Průmyslové parní turbíny do 180 MW a kogenerace

Je nespornou skutečností, že se moderní společnost při zajištění své existence již neobejde bez nepřetržitého zásobování elektrickou energií a teplem. Nejhospodárnějším způsobem využívání energie primárních zdrojů při zajištění těchto dodávek je kombinovaná výroba elektrické energie a tepla. Tuto skutečnost potvrzují nejenom ekonomické ukazatele, ale i II. zákon termodynamiky. Základním principem výroby elektrické energie a tepla je ve většině případů spalování fosilních či nefosilních paliv v kotli a následný přenos tepla do pomocného média - vody. Ta pak slouží k distribuci tepla k uživateli, nebo k výrobě elektrické energie pomocí parní turbíny. Oba principy jsou využívány jak k zásobování obyvatelstva, tak i v průmyslové výrobě. Se stále rostoucí spotřebou a cenou paliv a energií se zvyšuje i nutnost hledat efektivnější způsob jejich výroby. Zde se přímo nabízí spojení výroby elektrické energie a tepla - kogenerace, která umožňuje vyšší využití paliv a minimalizuje ztráty odvodem tepla do okolí. V případě nepřerušovaných technologických procesů, jakými jsou hutnické či petrochemické provozy, je odpověď na otázku zásobování energiemi zcela jasná - společná výroba tepla a elektrické energie je zde zpravidla nejvýhodnější. Složitější situace je u zařízení, která pracují sezónně, zima - léto, jako je tomu například v oblasti vytápění, nebo v provozech, kde se významně mění zatížení či požadavek na dodávku energie v průběhu dne. Pro takto stanovené podmínky je nutno hledat sofistikovanější řešení, které daným podmínkám nejlépe vyhovuje a zajistí reálnou návratnost vložené investice. Při jeho návrhu je nezbytné brát v úvahu nejen současné ekonomické a energetické podmínky na trhu, ale i co nejpřesnější odborný odhad vývoje cen pro vzdálenější budoucnost. Provoz těchto zařízení se uvažuje minimálně na 20 let a každá odchylka při návrhu se může promítnout v návratnosti investice a pozdější ziskovosti zařízení. Je tedy nezbytné zajistit co největší účinnost použitého zařízení za současné minimalizace investičních a provozních nákladů. Pro uspokojení těchto požadavků nebyl ještě v nedávné minulosti dostatečný výběr tepelných motorů pro kogeneraci, která se tak omezila pouze na velké systémy s parními turbínami a kotli, ve kterých se spalovalo uhlí. Dnes jsou již k dispozici kromě parních turbín mimo jiné i spalovací turbíny a spalovací motory. Přesto se stále využívá spojení kotle a parní turbíny s dodávkou tepla pro zvýšení celkové tepelné účinnosti. Jedním z hlavních faktorů pro výběr vhodného typu a velikosti turbíny jsou parametry vstupní a odběrové páry a výkon turbíny. V minulosti návrh turbíny omezovala také nedostatečná možnost volby materiálů a technických řešení. Například pro vysokootáčkové turbíny dříve nebývaly k dispozici účinné a spolehlivé převodovky. Proto se i turbíny s nejmenším výkonem navrhovaly se synchronními otáčkami přímo spojené s generátorem. Uvedené omezení vedlo k tomu, že zejména průmyslové turbíny o malém výkonu byly robustní s velkým počtem stupňů, čemuž odpovídaly velké rozměry. Jejich pružnost chodu byla malá a termodynamická účinnost zejména malých strojů byla nízká. V dnešní době jsou možnosti návrhu zařízení značně rozšířeny o nové materiály, výpočetní a kontrolní metody a výrobní postupy. Uvedené možnosti využila firma Siemens pro konstrukci řady průmyslových parních turbín, které pokrývají výkony až do 180 MW. Jsou to přímospojené, ale i převodované stroje s regulovanými i neregulovanými odběry pokrývajícími požadavky v různých technologických provozech. Rozsáhlé technologické možnosti se uplatnily v optimalizaci standardního přímospojeného řešení turbíny. S využitím nových materiálů došlo k podstatnému odlehčení soustrojí, optimalizaci průtočné části turbíny, zlepšení dynamiky rotoru atd. Tyto úpravy se projevily zásadním zlepšením provozních charakteristik, a také snížením investičních nákladů. Příkladem jednoho takového zařízení pro kogeneraci je jednotělesová turbína Siemens o výkonu 100 MW pro teplárnu v Žeráni (obr. Žeráň). Ložisková vzdálenost turbíny je více jak 6500 mm, rotor turbíny je spojen přímo s generátorem, který pracuje se synchronními otáčkami. Turbína má řadu odběrů, které zlepšují tepelnou účinnost, a tak ekonomiku provozu. Tam, kde nastává nepravidelný odběr páry z turbíny se ve velké míře uplatňují turbíny s částečnou - potlačenou kondenzací. Konstrukce takové turbíny dodané firmou Siemens je znázorněna na obr. Otrokovice. Při malém odběru je větší část páry přepouštěna do kondenzační části, a tak vyráběno větší množství elektrické energie. V opačném případě je průtok páry do kondenzátoru omezen a větší část páry je dodávána do technologie. Tímto způsobem může tento typ turbín flexibilně reagovat na potřeby provozu, aniž by kladl zvýšené nároky na pružnost chodu kotle. Někdy je nezbytný provoz, při kterém se značně mění protitlak turbíny, např. od tlaku 0,5 bar - 3 bar. V těchto případech je kladen zvlášť velký důraz na konstrukci posledního stupně, protože právě on pracuje s největšími změnami průtoku. Při nejnižším protitlaku je značně přetížen, naopak při nejvyšším protitlaku je tento stupeň plně odlehčen a zpravidla tzv. ventiluje. Tehdy jsou jeho oběžné lopatky extrémně namáhány a navíc buzeny aerodynamickými silami ve velkém frekvenčním rozsahu. U těchto strojů je zpravidla použita tzv. Z vazba, která významně tlumí vibrace a přispívá ke spolehlivosti provozu stroje. V některých lokalitách je požadavek na tzv. ostrovní režim, při kterém je turbosoustrojí odpojeno od veřejné sítě a musí zajistit dodávku elektrické energie pro danou lokalitu. Zde kromě vlastní regulace hraje významnou úlohu i požadavek na pružnost práce turbíny ve velkém regulačním rozsahu, a to z hlediska dodávky elektrické energie i tepla (obr. Pan Pac). Ukazuje se však, že je možné použít i jiná řešení, která se nabízejí v návaznosti na konkrétní podmínky jednotlivých projektů. Další možnosti v konstrukci turbín přinesly nové technologie používané při výrobě převodovek. Převodovky jsou dnes spolehlivé, jejich účinnost dosahuje až 99 % dle přenášeného výkonu a i jejich hlučnost je na přijatelné úrovni. Použitím převodovky pro jednotělesové turbíny nižších výkonů lze optimálně zvolit otáčky turbíny, a tím i maximalizovat účinnost. Oproti starším turbínám s nízkými otáčkami mají vysokootáčkové turbíny stejného výkonu menší počet stupňů, a tedy i významně menší rozměry. Menší průměr rotoru vede u těchto strojů k delším lopatkám a nižším sekundárním ztrátám a ztrátám radiální vůlí, což má také příznivý vliv na výšku dosahované účinnosti. Další významnou oblastí využití převodovky jsou dvouhřídelové turbíny, které jsou rozděleny na dva samostatné moduly: převodovaný vysokotlakový - VT a nízkotlakový NT. Toto uspořádání zabezpečuje samostatnou práci obou modulů, což umožňuje volbu jejich optimálních otáček. Při jednohřídelovém uspořádání pracují vysokotlakové stupně s ohledem na minimální délku lopatek, a tím stoupá jejich účinnost na malém průměru s velmi nízkými obvodovými rychlostmi. Dvouhřídelové řešení dovoluje použít vyšší otáčky vysokotlakového modulu. Při obvyklých obvodových rychlostech zpracovávají tyto stupně podstatně vyšší tepelné spády, což snižuje významně jejich počet. Zmenšuje se průměr rotoru, čímž se naopak prodlužuje délka lopatek, a tím roste i jejich účinnost. Menší průměr skříně VT modulu umožňuje snížit tloušťku stěny skříně včetně přírub. To má pozitivní vliv na rychlosti najíždění a zatěžování turbíny, což zvyšuje pružnost práce celého stroje. Výhodou tohoto uspořádání je nejen velká pružnost práce soustrojí, ale i možnost umístění regulovaného odběru mezi moduly, a také možnost práce obou modulů samostatně. Uvedenou výhodu ocení zejména provozy, které mají velký rozdíl v požadavcích na dodávku energie v průběhu roku. Příkladem výhodného využití dvouhřídelového uspořádání jsou spalovny odpadů, které se budují v blízkosti městských aglomerací. Zatímco přísun odpadků je v průběhu roku stálý, požadavky na dodávku tepla se v průběhu roku mění se střídáním teplot. V případě zařazení dvouhřídelové turbíny může být v zimním období kondenzační modul odpojen a vysokotlakový modul může být provozován pouze v protitlakovém režimu dodávkou tepla do teplárenské sítě. Naopak v letním období, kdy je tepla nadbytek, je nízkotlakový modul připojen a přebytečná pára je využita pro výrobu elektrické energie. Na rozdíl od soustrojí v jednohřídelovém uspořádání může být v případě dvouhřídelového odpojena celá kondenzace, čímž provozovatel šetří energii nutnou na její provoz. Turbínou tak nemusí procházet žádná pára nutná na ochlazování průtočných částí, což činí minimálně 10 % jmenovitého průtoku páry. Další výhodou tohoto uspořádání je možnost využití rozpínatelné spojky, která zajišťuje operativní připojování a odpojování kondenzačního modulu v průběhu dne bez odstavení turbíny. Oba výše uvedené typy turbín mohou být vybaveny v kondenzačním provedení axiálním výstupním hrdlem. V něm je umístěn nosič ložiska včetně ucpávkového systému. Toto řešení umožňuje umístit za poslední stupeň přímý difuzor, který zvyšuje termodynamickou účinnost turbíny. Další velkou výhodou tohoto uspořádání je umístění kondenzátoru ve stejném podlaží jako turbína, což výrazně zlevňuje stavbu strojovny. Z výše uvedeného přehledu využití parních turbín v kogeneraci a z příkladů úspěšných realizací firmy Siemens je vidět, že vhodným výběrem typů uspořádání stroje lze pokrýt i ty nejnáročnější požadavky zákazníků, a tak optimálně využívat možností, které skýtá společná výroba tepla a elektrické energie. ?