ŠKODA POWER: připravena na světové trendy v energetice

Jaderná energetika se začíná vracet jako čistý bezemisní zdroj elektrické energie. Některé země se vývoje jaderných zdrojů a jejich výstavby nikdy nevzdaly (kupř. Francie) a dnes představují technologickou špičku ve světě. Další země přehodnocují své závěry, které učinily v minulých letech, kupř. Itálie nebo SRN. Parní turbíny na sytou páru, které jsou zdrojem pohonu generátorů ve většině provozovaných jaderných elektráren, mají svá konstrukční specifika. Jednotkové výkony v jaderných elektrárnách jsou vysoké a při nízkých parametrech páry jsou třeba vysoké hmotnostní i objemové průtoky páry. Problémem stavby turbín na sytou páru jsou tedy především velké rozměry. Někteří výrobci to řeší koncepcí stroje na poloviční otáčky se čtyřpólovým generátorem. Tato koncepce dovoluje dosáhnout jednotkového výkonu až 1700 MW. Na druhé straně však přináší určité nevýhody: velké rozměry a hmotnost jednotlivých nedělitelných součástí, jež dosahují u největších strojů stovek tun. Velké rozměry lopatkování jsou pravděpodobnou příčinou nečekaných problémů se spolehlivostí oběžných lopatek, které se v posledních letech objevily v Japonsku a v USA. Tyto případy sice neohrožují jadernou bezpečnost elektrárny, ale jsou vždy finanční ztrátou. V posledních dvou dekádách byla věnována maximální pozornost projektování jaderné elektrárny z hlediska jaderné bezpečnosti. Dá se předpokládat, že při stavbě nových zdrojů budou využity především koncepce, které potvrdily svou spolehlivost a bezpečnost v dlouhodobém provozu – tlakovodní reaktory (VVER, EPR), technologie CANDU a varné reaktory. ŠKODA POWER je tradičním výrobcem parních turbín na sytou páru. Firma jich vyrobila tři desítky. Pro moderní jaderné elektrárny připravuje ŠKODA novou parní turbínu na sytou páru o výkonu 1200 MW. Turbína zachovává tradiční koncepci - jeden dvouproudový VT díl a tři dvouproudové NT díly, tentokrát s titanovou lopatkou koncového stupně s průtočností vyšší o 40 % než dosavadní koncový stupeň turbíny 1000 MW. Nová turbína je opět plnootáčková. Tím zachovává v podstatě rozměry a hmotnost turbíny 1000 MW. Je vybavena vysoce účinným 3D lopatkováním (obr. 1). Velká pozornost je věnována spolehlivosti oběžných lopatek. Všechny turbínové stupně budou osazeny průběžnou vazbou, které značně zvýší jejich odolnost vůči vibracím. Nová je konstrukce regulačních ventilů. Pro zajištění klidného chodu soustrojí byla vyvinuta nová metodika výpočtu rotordynamiky, včetně uvažování vlivu základu na chování rotorové soustavy. Aplikace titanového koncového stupně sice zvyšuje náklady na výrobu turbíny, ale umožní nasazení plnootáčkové turbíny až do výkonu 1200 MW. Ta pak může pracovat s moderními tlakovodními reaktory, jako jsou AP1000, nebo moderní ruská jaderná technologie. Pro jadernou technologii EPR má ŠKODA připravenu variantu se dvěma turbínami 800 MW, jejichž design je odvozen z turbíny 1200 MW. Pro technologii CANDU je připravena (speciálně pro indický trh) turbína o výkonu 700 MW. Paroplynové cykly I když ŠKODA POWER není výrobcem plynových turbín, parní turbíny ŠKODA pro paroplynové cykly jsou na trhu úspěšné. Jejich výrobková řada je velmi flexibilní a turbíny ŠKODA mohou spolupracovat s většinou plynových turbín, které jsou na trhu paroplynových cyklů, kupř. GE 9FB, 6FA, LM 6000, Siemens 94.2, SGT5-4000. Pro nejčastěji budované paroplynové elektrárny o výkonu 400 MW, resp. 800 MW, ŠKODA nabízí dva základní typy: pro konfiguraci jedna plynová a jedna parní turbína je k dispozici dvoutělesová parní turbína s jedním VT dílem a kombinovaným ST-NT dílem, obvykle s axiálním výstupem. Pro konfiguraci 2+1 je k dispozici parní turbína s kombinovaným VT-ST dílem a dvouproudým NT dílem s koncovým stupněm 48“. Pro paroplynové cykly, z nichž se odebírá teplo pro dálkové topení, ŠKODA vyvinula kondenzační turbíny s regulovaným odběrem páry. Ty dovolují protitlakový provoz s maximálním možným odběrem tepla. Parní turbíny ŠKODA umožňují odstavování na noc a na víkend a jsou konstruovány pro rychlé najíždění. Provoz bloku lze tedy přizpůsobit rozdílným cenám elektrické energie. Moderní paroplynové cykly jsou koncipovány jako třítlakové, s přihříváním páry. K dispozici jsou rovněž parní turbíny do paroplynů se staršími typy plynových turbín. Pro teritoria s nedostatkem chladicí vody jsou k dispozici kondenzační parní turbíny, které lze provozovat s vysokým tlakem v kondenzátoru. Vysoce účinné nadkritické turbíny pro spalovaní hnědého uhlí Vyznačují se minimalizací dopadů na životní prostředí a připraveností k připojení na technologii k zachycování CO2. V oblasti fosilních zdrojů je účinnost zvyšována jak vnitřní termodynamickou účinností turbíny, tak účinností celého tepelného cyklu. To je dosaženo významným nárůstem vstupní teploty a tlaku páry nad 600 oC a 28 MPa. Pro takto vysoké parametry páry je nutno využít zcela nové materiály pro hlavní části turbíny. Vývoji moderním materiálů pro teploty až do 625 oC se od 90. let intenzivně věnovaly evropské výzkumné projekty COST 501, 522 a COST 536. ŠKODA POWER se na nich podílela přímo i prostřednictvím svých partnerů. Výstupem těchto výzkumů byly oceli s novým složením a tepelným zpracováním, vhodné pro turbínová tělesa a rotory. Turbína 660 MW ze ŠKODA POWER s ultrasuperkritickými parametry páry a měrnou spotřebou tepla pod 7000 kJ/kWh se díky modernímu konstrukčnímu řešení a využitím renomovaných materiálů pro řídicí díly řadí mezi současnou světovou špičku (obr. 5). Koncepčně je odvozena od ověřeného bloku výkonu 500 MW, s využitím výsledků v oblasti mechaniky proudění, dynamiky a materiálového výzkumu. Turbosoustrojí se skládá z jednoproudého VT dílu, dvouproudého ST dílu a dvou dvouproudých NT dílů s 9 odběry pro regeneraci a 3 neregulovanými odběry pro teplofikaci. Regenerace je zajištěna 5 NT ohříváky a 3 VT ohříváky. VT a ST díly jsou vyrobeny z žárupevných 10% Cr ocelí s dělicí rovinou osazenou šrouby z niklových slitin. Průtočná část je tvořena 3D tvarovanými profily, ve špičkové partii zatěsněnými voštinovými ucpávkami (obr. 3 a 4). Jednotlivé konstrukční bloky jsou řešeny jako modulární, a proto lze upravit výkon ultrasuperkritického soustrojí podle požadavků zákazníka. Počítá se i s nasazením superktických soustrojí pro teplárenské bloky s elektrickým výkonem nad 350 MW. V úvahu přichází také retrofity stávajících soustrojí a zvýšení jejich vstupních parametrů. V současné době ŠKODA POWER dokončuje detailní konstrukční řešení nadkritických turbosoustrojí o výkonu 800 MW. Při jejich vývoji byly využity zkušenosti i z řady turbín velkých výkonů pro jaderné elektrárny. Použitá koncová lopatka o délce 1350 mm bude obdobou lopatky pro nízkotlaké díly jaderných bloků. U bloků této velkosti se uvažuje s možností snížení emisí CO2 jeho separací, se zachycováním a ukládáním v podzemních úložištích. Na druhé straně výkonového spektra pak stojí menší turbíny pro spalování fosilních paliv v moderním kompaktním provedení. Jako příklad lze uvést konstrukční řešení jednotělesové turbíny s přihříváním o výkonu 120 MW do lokality Bolu-Göynük v Turecku. Vývoj specializovaných turbín pro industriální aplikace a kombinovanou výrobu tepla ŠKODA POWER má dlouholetou tradici ve vývoji a dodávkách turbín pro průmyslové aplikace a pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Kupříkladu turbína pro projekt Värö ve Švédsku je osazena tzv. putujícími odběry technologické páry. To prezentuje dokonalé sladění mechanického řešení a moderního počítačového řízení provozu a umožňuje efektivní využití energie páry v technologickém provozu papírny za současné maximalizace výroby elektrické energie. ŠKODA POWER je aktivní rovněž v oblasti „zelené energie“, a to prostřednictvím dodávek pro bloky využívajících jako palivo biomasu, příp. tříděný komunální odpad. Realizována byla kupř. turbína na biomasu o výkonu 23 MW v lokalitě Emlichheim v SRN. Připravuje se instalace turbíny 10 MW v Plzni. Turbíny větších výkonů jsou využívány ve spalovnách odpadu, kupř. v německém EVI-Europarku, nebo ve spalovně Accera v Itálii. Modernizace průtočné části – verifikace v moderní experimentální zkušebně a nové vzduchové turbíně ve VZLU Praha Návrh nové turbíny s maximální možnou účinností a spolehlivostí je umožněn díky týmu odborníků pracujícím s nejmodernější počítačovou technikou. Třebaže moderní výpočtové metody umožňují přesně simulovat mechanické namáhání, ztráty prouděním a dynamické chování celého turbosoustrojí i jeho komponent, při ověřování predikovaných charakteristik hraje stále nezastupitelnou roli experiment. ŠKODA POWER proto investovala do moderního experimentálního zázemí, a to jak přímo ve vlastním závodě (obr. 2), tak u svých dodavatelů výzkumných prací. Ve spolupráci s VZLÚ Praha a PBS Brno byla modernizována zkušební vzduchová turbína, která umožní rychlé a přesné vyhodnocení účinností nových stupňů turbíny ve velmi krátkém čase a za přijatelných nákladů ve srovnání s experimentem na parní turbíně. Zkoušky na zkušební parní turbíně 10 MW na vlhkou páru jsou naopak nezbytné pro ověření vlastností lopatkování turbín pro jaderné bloky. Zařízení na ověřování technologie supervysokých teplot (700 oC) ŠKODA POWER aktivně pracuje na dalším zvyšování vstupní teploty páry až nad hranici 700 oC, které umožní aplikace niklových slitin a moderních metod spojování heterogenních materiálů. V přípravě je demonstrační jednotka o elektrickém výkonu přibližně 1 MW, která dovolí přenést laboratorně získané vlastnosti materiálů na reálné turbosoustrojí a ověřovat u parních turbín vlastnosti zcela nových materiálů při kombinovaném působení vysokých hladin tepelně-mechanického namáhání a korozivního prostředí. ŠKODA POWER s více než stoletým know-how ve stavbě parních turbín může nabídnout zákazníkům technicky a technologicky progresivní projekty. Výzkumné a vývojové kapacity jsou zárukou, že ŠKODA POWER je a bude na špičce oboru ve světě. l Ing. Luboš Prchlík, Ph.D., ředitel úseku Rozvoj, ŠKODA POWER Ing. Karel Duchek, specialista pro vývoj produktu, ŠKODA POWER