčena protáčecím zařízením pro rovnoměrné a rychlé prohřátí parní turbíny (jinak v důsledku teplotní roztažnosti materiálu turbíny může docházet k deformacím a poškození turbíny). Pokud je turbína vybavena hydrostatickým ložiskem je při spouštění aktivní.

Příklad rozložení hlavních provozních režimů parní turbíny
301 Příklad rozložení hlavních provozních režimů parní turbíny
a spouštění; b zatěžování; c normální provoz. τ [min] doba od začátku spouštění; P, Pj [W] výkon turbosoustrojí a jmenovitý výkon turbosoustrojí; n, nj [s-1] otáčky turbosoustrojí a jmenovité otáčky turbosoustrojí; nk [s-1] kritické otáčky soustrojí (mohou být i v jiné oblasti – záleží na konstrukci rotoru). Znázorněný diagram se nazývá najížděcí diagram. Doby odpovídají parní turbíně o výkonu kolem 30 MW, viz zdroj [10, s. 160] nebo [13, s. 271].

Po dosažení dostatečného průtoku páry, kdy je turbína schopna překonávat ztráty v mechanismech, se protáčecí zařízení vypíná. Množství páry do turbíny se pozvolna zvyšuje při rovnoměrnému prohřívání turbíny. Tímto způsobem se zvyšují otáčky až na jmenovité otáčky, kdy dojde k připojení generátoru k síti (asynchronní generátor) nebo k přifázování k síti (synchronní generátor). Od tohoto bodu může být soustrojí zatěžováno a při zvyšování teploty, tlaku a průtoku páry nedochází ke zvyšování otáček, pouze vnitřního výkonu – nastává druhá fáze startu turbíny tedy zatěžování. Pozvolně se zvyšují parametry páry a zatížení turbíny, přičemž stále probíhá prohřívání turbíny a zvyšování vnitřního výkonu až na požadovaný stav. Poté přechází soustrojí do režimu provoz, viz. kapitola Spotřební charakteristiky parních turbín, s. 4.

2
25. Parní turbína v technologickém celku

zvyšování teploty, tlaku a průtoku páry nedochází ke zvyšování otáček, pouze vnitřního výkonu – nastává druhá fáze startu turbíny tedy zatěžování. Pozvolně se zvyšují parametry páry a zatížení turbíny, přičemž stále probíhá prohřívání turbíny a zvyšování vnitřního výkonu až na požadovaný stav. Poté přechází soustrojí do režimu provoz, viz. kapitola Spotřební charakteristiky parních turbín, s. 4.

Start a potom i odstavení turbíny zatěžuje některé konstrukční uzly turbíny, proto je nutné už před jejím návrhem znát předpokládanou frekvenci startů a tomu konstrukci uzpůsobit (životnost ucpávek, ložisek apod. versus jejich cena). U velkých elektrárenských turbín je frekvence startů malá (1x za rok jaderné elektrárny, 1-10x za rok uhelné elektrárny, ve speciálních případech každý den), v případě lodních turbín to je 10100x za rok a turbíny pro solární elektrárny startují každý den [1].

Rychlost startu lze ovlivnit konstrukcí. Požadavek na na rychlý start parní turbíny se objevují například u lodních aplikací nebo solárních, v prvním případě pochází požadavek z požadované akcelerace lodě, v druhém případě se jedná o rychlý ranní nárůst solárních zisků solárních kolektorů. Pro rychlý start musí být turbína konstrukčně upravená tak, aby umožňovala rychlé výkyvy teplot (např. speciální barelová konstrukce) a odlehčený rotor [1]. Z termodynamického pohledu lze start turbíny urychlit snížením počtu stupňů (změnou stupně reakce nebo změnou otáček), zvětšením vůlí (především v ucpávkách) – tím se může snížit vnitřní účinnost turbíny, ale za to se prodlouží doba chodu při slunečním svitu.

● Odstavení (zastavení) parní turbíny

Odstavení parní turbíny může být dvojí a to řádné odstavení a havarijní odstavení. Při řádném odstavení se postupně zavírá regulační ventil až na nulový výkon soustrojí, kdy dojde k odpojení soustrojí od sítě. Dalším zavíráním regulačního ventilu se snižují otáčky turbíny až do úplného zastavení otáčení. Se zastavením přívodu páry začne turbína chladnout a v důsledku teplotní roztažnosti materiálu turbíny se začne i deformovat. Teplotním deformacím při odstavení se zamezuje občasným pootočením hřídele (podle pokynů výrobce) pomocí protáčecího zařízení. Při protáčení je aktivní hydrostatický mazací systém ložisek.

regulační ventil až na nulový výkon soustrojí, kdy dojde k odpojení soustrojí od sítě. Dalším zavíraním regulačního ventilu se snižují otáčky turbíny až do úplného zastavení otáčení. Se zastavením přívodu páry začne turbína chladnout a v důsledku teplotní roztažnosti materiálu turbíny se začne i deformovat. Teplotním deformacím při odstavení se zamezuje občasným pootočením hřídele (podle pokynů výrobce) pomocí protáčecího zařízení. Při protáčení je aktivní hydrostatický mazací systém ložisek.

Při havarijním odstavení soustrojí se uzavře náhle havarijní ventil turbíny a pára před turbínou je nouzově odvedena mimo soustrojí. Rotor soustrojí se setrvačností dále otáčí dokud se postupně nezastaví. V této fázi je olejové čerpadlo poháněno mechanicky přes hřídel. Jestliže příčinou havárie technologického celku není havárie soustrojí (havárie na pokles tlaku oleje, vibrace, náhlý pokles výkonu, havárie na generátoru například jeho přehřátím, destrukce turbíny apod.) a je zdroj elektřiny pro olejová čerpadla a protáčecí zařízení, pak následuje řízené chladnutí turbíny jako při řádném odstavení. Jestliže příčinou havárie je soustrojí, pak je další postup na obsluze turbosoustrojí. Po havarijním odstavení se musí turbína zkontrolovat vizuálně i diagnosticky a při následném spuštění pečlivě sledovat.

Uzavřít se musí i odběry z turbíny přesněji jakýkoliv odběr, včetně odvodnění přes které by mohlo dojít ke zpětnému proudění páry z kondenzátoru do turbíny. Zpětné proudění může způsobit nenávrhové zatížení axiálních ložisek – hrozí vydření ložisek při vyšší síle nebo při změně směru výslednice sil apod.

● ● ●
3
25. Parní turbína v technologickém celku

Spotřební charakteristiky parních turbín

Spotřební charakteristikou parní turbíny se nazývá závislost spotřeby páry turbíny na výkonu, viz Obrázek 367.

Spotřební charakteristika parní turbíny
367 Spotřební charakteristika parní turbíny
η [-] účinnost parní turbíny na spojce; m [kg·s-1] spotřeba páry; m0 [kg·s-1] spotřeba páry při chodu naprázdno; ti [°C] teplota páry na vstupu do turbíny. Index j označuje jmenovitý provoz, index opt optimální výkon. Pro konstantní teplotu páry na vstupu do turbíny (ti=konst.).

Pracovní bod parní turbíny je dán průnikem její spotřební charakteristiky s charakteristikou zdroje páry při dané teplotě pro případ plně otevřeného regulačního ventilu. Mění-li se parametry zdroje páry nebo otevření regulačního ventilu, pak se nastaví nový průtok parní turbínou (Obrázek 79).

Pracovní bod parní turbíny
79 Pracovní bod parní turbíny
a charakteristika parní turbíny (pro ti=konst.); b charakteristiky zdroje páry (pro ti=konst.); pi [Pa] tlak páry na vstupu do turbíny (před regulačním ventilem); PB pracovní bod; ΔpRV [Pa] tlaková ztráta v regulačním ventilu.

Průtoky neregulovanými odběry parní turbíny se přibližně mění v poměru k jakému se změní průtok napájecí vody nepocházející z neregulovaných odběrů pro regeneraci tepla napájecí vody, například takto:

Průtok páry neregulovanými odběry pro regenerační ohřev napájecí vody
998 Průtok páry neregulovanými odběry pro regenerační ohřev napájecí vody
i vstup páry do turbíny; e výstup páry z turbíny; R1..R3 neregulované odběry pro regeneraci tepla; kon kondenzátor; OH ohřívák vody pro vytápění (neregulovaný odběr); φ1..3 [-] poměrný průtok odběrem pro regenerační ohřev napájecí vody. Podle [20, s. 319] jsou tyto poměrné průtoky velmi málo citlivé na změnu parametrů vstupní páry (potvrzeno měřením i teoretickou úvahou o vlastnostech povrchových výměníků) a proto lze použít poměrné hodnoty jmenovitého stavu pro široký rozsah provozních režimů.

● Zjednodušené spotřební charakteristiky parních turbín

Parní turbíny jsou navrhovány pro jmenovité parametry, které plynou ze zadání a zahrnují jmenovité stavy pracovní látky, její průtok a jmenovitý výkon. Při jakékoliv změně od těchto jmenovitých parametrů a stavů se mohou měnit ztráty ve stupních (změna rychlostního trojúhelníku, změna entalpického spádu..) a výsledné stavy pracovní látky a proto je stanovení přesné charakteristiky uvedených strojů možné pouze měřením. Bez měření ji lze v současné době s přijatelnou přesností stanovit pomocí CFD výpočtu virtuálního modelu turbíny, to znamená, že ji může vypracovat pouze výrobce turbíny. Existují ale i analytické postupy založené na podobnosti charakteristik parních turbín a proudění v nich např. [14], [20]. Přesnost těchto metod ale nemusí být pro některé případy dostatečná, proto se nazývají zjednodušené charakteristiky.

4
25. Parní turbína v technologickém celku

CFD výpočtu virtuálního modelu turbíny, to znamená, že ji může vypracovat pouze výrobce turbíny. Existují ale i analytické postupy založené na podobnosti charakteristik parních turbín a proudění v nich např. [14], [20]. Přesnost těchto metod ale nemusí být pro některé případy dostatečná, proto se nazývají zjednodušené charakteristiky.

Hlavní výhodou zjednodušených charakteristik je, že jsou odvozeny na základě podobnosti, a tak pro jejich konstrukci není potřeba znát přesnou konstrukci parní turbíny. Využívají se pro rychlé výpočty, například při prvotních návrzích technologických celků, kdy ještě přesná geometrie turbíny není známa. Dalším příkladem využití těchto jednoduchých rovnic jsou případy, kdy projektantovi zařízení napojených na turbínu charakteristiky turbíny nejsou k dispozici (například u starších turbín, z obchodních důvodů – turbínu dodávala konkurenční společnost apod.).

Konstrukce zjednodušené charakteristiky vycházejí nejčastěji ze Stodolova pravidla pro průtok skupinou stupňů. Protože průběh expanze a hmotnostní tok parní turbínou se může po délce turbíny měnit, musí projektant změnu průtoku řešit pro jednotlivé stupňové části zvlášť, respektive prvním krokem je co nejvhodnější rozdělení lopatkové části turbíny do skupin, ve kterých se průtok nemění, viz Obrázek 818.

Úloha 1000
K parní turbíně (zapojení viz Obrázek 818) byl přidán neregulovaný odběr do ohříváku topné vody. Zkonstruujte spotřební charakteristiku turbíny, jestliže tlak kondenzace v novém ohříváku je nastaven na 80 kPa a znáte jmenovité parametry páry. Stačí zkonstruovat charakteristiku pouze pro původní teplotu páry a plně otevřený regulační ventil. Vypočítejte také průtok ohřívákem pro jednotlivé stavy páry na vstupu do turbíny. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1000, s. 31.
Příklad rozdělení lopatkové části parní turbíny za účelem tvorby spotřební charakteristiky
818 Zjednodušená charakteristika parní turbíny s regulovaným odběrem
Obrázek je zároveň součástí zadání Úlohy 1000. S1, S2 skupiny stupňů mezi jednotlivými odběry. Údaje ve schématu jsou pro jmenovitý stav.

Pomocí Stodolova pravidla lze konstruovat zjednodušené spotřební charakteristiky i pro jiné než jmenovité teploty nebo i pro případy, kdy se mění parametry páry v odběrech páry či kondenzátoru odběrech turbíny vnějším zásahem (například regulací v regulovaném odběru, nebo konstrukčním zásahem, přidáním odběru, změnou teplosměnných ploch výměníku, změnou teploty chladící vody apod.) Typickým příkladem změny charakteristiky parní turbíny je turbína s regulovaným odběrem, viz Obrázek 829, s. 6. Za regulovaným odběrem se totiž průtok a tlak mění zásahem z venčí. Turbína obsahuje dva regulační ventily a při konkrétní poloze hlavního regulačního ventilu lze nastavit jakoukoliv polohu regulačního ventilu odběru, takže existuje hned obrovské množství spotřebních charakteristik (křivek), pro různé kombinace otevření regulačních ventilů.

V případě sestrojování charakteristiky parních turbín se změnou otáček (např. pro pohon turbokompresorů) lze použít i metodiku uvedenou v [21, s. 295] sestrojenou pro spalovací turbíny.

5
25. Parní turbína v technologickém celku
Zjednodušená charakteristika parní turbíny s regulovaným odběrem
829 Zjednodušená charakteristika parní turbíny s regulovaným odběrem
m [kg·s-1] průtok regulačním/i ventilem na vstupu do turbíny; me1 [kg·s-1] průtok odběrem páry ven z turbíny; me2 [kg·s-1] průtok páry na výstupní konci turbíny. a maximální možný průtok turbínou; b maximální výkon turbíny (el. generátoru); c teoretická charakteristika turbíny při uzavřeném regulačním ventilu odběru páry – turbína se chová jako protitlaková turbína; d z provozních důvodů (je nutné odvádět teplo z ventilačních ztrát nízkotlaké části turbíny) nelze nízkotlakou část zcela uzavřít a musí ji protékat minimální množství páry Δmk, pára Δmk nekoná práci; e regulační charakteristika při plně otevřeném regulačním ventilu odběru páry a me1=0-turbína se chová jako kondenzační turbína; f maximální průtok nízkotlakým dílem turbíny; g zvyšování výkonu turbíny vlivem zvyšování průtoku vysokotlakou části turbíny a odběrem. Pro konstantní teplotu páry na vstupu do turbíny (ti=konst.).

Ze vzorců Stodolova pravidla pro změnu průtoků je patrné, že zjednodušené charakteristiky jsou přímkami, parabolami nebo křivky tvarem jim velmi blízké. Odtud se pro jmenovité vstupní teploty používá ještě větší zjednodušení spotřebních charakteristik na lineární, respektive kvadratickou závislost, kdy lze využít Vzorce 388.

Tento způsob zjednodušení charakteristiky je sice velmi přibližný, ale dobře poslouží například k hledání optimálních parametrů oběhu na samém počátku projektování technologie, kdy ještě není známo nic bližšího o turbíně.

Zjednodušené rovnice spotřební charakteristiky parních turbín
388 Zjednodušené rovnice spotřební charakteristiky parních turbín
(a) lineární zjednodušení; (b) kvadratické zjednodušení. a0, a1, a2 konstanty rovnic (jednotlivé konstanty z obou rovnic nelze zaměňovat, jsou označeny stejně pouze z důvodu přehlednosti). Uvedené rovnice jsou platné s dostatečnou přesností až od výkonu turbíny 20..30 % jmenovitého výkonu turbíny [11, s. 171], [21]. Nelze zaměňovat konstantu a0 za průtok při chodu naprázdno m0, protože pro P=0 W už uvedené rovnice nahrazují skutečný průtok velmi nepřesně. Pro případ lineární charakteristiky je podle [11, s. 171] obvyklá hodnota a0 v rozmezí (0,03 až 0,08)mopt pro případ kondenzační turbíny a v rozmezí (0,1 až 0,3)mopt pro případ protitlakové turbíny.
Příklady linearizovaných charakteristik parních turbín
828 Příklady linearizovaných charakteristik parních turbín
vlevo turbína s regulací škrcením ; vpravo turbína se skupinovou regulací. Index j označuje jmenovitý provoz, index opt ekonomický provoz parní turbíny. V případě parní turbíny se skupinovou regulací se rozděluje charakteristika na dvě části [11, s. 171], [21], přičemž druhá rovnice přímky protíná počátek souřadnic a bod ekonomických parametrů turbíny.
● ● ●
6
25. Parní turbína v technologickém celku

Schémata zařízení s parními turbínami

● Schéma zařízení teplárny

Hlavním účelem teplárny bývá dodávka páry nebo teplé vody buď pro technologické účely (zásobování blízkého průmyslového podniku) nebo vytápění (zásobování sídlišť a městské infrastruktury). Podřízení se požadavku na dávku tepla či páry znamená nejen použití turbín s odběrem, protilakých turbín, ale také vybavit blok i redukční stanicí zapojenou v bypassu turbíny (havárie turbosoustrojí nezpůsobí výpadek dodávky tepla), viz Obrázek 150.

Pro teplárny je typické (především při dodávce páry pro technologické účely), že se značná část topného média nevrací zpět (tzv. vratný kondenzát) do teplárny z důvodů znečištění, proto je teplárna vybavena relativně výkonnou jednotkou pro úpravu vody, kterou se tyto ztráty vody v okruhu nahrazují Obrázek 150(16). Teplárny jsou provozovány i v době, kdy není odběr tepla, proto bývá vybavena i chladícím okruhem, kde se nevyužité teplo maří. Tento okruh má smysl provozovat pouze tehdy, je-li to ekonomicky a ekologicky přijatelné (viz pojem Úspora primární energie při kombinované výrobě tepla a elektřiny popsaný v článku 10. Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech).

důvodů znečištění, proto je teplárna vybavena relativně výkonnou jednotkou pro úpravu vody, kterou se tyto ztráty vody v okruhu nahrazují Obrázek 150(16). Teplárny jsou provozovány i v době, kdy není odběr tepla, proto bývá vybavena i chladícím okruhem, kde se nevyužité teplo maří. Tento okruh má smysl provozovat pouze tehdy, je-li to ekonomicky a ekologicky přijatelné (viz pojem Úspora primární energie při kombinované výrobě tepla a elektřiny popsaný v článku 10. Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech).

● Schéma zařízení tepelné elektrárny

Charakteristické vybavení bloku tepelné elektrárny (tj. blok na fosilní paliva nebo biopaliva) odpovídá snaze o dosažení co nejvyšší tepelné účinnosti parního oběhu, proto pro bloky tepelných elektráren je typické použití kondenzačních turbín s odběrem páry pro regeneraci tepla a přihřívání. Více o možnostech zvýšení tepelné účinnosti parního oběhu a včetně regenerace tepla je uvedeno v kapitole Tepelná účinnost bloku s parní turbínou 12.

Schéma zařízení teplárny s parní turbínou s regulovaným odběrem páry pro technologické účely
150 Schéma zařízení teplárny s parní turbínou s regulovaným odběrem páry pro technologické účely
1 sklad paliva; 2 parní kotel; 3 kondenzační turbína s jedním regulovaným odběrem; 4 kondenzátor; 5 paralelní chladící okruh v tomto případě s chladící věží; 6 odběr a vratka topné vody (CZT); 7 cirkulační čerpadlo chladícího okruhu; 8 redukční stanice pro obtok páry do kondenzátoru; 9 chladící stanice; 10 spotřebiče páry; 11 čerpadlo vratného kondenzátu; 12 redukční stanice pro obtok páry; 13 kondenzátní čerpadlo; 14 redukční stanice prohřívání napájecí nádrže a termického odplynění; 15 napájecí nádrž s termickým odplyněním; 16 chemická úprava vody; 17 ohřívák doplňující vody; 18 redukční stanice páry pro ohřev doplňující vody; 19 napájecí čerpadlo. Schéma zapojení používané u teplárenských parních turbín s výkony ~1070 MWe.
7
25. Parní turbína v technologickém celku
Schéma zařízení elektrárenského bloku 200 MW Škoda
146 Schéma zařízení elektrárenského bloku 200 MW Škoda
1 skládka paliva; 2 parní kotel; 3 přehřívák; 4 přihřívák; 5 VT díl turbíny; 6 ST díl turbíny; 7 NT díl turbíny; 8 kondenzátor; 9 systém nízkotlaké regenerace; 10 srážeč přehřátí před odplyňovačem; 11 napájecí nádrž; 12 napájecí čerpadlo kotle; 13 kondenzátor turbíny pro pohon napájecího čerpadla; 14 systém vysokotlaké regenerace; 15 systém chlazení generátoru a budiče (generátor je chlazen vodíkem); 16 odvod tepla ze systému chlazení generátoru a budiče; 17 kondenzátní čerpadlo.

typické použití kondenzačních turbín s odběrem páry pro regeneraci tepla a přihřívání. Více o možnostech zvýšení tepelné účinnosti parního oběhu a včetně regenerace tepla je uvedeno v kapitole Tepelná účinnost bloku s parní turbínou 12.

Napájecí čerpadla kotlů jsou u větších bloků poháněna vlastní parní turbínou (tzv. turbonapáječka – jedná se o mnohem menší turbínu, než je hlavní turbína), viz zapojení na Obrázku 146. To je dáno velmi velkým příkon v řádech MW, ale pokud je účinnost turbonapáječky nižší, než je součin účinnost výroby elektřiny hlavního soustrojí a účinnosti elektronapáječky, zvažuje se použití elektrického pohonu čerpadla (tzv. elektronapaječka).

● Schéma zařízení jaderné elektrárny

Charakteristickým rysem bloku jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem je separace vlhkosti páry v separátoru vlhkosti instalovaný před přihřívák páry mezi tělesy Obrázek 149(7). Důvodem je extrémně vysoká vlhkost páry na výstupu z vysokotlakého tělesa turbíny (expanze začíná na syté páře, viz podkapitola 9. Schéma zařízení jaderné elektrárny s reaktorem typu VVER) a vodní kapičky sníží efektivitu přihřevu páry a může poškodit průtočné části nízkotlakých těles. Turbíny pracující v bloku s tímto typem reaktoru jsou sice omezeny maximální teplotou páry (tedy měrnou změnou entalpie páry při expanzi), ale mohou v současnosti dosahovat výkonů až 1 500 MW.

instalovaný před přihřívák páry mezi tělesy Obrázek 149(7). Důvodem je extrémně vysoká vlhkost páry na výstupu z vysokotlakého tělesa turbíny (expanze začíná na syté páře, viz podkapitola 9. Schéma zařízení jaderné elektrárny s reaktorem typu VVER) a vodní kapičky sníží efektivitu přihřevu páry a může poškodit průtočné části nízkotlakých těles. Turbíny pracující v bloku s tímto typem reaktoru jsou sice omezeny maximální teplotou páry (tedy měrnou změnou entalpie páry při expanzi), ale mohou v současnosti dosahovat výkonů až 1 500 MW.

● Schéma zařízení paroplynového bloku

Základní popis paroplynového oběhu a schéma zapojení pro jeho realizaci je uveden v kapitole 23. Kombinace spalovací a parní turbíny v paroplynovém oběhu, taktéž popis základních cílů při návrhu parní části paroplynového oběhu.

8
25. Parní turbína v technologickém celku
Schéma zařízení jaderného bloku s reaktorem VVER o výkonu 1 000 MW
149 Schéma zařízení jaderného bloku s reaktorem VVER o výkonu 1 000 MW
a primární okruh; b sekundární okruh. 1 reaktor; 2 cirkulační čerpadlo; 3 parogenerátor; 4 vysokotlaký díl turbíny; 5 3x nízkotlaký díl turbíny; 6 separátor vlhkosti; 7 přihřívání páry – přihřívák; 8 vysokotlaký ohřívák; 9 napájecí nádrž s odplyňovačem; 10 napajecí čerpadlo parogenerátoru; 11 soustava ohříváků topné vody (I když se jedná o elektrárnu, tak část tepla může být využita pro vytápění areálu elektrárny a případně i blízkých sídlišť. Například v případě jaderné elektrárny Temelín se odvádí část tepla pro vytápění města Týn nad Vltavou.); 12, 13 soustava nízkotlakých ohříváků s kaskádovým přečerpáváním kondenzátu; 14 3x kondenzátor; 15 kondenzátní čerpadlo; 16 kondenzátor turbonapáječky a první stupeň ohřátí topné vody.

Příkladem paroplynového bloku je teplárna Červený mlýn v Brně. V této teplárně je tzv. dvoutlakovým oběhem, viz Obrázek 157, s. 10. Elektrický výkon teplárny je 94 MW, z toho 70 MW připadá na spalovací turbínu, tepelný výkon je 140 MW. Parní část: 100 t·h-1, 6,84 MPa, 500 °C, 0,92 MPa. Tepelný výkon je přenášen v horké vodě (125 MW) a v páře (15 MW), účinnost vztažená na výrobu elektrické energie 47,5 %, celková účinnost 89 %, teplárenské modul e=0,68. Spalinovod mezi výfukem spalovací turbíny a parním kotlem je vybaven dalším komínem, aby bylo možné spalovací turbínu provozovat nezávisle na parní části (při odstávce parní části nebo při požadavku el. sítě na rychlé spuštění).

požadavku el. sítě na rychlé spuštění).

Parní turbína v Červeném mlýně má jeden regulovaný a jeden neregulovaný odběr. Přes ventil regulovaného odběru lze páru do turbíny i přivádět, a to vždy, když je nadbytek páry v nízkotlaké části okruhu a průtok parní turbínou dosahuje maxima. Neregulovaný odběr slouží k ohřevu vody ve špičkovém ohříváku vody.

● Kapitola o výpočtu rozsáhlých schémat technologických celků

Technologický celek, ve kterém parní turbína pracuje, se vyznačuje rozsáhlou potrubní sítí s mnoha uzly a značným počtem zařízení, ve kterých dochází ke změně stavových veličin pracovní látky. Množství nutných výpočtů pro stanovení průtoku v jednotlivých větví proto dosahuje velkého objemu a je časově náročný.

9
25. Parní turbína v technologickém celku
Schéma zařízení parní části paroplynové teplárny Červený mlýn
157 Schéma zařízení parní části paroplynové teplárny Červený mlýn
1 vstup horkých spalin z plynové turbíny do parního kotle; 2 výstup spalin z kotle do komína; 3 spalinový ohřívák horké vody; 4 horkovodní kotel (na ZP); 5 parní spotřebič (0,9 MPa, 200 °C); 6 horkovodní spotřebič (130/70 °C); 7 beztlakový akumulátor tepla (5 600 m3); 8 parní buben vysokotlaké páry; 9 parní buben nízkotlaké páry; 10 směšování pára/kondenzátní voda a předehřev napájecí vody kotle.

změně stavových veličin pracovní látky. Množství nutných výpočtů pro stanovení průtoku v jednoltivých větví proto dosahuje velkého objemu a je časově náročný.

Při výpočtu se vychází z rovnic hmotnostní a energetické bilance jednotlivých zařízení, což jsou lineární rovnice (za potrubní větev zde považuji úsek potrubí, ve kterém protéká stejné množství pracovní látky – její stav se ale může měnit při průchodu, například výměníkem, ale stále je to jedna větev). Rozsáhlou soustavu lineárních rovnic lze řešit pracně analyticky, ale častěji numericky, například pomocí Gausovy eliminační metody nebo maticového počtu [12]. Samozřejmě k jednoznačnému řešení rovnic potřebujeme sestavit stejný počet rovnic, jako je neznámých, přičemž počet neznámých lze snížit výpočtem průtoků větvemi, u kterých je to triviální, jak ukazuje Úloha 151. Jedná se především o zařízení a uzly, ve kterých je průtok dán nějakým požadavkem zadání apod. Neznámé v některých větvích lze eliminovat také tak, že se udělá bilance dvou a více zařízení či uzlů jako celku, respektive podcelku a tak není nutné pro hlavní výpočet znát toky uvnitř tohoto podcelku (známe jeho chování navenek). U rozsáhlých soustav lineárních rovnic je problém konvergence, kterou lze určit až je soustava vytvořena, nicméně pokud se bude každá neznámá vyskytovat alespoň ve dvou rovnicích, pak je vysoká pravděpodobnost, že soustava jednoznačné řešení mít bude.

větvemi, u kterých je to triviální, jak ukazuje Úloha 151. Jedná se především o zařízení a uzly, ve kterých je průtok dán nějakým požadavkem zadání apod. Neznámé v některých větvích lze eliminovat také tak, že se udělá bilance dvou a více zařízení či uzlů jako celku, respektive podcelku a tak není nutné pro hlavní výpočet znát toky uvnitř tohoto podcelku (známe jeho chování navenek). U rozsáhlých soustav lineárních rovnic je problém konvergence, kterou lze určit až je soustava vytvořena, nicméně pokud se bude každá neznámá vyskytovat alespoň ve dvou rovnicích, pak je vysoká pravděpodobnost, že soustava jednoznačné řešení mít bude.

Mimo tento klasický postup existují i specializované softwary, které dokáží v zadaném schématu vypočítat parametry pracovní tekutiny v jednotlivých větví téměř okamžitě, což se děje nejčastěji metodou Monte Carlo, ale přesto (zejména pokud to časový rozvrh dovolí) je užitečné provést alespoň přibližně kontrolní výpočet i klasickou cestou pro získání představy o možnostech optimalizace schématu a citlivosti technologické celku na změny průtoku v jednotlivých větví.

10
25. Parní turbína v technologickém celku
Příklad značení jednotlivých větví technologického celku
1211 Příklad značení jednotlivých větví technologického celku
RS redukční stanice; napájecí čerpadlo; CH chladící stanice; T parní turbína; G elektrický generátor; k parní kotel; NN napájecí nádrž; OH ohřívák; OD odkal kotle; CHUV chemická úpravna vody; PNK pomocná nádrž kondenzátu; S spotřebiče páry; z odvod brýdových par z odplynění.

téměř okamžitě, případně pomalejší metodou CFD včetně zahrnutí průtočných částí turbíny, ale kontrolní výpočet klasickou cestou projektanta donutí získat představu o možnostech optimalizace schématu a citlivosti technologické celku na změny průtoku v jednotlivých větví.

Výsledky výpočtů se obvykle zapisují přímo do schématu, pak lze přehledně sledovat hmotnostní i energetické toky v technologii včetně sledování stavu pracovní látky za jednotlivými zařízeními.

Úloha 151
Teplárna z Obrázku 1211 je vybavena soustrojím o výkonu na svorkách generátoru 6 MW při průtoku páry 17,55 kg·s-1. Na vstupu do turbíny má pára tyto parametry: 3,5 MPa, 435 °C. Teplárna má dodávat technologickou páru o tlaku 0,6 MPa, teplotě 200 °C a maximálním průtoku 25,5 kg·s-1. Do teplárny se od spotřebitele vrací 60 % kondenzátu o teplotě 95 °C. Odluh kotle činí cca 5 %. Mechanická účinnost turbíny je 97,8 %, účinnost generátoru je 94,6 %. Tlak v napájecí nádrži je 0,6 MPa (uvnitř je voda na mezi sytosti). Tlak 0,6 MPa bude také v uvolňovači páry z odluhu. Požadovaná teplota vody do napájecí nádrže je 135 °C (voda se ohřívá v ohříváku OH1). Vypočítejte hmotnostní průtok v jednotlivých větvích teplárny (celkem 27 větví). Teplota vody z úpravny vody je 20 °C, maximální dovolená teplota odpadní vody z odluhu je 50 °C. Další parametry určete nebo odhadněte během výpočtu pomocí specializované literatury; zatím neuvažujete ztráty v potrubí a armaturách do okolí. Zadání úlohy je převzato a upraveno z [9, s. 49]. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 151, s. 24.
tyto parametry: 3,5 MPa, 435 °C. Teplárna má dodávat technologickou páru o tlaku 0,6 MPa, teplotě 200 °C a maximálním průtoku 25,5 kg·s-1. Do teplárny se od spotřebitele vrací 60 % kondenzátu o teplotě 95 °C. Odluh kotle činí cca 5 %. Mechanická účinnost turbíny je 97,8 %, účinnost generátoru je 94,6 %. Tlak v napájecí nádrži je 0,6 MPa (uvnitř je voda na mezi sytosti). Tlak 0,6 MPa bude také v uvolňovači páry z odluhu. Požadovaná teplota vody do napájecí nádrže je 135 °C (voda se ohřívá v ohříváku OH1). Vypočítejte hmotnostní průtok v jednotlivých větvích teplárny (celkem 27 větví). Teplota vody z úpravny vody je 20 °C, maximální dovolená teplota odpadní vody z odluhu je 50 °C. Další parametry určete nebo odhadněte během výpočtu pomocí specializované literatury; zatím neuvažujete ztráty v potrubí a armaturách do okolí. Zadání úlohy je převzato a upraveno z [9, s. 49]. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 151, s. 24.
● ● ●
11
25. Parní turbína v technologickém celku

Tepelná účinnost bloku s parní turbínou

Tepelná účinnost bloku je definována jako podíl elektrického výkonu, který vystupuje do rozvodné sítě (případně výkonu na hřídeli indikovaného z kroutícího momentu při použití parní turbíny pro pohon pracovního stroje) a příkonu bloku – nejčastěji výkon v palivu dodávaný do areálu bloku, sluneční energie apod., popřípadě další energie přivedena z vnějšku bloku sloužící k pohonu pomocných zařízení, viz Vzorec 455.

Čistá účinnost bloku s parní turbínou
455 Čistá účinnost bloku s parní turbínou
ηb [-] čistá účinnost bloku tepelné elektrárny (na prahu elektrárny); Pb [W] elektrický výkon na prahu bloku/elektrárny – jestliže je využito teplo vyprodukované v bloku, pak se připočítá v čitateli k elektrickému výkonu i tepelný výkon; Ppal [W] výkon dodávný v palivu případně jiných médií.

V rámci bloku můžeme rozlišovat účinnosti a spotřeby jednotlivých zařízení, pak mluvíme například o účinnosti kotle, účinnosti trafostanice, účinnosti turbosoustrojí, atd., viz Úloha 148. Rozsahy běžných hodnot účinností jednotlivých zařízení bloku jsou uvedeny v [7, s. 516]. Čistá účinnost některých typů elektráren s parními turbínami je uvedena v jednotlivých článcích 7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady, 23. Tepelné turbíny a turbokompresory, 9. Jaderná energetika.

Obecně rozdíl mezi Pb a Ppal označujeme jako ztrátu. Proto může v rámci jednotlivých zařízení mluvit například o ztrátách kotle, o ztrátách potrubí (únik tepla do okolí), o ztrátách v palivu (výkon dodávaný v palivu se ještě na skládce nebo při manipulaci může znehodnotit odparem nebo nečistotami), o ztrátách v trafostanici atd.

Pokud mluvíme o vlastní spotřebě bloku máme tím obvykle na mysli spotřebu elektřiny pro pohon čerpadel, dopravníků, manipulátorů, regulátorů, řízení a příkon dalších elektrických spotřebičů nutných pro provoz a údržbu bloku. Do vlastní spotřeby se počítají i ztráty v elektrickém transformátoru. Odběr páry pro turbonapáječku lze zahrnout například do ztrát potrubní trasy mezi zdrojem páry a hlavním turbosoustrojím, jak je to provedeno i v Úloze 148.

Úloha 148
Vypočítejte čistou účinnost bloku tepelné elektrárny na biomasu. Výpočet tepelného oběhu této elektrárny beze ztrát je uveden v Úloze [6.623], výpočet vnitřního výkonu turbíny je proveden v Úloze [13.871]. Účinnost zdroje páry je 85 % (účinnost skládkování biomasy, jejího spalování a účinnost tepelných výměníků v parním kotli), účinnost potrubní trasy mezi parním kotlem a turbínou 97 % (nízká účinnost značí, že z této potrubní trasy směřuje nějaký odběr, např. pro termické odplynění napájecí vody), součin účinností mechanické stroje, převodovky a generátoru je 0,93, celková vlastní spotřeba bloku 814,3 kW. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 148, s. 23.
12
25. Parní turbína v technologickém celku

Zvyšování účinnosti bloku a Carnotizace parního oběhu

Není třeba složitě rozebírat ekonomiku a ekologii provozu bloku s parní turbínou, abychom dospěli k závěru, že zvyšováním účinnosti bloku se oba parametry zlepší – samozřejmě existují jisté hranice, kdy náklady na zvýšení účinnosti už přesáhnout přínosy a to platí i ekologii.

Zvyšovat účinnost bloku můžeme dvěma cestami. První cesta vede přes zvyšování účinnosti jednotlivých zařízení, respektive zvyšovat účinnost transformace energie v nich, například zvýšení vnitřní termodynamické účinnosti turbosoustrojí, zvýšení účinnosti transformace paliva v kotli, snížení tepelných ztrát v potrubí či zvýšení těsnosti atd. Abychom mohli zvyšovat účinnosti jednotlivých zařízení musíme definovat, co je to ztráta a tu snižovat – znamená to také umět definovat ideální stav (ztráty jsou rozdíl mezi ideálním stavem a skutečností, více v článku 13. Energetické bilance lopatkových strojů). Obvykle se zaměřuje nejprve na snižování ztráty, jejiž snížení přinese největší zvýšení účinnosti bloku, potom na menší atd.

Druhá cesta vede přes zvyšování účinnost transformace energie v oběhu bloku. V tomto případě je nejprve nutné stanovit co nejvhodněji porovnávací tepelný oběh. Obvykle se v případě parní turbíny jedná o klasický Rankine-Clasiův parní oběh a na ten aplikovat zásady Carnotizace. R-C oběh se za účelem carnotizace rozděluje na tři dílčí oběhy, viz Obrázek 126, přičemž existuje hned několik technických opatření zvýšení účinnosti jednotlivých dílčích oběhů. Každé z opatření je uplatnitelné za určitých konkrétních podmínek (jsou omezeny výhodami i nevýhodami), záleží na způsobu zapojení (účelu bloku: teplárna; elektrárna...) i velikosti zařízení (obvykle čím menší výkon tím rostou náklady na taková opatření). O hlavních možnostech zvýšení tepelné účinnosti R-C oběhu pojednávají následující podkapitoly.

taková opatření). O hlavních možnostech zvýšení tepelné účinnosti R-C oběhu pojednávají následující podkapitoly.

Rozdělení ideálního parního oběhu (R-C oběh) na 3 dílčí oběhy za účelem Carnotizace
126 Rozdělení ideálního parního oběhu (R-C oběh) na 3 dílčí oběhy za účelem Carnotizace
T [K] absolutní teplota; s [J·kg-1·K-1] měrná entropie vody. Každý dílčí oběh má různou střední teplotu přívodu tepla do oběhu TT, ale stejnou střední teplotu odvodu tepla v kondenzátoru TS. Jestliže platí TTI < TTII < TTIII a současně střední teplota odvodu tepla z dílčích oběhů je stejná, potom současně platí nerovnost ηI < ηII < ηIII.

● Vliv přehřátí páry před turbínou na tepelnou účinnost

Základní myšlenkou zvýšení střední teploty přívodu tepla do parního oběhu je zvýšit teplotu páry na výstupu z kotle T3 (Obrázek 128). Tím se zvýší tepelná účinnost třetí části oběhu III:

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> způsobené zvýšením teploty T<sub>3</sub>
128 Parní oběh – zvýšení teploty TT způsobené zvýšením teploty T3

Zvyšování teploty páry na vstupu do turbíny T3 se samozřejmě zvyšují i nároky na materiál přehříváku páry v kotli a na materiál první stupně lopatkování v turbíně, navíc je maximální teplota omezena požadavkem na mírnou vlhkost páry na konci expanze. Posunutím konce expanze páry v turbíně zpět do mokré páry lze například zvýšením tlaku p2. Tím se opět otevře prostor pro případné další zvýšení teploty T3.

13
25. Parní turbína v technologickém celku

na materiál přehříváku páry v kotli a na materiál první stupně lopatkování v turbíně, navíc je maximální teplota omezena požadavkem na mírnou vlhkost páry na konci expanze. Posunutím konce expanze páry v turbíně zpět do mokré páry lze například zvýšením tlaku p2. Tím se opět otevře prostor pro případné další zvýšení teploty T3.

● Vliv velikosti tlaku páry před turbínou na tepelnou účinnost

Zvýšením tlaku p2 při stálé teplotě T3 se zvýší i střední teplota přívodu tepla do oběhu TT (Obrázek 127), respektive se zvýší tepelná účinnost všech dílčích oběhů z Obrázku 126, s. 13. Ovšem je nutné počítat s menším měrným objemem páry na vstupu do turbíny a s tím, že expanze páry v turbíně bude končit více v mokré páře než před zvýšením tlaku.

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> způsobené zvýšením tlaku p<sub>2</sub>
127 Parní oběh – zvýšení teploty TT způsobené zvýšením tlaku p2

Posunutí konce expanze páry v parní turbíně blíže k oblasti syté páry lze zvýšením tlaku p2 a přidáním přihřívákku páry:

● Přihřívání páry a jeho vliv na tepelnou účinnost

Přihřívání páry spočívá ve vyvedení páry z parní turbíny již při tlaku 31 (přibližně 1/31/5 tlaku p3) a zpět do parního kotle do výměníku zvaného přihřívák, viz Obrázek 129 a jak je patrno už z Obrázku 146, s. 8. V přihříváku může teplota páry dosáhnout opět teploty páry T3, čímž se zvýší i entropie a konec expanze se posune zpět do oblasti méně mokré páry.

V přihříváku může teplota páry dosáhnout opět teploty páry T3, čímž se zvýší i entropie a konec expanze se posune zpět do oblasti méně mokré páry.

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> přihříváním páry
129 Parní oběh – zvýšení teploty TT přihříváním páry
vlevo T-s diagram parního oběhu s přihříváním páry; vlevo schéma zapojení vícetělesové parní turbíny s přihříváním páry. U tepelných elektráren se přihřátí obvykle provádí teplem ze spalin přivedením výstupní páry z VT dílu zpět do kotle, respektive přihříváku a odtud zpět do dalšího tělesa turbíny, u jaderných elektráren s reaktory VVER se přihřívání provádí parou odebranou před VT dílem turbíny, pomocí které se zvýší teplota páry před vstupem do NT dílů turbíny.

Limitem teploty přehřátí je právě posunutí konce expanze páry (nesmí se dostat do oblasti přehřátí páry). Přihříváním se obvykle sníží účinnost třetího dílčího oběhu podle rozdělení na Obrázku 126, s. 13 (počáteční teplota přihřívání nižší než výparná teplota T2), ale celková střední teplota přívodu do oběhu a výkon se při správném přihřívacím tlaku zvýší [19, s. 78].

Za nevýhodu tohoto postupu lze považovat komplikovanější rozvody páry i konstrukci a regulaci kotle (větší průměry potrubí přihříváku). Další nevýhodou je, že tato metoda vede často na použití vícetělesové turbíny, protože při přihřívání se zvyšuje i měrný objem páry a pára by v případě jednotělesového provedení by musela být v určité části turbíny odebrána v neregulovaném odběru a opět přivedena zpět po přihřátí do druhé části turbíny oddělené přepážkou, ale lopatky by musely být větší – větší průtočná plocha kvůli nárůstu měrného objemu, proto je konstrukčně obtížné vyrobit jednotělesovou parní turbínu s přihříváním. Problém je i rozdíl teplot před a po přihřátí v jednom tělese. Jednotělesovou parní turbínu s přihříváním vyrábí a dodává pouze několik společností a to pouze pro určité stavy páry a výkon.

14
25. Parní turbína v technologickém celku

jednotělesovou parní turbínu s přihříváním. Problém je i rozdíl teplot před a po přihřátí v jednom tělese. Jednotělesovou parní turbínu s přihříváním vyrábí a dodává pouze několik společností a to pouze pro určité stavy páry a výkon.

● Vliv teploty kondenzace na tepelnou účinnost

Teplota kondenzace t4 bude vždy vyšší než teplota chladícího média. U nás je pára v kondenzátorech chlazena převážně vodou. Snižováním teplotního rozdílu mezi chladící vodou a teplotou kondenzace lze dosáhnout snížení střední teplota odvodu tepla z oběhu TS, viz Obrázek 132.

Souvislost mezi maximálním rozdílem teplot δ, velikostí teplosměnných ploch a energetickou bilancí je zřejmý z příslušných rovnic pro rekuperační výměníky tepla [17, s. 92], viz Vzorce 724.

Parní oběh – snížení teploty T<sub>S</sub> snížením tlaku kondenzace
132 Parní oběh – snížení teploty TS snížením tlaku kondenzace
p4 [Pa] tlak v kondenzátoru; δ [°C] maximální rozdíl teplot; ti, e [°C] teplota chladícího média na vstupu, respektive výstupu kondenzátoru; Δtstr [°C] střední teplotní logaritmický spád; S [m2] teplosměnná plocha kondenzátoru.

Podle uvedených vzorců lze dosáhnou snížení maximální teplotní diference δ zvětšením teplosměnné plochy S, zvětšení průtoku chladící vody m či zvětšení koeficientu přestupu tepla k, protože zvýšení těchto koeficientů vede ke zmenšení středního teplotního logaritmického spádu Δtstr a tedy i teplotní diference δ.

Chlazení kondenzátoru se provádí metodou, která záleží na účelu zařízení a geografické poloze. V teplárně se teplo v chladící vodě využívá k vytápění či ohřevu teplé užitkové vody, v takovém případě je ale nutné počítat s vyšší teplotou chladící vody a tedy i nižší účinnosti tepelného oběhu. Až na speciální výjimky se kondenzátor chladí vodou nebo vzduchem. Při chlazení vodou se tato voda odebírá z řeky ale ještě častěji se chladí odparem v chladících věží [10, s. 198], [16, s. 383], ve kterých se využívá schopnost vzduchu absorbovat jisté množství vodní páry závisející na její relativní vlhkosti. Pokud je kondenzátor chlazen vzduchem mluvíme o tzv. suché kondenzaci [10, s. 201]. Lze chladit i mořskou vodou (pobřežní elektrárny a lodě) nebo vodou z řeky pokud má dostatečný průtok. Jednotlivé metody chlazení se k dosažení maximální efektivnosti často podle ročního období kombinují. O konstrukci a výpočtu samotných kondenzátorů vodní páry se lze dozvědět více v [16, s. 316], [14].

Vzorce kondenzátoru
724 Vzorce kondenzátoru
k [W·m-2·K-1] součinitel prostupu tepla mezi kondenzující párou a chladícím médiem (je funkcí rychlosti proudění a fyzikálních vlastností proudící látky a materiálu teplosměnných ploch); m [kg·s-1] hmotnostní průtok chladícího média; cp [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita při stálém tlaku chladícího média.

● Regenerační ohřev napájecí vody

Zvýšit střední teplotu přívodu tepla do parního oběhu je možné i tak, že se odvede část tepla z úseku 3-4 a tímto teplem se ohřeje (předehřeje) napájecí voda do kotle. Odebráním tepla z úseku 3-4 je realizováno přímo odběrem částečně vyexpandované páry z turbíny. Teplo je předáno napájecí vodě v regeneračním ohříváku napájecí vody během kondenzace odběrové páry, viz Obrázek 130.

15
25. Parní turbína v technologickém celku
Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> regeneračním ohřevem napájecí vody
130 Parní oběh – zvýšení teploty TT regeneračním ohřevem napájecí vody
R1 regenerační výměník; qD [J·kg-1] měrné dodané teplo do parního oběhu; qreg [J·kg-1] měrné regenerované teplo do parního oběhu. Stav odběrové páry z turbíny pro regenerační ohřev odpovídá bodu T(2). Stav napájecí vody za regeneračním ohřívákem a po smíchání odpovídá v nejlepším případě bodu (1)K.

realizováno přímo odběrem částečně vyexpandované páry z turbíny. Teplo je předáno napájecí vodě v regeneračním ohříváku napájecí vody během kondenzace odběrové páry, viz Obrázek 130.

Odebráním části páry v průběhu expanze se sníží práce páry v turbíně a účinnost III části oběhu, ale na druhou stranu odvedené teplo předehřívá napájecí vodu, a tím, zvyšuje teplotu přívodu tepla do oběhu I a tedy účinnost I první části oběhu, která je jinak nejnižší, takže změna tepelné účinnosti oběhu je kladná (v případě, že odběr je správně napočítán a proveden). Stav páry v místě odběru v turbíně, při kterém už nedojde ke kladné změně tepelné účinnosti se nazývá indiferentní bod.

Obvykle obsahuje turbína několik neregulovaných odběrů pro regeneraci a každý s vlastním regeneračním ohřívákem (vícestupňová regenerace). Odběr z vysokotlakých částí turbíny pro regeneraci se nazývá vysokotlaká regenerace, odběry v nízkotlakých částí turbíny nízkotlaká regenerace.

V případě Obrázku 130 se kondenzát z regeneračního výměníku vrací do oběhu pomocí vlastního čerpadla, ale to generuje spotřebu elektrické energie, proto, pokud je tlak kondenzátu v regeneračním výměníku vyšší než v napájecí nádrži, se kondezát odvádí do napájecí nádrže (NN). Je tu ovšem problém s mnohem vyšší entalpií kondenzátu než je entalpie vody v NN – po expanzi kondenzátu do tlaku v NN by došlo jednak k varu a odpaření části kondenzátu a jednak by se zvýšila teplota napájecí vody v NN, takže by se musela zvýšit nátoková výška napájecí čerpadla. Navíc by vyšší teplota napájecí vody snížila možnosti regeneračního ohřevu napájecí vody v případě více regeneračních výměníků. Z těchto důvodů se kondenzát z regeneračních výměníků v takových případech odvádí kaskádováním (Obrázek 1212), při kterém kondenzát postupně protéká tlakově níže umístěnými regeneračními výměníky a tak se snižuje jeho teplota [19, s. 74]. Kaskádování lze také využít u nízkotlaké regenerace s odvodem kondenzátů z regenerace do sběrací nádrže kondenzátu hlavního kondenzátoru.

spotřebu elektrické energie, proto, pokud je tlak kondenzátu v regeneračním výměníku vyšší než v napájecí nádrži, se kondezát odvádí do napájecí nádrže (NN). Je tu ovšem problém s mnohem vyšší entalpií kondenzátu než je entalpie vody v NN – po expanzi kondenzátu do tlaku v NN by došlo jednak k varu a odpaření části kondenzátu a jednak by se zvýšila teplota napájecí vody v NN, takže by se musela zvýšit nátoková výška napájecí čerpadla. Navíc by vyšší teplota napájecí vody snížila možnosti regeneračního ohřevu napájecí vody v případě více regeneračních výměníků. Z těchto důvodů se kondenzát z regeneračních výměníků v takových případech odvádí kaskádováním (Obrázek 1212), při kterém kondenzát postupně protéká tlakově níže umístěnými regeneračními výměníky a tak se snižuje jeho teplota [19, s. 74]. Kaskádování lze také využít u nízkotlaké regenerace s odvodem kondenzátů z regenerace do sběrací nádrže kondenzátu hlavního kondenzátoru.

Ohřev napájecí vody pomocí páry z odběru turbíny snižuje množství tepla na ohřev napájecí vody ze spalin. Proto, pro zvýšení celkové účinnosti bloku, je nutné přizpůsobit regeneraci i zdroj tepla (předehřev vzduchu na vyšší teplotu – což sníží spotřebu paliva; u paroplynových bloků je nutné použít vícetlakový oběh jinak regenerace nemá smysl apod). Tato opatření samozřejmě významně zvyšují investici pro pořízení bloku.

16
25. Parní turbína v technologickém celku

přizpůsobit regeneraci i zdroj tepla (předehřev vzduchu na vyšší teplotu – což sníží spotřebu paliva; u paroplynových bloků je nutné použít vícetlakový oběh jinak regenerace nemá smysl apod). Tato opatření samozřejmě významně zvyšují investici pro pořízení bloku.

Odvádění kondenzátu z regeneračních výměníků kaskádováním
1212 Odvádění kondenzátu z regeneračních výměníků kaskádováním
Jedná o příklad tří regeneračních výměníků s tlakem odběru vyším než je tlak v napájecí nádrži. D dochlazovače, ve kterých se kondezát podchlazuje, což snižuje ztrátu směšováním a současně po průchodu redukčním ventilem kondezát nezačně vřít – dochlazovač se nepoužívá vždy.
Úloha 131
Vypočtěte tepelnou účinnost oběhu parní turbíny se zapojením podle Obrázku 130 se vstupními parametry páry do turbíny 3,5 MPa o teplotě 440 °C. Tlak v kondenzátoru je 6,6 kPa. Požadovaná teplota napájecí vody je 140 °C. Dále vypočtěte množství páry, které musí dodávat parní kotel má-li mít turbína výkon 6 MW. Neuvažujte oběh se ztrátami a práci napájecího čerpadla zanedbejte. Jaká by byla tepelná účinnost parního oběhu bez regenerace? Zadání úlohy je převzato z [10]. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 131, s. 22.

Výpočet parního oběhu s více regeneračními ohříváky je proveden v [9, s. 39]. O konstrukci a výpočtu regeneračního ohříváku napájecí vody se lze dozvědět více v [16, s. 333]. Komplexní problematika přihřívání včetně optimalizace parametrů, zapojení a konstrukce regeneračních ohříváku je v díle Tepelné elektrárny a teplárny od Jaroslava Kadrnožky [19].

● ● ●

Alternativní pracovní látky v parních obězích

Voda je na Zemi přirozeně se vyskytující látka, není toxická a je všudypřítomná má ale i další unikátní vlastnosti a společně se vzduchem je i nejčastější pracovní látkou v tepelných obězích. Za jistých okolností je ale výhodnější použití alternativních pracovních látek.

● ORC oběh

U parních turbín s výkony nižšími než ~1,5 MWe se výrazně snižuje jejich vnitřní účinnost (roste ztráta parciálním ostřikem a okrajová ztráta a současně klesají možnosti použití carnotizace). Pro tyto výkony se používají jednostupňové parní turbíny a díky velkému měrnému entalpickému spádu s vysokými otáčkami (jednostupňové turbíny s rovnotlakým stupněm). V takovém případě by bylo žádoucí nějakým způsobem zvětšit objemový průtok turbínou. Podle rovnice pro vnitřní výkonu lopatkového stroje, kterou lze upravit na tvar Pi=Δi·m=cpΔt·ρ·V (pro adiabatickou expanzi), by alternativní pracovní látka musela mít při stejném vnitřní výkonu nižší měrnou tepelnou kapacitu, hustotu nebo by se při expanzi nesměla tolik změnit jako při expanzi vodní páry. Některou z uvedených podmínek nebo častěji jejich kombinaci vyhovuje několik organických sloučenin, proto se tyto oběhy označují zkratkou ORC (Organic Rankine Cycle).

Z pohledu termodynamiky se jedná o látky, u kterých entropie syté páry klesá s teplotou, jako třeba případ zobrazený na Obrázku 903(a), s. 18. V takovém případě se sníží entalpický spád a zvýší průtok, na druhou stranu roste potřeba regenerace kondenzačního tepla (úsek 4-4'), jinak by byl celý oběh nehospodárný (existují i organické látky, u kterých křivka sytosti páry nesměřuje s teplotou k vyšším entropiím, potom se regenerace neprovádí). Elektrická účinnost ORC (pouze sekundární části H) se pohybuje od 15 do 20 % na svorkách generátoru. Pro běžné entalpické spády ORC postačují jednostupňové axiální turbíny, ale používají se i vícestupňové či radiální.

17
25. Parní turbína v technologickém celku
T-s diagram ORC a schéma zařízení pro jeho realizaci
903 T-s diagram ORC a schéma zařízení pro jeho realizaci
x=0 křivka sytosti kapaliny; x=1 křivka sytosti páry. H hranice hermeticky uzavřené jednotky; Ol smyčka s horkým olejem; O tepelný oběh s organickou pracovní látkou; PG parogenerátor. Schéma odpovídá zapojení jednotky od společnosti Turboden [6].

organické látky, u kterých křivka sytosti páry nesměřuje s teplotou k vyšším entropiím, potom se regenerace neprovádí). Elektrická účinnost ORC (pouze sekundární části H) se pohybuje od 15 do 20 % na svorkách generátoru. Pro běžné entalpické spády ORC postačují jednostupňové axiální turbíny, ale používají se i vícestupňové či radiální.

Obvykle se ale jedná o látky velmi hořlavé a obtížně biodegradovatelné představující zátěž pro životní prostředí. Pro snížení rizika havárie a ochrany pracovní látky před vysokými teplotami – hrozí lokální přehřátí ve spalinovém výměníku (tyto látky jsou obvykle náchylné na rozklad za působení vysokých teplot, ale i tak je nutné v určitých intervalech náplň okruhu měnit či regenerovat) obsahuje blok ORC primární a sekundární okruh (pokud není pracovní látka citlivá na vysokou teplotu a ani hořlavá, pak je možné vložený okruh vyřadit), viz Obrázek 903(b). V primárním okruhu cirkuluje kapalina, která je ohřívána zdrojem tepla. Kapalinou v primárním okruhu bývá silikonový olej s vysokou výparnou teplotou cca 300..350 °C (limitující teplota oběhu). Sekundární část bloku je v hermeticky uzavřeném provedení obsahující potřebné výměníky, turbosoustrojí a další zařízení (napájecí čerpadlo..), viz Obrázek 873.

Sekundární část bloku je v hermeticky uzavřeném provedení obsahující potřebné výměníky, turbosoustrojí a další zařízení (napájecí čerpadlo..), viz Obrázek 873.

ORC blok využívající výfukové teplo spalovacího motoru bioplynové stanice
873 ORC blok využívající výfukové teplo spalovacího motoru bioplynové stanice
1 vstup spalin do bloku; 2 kotel; 3 blok s turbínou, regenerátorem a kondenzátorem; 4 výstup vychlazených spalin do komína. Umístění: Valovice; výrobce ORC bloku: Fraunhofer-institut fűr UMSICHT, 2009; El. výkon 100 kWe; otáčky turbíny 17 500 min-1; pracovní látka: hexamethyldisiloxan [(CH3)3Si]2O; teplotní spád v sekundárním oběhu v oběhu 235/170 °C, max. tlak 1,65 MPa, tlak v kondenzátoru 17,5 kPa.
18
25. Parní turbína v technologickém celku

● Kalinův oběh

Další alternativní látky jsou roztoky. Roztoky jsou vyjímečné tím, že výparná teplota roztoku dvou látek není, při daném tlaku, konstantní [5, s. 762] (v plynném stavu se z roztoků stává směs plynů). Roztoky jsou řešením pro všechny typy odpadních tepel, protože střední teplota odvodu tepla z teplonosného média odpadního tepla byla velmi blízka střední teplotě přívodu tepla do oběhu s roztokem (viz teoretický binární paroplynový oběh v podkapitole 23. Dvoutlakový paroplynový oběh), Obrázek 904.

Jedním z nejpoužívanějších roztoků je kombinace čpavku a vody NH3-H2O (amoniak se ve vodě dobře rozpouští). Parní oběh s roztokem NH3-H2O se nazývá Kalinův oběh [15].

Přesný tvar T-s diagramu roztoku NH3-H2O (počáteční teplota vypařování a teplota ukončení výparu) závisí na poměru jednotlivých složek roztoku, který musí být optimalizován pro konkrétní aplikaci, respektive maximální teplotu a teplotní spád. Čím větší je obsah amoniaku v roztoku, tím blíže jsou jeho termodynamické vlastnosti vlastnostem amoniaku a dále od vlastností vody a naopak. Základy termodynamiky dvousložkového roztoku jsou uvedeny např. v [4, s. 26], [5, s. 748] a podrobněji v [3]. Entalpie roztoku je součet entalpie jednotlivých složek, tedy stejný postup jako pro výpočet entalpie směsi plynů. Rovnice pro výpočet entalpie amoniaku jsou uvedeny například v [8] nebo tabelárně [2] nebo diagram i-xNH3 (entalpie-podíl amoniaku ve směsi) pro vybrané tlaky v [3, s. 512].

dvousložkového roztoku jsou uvedeny např. v [4, s. 26], [5, s. 748] a podrobněji v [3]. Entalpie roztoku je součet entalpie jednotlivých složek, tedy stejný postup jako pro výpočet entalpie směsi plynů. Rovnice pro výpočet entalpie amoniaku jsou uvedeny například v [8] nebo tabelárně [2] nebo diagram i-xNH3 (entalpie-podíl amoniaku ve směsi) pro vybrané tlaky v [3, s. 512].

Kalinův oběh by sice dosahoval lepšího vychlazení spalin v paroplynovém oběhu v jednotlakovém uspořádání než klasický parní oběh Obrázek 11, ale celé zařízení by bylo technologicky velmi složité a nákladné. Dalším omezením je vliv čpavku na lidský organismus, při vdechování může dojít k poškození plic i smrti. Při velkých výkonech spalovacích turbín by objem amoniaku v parním, respektive Kalinovu oběhu byl mnohatunový, což by mělo velké nároky na bezpečnost. Proto se tyto oběhy používají pouze pro využití nízko-potenciálního odpadního tepla malých výkonů (např. odpadní teplo či geotermální energie [18]). Tento roztok může mít také teplotu kondenzace hluboko bod 0 °C (díky podílu čpavku) a proto se používá jako absorpční chladící oběh [4, s. 28], který využívá stejné směsi (používají se ale i roztoky jiných látek). Ze stejných důvodů se používá Kalinův oběh i u geotermálních elektráren v chladných oblastech s velmi nízkou okolní teplotou a tím oběh může dosáhnout vyšší účinnosti než parní oběh s vodou, u které je teplota kondenzace vysoko nad 0 °C.

T-s diagram Kalinova oběhu (ideální) a schéma zařízení pro jeho realizaci
904 T-s diagram Kalinova oběhu (ideální) a schéma zařízení pro jeho realizaci
Zde jsou zdrojem tepla horké spaliny za spalovací turbínou. Protože odpařování směsi není izotermický proces může (z technologických důvodů) už ohřev končit pod bodem celkové sytosti b''. V takovém případě obsahuje směs velké množství kapek a zařízení musí být doplněno separátorem vlhkosti (přerušovaná čára).
19
25. Parní turbína v technologickém celku

se používá Kalinův oběh i u geotermálních elektráren v chladných oblastech s velmi nízkou okolní teplotou a tím oběh může dosáhnout vyšší účinnosti než parní oběh s vodou, u které je teplota kondenzace vysoko nad 0 °C.

● ● ●

Odkazy

[1] KUCHTOVÁ, Lenka, KOŘISTA, Milan. Cena a význam základního výzkumu v energetickém strojírenství, All for power, 2009, č. 1. Praha: AF POWER agency a.s., ISSN 1802-8535.
[2] RAŽNJEVIĆ, Kuzman. Termodynamické tabuľky, 1984. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 2 sv. Edícia energetickej literatúry (Alfa).
[3] SHAVIT, Arthur, GUTFINGER, Chaim. Thermodynamics from concepts to applications, 2009. Second edition. New York: CRC Press, Taylor&Francis Group, ISBN 978-1-4200-7368-3.
[4] HOCH, Václav. Chladící technika, 1992. Vydání první. Brno: VUT v Brně, ISBN 80-214-0412-4.
[5] HORÁK, Zdeněk. KRUPKA, František, ŠINDELÁŘ, Václav. Technická fysika, 1961. 3. vydání. Praha: SNTL.
[6] Turboden srl, 2012. Výrobce a dodavatel jednotek ORC. Adresa:Via Cernaia, 10, 25124 Brescia Italy. Web: http://www.turboden.eu.
[7] IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický průvodce energetika-1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, ISBN 80-7300-026-1.
[8] DVOŘÁK, Zdeněk, PETRÁK, Jiří. Tepelné vlastnosti čpavku, 1974. Praha: Závodní pobočka ČVTS strojní fakulta ČVUT.
[9] KRBEK, Jaroslav, POLESNÝ, Bohumil, FIEDLER, Jan. Strojní zařízení tepelných centrál-Návrh a výpočet, 1999. 1. vydání. Brno: PC-DIR Real, s.r.o., ISBN 80-214-1334-4.
[10] KRBEK, Jaroslav. Tepelné turbíny a turbokompresory, 1990. 3. vydání. Brno: Vysoké učení technické v Brně, ISBN 80-214-0236-9.
[11] KADRNOŽKA, Jaroslav. Lopatkové stroje, 2003. 1. vydání, upravené. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., ISBN 80-7204-297-1.
[12] SCHMIDTMAYER, Josef. Maticový počet a jeho použití v technice, 1967. Vydání druhé. Praha: SNTL. 384 stran.
[13] LEYZEROVICH, Alexander. Steam turbines for modern fossil-fuel power plants, 2008. Lilburn: The Fairmont Press, Inc., ISBN 0-88173-548-5.
[14] KADRNOŽKA, Jaroslav. Parní turbíny a kondenzace, 1987. 1. vydání. Brno: VUT v Brně, 55-597-37.
20
25. Parní turbína v technologickém celku
[15] MLCAK, Henry. An Introduction to the Kalina Cycle, Proceedings of the International Joint Power Generation Conference, 1996. PWR-Vol. 30. Book No. H01077 -1996.
[16] FRAAS, Arthur. Heat exchanger design, 1989. Second edition. John Wiley&Sons, Inc. ISBN 0-471-62868-9.
[17] JÍCHA, Miroslav. Přenos tepla a látky, 2001. Brno: Vysoké učení technické v Brně, ISBN 80-214-2029-4.
[18] TŮMA, Jan. Island nabízí Evropě elektřinu, Technický týdeník, č. 5, 2013. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
[19] KADRNOŽKA, Jaroslav. Tepelné elektrárny a teplárny, 1984. Vydání první. Praha: SNTL.
[20] AMBROŽ, Jaroslav, BÉM, Karel, BUDLOVSKÝ, Jaroslav, MÁLEK, Bohuslav, ZAJÍC, Vladimír. Parní turbíny II, konstrukce, regulace a provoz parních turbín, 1956. Vydání první. Praha: SNTL.
[21] KOUSAL, Milan. Spalovací turbíny, 1980. 2. vydání, přepracované. Praha: Nakladatelství technické literatury, n. p.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Parní turbína v technologickém celku, Transformační technologie, 2011-04, [last updated 2020-01-26]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/25.html.
Koupit celý článek ve formátu PDF za 90 Kč
nahled pdf formatu Často kladené dotazy, informace o prodeji a nabídku dalších článků tohoto webu (včetně výhodnějších nákupů více článků stejného tématu) naleznete zde.
21