Parní bloky výkonových tříd 600 až 1000 MW s nadkritickými parametry páry

V posledních 10 až 15 letech vedl levný zemní plyn ve spojení s technickými a ekonomickými parametry plynových turbín a paroplynových zařízení (PPZ) velkých výkonů k jejich rozsáhlému použití ve výstavbě nových centrál pro základní zatížení, špičkovací a záložní zdroje a inovace dožitých zařízení. Docházelo ke snižování objemu výstavby uhelných elektráren. Zvýšení cen zemního plynu a ropy a nové obchodně strategické a politické aspekty světového trhu dramaticky změnily názory na využití celosvětových zásob uhlí. Dnes je uhlí jedinou fosilní palivovou alternativou zemního plynu a ropy v rozvoji velké energetiky v celém světě. Jaderná energie je v přípravě na další etapu rozvoje. Analýzy možností dalšího podstatného zvyšování účinnosti uhelných centrál zejména s nadkritickými parametry ukazují vlivy zvýšené účinnosti na snižování měrné a celkové spotřeby uhlí, snižování škodlivých emisí, prodlužování využitelnosti zásob uhlí a na snižování provozních nákladů. Nadkritické bloky jsou ekologicky, provozně i ekonomicky plně srovnatelné s PPZ na zemní plyn. Uhlí je a zůstane celosvětově hlavním zdrojem energie, který je nutno s maximální efektivností zužitkovat. VÝVOJ PARAMETRŮ OBĚHU Nejstarší technologie výroby elektřiny byly založeny na termodynamických cyklech pára/voda. Počátkem 20. století dosahovala teplota páry uhelných kotlů kolem 200 °C při podkritických tlacích. Účinnost pracovních cyklů byla asi 12%. Koncem druhé světové války vývoj žárupevných materiálů a vývoj parních kotlů a turbín pokročil tak, že umožňovaly dlouhodobý spolehlivý provoz při tlaku a teplotě páry na vstupu do turbíny do 90 bar/510 °C při čisté účinnosti kolem 30 %. Po roce 1980 dosahují u podkritických bloků velkých výkonů (nad 200 MW) stavy páry na vstupu do turbíny 180 bar/ 560 °C, přihřátí na 580 °C a čisté účinnosti kolem 36 %. Po roce 1980 se stále častěji v celém světě uplatňují nadkritické parametry vstupní páry u parních bloků výkonových tříd od 300 do 600 až 1000 MW, určených k inovaci dožívajících elektráren a k výstavbě nových elektráren zejména uhelných. Dnes již téměř standarní stavy vstupní a přihřáté páry komerčních nadkritických bloků jsou kolem 280 bar při teplotách kolem 600 °C, supernadkritické bloky dosahují čisté účinnosti až 50 %. SROVNÁNÍ NADKRITICKÝCH BLOKŮ S PODKRITICKÝMI Ukazuje na řadu obdobných modulů. Podstatně se liší jen parní turbína a kotel u komponent, vystavených vysokým teplotám s požadavky na vysokou účinnost a speciální materiály, které limitují zvyšování teplot páry a mají neobvyklé nároky na svařování, strojní a metalurgické technologie, jsou velmi drahé (oproti P91 asi 10krát) a obtížně na trhu získatelné. Hlavní potrubní parovody mezi kotlem a turbínou vedoucí páru o nadkritických parametrech se liší zejména materiály a nároky na svařování. Souhrnně se očekává od nadkritických bloků vysoký ekonomický přínos. Ve stejném poměru jak klesá měrná spotřeba paliva (zvyšuje se účinnost), snižuje se jeho celková spotřeba uhlí o 15 až 30 %, klesají proměnné náklady na výrobu elektřiny a klesají emise oxidu siřičitého, uhlíku a dusíku. Vznikají úspory paliva a prodlužuje se doba čerpání zásob uhlí. JAKO OBECNÉ TECHNICKÉ A EKONOMICKÉ POŽADAVKY NA ZDROJE S NADKRITICKÝMI PARAMETRY LZE OZNAČIT: ? vysokou účinnost VT a ST částí využívající nadkritických stavů páry a vysokého přihřátí - dominantní konstrukční a materiálový problém nadkritických bloků, ? vyšší zvýšení účinnosti pracovního cyklu jako základního předpokladu efektivity, ? velké jednotkové výkony (nad 500 MW) s ročním využitím nad 7500 h, ? nízké investiční a provozní náklady, ? nízké měrné a celkové emise ve spalinách, ? ekonomicky dostatečně dlouhou provozní životnost. REALIZOVANÁ TURBÍNOVÁ ZAŘÍZENÍ S NADKRITICKÝMI PARAMETRY První nadkritický hnědouhelný blok Schwarze Pumpe be SRN má výkon 800 MW, další blok Boxberg 900 MW. Bloky dosáhly radikálního zvýšení účinnosti oproti dosavadním zvyklostem. SIEMENS PG získal v aplikacích nadkritické techniky vedoucí světovou pozici. Nabízí a dodává běžně bloky s parametry vstupní páry do 280 bar/600 °C a teplotou přihřáté páry 620 °C s termickou účinností cyklu 50 % a čistou účinností 45 %. Připravuje supernadkritické bloky 350 bar/700°C/650 °C. KONSTRUKČNÍ KONCEPCE Typická standardní koncepce nadkritických turbosoustrojí výkonových tříd 600 - 1000 MW s 3000 (3600) ot/ min Siemens je jednoosé tandemové uspořádání 4 (5) modulů (těles). Pára vstupuje do VT tělesa dvěma větvemi do ventilových skříní na bocích tělesa, vystupuje po expanzi dvěma větvemi do přihříváku v kotli a vstupuje do ventilových skříní dvouplášťového ST tělesa. Po expanzi je jedním hlavním potrubím převáděna do dvou nebo tří dvouproudových NT těles a z nich do kondenzátorů umístěných pod turbínou. Délka celého soustrojí se třemi NT tělesy včetně turboalternátoru je 56 m, výška základu 15 m. VT těleso: vnější turbínová skříň je barelová bez horizontální dělicí roviny. (poznámka: barelové skříně uvedla do světové stavby parních turbín a patentovala První brněnská strojírna již v roce 1925). Je vhodná i pro nejvyšší stavy vstupní páry. Lopatkování má 16 stupňů z nich 1 rovnotlakový a 15 přetlakových s proměnnou reakcí podél profilu u statorových i rotorových lopatek (třídimenzionální optimalizace účinnosti). Materiál lopatek je 10 % Cr ocel. VT těleso má jeden neregulovaný odběr (A10). ST těleso: je dvouproudové dvouplášťové, lopatkování má v každém proudu 17 stupňů, z toho 1 rovnotlakový s malou reakcí a 16 přetlakových. Statorové i rotorové lopatky mají třídimenzionálně natáčený profil s podélně proměnnou reakcí, materiál rotorových lopatek dvou prvních stupňů je vzhledem k vysoké teplotě páry a vysokému namáhání z niklové slitiny, statorové lopatky a rotorové lopatky ostatních stupňů jsou z 10 % Cr oceli. V tělese jsou 4 neregulované regenerační odběry (A5 až A8). NT tělesa nadkritických bloků navazují na konstrukční, technologické a provozní zkušenosti z mnoha podkritických bloků klasických a jaderných turbosoustrojí. Týká se to zejména koncepce turbínových rotorů, průtočné části, koncových (posledních) stupňů, spojení s kondenzátorem aj. NT tělesa bloků BoA třídy 600 až 1000 MW (NT1, NT2 a NT3) jsou dvouproudová dvouplášťová s nosiči statorových lopatek. Lopatkování NT1 a NT2 má v každém proudu 7 stupňů, z toho 4 třídimenzionálně natáčené profily a 3 neregulované odběry (A1, A2, A4), NT3 má 6 stupňů a odběr A3. Stavy páry v přívodu jsou kolem 10 bar, 300 °C. Koncový stupeň je aerodynamicky i pevnostně zvláště řešen pro široký rozsah vakua (30 až 100 mbar), navazující výstupní část a tuhé spojení skříně s kondenzátory. Délka profilu typizovaných rotorových lopatek Siemens 3000 (3600) - otáčkových turbín je u ocelových materiálů 45 palců (1140 mm) a 56 palců (1420 mm) u slitin titanu. Při dimenzování lopatek koncových stupňů a bezlopatkových průřezů difuzorů v NT tělesech byla použita třídimensionální metoda CFD (Computational Fluid Dynamics (3D CFD) zohledňující též výstupní ztráty lopatkování. VÝHLED REALIZACE PROJEKTŮ S NADKRITICKÝMI BLOKY V ČR A VE SVĚTĚ Současný hlavní směr rozvoje uhelných elektráren v ČR je pokračování modernizace existujících hnědouhelných elektráren s vyřazováním provozně dožitých bloků 100 a 200 MW, modernizace podkritických bloků 200 MW a výstavba nových nadkritických bloků výkonové třídy 600 MW. Projekt nadkritického bloku 660 MW pro elektrárnu Ledvice, výstavba v letech 2008 až 2012. Projekt nadkritického bloku 660 MW pro elektrárnu Počerady. Úvahy o dalších dvou blocích 660 MW podle bilance těžebních limitů hnědého uhlí. Bloky 660 MW jsou hlavním záměrem obnovy, případně širšího využití zásob hnědého uhlí v ČR. Polsko má rozsáhlé zdroje hnědého uhlí, které zajišťují nejméně 40 let zásobování země elektřinou, má nyní instalovaný výkon v elektrárnách 34 500 MW, z nich je33% v provozu déle než 30 let. Bylo rozhodnuto nahradit zastaralé elektrárny novými hnědouhelnými nadkritickými bloky velkých výkonů. První dva bloky, každý o výkonu 460 MW na páru 274 bar/544 °C/568 °C s účinností 41,9 % na prahu elektrárny Patnow, budou dodány konsorciem Alstom Stuttgart a Rafako (otel) a Alstom Elblag (turbína) s využitím zkušeností z bloků Schwarze Pumpe a Niederaussen v SRN. Čína měla v roce 2004 instalovaný výkon v elektrárnách 288 770 MW, do roku 2020 má býti ročně instalováno 35 GW výkonů. Čína preferuje modernizaci a výstavbu nových kapacit v uhelných elektrárnách zejména v nadkritických blocích velkých výkonů. Siemens nabízí ve spojení se Šanghajským turbínovým závodem 4 nadkritické bloky výkonové třídy 1000 MW na páru 262,5 bar/600°C/600°C pro elektrárnu Yuhuan a Waigaoquiao II. Konkurentem Siemense jsou zde Mitsubishi Heavy Industries, GE - projekt Doosan 1000 MW), Alstom a další. V přípravě jsou informace o nadkritických parametrech bloků v USA, Rusku, Japonsku a dalších zemí. ING. FRANTIŠEK MICHELE, CSC.