Turbíny jaderných elektráren jsou pro ŠKODA POWER, a Doosan copany významnou prioritou

Společnost ŠKODA POWER vnímá jadernou energetiku jako perspektivní směr, kterým se bude v budoucnu ubírat výroba elektrické energie. Jednou z hlavních priorit ve výzkumu a vývoji fi rmy je proto připravenost na modernizaci současných a na výstavbu nových jaderných elektráren. To považuje, ŠKODA POWER a Doosan company společně s trvalým kontaktem s provozovanými bloky v českých a slovenských jaderných elektrárnách za významný faktor pro nové projekty v jaderné energetice. ŠKODA POWER byla historicky zapojena do všech projektů jaderné energetiky na území bývalého Československa jako dodavatel turbosoustrojí a dalšího zařízení strojoven. Vyrobila 24 turbín o výkonu 220 MW pro bloky s jadernými reaktory typu VVER 440 v lokalitách Jaslovské Bohunice, Dukovany a Mochovce. Po celou dobu provozu těchto elektráren se ŠKODA POWER účastnila údržby a modernizace zařízení. Dosud nejvýkonnějšími vyrobenými turbínami ŠKODA byly jednotky 1000 MW pro JE Temelín. I u těchto turbín dochází nyní postupnou modernizací k navýšení výkonu. Současná celosvětová renesance jaderné energetiky zřetelně ukazuje směr vývoje výroby elektrické energie v příštích desetiletích. V České republice představuje plánovaná dostavba JE Temelín a dalších bloků pro ČEZ vytvoření dostatečné energetické rezervy a rovněž zajištění bezpečnosti a stability energetické soustavy při minimální produkci skleníkových plynů. Všichni účastníci tendru na dostavbu JE Temelín navíc deklarují zájem o podstatné zapojení českých firem do projektu, což znamená významný impulz pro český průmysl. Již návrh turbosoustrojí pro stávající bloky TG1 a TG2 JE Temelín byl velmi dlouhodobou záležitostí. Vývoj určitých kritických komponent začal v průběhu 70. let minulého století a pokračoval do druhé poloviny 80. let ukončením výkresové dokumentace. Vlastní výroba zařízení probíhala do začátku let 90. Bohužel, kompletace a vlastní uvedení do provozu bylo oddáleno politickým rozhodováním až na rok 2002, respektive 2003. Samozřejmě se za tuto dobu technický pokrok nezastavil, jeho výsledky však už nebylo možno do dokončeného zařízení implementovat. Proto se brzy po uvedení do provozu rozhodlo o modernizaci průtočných částí parních turbín. Nejprve jejich vysokotlakových a později i nízkotlakových dílů. Těmito modernizacemi se docílí navýšení elektrického výkonu bloků na téměř 1040 MW. ŠKODA POWER se dlouhodobě připravuje i na realizaci náročného projektu rozšíření JE Temelín. V rámci studie byla provedena optimalizace tepelného cyklu a vypracován úvodní návrh technologického zařízení a dispozice strojovny. V současnosti je ŠKODA POWER v kontaktu s účastníky tendru a intenzivně vyvíjí klíčové komponenty pro turbínu a další příslušenství cyklu. Návrh turbosoustrojí o výkonu přes 1200 MWe pro ruský rektor MIR-1200 nebo rektor AP1000 společnosti Westinghouse předpokládá použití čtyřtělěsové plnootáčkové turbíny. Poslední lopatka nízkotlakých dílů bude titanová o délce 1375 mm. Varianta turbosoustrojí pro reaktor EPR společnosti AREVA o výkonu přibližně 1780 MWe plánuje použití paralelních turbín 2 x 890 MWe. Bylo navrženo čtyřtělesové uspořádání se třemi nízkotlakými díly a poslední lopatkou délky 1220 mm. Pro lepší využití tepla z parogenerátorů bude regenerační část nově navrhovaného tepelného cyklu ve srovnání s koncepcí stávajících bloků TG1 a TG2 bohatěji vyložena. Proto je tepelný cyklus navrhován s 8 neregulovanými odběry páry pro regenerační ohřev napájecí vody. Součástí cyklu je 5 nízkotlakových ohříváků, odplyňovák, elektricky poháněné napájecí čerpadlo a dva vysokotlakové ohříváky. Před vstupem do nízkotlakových dílů bude pára zbavena vlhkosti v separátorech a její přihřívání parou z parogenerátoru proběhne ve dvou stupních. Součástí cyklu je také výměníková stanice o celkovém tepelném výkonu až 300 MWt, která bude zajišťovat dodávky tepla do okolních obcí. V návrhu vysokotlakových a nízkotlakových dílů nových turbín je aplikováno několik nově vyvinutých prvků. Turbínové rotory těchto rozměrů již prakticky nelze řešit jako vykované monobloky. Rotory nízkotlakových dílů budou proto svařeny z jednotlivých menších dílů, což umožňuje dosáhnout požadované vysoké mechanické vlastnosti materiálu rotoru v jeho jednotlivých částech. Svařování rotorů bude probíhat ve ŠKODA POWER na nově vybudovaném svařovacím pracovišti. Profilování lopatek předních stupňů nízkotlakových dílů bude, na rozdíl od tradičního rovnotlakového provedení ŠKODA, řešeno jako přetlakové. To nabízí výhodnější poměry pro efektivní využití energie v páře. Návrh přetlakového typu lopatkování je ve ŠKODA POWER řešen dlouhodobým rozvojovým úkolem společně s mateřskou společností Doosan. Zvláštní pečlivost věnuje ŠKODA POWER návrhu posledního stupně s délkou oběžné lopatky 1375 mm, který představuje výzvu z hlediska proudového, dynamického, pevnostního i výrobního. Finální design stupně s vysokou účinností musí zaručit spolehlivý a dlouhodobý provoz. Pro zvýšení odolnosti proti eroznímu působení vodních kapek obsažených v páře budou na náběžné hrany oběžných lopatek laserově naneseny ochranné vrstvy. Design oběžných lopatek počítá s použitím tlumících vazeb typu „tie-boss“ a speciální zamykací integrální bandáže. V případě koncepce bloku se dvěma turbínami o výkonu 890 MWe se použije již vyvinutá a provozně ověřená modulová lopatka pro poslední stupeň o délce 1220 mm. ŠKODA POWER se rovněž vždy velmi angažovala v oblasti modernizace turbín pro jaderné elektrárny. Prvním projektem tohoto typu byl program modernizace částí klíčového strojního zařízení pro JE Dukovany, realizovaný ve třech etapách. První etapa formou výměny kondenzátorů probíhala na jednotlivých blocích postupně od roku 1999 do konce roku 2000. Hlavním požadavkem modernizace bylo prodloužení životnosti kondenzátorů - původní trubkové svazky ze slitiny CuZn20Al2 nahradily titanové trubky zaválcované a zavařené do titanových trubkovnic. Zvolená modulová koncepce umožnila značné zkrácení doby montáže zařízení na elektrárně. Modernizace rovněž znamenala navýšení výkonu o 1,65 MW na každé z osmi instalovaných turbín. Dalším nesporným přínosem bylo i snížení míry podchlazení kondenzátu na méně než 1 °C a obsahu rozpuštěného O2 na méně než 5 ?g/l. Za dva roky bylo dodáno celkem 32 těchto modulů. V roce 2003 získala firma ŠKODA POWER kontrakt na druhou etapu modernizace, která reprezentovala kompletní výměnu všech 16 nízkotlakových (NT) dílů turbín a měla zajistit vysokou spolehlivost a dosažení zvýšeného výkonu turbíny. Koncept symetrické dvouproudové průtočné části tvořené dvakrát pěti stupni zůstal zachován. Pro zvýšení účinnosti byly použity rozváděcí i oběžné lopatky nových profilů a tzv. voštinové ucpávky na špičkovém průměru oběžných kol prvních a druhých stupňů. Důležitou součástí modernizace NT dílu byla rovněž opatření proti eroznímu opotřebení, a to jak pasivní, tj. povrchové zakalení náběžných hran oběžných lopatek stupňů č. 4 a 5, tak i aktivní, realizovaná u stupně č. 5 použitím dutých rozváděcích lopatek. Ty jsou opatřeny na přetlakové i podtlakové straně profilu štěrbinami pro odsávání tvořící se vodní fáze. Oběžná lopatka koncového stupně byla nahrazena širší modulovou nevázanou lopatkou o délce 840 mm se stromečkovým závěsem. Místo rotorů s nalisovanými disky oběžných kol byly použity celokované rotory. Připojovací rozměry všech spojek i velikost ložiskových čepů zůstaly zachované. Rotory NT dílů byly navrženy jako identické a umožňují tak vzájemnou záměnu. Vlastní realizace druhé etapy modernizace probíhala od začátku roku 2005 a byla úspěšně ukončena na jaře 2008 předáním díla zákazníkovi a splněním všech garantovaných hodnot. Právě probíhající závěrečná etapa modernizace turbín v JE Dukovany, kterou ŠKODA POWER realizuje, představuje modernizaci všech 8 vysokotlakových (VT) dílů turbín 220 MW. I v tomto případě se jedná o kompletní výměnu dílů průtočné části turbíny s cílem dosáhnout vysoké spolehlivosti a opět zvýšit výkon turbíny. Zůstala zachována původní symetrická dvouproudová koncepce průtočné části VT dílu. Pro dosažení garantovaných parametrů byly u všech VT stupňů použity rozváděcí i oběžné lopatky nových profilů se speciálním zatěsněním pomocí voštinových ucpávek na špičkovém průměru. Maximalizace účinnosti VT stupňů byla dosažena také pomocí tzv. 3D tvarování oběžných i rozváděcích lopatek. K tomuto účelu byla provedena řada teoretických výpočtových studií nejen přímo ve ŠKODA POWER, ale i na pracovištích zahraničních univerzit a výzkumných ústavů. Pro zajištění přesné rozteče rozváděcích lopatek, která je nezbytná pro dosažení vysoké termodynamické účinnosti, byla změněna i technologie výroby rozváděcích kol. Původní svařování je nahrazeno technologií mechanického skládání. Realizace třetí etapy v JE Dukovany byla zahájena v roce 2009, její ukončení je plánováno na rok 2012. Výsledným přínosem všech tří etap modernizace, který byl již potvrzen garančním měřením, bylo snížení měrné spotřeby tepla turbosoustrojí o 5,1 % pro jmenovitý provoz a dosažení elektrického výkonu na svorkách generátoru 248,6 MW v provozu při maximálním tepelném výkonu parogenerátoru. Životnost turbosoustrojí se prodloužila o více než 200 000 provozních hodin. ŠKODA POWER, a Doosan company uzavřela s JE Dukovany rovněž smlouvu na dlouhodobé komplexní zabezpečení údržby strojovny od roku 2009. Z hlediska zákazníka se jedná o ideální způsob, jak pokrýt nezbytný rozsah plánované i nahodilé údržby a využít technickou kompetenci ŠKODA POWER coby výrobce klíčových částí strojního zařízení. ŠKODA POWER a Doosan company v rámci smlouvy zajišťuje jak údržbu vlastních turbosoustrojí, tak prostřednictvím schválených subdodavatelů i údržbu ostatního vybavení strojovny. Dosažené výsledky u již realizovaných projektů modernizace zařízení jaderných elektráren byly pro ŠKODA POWER, a Doosan company významnou referencí při jednání s firmou Slovenské elektrárne o modernizaci bloků V2 4×220 MW v JE Jaslovské Bohunice a získání tohoto projektu. Kromě souběžně probíhající modernizace VT i NT dílů turbín byl u tohoto projektu upraven původní nízkotlakový hydraulický regulační systém turbín na „čistě“ elektronický. Vzhledem k tomu, že mohly být plně využity veškeré koncepty aplikované v JE Dukovany, proběhla modernizace všech čtyř bohunických bloků během dvou let 2009 a 2010. Požadavek zákazníka na zvýšení elektrického výkonu turbosoustrojí při zvýšeném výkonu parogenerátoru na 107 % jmenovitého z 220 MW na 251,7 MW byl nejen splněn, ale i výrazně překročen. Úspěch firmy ŠKODA POWER, a Doosan company na poli modernizací turbín 220 MW v jaderných elektrárnách byl korunován v roce 2009 získáním kontraktu na dostavbu bloků 3 a 4 s turbínami 4×220 MW ve slovenské jaderné elektrárně Mochovce. U tohoto projektu se však nejedná o modernizaci v pravém slova smyslu, ale o dodávku nových strojů při použití některých dílů turbín dodaných již v minulosti. Rozsah dodávky je proto stanoven individuálně pro každé turbosoustrojí tak, aby byly efektivně využity existující části a zároveň byla zajištěna požadovaná účinnost i spolehlivost. Protože bude navýšen tepelný výkon jaderného reaktoru na 111,7 % původního jmenovitého a následně i výkon parogenerátorů, musí garantovaný elektrický výkon každého turbosoustrojí činit 264,7 MW. Termín dokončení projektu je plánován na rok 2013. Ing. Miroslav Kapic, vedoucí odboru Vývoj turbín Ing. Jiří Kučera, Ph.D., vedoucí oddělení Parní turbíny -Tepelné výpočty