Rekonstrukce strojovny 4x 200 MW v elektrárně Tušimice

Po důkladné rozvaze a provedených studiích se elektrárenská společnost ČEZ rozhodla k razantní rekonstrukci zařízení svých uhelných elektráren. V roce 2006 začala rekonstrukcí strojovny bloku č. 4 s výkonem 110 MW v elektrárně Ledvice. První velký projekt však následoval v témže roce podpisem kontraktů na kompletní rekonstrukci bloků 4x 200 MW elektrárny Tušimice II. Hlavním důvodem rekonstrukce bylo zvýšení účinnosti bloků na současnou požadovanou úroveň, snížení ekologického zatížení, prodloužení životnosti zařízení o dalších cca 25 let, zvýšení provozní pružnosti bloků v souladu se současnými požadavky sítě a v neposlední řadě i snížení nákladů na údržbu. Hlavním projektantem a koordinátorem rekonstrukce byla stanovena vlastní dceřiná společnost ČEZ Škoda Praha Invest a.s. Jako hlavní dodavatelé byly vybrány Vítkovice pro kotelní část a ŠKODA POWER pro strojovny parních turbín. Celý rozsah projektu se rozdělil na poměrně velké množství obchodních balíčků, což kladlo vysoké nároky na koordinaci ze strany Škoda Praha. Základní podmínkou pro rekonstrukci turbíny bylo využití původního základu třítělesové turbíny ze 70. let. Tím byla dána základní konstrukční koncepce turbíny na opakování původního uspořádání. Nutno poznamenat, že moderní 200MW turbína ŠKODA by byla dvoutělesová s kombinovaným vysokotlakovým a středotlakovým dílem v jednom tělese a dvouproudovým nízkotlakovým tělesem. Zákazník dále požadoval zachovat původní dispoziční koncepci strojovny včetně počtu regeneračních ohříváků a použití malé parní turbínky pro pohon napájecího čerpadla v souladu s originální koncepcí. Parametry vstupní páry nových turbín se však výrazně liší od původních. Původní tzv. standardní „dvoustovkové“ parametry páry 165 barů a 535 °C pro ostrou páru a 535 °C pro přehřátou páru byly zvýšeny na tlak 175 barů a teplotu 570 °C, respektive 575 °C pro přihřátou páru. Důvodem pro navýšení hodnoty parametrů páry bylo zlepšení tepelné účinnosti ze 40 % projektovaných u původních turbín na současných 46 %. Aplikace těchto vysokých teplot si vyžádala použití odolnějších materiálů pro některé exponované díly. Jednalo se zejména o široké uplatnění materiálu P 91 pro tělesa turbíny, ventilové komory a část dodávky potrubí. Řada zkušeností získaných při konstruování a uvádění do provozu turbín 4x 200 MW v Tušimicích se využily i při následném návrhu a realizaci turbíny 660 MW pro nový nadkritický blok v elektrárně Ledvice. Zvýšené vstupní parametry znamenají pro konstrukci turbíny zvětšení entalpických spádů na vysokotlakový (VT) a středotlakový (ST) díl. Nový VT díl turbíny je proto navržen s 15 rovnotlakovými stupni místo původních 11 turbínových stupňů. Jeho konstrukce je dvouplášťová s vnitřním tělesem přes celou průtočnou část. Nebylo použito obracení proudu páry v tělese, aplikované v 70. letech. Přesto se ložisková vzdálenost oproti původní koncepci prodloužila pouze o cca 630 mm. Pro dosažení vysoké účinnosti (respektive snížené spotřeby tepla) bylo použito nového profilování lopatek. ŠKODA POWER na základě vlastních proudových simulačních výpočtů a experimentů připravila nový typ tzv. 3D lopatkování. Tento typ lopatkování se vyznačuje podstatným snížením ztrát v jednotlivých turbínových stupních. Turbíny pro elektrárnu Tušimice jsou první, kde se tento nový typ lopatek aplikoval. Zásadní konstrukční změnou prošly také nadbandážové a hřídelové ucpávky v průtočné části turbíny. Každá nadbandážová ucpávka má vždy dva ucpávkové břity vycházející přímo z integrované bandáže oběžných lopatek. Ve statorové části se použil jako „protikus“ voštinový pásek. Montážní vůle (ve studeném stavu a bez rotace) se pohybuje řádově okolo 0,4 mm, za provozu se pak nastaví na hodnotu cca 0,25 mm. Pro vnější ucpávky se použily kroužky s tzv. abradeble materiálem, který dovoluje bez ohrožení spolehlivosti provozu použít vůle v labyrintech jen cca 0,3 mm. Konstrukčně to znamená, že na labyrintový kroužek ucpávky je nastříkána vrstva měkkého materiálu, který se v případě dotyku břitu mezi rotorovou a statorovou částí do měkkého materiálu „zařízne“ a nezpůsobí žádné škody. Nový ST díl je navržen jako jednoproudový, opatřený opět 3D lopatkováním a použitím meridiálního tvarování kanálu rozváděcí lopatky u prvního ST stupně. Středotlakový díl je tvořen 15 rovnotlakovými stupni místo původních 12 stupňů. Ucpávky využívají stejné konstrukce jako u VT dílu. Tento nový ST díl dosahuje 94 % termodynamické účinnosti. Rozměry původního základu limitovaly použití optimální konstrukce nízkotlakového (NT) dílu turbíny. Z pohledu optimálního řešení by konstrukce NT dílu vyžadovala větší výstupní plochu – což představuje výhodnější řešení z pohledu posledního stupně a výstupní ztráty. Optimální poslední stupeň však nebylo možno vtěsnat do rozměrů původního základu. Kompromisem je NT díl navržený s osvědčenou robustní poslední lopatkou o délce 840 mm, která je po stránce dynamiky i účinnosti plně ověřena. NT rotor oproti původní koncepci je proveden jako celokovaný, tedy z jednoho kusu bez osového vývrtu. Původní koncepce rotoru byla tzv. skládaná, kdy rotor tvořil hřídel a jednotlivé disky turbínových stupňů byly natažené na rotor zatepla. Původní vodíkem chlazené elektrické generátory ŠKODA 200 MW byly kompletně vyměněny generátory se vzduchovým chlazením. Uvažovaná jednoduchá úprava horní základové desky turbíny, zamýšlená z důvodu větších ložiskových vzdáleností VT a ST dílu (tedy posunutí dvou příčníků) se na základě detailních podkladů původního základu stala poměrně složitým problémem. Původní základ je koncipován jako kombinace betonové horní základové desky a ocelových sloupů. Předpokládané posunutí příčníků pod předním ložiskovým stojanem a ložiskovým stojanem mezi VT a ST dílem nebylo možno spolehlivě spojit se stávající částí, protože napojení vycházela do prostoru ocelových svorníků, které spojují horní desku s ocelovými sloupy. Dále bylo nutno v rámci detailního návrhu provést kontrolu tvarování desky po zatížení. Původní návrh dával neuspokojivé výsledky. Podle nich by dotvarování základu vyžadovalo s největší pravděpodobností už cca po dvou letech provozu provést kompletní přerovnání turbíny ve spojkách. Tento fakt rozhodl o tom, že se měnila celá třetina horní základové desky (pod VT a ST dílem). Současné poznatky z provozu ukazují, že toto rozhodnutí bylo správné a chování základu je bezchybné. Zvláštní kapitolu rekonstrukce tvořila požadovaná modernizace napájecích čerpadel včetně pohonu. Rekonstrukce se skládala z dodávky nové parní turbínky o výkonu 6,4 MW, pracující v rozsahu otáček 3000 až 4906 ot/min. Tato nová turbína byla umístěna do původních stojanů a spojena s rovněž původním napájecím a podávacím čerpadlem. Tato čerpadla prošla pouze generální opravou. Při rekonstrukci parních kondenzátorů byly využity původní pláště, do kterých jsou zasunuty nové trubkové moduly s vodními komorami. Kompletně se měnily všechny regenerační ohříváky, ať už se jednalo o nízkotlakové nebo vysokotlakové. Do cyklu byl jako poslední doplněn (v místě nejvyšší teploty napájecí vody) srážeč přehřátí. Vertikální koncepce ohříváků zůstala zachována stejně tak jako jejich umístění ve strojovně. Byly kompletně vyměněny veškeré armatury a potrubí jak v parních systémech, tak v kondenzátní části, v části napájecí vody, chladicí vody, mazacího oleje, odvodnění, ucpávkové páry atd. V rámci rekonstrukce bloků byly kompletně vyměněny řídicí systémy - tzv. nadřazený řídicí systém (DCS), kde zvolil zákazník systém SPP 3000 od firmy Siemens. ŠKODA POWER dodávala modul řízení turbínového ostrova. Hardware tohoto modulu na bázi Simaticu S 7 zajišťuje kompletní řízení vlastní turbíny. Komplexní obnova elektrárny probíhala ve dvou etapách. První etapa byla úspěšně završena v březnu 2010 podpisem protokolu o předběžném převzetí zařízení – bloků TG 23 a TG 24 – mezi generálním dodavatelem Škoda Praha Invest a ŠKODA POWER. V červnu a červenci téhož roku bylo provedeno garanční měření a certifikační zkoušky. Všechny garantované parametry – dosažení maximálního výkonu 200 MWe za daných podmínek, splnění tepelného výkonu 80 MWt a požadované účinnosti zařízení potvrzené měřením měrné spotřeby tepla – veškeré tyto veličiny byly splněny. Po dvou letech provozu se garanční měření u bloků 23 a 24 opakovalo, opět s výsledkem „splněno“. Druhá etapa, představující rekonstrukci bloků TG 21 a TG 22, startovala koncem roku 2009 a úspěšně byla završena podepsáním protokolů o předběžném převzetí mezi zákazníkem a dodavatelem ŠKODA POWER v říjnu 2011 (blok 22), resp. v dubnu letošního roku u bloku TG 21. Garanční měření potvrdilo dosažení požadovaných hodnot. Ing. Jiří Fiala, ředitel Technického úseku ŠKODA POWER, a Doosan company