První turbína na vlastním designu vznikla v plzeňské Škodovce v roce 1911 a od té doby v tomto závodě probíhá práce na nových turbínách a jejich komponentách prakticky nepřetržitě. A právě toto stoleté, technologické know-how hrálo hlavní roli v akvizici korejskou společností Doosan v roce 2009, která zvolila Plzeň jako své globální výzkumné a vývojové (R&D) centrum v oblasti parních turbín.
Experimentální laboratoř Doosan Škoda Power se nachází v areálu Škodovky, zároveň jde však o samostatnou budovu mimo administrativní budovu i výrobní halu. Napojena je k skutečné, přilehlé elektrárně, kterou momentálně vlastní Plzeňská energetika, díky čemuž využívá její zdroje páry pro provoz dvou experimentálních turbín a dalších zkušebních zařízení.
„Širším potrubím vede pára o teplotě přes 300 °C a tlaku 13 barů, užším potrubím pak proudí pára o tlaku 90 barů a přesahující teplotu 500 °C. Jde tedy o parametry vysoko a středotlaké páry plně srovnatelné s reálným průmyslovým provozem turbín mimo tyto prostory,“ vysvětluje mi po cestě do vývojového centra Petr Měšťánek, vedoucí odboru Výzkum a vývoj, a ukazuje na duo trubek, které vedou z teplárny ven. Vlní se nám nad hlavami a na druhém konci míří do budovy laboratoře.
Základem vývoje v Doosan Škoda Power je stejně jako v každé technologické firmě virtuální vývoj a prototypování spolu s pokročilými výpočetními metodami. „Práce pro nás ale virtuálním prototypem a výpočty nekončí. Dalším krokem je výroba fyzického prototypu či reprezentativního modelu, který následně testujeme na této naší experimentální základně,“ pokračuje ještě venku ve výkladu, abychom pak už společně vešli do prostor testovacího centra. Je to v podstatě jedna velká hala, na jejíž ploše se nachází několik vědeckých experimentálních zařízení, kterým se zde říká „standy“
Na těchto strojích prakticky nepřetržitě probíhají různě zaměřené zkoušky tak, jak probíhají inovace stávajících či vývoj zcela nových designů komponent.
Jedním z klíčových strojů na hale je parní turbína o výkonu 10 MW, sloužící nejen k dílčím testům, ale také k větším zkouškám, které probíhají jednou za dva až tři roky. K těm se přistupuje tehdy, když je potřeba komplexně prověřit například úplně nový typ lopatkování turbíny. Celý proces vývoje takové komponenty od návrhu až po uvedení do praxe trvá roky, přičemž po letech přípravy, výpočtů, konstrukce fyzického prototypu a jeho dílčího testování, například ve spolupráci s Ústavem termomechaniky AV ČR, Výzkumným a zkušebním leteckým ústavem nebo Západočeskou univerzitou v Plzni. Další měsíce pak trvá montáž a uvedení do provozu. Důvodem je fakt, že při tomto typu zkoušek se vyrábí a montuje celý nový rotor včetně lopatkování a všech vnitřních částí turbíny. Stabilní infrastrukturu, která je shodná pro všechny testy, tak tvoří pouze vnější těleso a technologie, které jsou potřeba k provozu, jako jsou například vodní brzda, parovody, ventily, kondenzátor, olejový systém, redukční stanice na úpravu páry a podobně.
„Samotné měření v provozu s párou o reálných parametrech přitom trvá jen jednotky týdnů a po něm pak zase následují dlouhé měsíce, kdy vyhodnocujeme výsledky, které následně uvádíme do praxe,“ vysvětluje Petr Měšťánek a dodává, že náklady na takové testování rostou do vyšších desítek milionů korun.
Kromě těchto velkých a extrémně náročných zkoušek v testovacím centru probíhají i o něco jednodušší a méně nákladné testy, kdy se zhruba jednou ročně v Campellově stroji prověřují prototypy nových lopatek, zejména těch nejdelších posledních nízkotlakých, které jsou technicky i technologicky nejnáročnější komponentou parní turbíny. A na ostatních standech zároveň probíhají nepřetržitě dílčí testy různých dalších komponent.
„Při našem vývoji jde o dlouhodobou, kontinuální práci, kdy experimenty používáme nejen na ověření konkrétní technologie, ale i k nasbírání dlouhodobého know-how, které používáme například pro vývoj další generace lopatkování. Protože pokud uvádíme na trh nový typ komponenty či turbíny, už máme samozřejmě rozpracované návrhy pro model další. Bez této kontinuity, která vede k neustálým inovacím, bychom nedokázali na globálním trhu obstát.
„Tak jde čas…“ s lopatkami
I proto mě Petr Měšťánek od velké turbíny vede kousek dál k místu, kde jsou vystaveny všechny generace posledních nízkotlakých lopatek, které v Plzni v novodobé historii doposud vyvinuli. Ukazuje mi například lopatky, které sice byly navrženy v 90. letech, ale stále ještě ve velkých elektrárnách úspěšně pracují.
„Vývoj takto pokročilé komponenty trvá opravdu i sedm let, přičemž uvedení na trh se pak po dokončení vývoje a testování odehraje jen v řádu měsíců. Je ale třeba připočítat dobu třeba dvou let, po kterou trvá, než se komponenta dostane do provozu, a pak ještě dobu, po kterou v provozu skutečně slouží. Což může být 40, ale i 60 let. Proto máme dnes stále v provozu lopatky starších generací,“ vysvětluje.
V současné době se už samozřejmě v aktuálně běžících projektech počítá s nasazením nejnovějších typů lopatek, které jsou také o poznání delší než generace předchozí. To přispívá k vyšší účinnosti turbín.
„V minulosti jsme byli limitováni výpočetními metodami i materiálem či složitostí výroby. Jinak řečeno, nebyli jsme schopní vyrobit tak pokročilý design z konkrétních materiálů. Díky pokroku v celém tomto řetězci ale nyní dokážeme vyrábět pokročilé lopatky. Například i 1 220 mm dlouhé, vhodné i pro největší turbíny v paroplynových či jaderných elektrárnách, což je dnes mimochodem na trhu velmi žádaný segment.“
Petr Měšťánek mi během výkladu hned ukazuje rozdíl oproti staršímu typu lopatky. Nová, o níž je řeč, má totiž speciální vazební prvky, které v provozu propojují každou jednotlivou lopatku se sousední. Tím se celé lopatkování vyztužuje a výsledkem je větší odolnost i při delší nebo štíhlejší konstrukci.
Současným specifikem trhu jsou podle něj mimo jiné náročné požadavky na flexibilitu a odolnost vůči různým typům provozů následkem zvyšujícího se podílu nestabilních obnovitelných zdrojů energie (OZE). „I proto jsme loni dokončili vývoj a prototypové odzkoušení lopatky, která je sice stejně dlouhá jako moderní typy, ale je významně masivnější, protože na ni budou kladeny daleko vyšší provozní nároky. Lopatka už byla aplikována na několika projektech,“ pokračuje dále a opět mi ukazuje, o jaké konkrétní typy lopatek jde a jaké jsou rozdíly vůči lopatkám určeným do běžného provozu.
Poslední vystavovaná lopatka, u které se zastavíme, by se dala popsat jako příslib do budoucnosti. Je to nejmodernější komponenta vyvinutá pro nově plánované projekty, přičemž jeden z největších rozdílů spočívá v materiálu. Namísto oceli je lopatka vyrobena z titanu.
„Při 3 000 ot/min na takto dlouhé lopatky působí odstředivé síly v řádu mnoha stovek tun na jednu lopatku. Pro jejich bezproblémový provoz je už tedy třeba počítat s lehčím, i když stejně pevným materiálem, než je ocel.“
Ochrana proti erozi určuje životnost lopatek
Další zastávkou při prohlídce experimentálního centra je zajímavé „stanoviště“, v němž konstruktéři řeší problematiku erozního poškozování lopatek. Toto téma je důležité hlavně pro spalovny komunálního odpadu a podobně náročné provozy. Na stolku u zařízení, v němž testování probíhá, leží několik lopatek, z nichž jedna je na náběžné hraně doslova roztrhaná na cáry, přičemž toto poškození je skutečně způsobeno pouze vodou.
Lopatka se točí velkou rychlostí, naráží do kapiček, které se při expanzi páry v turbíně tvoří a které v dlouhodobém horizontu způsobují takovéto poškození. Hodně přitom záleží na provozu turbíny. Někdy musí voda působit desítky let, v extrémních podmínkách spaloven komunálního odpadu či biomasy ovšem stačí let jen několik, a lopatka může vypadat jako rozpáraný a otřepaný kus textilu.
Na stolku zároveň ale leží i nepoškozené lopatky. Slouží k demonstraci (povrchových) úprav, které rychlému opotřebení zabraňují. Jednou z nich je například teflonový povlak na rozváděcí lopatce, tedy na lopatce, která se netočí. Na ní se totiž běžně tvoří vodní film, který se proudem páry z její odtokové hrany odtrhává. Kapičky, které se tímto způsobem tvoří, jsou v případě využití standardních materiálů poměrně velké a tím, jak narážejí do točících se lopatek, způsobují jejich poškození. Teflonová vrstva tedy podle Petra Měšťánka slouží k tomu, aby se na ní tvořil vodní film jinak a odtrhávané kapičky nebyly tak velké.
Druhá vystavená lopatka má na náběžné hraně pruh z jinak zabarveného materiálu, pohmatově však není poznat, že jde o dva různé materiály. To proto, že v náběžné hraně je vyfrézovaná kapsa, do níž je dílec ze speciální slitiny roboticky navařen laserem. Proces je plně automatizovaný, protože požadavek na absolutní přesnost a vysokou kvalitu svaru je pro následnou výdrž lopatky v reálném provozu klíčový.
„Za vývojem této metody ochrany lopatek je mnoho let výzkumu a vývoje a nákladů v řádu nižších desítek milionů korun. Museli jsme totiž provést stovky zkoušek, abychom otestovali nejen spolehlivost samotného návaru, ale i to, že návar negativně neovlivní vlastnosti základního materiálu lopatky, kterým je ocel,“ vysvětluje a dodává, že na tomto projektu s Doosan Škodou Power spolupracovali i odborníci z jiných výzkumných organizací. Část projektu také byla spolufinancována TA ČR a část výzkumu byla součástí NCK pro energetiku. „Mimochodem, nyní už jsme i součástí NCK pro energetiku II i NCK CANUT II [Národní centrum kompetencí — Centrum pokročilých jaderných technologií — pozn. red.], protože mimo jiné chceme být neustále v kontaktu s českou i zahraniční výzkumnou sférou.“
Třetí lopatka, na níž mi Petr Měšťánek ukazuje možné technologie ochrany, má PVD povlak [physical vapour deposition — extrémně tenký povlak (běžně 0,5—10 μm) vyráběný moderní technologií napařování ve vakuu — pozn. red.] po celé své ploše. Tato metoda je technologicky velmi pokročilá a nákladná, a proto se používá ve velmi specifických případech.
Teprve po této zevrubné ukázce se dostáváme k prohlídce samotného testovacího zařízení, kterým je speciální vakuová komora. V jejím nitru se rychlostí 12 000 ot/min točí disk, na němž jsou instalovány speciální ocelové destičky, kterým zde říkají kuponky. Tím, jak se disk rychle točí, narážejí destičky velkou rychlostí do kapiček vody, které se uvnitř komory rovněž generují. Tím se simuluje skutečné narážení vodních kapiček do lopatek při provozu turbíny, i když proces je pro potřeby experimentu značně zrychlený. Dosáhnout určitého stupně eroze tedy netrvá roky, ale pouhé dny. „Tento jev nejprve modelujeme numericky, ale je pro nás důležité si výsledky ověřit v praxi. Pomocí tohoto zařízení jsme schopni identifikovat erozní vlastnosti jednotlivých materiálů a jejich povrchových ochran a můžeme zároveň verifikovat a ladit naše výpočetní modely pro účely predikce a monitorování erozního poškození lopatek na konkrétních turbínách při reálném provozu.“
Velmi důležitou součástí testovacího centra je také Campbellův stroj, o němž jsem se zmiňovala na začátku článku. Ptáte se, k čemu slouží?
Když konstruktéři dokončí virtuální vývoj lopatky, následuje výroba jejích prototypů v měřítku 1 : 1 a zasazení do speciálního kola. Celé kolo s například 70 lopatkami se vloží do stroje, jenž je rovněž typem vakuové komory. Kolo se pak ve vakuu roztočí na nominální otáčky a zároveň se ještě lopatky cíleně rozkmitávají. „Vědecky řečeno měříme vlastní frekvence lopatek. Rozkmitáváme je buď proměnlivou magnetickou silou, nebo jednodušeji třeba olejovou tryskou, kdy na ně stříkáme olej a nárazy lopatek do proudu oleje je rozkmitávají. Následně pak měříme to, jak lopatky při takovém rozkmitání dynamicky reagují.“
Petr Měšťánek s úsměvem tvrdí, že v tomto ohledu je asi největší výzvou právě měření, protože inženýři potřebují vědět, jak přesně kmitají lopatky, které se otáčejí rychlostí 3 000 ot/min. A mají přitom dvě možnosti, jak to zjistit. Buď na lopatky přilepí speciální senzory, tenzometry, které snímají jejich dynamické deformace, nebo použijí metodu blade tip timing, jejímž základem je snímání kmitání pomocí statické senzoriky. Jinak řečeno, senzor je pevně usazen v komoře tak, že snímá špičky lopatek a měří čas průchodu každé jednotlivé lopatky pod ním mezi jednotlivými otáčkami olopatkovaného kola.
„Když lopatka nekmitá, bude čas jejího průchodu konstantní. Pokud ale kmitá, bude procházet s drobným zrychlením či zpožděním a díky těmto odchylkám lze spočítat, jak moc lopatky kmitají.“
Tento typ měření lze provádět nejen v plzeňské experimentální komoře, ale i při skutečném provozu v elektrárnách či jiných aplikacích jako službu vzdáleného monitoringu provozu stroje.
Na malé turbíně se testuje i učí umělá inteligence
Místem, jenž určitě v testovacím centru stojí za delší zastávku i s odborným výkladem, je vědecké stanoviště s menší turbínou o výkonu 1 MW, která se používá pro zkoušky vysokotlakých a regulačních stupňů. Specialitou této turbíny je, že má dva stupně, přičemž každý má svůj samostatný rotor. Výkon prvního stupně je mařen elektrobrzdou a výkon druhého pak brzdou vodní.
„Taková konstrukce má svůj důvod. Na turbíně potřebujeme měřit účinnost obou stupňů separátně, což by v případě jednoho rotoru nebylo možné,“ vysvětluje mi Petr Měšťánek s tím, že konstrukce takové turbíny byla velkým oříškem zejména pro odborníky z oblasti systému kontroly a řízení, protože požadavkem byla absolutní synchronnost obou oddělených rotorů.
„Mimochodem, oblasti kontroly a řízení, automatickému monitoringu a diagnostice nebo oblasti digitálních dvojčat a strojového učení se v současné době věnujeme poměrně výrazně. Dlouhodobě se jako firma věnujeme více vývoji a aplikaci nových technologií než výrobě, a to je právě rozdíl mezi námi a klasickými výrobními firmami, které třeba nemají svůj vývoj. My jsme primárně technologický podnik, který si ale může klíčové výrobní operace provádět u sebe.“
Když jsem se v rámci návštěvy v Doosan Škoda Power byla před návštěvou testovacího centra podívat i ve výrobní hale, měla jsem možnost prohlédnout si rozpracovaná těla turbín a přemýšlela jsem, jak se vlastně vyrábějí.
„Pro budoucí rotory kupujeme podle našich přesných požadavků vytvořený ohrubovaný výkovek, který už v zásadě vypadá jako rotor. My si z něj tady ale ještě musíme odebrat obráběním na celé ploše zhruba 1,5 mm materiálu. Polotovary dlouhých lopatek se zase kupují jako zápustkový výkovek z formy o přesných parametrech, jež si zde také finálně obrobíme do potřebných rozměrů,“ odpovídá na můj dotaz.
Zároveň se dozvídám, že všechny stroje se na dílně také montují. Zatímco menší se sestavené a zkontrolované rovnou expedují zákazníkům, velké stroje se po sestavení zkontrolují a následně opět rozloží, aby mohly být po dílech snadněji transportovány na stavbu.
„Naše stroje jsou i desítky metrů dlouhé a přesnost, kterou u jednotlivých komponent potřebujeme dodržet, se pohybuje v rozpětí od setin do desetin milimetru.“
Ale vraťme se ještě na chvíli k menší ze dvou experimentálních turbín, respektive k projektům, které na ní probíhají, a k budoucnosti celého testovacího centra. Velkým tématem je v rámci technického vývoje využití algoritmů umělé inteligence, zejména neuronových sítí, které se momentálně trénují, aby mohly pomáhat konstruktérům navrhovat inovace i novinky rychleji, a tím i efektivněji.
„Zároveň nás zajímá strojové učení, které využíváme už nyní jako součást našeho systému služeb vzdáleného monitoringu. Ten disponuje mimo jiné funkcemi prediktivní diagnostiky i včasného varování, takže ještě předtím, než nastane problém, by systém měl rozpoznat, že se něco nestandardního děje. A učení probíhá právě i zde na malé turbíně.“ Systém se totiž učí, jak se chová konkrétní turbína v normálním stavu a jakékoliv odchylky by tak pro něj měly být důvodem k pozornosti.
„Do budoucna počítáme s tím, že když systém vyhodnotí konec životnosti komponenty, měl by rovnou automaticky vytvořit požadavek na objednávku nové a zarezervovat i kapacity výroby a servisu. Což znamená, že se chceme vydat cestou ještě větší automatizace a digitalizace, která je u zakázkové výroby nesmírně důležitá.“
 |
Rankinův—Clausiův (parní) cyklus |
| Jde o teoretický uzavřený termodynamický cyklus realizovaný především v elektrárnách, které využívají tepelných přeměn a které mají jako pracovní látku vodu a vodní páru. Ve své nejjednodušší formě se skládá ze dvou izobarických a dvou izoentropických dějů. Lze jej rozlišit podle suchosti páry na cyklus s přehřátou párou a se sytou párou. |
Celá hala, na níž jsou v různých místech rozeseta vědecká pracoviště, by však v brzké době měla projít poměrně výraznou proměnou. Současná podoba centra je totiž uzpůsobena hlavně vývoji parních turbín, nově by se ale měla zaměřit i na technologie moderní energetiky, zejména na ty, které pracují s využitím zbytkového tepla. To je dnes v mnoha případech neekologicky bez energetického využití vypouštěno do okolního prostředí. Typicky půjde o organické Rankinovy cykly ve spojení s úložištěm tepelné energie. „U těchto technologií se nevyužívá pára, ale organické sloučeniny, typicky jde o látky využívané běžně v klimatizacích či ledničkách. A my nyní potřebujeme získat provozní znalosti s těmito cykly tak, abychom se ve znalostní základně posunuli i k zelené energetice a byli perfektně připraveni na budoucnost,“ říká na závěr mé více než hodinu trvající prohlídky experimentálního centra Petr Měšťánek.