PARNÍ TURBÍNA V TECHNOLOGICKÉM CELKU

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].

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].

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.

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.

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.

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:

● 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.

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.

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.

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 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 Kombinace spalovací a parní turbíny v paroplynovém oběhu, taktéž popis základních cílů při návrhu parní části paroplynového oběhu.

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.

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.

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.

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

● 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:

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.

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.

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.

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].

● 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.

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.

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 P_i=Δi·m=c_pΔt·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.

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

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.

Odkazy