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

Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz
Úvod
Zapojení parní turbíny
Kapitola o výpočtu rozsáhlých schémat technologických celků
Výpočet jemnovitých stavů v potrubích teplárny [Ú.151]
Pracovní režimy parní turbíny
Tepelná účinnost bloku s parní turbínou
Výpočet tepelné účinnosti bloku [Ú.148] ● Carnotizace parního oběhu ● Vliv zvýšení teploty páry T3 na tepelnou účinnost ● Vliv tlaku páry p2 na tepelnou účinnost ● Přihřívání páry a jeho vliv na tepelnou účinnost ● Regenerační ohřev napájecí vody ● Výpočet parametrů regeneračního ohříváku [Ú.131] ● Vliv teploty kondenzace na tepelnou účinnost
Parní turbína v paroplynovém bloku
Návrh paroplynového oběhu [Ú.159]
Alternativní pracovní látky v parních obězích
Regulace výkonu parních turbín
Charakteristika parní turbíny a její pracovní bod
Zjednodušené spotřební charakteristiky parních turbín ● Výpočet parametrů parní turbíny při změně parametrů páry na vstupu nebo v odběrech [Ú.1000]
Odkazy
Přílohy
Koupit celý článek ve formátu PDF za 90 Kč
Často kladené dotazy, informace o prodeji a nabídku dalších e-knih tohoto webu naleznete zde.
Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie; ISSN 1804-8293;
www.transformacni-technologie.cz; Copyright©Jiří Škorpík, 2011-2019. All rights reserved. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
25. Parní turbína v technologickém celku

Úvod

Základní rozdělení a způsoby zařazení parní turbíny v technologickém celkem jsou popsány v kapitole 23. Parní turbíny.

Požadované parametry a vlastnosti technologického celku jsou součásti zadání pro návrh parní turbíny. Odtud plyne nejen průtok a parametry páry, ale například i požadavky na průměrný počet startů za rok a jejich rychlost, otáčky, množství a místo odběrů páry, způsob regulace, charakteristika při částečném zatížení atd.

Zapojení parní turbíny

Zapojení parní turbíny v technologickém celku závísí na typu tohoto celku, obvykle obsahuje parní tubína tyto připojovací uzly:

Příklad zapojení parní turbíny s odběry páry
1.830 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(1); 13 nízkotlaké labyrintové ucpávky; 14 olejový okruh ložisek; 15 sledované veličiny turbosoustrojí(2); 16 přední ložiskový stojan; 17 zadní ložiskový stojan.
(1)Ucpávky parní turbíny
Celkové množství páry unikající v ucpávkách je do 2 % u malých turbín, do 1 % u velkých turbín – záleží i na opotřebení ucpávky. Více o principu ucpávek např. [10, s. 152].
(2)Kontrolované a regulované veličiny
Nejčastěji se kontrolují 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 24. Další části parní turbíny a její vybavení.
● 1 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Turbosoustrojí se umísťují přes litinové podpěry na betonový podklad. Turbosoustrojí umístěné na společném rámu s přílušenstvím se pokladá přímo na betonovou podlahu strojovny. Kondenzátor se umísťuje za turbínu v axiálním směru u velkých turbín je umístěný pod turbínou a samotná turbína na betonovém stole. Velmi malé turbíny cca do 1 MW se nepokládají přímo na podlahu strojovny, ale na betonový podstavec výšky od 40 do 60 cm pro snadnější přístup obsluhy a údržby k takto malým strojům.

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 jednoltivých větví proto dosahuje velkého objemu a je časově náročný.

Při výpočtu se vychází z rovnic hmotnostní a energetické bilance jednotlivých zařízení, což jsou lienární 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 [25]. 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 následující úloha. 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), viz následující úloha. 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.

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.

● 2 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Teplárna je vybavena soustrojím s parní turbínou 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 v 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.
Úloha 1.151
Obrázek k úloze 1
Obrázek k úloze 1
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.

Parní turbína může být součástí i mnohem jednoduššího technologického celku, než je uvedený v předchozí úloze, například pokud pracuje jako turboexpandér mezi dvěma parovody [22].

● 3 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Pracovní režimy parní turbíny

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:

Příklad rozložení hlavních provozních režimů parní turbíny
2.301 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 [23, s. 271].

Ke každé turbíně existuje najížděcí diagram dodaný výrobcem. 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). 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. Pokud je turbína vybavena hydrostatickým ložiskem je při spouštění aktivní. 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. níže kapitola Regulace výkonu parních turbín).

● 4 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Odstavení (zastavení) 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 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 (případně další důležité uzávěry(3)) 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.

(3)Poznámka
Uzavřít se musí havaríjně 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.

Start 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]. U velkých elektrárenských turbín je frekvence startů obvykle v jednotkách (jaderné elektrárny), v desítkách (uhelné) až ve stovkách (lodní, solární aplikace, u kterých se startuje i každý den [1]) za rok. Konstrukci ještě více než frekvence startů ovlivňuje požadavek na rychlost startů, která je důležitá 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), tím se může snížit vnitřní účinnost turbíny, ale za to se prodlouží doba chodu při slunečním svitu.

● 5 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Tepelná účinnost bloku s parní turbínou

Tepelná účinnost bloku je definována jako množství elektrické energie vystupující z bloku ku energii, která do bloku vstupuje. Do bloku vstupuje energie v palivu popřípadě další energie sloužící k pohonu pomocných zařízení:

Čistá účinnost bloku tepelné elektrárny s parní turbínou
3.455 Čistá účinnost bloku tepelné elektrárny s parní turbínou
Z zdroj tepla pro výrobu páry (parní kotel, parogenerátor, varný jaderný reaktor a pod.); PZ [W] výkon zdroje páry(4); Ppotr [W] výkon páry před turbínou(5) (vztažen k teplotě napájecí vody kotle); P [W] výkon turbosoustrojí na svorkách generátoru(6) Pvs [W] vlastní spotřeba bloku(7); Pb [W] elektrický výkon na prahu bloku/elektrárny; PK [W] chladící výkon(8); ηb [-] čistá účinnost bloku tepelné elektrárny (na prahu elektrárny), obecný vztah platný pro všechny typy tepelných elektráren. ηZ [-] účinnost zdroje páry včetně skládky paliva v areálu bloku; ηpotr [-] účinnost potrubí od zdroje páry k turbíně (při zanedbání změny měrné entalpie páry v potrubí při špatné izolaci). Rozsahy běžných hodnot jednotlivých účinností bloku jsou uvedeny v [7, s. 516].
(4)Výkon zdroje páry PZ a potenciálně využitelný výkon v dodávaném palivu Ppal
Ve zdroji tepla je předáváno pracovní látce teplo. Tento předaný tepelný výkon ve [W] je roven součinu průtočného množství pracovní látky v [kg·s-1] a jejímu rozdílu měrné entalpie mezi vstupem a výstupem ze zdroje v [J·kg-1]. Do areálu výrobního bloku je dodáváno průměrné množství paliva, které obsahuje určité množství potenciálně využitelné energie. V případě paliva určeného pro spalování (uhlí, biomasa atd.) je tato energie dána výhřevností paliva. Skladování paliva a doprava do zdroje tepla nemusí být beze ztrát (vypařování hořlaviny na skládce uhlí, ztráty při manipulaci a dopravě atd.).
(5)Výkon páry před turbínou Ppotr
V ideálním případě je roven PZ. V reálném provozu je menší o ztráty měrné entalpie páry způsobené nedokonalou tepelnou izolací potrubí. Potrubní trasy bývají těsné a ztráty způsobené únikem páry netěsnostmi jsou naprosto minimální, ale mohou zde být odběry pro další parní zařízení bloku napojených ještě před turbínou např. pohon parní turbíny pro pohon napájecího čerpadla kotle, pokud neodebírá páru mezi jednotlivými tělesy turbíny.
(6)Výkon turbosoustrojí na svorkách generátoru P
Jedná se o elektrický výkon naměřený na svorkách generátoru.
● 6 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
(7)Vlastní spotřeba bloku Pvs
Vlastní spotřeba bloku představuje 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.
(8)Chladící výkon PK
Odvod tepla z tepelného oběhu se nejčastěji realizuje pomocí chladící vody, která ochlazuje kondenzátor.

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.

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 %, součin účinností mechanické stroje, převodovky a generátoru je 0,93, celková vlastní spotřeba bloku 814,3 kW. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 148.
Úloha 2.148

V současnosti existují pokročilé softwary a hardwary schopné počítat kompletně celý blok (technologický) zahrnující i CFD model průtočné části turbíny. Tento software je složen z jednotlivých modulů pro každé zařízení bloku, které mezi sebou spolupracují. Nicméně pro tento proces je spíše kontrolní nebo optimalizační, protože je už nutné znát geometrii jednotlivých zařízení.

Carnotizace parního oběhu

Za účelem zvýšení účinnosti transformace energie (tepelná účinnost) v parním oběhu se provádí jeho carnotizace. Obecné zásady carnotizace parního oběhu lze definovat z ideální podoby parního oběhu rozdělený na tři dílčí oběhy:

Rozdělení ideálního parního oběhu (R-C oběh) na 3 dílčí oběhy za účelem Carnotizace 4.126 Rozdělení ideálního parního oběhu (R-C oběh)(9) 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.
● 7 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
(9)Reálný parní oběh
Ve skutečnosti expanze v turbíně neprobíhá izoentropicky, ale se změnou entropie v důsledku ztrát či sdílením tepla s okolím. V parním kotli dochází k tlakovým ztrátám a tlak p3 na výstupu z kotle je nižší než tlak napájecí vody na vstupu do kotle p2 (zde označen jako bod 1 protože teplota za napájecím čerpadlem se změní jen o setiny stupně). Více o tlakových ztrátách v kotli např. [7, s. 264].

Existuje hned několik technických opatření zvýšení účinnosti jednotlivých dílčích oběhů. Každé z opatření je uplatnitelné za určitých konkrétních podmínek (jsou omezeny svými výhodami i nevýhodami), záleží na způsobu zapojení (účelu bloku-teplárna; elektrárna...) i velikosti zařízení (obvykle čím menší výkon tím rostou náklady na taková opatření):

Vliv zvýšení teploty páry T3 na tepelnou účinnost

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

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> způsobené zvýšením teploty T<sub>3</sub> 5.128 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:

Vliv tlaku páry p2 na tepelnou účinnost

Zvýšením tlaku p2 při stálé maximální teplotě T3 se zvýší i střední teplota přívodu tepla do oběhu TT, respektive se zvýší tepelná účinnost všech dílčích oběhů z Obrázku 4. 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:

● 8 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> způsobené zvýšením tlaku p<sub>2</sub> 6.127 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 příhříváku 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". Zde 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 4 (počáteční teplota přihřívání nižží než výparná teplota T2), ale celková střední teplota přívodu do oběhu a výkon se při správném přihřívacím tlaku zvýší [19, s. 78]:

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> přihříváním páry
7.129 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.

Za nevýhodu tohoto postupu lze považovat nutnost vícetělesové turbíny(10) a komplikovanější rozvody páry i konstrukci a regulaci kotle (větší průměry potrubí přihříváku).

● 9 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
(10)Poznámka
Při přihřívání se zvyšuje i měrný objem páry, proto je konstrukčně obtížné vyrobit jednotělesovou parní turbínu s přihříváním (pára by byla 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). 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.

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:

Parní oběh – zvýšení teploty T<sub>T</sub> regeneračním ohřevem napájecí vody
8.130 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 bodu (1)K.

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 obvykle nazývá vysokotlaká regenerace, odběry v nízkotlakých částí turbíny nízkotlaká regenerace. Podrobné schémata zapojení regeneračních výměníků jsou například v [14, s. 27 až 30].

● 10 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

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 rgeneraci i zdroj tepla (předehřev vzduchu na vyšší teplotu – což sníží spotřebu paliva; u paroplynových bloků je nutné použít vícetlakový oběh viz níže podkapitola Paroplynový oběh). Tato opatření samozřejmě významně zvyšují investici pro pořízení bloku.

Vypočtěte tepelnou účinnost oběhu parní turbíny se zapojením podle Obrázku 8 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.
Úloha 3.131

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].

Vliv teploty kondenzace na tepelnou účinnost

Střední teplota odvodu tepla z oběhu TS je dána teplotou okolí, respektive teplotou chladícího média. U nás je pára v kondenzátorech chlazena převážně vodou. Teplota chladící vody kondenzačních elektráren je nejčastěji v rozmezí 10 °C (chlazení vodou z řeky) až 25 °C (použití chladících věží). Teplota chladící vody podstatným způsobem ovlivňuje kondenzační tlak v kondenzátoru p4:

Parní oběh – snížení teploty T<sub>S</sub> zmenšením tlaku kondenzace 9.132 Parní oběh – snížení teploty TS zmenšením tlaku kondenzace
p4 [Pa] tlak v kondenzátoru.

Chladící voda vstupuje do kondenzátoru o teplotě ti a vystupuje o teplotě te. Je evidentní, že pro co nejvyšší možnou tepelnou účinnost oběhu je snaha, aby rozdíl δ mezi teplotou kondenzace T4 a teplotou chladícího média na vstupu do kondenzátoru byl co nejmenší Ti:

● 11 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Vztah mezi odváděným tepelným výkonem z kondenzátoru  a středním logaritmickým teplotním rozdílem v kondenzátoru
10.724 Vztah mezi odváděným tepelným výkonem z kondenzátoru a středním logaritmickým teplotním rozdílem v kondenzátoru
δ [°C] maximální rozdíl teplot; ti, e [°C] teplota chladícího média na vstupu, respektive výstupu kondenzátoru; Δtstr [°C] střední teplotní logaritmický spád; k [W·m-2·K-1] součinitel prostupu tepla [17, s. 92] mezi kondenzující párou a chladícím médiem (je funkcí rychlosti proudění a fyzikálních vlastností proudící látky a materiálu teplosměnných ploch); S [m2] teplosměnná plocha kondenzátoru; m [kg·s-1] hmotnostní průtok chladícího média; cp [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita při stálém tlaku chladícího média.

Podle uvedených rovnic 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 z vyšší teplotou chladící vody a tedy i nižší účinnosti tepelného oběhu. Až na speciální vyjímky se kondezátor 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]. 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].

Velký blok tepelné elektrárny s parní turbínou využívá optimální kombinace všech výše uvedených možností Carnotizace tak, aby bylo dosaženo co nejvyšší účinnosti bloku ηb za přijatelně vysokých nákladů na pořízení a provoz.

Parní turbína v paroplynovém bloku

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

V [12, s. 40] je dokázáno, že maximální účinnosti by paroplynový oběh dosáhl, jestliže by střední teplota přívodu tepla do parní části oběhu byla stejná jako střední teplota odvodu tepla z plynové části oběhu tzv. teoretický binární paroplynový oběh (v takovém případě dochází k rovnoměrnému předávání tepla z plynového do parního oběhu):

● 12 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Paroplynový oběh s dvoutlakovou parní částí
11.836 Paroplynový oběh s dvoutlakovou parní částí
(a) využitelné teplo spalin za spalovací turbínou; (b) paroplynový oběh s dvoutlakovou parní částí. qid [J·kg-1] teoreticky využitelné teplo ze spalin; qte [J·kg-1] technicky využitelné teplo ze spalin; Δt [°C] teplotní diference ve spalivém výměníku. df druhý parní okruh u paroplynového oběhu, kterým lze zvýšit výkon parní části paroplynového oběhu a snížit teplot t5 a snížit střední teplotu odvodu tepla z plynového do parního oběhu. T-s diagram je vztažen na 1 kg pracovního plynu v plynovém oběhu, kterým je v tomto případě plyn s cp=1 J·kg-1·K-1. U spalovacích turbín může být složení spalin takové, že nedovolí (např. kvůli nízkoteplotní korozi) další snížení teploty pod určitou hranici. Bližší termodynamický popis dvotlakového parního okruhu v [12, s. 116].
K Braytonovu oběhuÚlohy [6.625] přiřaďte parní oběh s nejvyššími možnými parametry páry. Vypočítejte výkon oběhu, tepelnou účinnost oběhu, poměr výkonu parního oběhu k celkovému výkonu a teplotu vzduchu za poslední teplosměnnou plochou kotle. Kondenzační teplota je 40 °C. Neuvažujte ztráty a měrnou plynovou kapacitu plynu považujte za konstantu. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 159.
Úloha 4.159

Pro zvýšení účinnosti parní části paroplynového oběhu se používají všechny metody Carnotizace uvedené výše(11). Pro různé případy ale vznikají i různá technická i hospodářská omezení, také je nutné zohledňovat typ a výkon plynové turbíny, umístění a pod. Z těchto důvodů je obtížné stanovit universální hledisko pro dimenzování paroplynového oběhu. Z principu paroplynového oběhu je ale zřejmé, že zvyšováním tepelné účinnosti parní části oběhu se bude snižovat vyrobené množství páry (platí pro konstantní stav a množství plynu na výstupu z plynové turbíny), což vede na malé průtočné plochy prvními stupni parní turbíny.

(11)Poznámka
Regenerační ohřev napájecí vody v tomto případě má smysl pouze u dvoutlakové varianty. Rozhodující pro výkon parní části paroplynového oběhu je množství tepla, které je možné převést z plynové do parní části oběhu. Toto teplo je dáno teplotním rozdílem t4-t5', na který nemá množství tepla na ohřev napájecí vody vliv. Regenerací by se snížil výkon parní části oběhu a zvýšila teplota t5 (střední teplota přívody tepla do parního oběhu se zvýší, ale zvýšením teploty plynu t5 se zvýší i střední teplota převodu tepla z plynového do parního oběhu).
● 13 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Alternativní pracovní látky v parních obězích

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

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(12), 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).

(12)Poznámka
Měrná vnitřní práce při adiabatickém expanzi je rovna rozdílu entalpie pracovního plynu Δi [J·kg-1]. Hmotnostní tok je součinem hustoty pracovního plynu a objemového průtoku V [m3·s-1].

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).

T-s diagram ORC a schéma zařízení pro jeho realizaci
12.903 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].
● 14 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

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..):

Entropie syté páry pracovní látky v pracovní oblasti s klesající teplotou klesá, proto je teplota páry T4 na výstupu z turbíny vyšší než teplota syté kapaliny při tlaku p4 – tedy je spleněna podmínka snížení teplotního rozdílu. Aby bylo dosaženo uspokojivých účinností oběhu je nutné co největší množství tepla za turbínou (odpovídají teplotnímu rozdílu T4-T2) využít pro ohřev kapaliny před vstupem do parogenerátoru (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.

ORC blok využívající výfukové teplo spalovacího motoru bioplynové stanice
13.873 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.

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).

● 15 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

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]:

T-s diagram Kalinova oběhu (ideální) a schéma zařízení pro jeho realizaci
14.904 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).

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].

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 turbínch 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 geoteramálních 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.

● 16 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Regulace výkonu parních turbín

Základním způsobem regulace průtoku parní turbínou je regulace pomocí škrcení páry na vstupu. Při regulaci škrcením vstupuje pára do turbíny jedním nebo více paralelními ale současně pracujícími regulačními ventily (více o konstrukci regulačního ventilu parních turbín např. [13, s. 85]):

Princip regulace výkonu parních turbín škrcením
15.100 Princip regulace výkonu parních turbín škrcením
1 označení stavu s plně otevřeným regulačním ventilem; 2 označení stavu s částečně otevřeným regulačním ventilem. UV spouštěcí ventil; RV regulační ventil; pe tlak na výstupu z turbíny; i [J·kg-1] měrná entalpie páry; a [J·kg-1] měrná vnitřní práce turbíny; m [kg·s-1] hmotnostní průtok páry turbínou. Přivřením ventilu dojde ke snížení průtoku a současně k poklesu tlaku za ventilem, protože průtočné části turbíny jsou stejné.

Jestliže je regulační ventil plně otevřen je tlak páry na vstupu do turbíny roven tlaku velice blízko před regulačním ventilem a i průtok páry turbínou je maximální, bod i1. Jestliže se regulační ventil „přivře“ dojde ke škrcení – izoentalpické expanzi páry ještě před vstupem do turbíny a tlak se sníží na tlak p2. Vzhledem k tomu, že tlak na konci turbíny pe je stále stejný klesne i měrná vnitřní práce turbíny (proto je tento typ regulace nehospodárný, snížením měrné práce turbíny dojde i ke snížení vnitřní účinnosti turbíny).

Tento typ regulace parních turbín se používá u turbín malých výkonů (například i u turbín pohánějících turbokompresory; hydrodynamická čerpadla-snadno se regulují výkon/otáčky apod.) a turbín, které jsou určeny pro pokrytí základní spotřeby elektřiny (např. jaderná elektrárna, která pracuje přibližně stále na max. výkon.). K regulaci škrcením se používají podle situace jednosedlové ventily, dvousedlové ventily nebo ventily s difuzorem.

Poněkud větší účinnosti při požadavku na nižší průtok se dosahuje pomocí skupinové regulace. V tomto případě je statorová řady lopatek prvního stupně turbíny rozdělena do několika skupin (od sebe oddělených). Každá skupina lopatkových kanálů (zvané také skupina dýz), má vlastní regulační ventil. Regulace průtoku se provádí otevíráním jednotlivých regulačních ventilů, tak aby škrcení (částečně otevřený) probíhalo maximálně na jednom ventilu:

● 17 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Princip skupinové regulace výkonu parních turbín
16.818 Princip skupinové regulace výkonu parních turbín
(a) schéma zapojení skupinové regulace se čtyřmi regulačními ventily RV; (b) i-s diagram expanze páry v parní turbíně při plně otevřeném RV1 a částečně otevřeném RV2. p1 [Pa] tlak na vstupu do rotorové řady lopatek prvního stupně turbíny; 1 stav páry na vstupu do rotorové řady lopatek prvního stupně turbíny po smíchání páry vystupující ze skupin lopatkových kanálů ovládané RV1 a RV2.

Za plně otevřeným regulačním ventilem je tlak vyšší než za částečně otevřeným regulačním ventilem, proto rychlost páry na výstupu ze skupiny lopatkových kanálů ovládané částečným otevřeným ventilem je nižší. Pořadí otevírání regulačních ventilů ovlivňuje konstrukce turbíny a navrhuje se tak, aby co nejméně nerovnoměrné rozložení proudu páry v prvních stupních turbíny (při kterém mimo jiné vzniká ztráta parciálním ostřikem) ovlivňovalo chod turbíny (například nesymetrické zatížení ložisek a pod). Velikost jednotlivých skupin lopatkových kanálů může být různé podle požadavků na výkon účinnost při plně otevřených jednotlivých ventilech či přání zákazníka. Více o tomto problému a konstrukci např. v [13, s. 89]. Z principu skupinové regulace je zřejmé, že regulační stupeň musí být rovnotlaký nebo Curstisův, jinak by došlo, vlivem vysokého tlaku p1, k přetákaní páry za otevřenou skupinou lopatkových kanálů do oblasti uzavřených skupin lopatkových kanálů neboli k vysoké ztrátě parciálním ostřikem. Navíc rovnotlaký rotorové lopatky takového stupně mohou být umístěny na disku s větším průměrem než následující lopatková část, a tak v jednom stupni zpracuje regulační stupeň výrazně větší entalpický spád, což snižuje celkový počet stupňů turbíny.

Regulaci výkonu parních turbín lze provádět i změnou parametrů páry na vstupu či výstupu. Takový způsob se nazývá regulace klouzavými parametry páry [10, s. 130]. Při takovém způsobu regulace je turbína konstruovaná na maximální výkon kotle, přičemž výkon je regulován změnou tlaku v kotli (pomocí napájecího čerpadla kotle-mění se i tepelný výkon kotle). S parametry páry se samozřejmě mění i tepelná účinnost oběhu.

Především u parních turbín, kde je požadavek na občasné přetížení výkonu turbíny se může použít regulace obtokem páry. U takového způsobu regulace je několik posledních stupňů turbíny navrženo na vyšší než jmenovitý průtok a v případě potřeby zvýšení výkonu se druhým vstupem do turbíny s vlastním regulačním ventilem umístěným před těmito předimenzovanými stupni vpustí další pára. Více např. v [10, s. 130].

● 18 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

Charakteristika parní turbíny a její pracovní bod

Druhů charakteristik parních turbín existuje několik (momentová, spotřební..) pro parní turbínu pohánějící elektrický generátor se nejčastěji používá spotřební charakteristika:

Spotřební charakteristika parní turbíny 17.367 Spotřební charakteristika parní turbíny
η [-] účinnost parní turbíny na spojce; m0 [kg·s-1] hmotnostní průtok 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 chrakteristiky 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:

Pracovní bod parní turbíny 18.79 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 19.998 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.
● 19 ●
25. Parní turbína v technologickém celku

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.

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 nejčasteji 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 k Úloze 5.

Pomocí Stodolova pravidla lze konstruovat zjednodušené spotřební charakteristiky i pro jiné než jmenovité teploty nebo i pro případy, kdy se mění parametry páry(13) 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. 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.

(13)Poznámka
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.
● 20 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Zjednodušená charakteristika parní turbíny s regulovaným odběrem 20.829 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 kondezační 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.).
K parní turbíně (zapojení viz obrázek) byl přidán nerugulovaný odběr do ohříváku topné vody. Zkonstruujte spotřební charakteristiku turbínou, 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.
Úloha 5.1000
Obrázek k Úloze 5
Obrázek k Úloze 5
S1, S2 skupiny stupňů mezi jednotlivými odběry. Údaje ve schématu jsou pro jmenovitý stav.

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 více zjednodušených charakteristik na lineární, respektive kvadratickou závislost, kdy lze využít těchto doporučení:

● 21 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
Zjednodušené rovnice spotřební charakteristiky parních turbín
21.388 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)(14). Uvedené rovnice jsou platné s dostatečnou přesností až od výkonu turbíny 20..30 % jmenovitého výkonu turbíny [11, s. 171], [21].
(14)Poznámka
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 protitlaké turbíny.
Příklady linearizovaných charakteristik parních turbín
22.828 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.

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.

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.

● 22 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
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. KADRNOŽKA, Jaroslav, SKÁLA, Zdeněk. Paroplynové elektrárny a teplárny, 1981. 1. vydání. Praha: SNTL.

13. ŠKOPEK, Jan. Parní turbína-tepelný a pevnostní výpočet, 2007. 1. vydání. Plzeň: Západočeská uneverzita v Plzni, ISBN 978-;80-7043-256-3.

14. KADRNOŽKA, Jaroslav. Parní turbíny a kondenzace, 1987. 1. vydání. Brno: VUT v Brně, 55-597-37.

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.

● 23 ●
25. Parní turbína v technologickém celku
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.

22. KŘÍŽ, Jaromír. Využití malých parních zdrojů pro kogeneraci, zásady projektování těchto zdrojů výroby elektřiny, 3T. Teplo, technika, teplárenství, 2005, č. 3. Pardubice: Teplárenské sdružení České republiky, 1996-2010, ISSN 1210 – 6003.

23. LEYZEROVICH, Alexander. Steam turbines for modern fossil-fuel power plants, 2008. Lilburn: The Fairmont Press, Inc., ISBN 0-88173-548-5.

24. REKTORYS, Karel, CIPRA, Tomáš, DRÁBEK, Karel, FIEDLER, Miroslav, FUKA, Jaroslav, KEJLA, František, KEPR, Bořivoj, NEČAS, Jindřich, NOŽIČKA, František, PRÁGER, Milan, SEGETH, Karel, SEGETHOVÁ, Jitka, VILHELM, Václav, VITÁSEK, Emil, ZELENKA, Miroslav. Přehled užité matematiky I, II. 7. vydání. Praha: Prometheus, spol. s.r.o., 2003. ISBN 80-7196-179-5.

25. SCHMIDTMAYER, Josef. Maticový počet a jeho použití v technice, 1967. Vydání druhé. Praha: SNTL. 384 stran.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Parní turbína v technologickém celku, Transformační technologie, 2011-04, [last updated 2019-09-18]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/25.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
● 24 ●
Koupit celý článek ve formátu PDF za 90 Kč
Často kladené dotazy, informace o prodeji a nabídku dalších e-knih tohoto webu naleznete zde.