Téma: ENERGIE – Efektivita

01. 03. 2017

Vylepšování parních turbín, které přeměňují tepelnou a tlakovou energii vodní páry na mechanickou energii pohánějící generátory na výrobu elektrické energie, představuje jeden z úkolů, jak zajistit energetickou soběstačnost moderní společnosti. Na jeho řešení se se podílejí rovněž experti z oborů aplikované fyziky z Akademie věd ČR, vysokých škol a univerzit. V posledních dvou letech mj. pod hlavičkou Strategie AV21, jmenovitě programu Účinná přeměna a skladování energie.

Aerodynamická laboratoř Ústavu termomechaniky AV ČR v městečku Nový Knín nedaleko Dobříše je důkazem, že špičkové výsledky nepocházejí pouze z české metropole. Vznikla v roce 1966, avšak historie dolů ve vrchu Chvojná sahá až do středověku, kdy se zde začalo těžit zlato. Dvě průzkumné štoly z 19. století se v současnosti využívají k pohonu podtlakových aerodynamických tunelů. Obě štoly – vyčištěné, utěsněné kovovými přepážkami a vyztužené betonovým nástřikem – tvoří páteř současného vědeckého areálu.

Pohled do aerodynamické laboratoře. V levé horní části je transsonický aerodynamický tunel (šedivý) určený pro zkoumání proudění v lopatkových mřížích. V aerodynamickém tunelu lze dosáhnou až rychlostí okolo dvojnásobku rychlosti zvuku! V pravé dolní části se nachází tzv. stavebnicový aerodynamický tunel. Právě je proměřován model sestavy velkého parního ventilu.

„Objem mají přibližně šest a půl tisíce kubíků a odsát se mohou až na hodnotu přibližně desetiny atmosférického tlaku. Poměr tlaku, který vznikne odsátím ve štolách, a barometrického tlaku, jejž nasáváme z atmosféry, umožňuje docílit dvojnásobku rychlosti zvuku, což je oblast rychlosti, jež se dosahuje i ve velkých strojích, jako jsou parní turbíny, letecké motory či kompresory,“ vysvětluje dr. Martin Luxa, vedoucí oddělení dynamiky tekutin a laboratoře vnitřních proudění Ústavu termomechaniky AV ČR.

Pohled na měřenou sestavu prismatických profilů, která je umístěna v měřícím prostoru aerodynamického tunelu. Jde o model patní části geometrie oběžného kola posledního stupně parní turbíny velkého výkonu.

Vysokorychlostní aerodynamický výzkum má v České republice tradici nejen v základním, ale i aplikovaném výzkumu. Úspěšné práce v laboratořích vybavených aerodynamickými tunely vznikaly nejprve od roku 1947 ve Výzkumném a zkušebním leteckém ústavu a poté právě v Novém Kníně, kde byly vytvořeny důležité práce v oboru transsonického (rychlosti zvuku) a supersonického (nadzvukového) proudění a ve vnitřní aerodynamice, teorie turbulence a mezních vrstev či z oblasti větrného inženýrství.

Pohled do měřicího prostoru aerodynamického tunelu s vloženou sestavou měřených profilů a s pětiotvorovou pneumatickou sondou. Ve spodní části snímku raménko traverzovacího zařízení s připevněnou pětiotvorovou kuželovou sondou.

V oboru transsonického proudění lze kupříkladu pozorovat – oproti čistě podzvukovému proudění – odlišné chování proudící tekutiny. V proudovém poli se vyskytuje současně nejen oblast podzvukových, ale i nadzvukových rychlostí. „Obvykle zde vznikají rázové vlny. Pozorujeme jejich interakci s mezními vrstvami na površích zkoumaných obtékaných těles a sledujeme nárůst ztrát kinetické energie,“ doplňuje dr. Luxa. A právě výsledky výzkumu transsonických turbínových a kompresorových lopatkových mříží jsou důležité především pro energetiku.

Z tunelu do vrtule

Elektrárny spalující uhlí, zemní plyn, ale třeba také biomasu a rovněž jaderné elektrárny pracují na totožném principu. Palivo generuje teplo, jež se využívá k ohřevu vody. Vzniká vodní pára, pohánějící turbínu. Teprve zde nastává přeměna tepelné energie v kinetickou (mechanickou), která se převádí na elektrickou. Přeměna je to poměrně nedokonalá. Celkově vzato se z paliva získá nanejvýš 50 % energie. Sebemenší zvýšení účinnosti je proto velmi žádoucí.

Technik Antonín Zajíček přenáší model měřených lopatek. Nachází u potrubí, které spojuje podtlakové aerodynamické tunely s podtlakovou nádrží. Nalézáme se v přístupné části průzkumné štoly č. I ve vrchu Chvojná v katastru Královského zlatohorního města Nový Knín.

Parní turbíny velkých elektráren mají vskutku impozantní rozměry. V průtočných částech mohou lopatky dosahovat rychlosti přesahující rychlost zvuku (ve vodní páře). O účinnosti turbíny rozhodují zejména poslední, koncové stupně, kde se nachází nejdelší lopatky, ovlivňující i velikost turbíny. Při návrhu jejich tvaru, materiálu a konstrukce spolupracuje český výrobce Doosan Škoda Power právě s ÚT, který se mj. úspěšně podílel na vývoji posledního stupně turbíny pro Jadernou elektrárnu Temelín. Tamní oběžná lopatka má délku pracovního listu 1220 mm, takže nejdelší lopatky dosahují na svém konci rychlosti téměř dvakrát větší, než je rychlost zvuku (2215 km/h). Výkon přenášený jednou oběžnou lopatkou posledního stupně nízkotlakého dílu je 720 kW. Blok temelínské elektrárny, který původně pracoval s výkonem 1020 MW, je tak po modernizaci turbíny při stejné spotřebě jaderného paliva schopen docílit 1085 MW.

Unikátní traverzovací zařízení se obvykle využívá pro měření parametrů proudového pole za zkoumanou sestavou modelů profilů lopatek. Zařízení pohybuje ve třech směrech pětiotvorovou peumatickou sondou a současně ji automaticky nastavuje ve směru měřeného proudění. Z měření lze mj. stanovit ztrátu energie při obtékání měřených profilů.

Ačkoli se to na první pohled nemusí jevit jako ohromující změna, jde o efekt velmi výrazný. Kdyby blok pracoval nepřetržitě 24 hodin denně po celý rok, při průměrné ceně za kWh by úspora činila přes 1,6 miliardy korun. A takové výrobní bloky jsou v Temelíně dva!

Návrhem 1220 mm dlouhé lopatky pro turbínu v Temelíně však spolupráce neskončila. V současnosti je ve vývoji ještě delší oběžná lopatka – s délkou listu 1375 mm, jež bude patřit k nejdelším na světě.

Není pára jako pára!

Hledání cest, jak přeměňovat různé druhy energie na elektrickou, není jedinou oblastí v hledáčku vědců z Akademie věd ČR. Kromě jejího efektivního využívání jde i o co nejúčinnější výrobu. Není to ale dlouho, co hospodárná produkce elektřiny nebyla tím, co by společnosti dostatečně řešily.

Starší bloky tepelných elektráren mají účinnost okolo 35 %, moderní mezi 47–50 %. Okolo roku 2020 by mohly atakovat až 55 %. Nárůst je úměrný zvýšení teplotního a tlakového spádu tepelného oběhu – proto se zvyšuje tlak a teplota vstupní páry do turbíny. Vyšší parametry vstupní páry ovšem vyžadují nové materiály, konstrukční uzly a technologie.

Stávající špičkové bloky pracují s přehřátou párou o teplotě až 620 °C a tlakem 30 MPa. U parních turbín, které mají být v provozu po roce 2020, budou teplota až 800 °C a tlak 38 MPa. Nové poznatky umožňují vylepšit především účinnost turbíny. Jak jsme již uvedli výše, podařilo se při stejné spotřebě paliva například zvýšit výkon každého bloku jaderné elektrárny v Temelíně z 1020 MW na 1085 MW. Podobně se vzrostl výkon jaderné elektrárny Dukovany.

Pohled na parní turbínu 1000 MW v Jaderné elektrárně Temelín během její montáže. Délka hřídele rotoru turbíny je 36,45 m. (Zdroj: Doosan Škoda Power)

Tepelná energie přehřáté páry se mění na energii mechanickou v parní turbíně. Obrovském stroji, který potichu, bez vibrací a s přesností švýcarského hodinového strojku otáčí podobně velkým elektrickým generátorem. Pára při průtoku lopatkami expanduje – tj. klesá její tlak a teplota a narůstá objem. Ne každý stupeň turbíny se ale podílí na přeměně tepelné energie proudící páry na mechanickou stejným dílem. Důležité jsou především stupně poslední. Ty rozhodují o efektivitě turbíny. Aby měla účinnost co nejvyšší, musí být výstupní průřez jejího posledního stupně co největší a výstupní rychlost z něj naopak co nejmenší.

Odborníci proto navrhují tzv. velké neprizmatické lopatky (tj. po výšce zkroucené), které jsou upevněny speciálními závěsy v rotoru. Vnější průměr oběžného kola je někdy i přes čtyři metry. Obvodová rychlost je tudíž velká a na špičce lopatky překračuje rychlost zvuku! Aerodynamické zatížení vyžaduje, aby návrhy profilů posledních oběžných lopatek byly doslova precizní. Je to proto, že se projevují vlivy stlačitelnosti a vazkosti pracovní páry a při obtékání lopatek vznikají rázové vlny, které vedou k nárůstu ztrát.

Nízkotlaký rotor pro parní turbínu Jaderné elektrárny Temelín. V pravé části fotografie jsou oběžné lopatky posledního stupně. Viditelné je jeho dvouproudové uspořádání (dva krát pět oběžných kol) s posledními lopatkami 1220 mm. Oběžné lopatky všech stupňů jsou s bandáží na špičce, což zlepšuje snížení dynamických účinků a umožňuje zatěsnění ke statoru – tedy vyšší účinnost. V jedné temelínské turbíně pracují tři takové nízkotlakové rotory! (Zdroj: Doosan Škoda Power)

Pracovní páře, která protéká posledními stupni, obvykle říkáme „mokrá pára“ (jde již o směs vodní páry s maličkými kapičkami vody). Při expanzi páry klesá teplota a tlak proudící páry tak, že pára přestává být suchá a začínají se v ní vytvářet kapičky kondenzátu. Jednoduše řečeno, začíná být mokrá. Suchá vodní pára není vidět (je to průhledné médium jako třeba vzduch). Naopak pára mokrá vidět občas bývá, protože jsou v ní zkondenzované částečky vody.

Jako příklad poslouží hubička od konvice s vařící vodou. Budeme-li sledovat vystupující páru, uvidíme jeden až dva centimetry nad hubičkou cosi průhledného, pravděpodobně suchou vodní páru (i když tedy vlastně neuvidíme nic). Kousek dál již ale vidíme „mlhu“ stoupající ke stropu. A to je právě naše mokrá pára. Proces kondenzace je složitý. V posledních stupních turbíny někdy proudí jemné kapičky, jindy větší. Výsledek lze zkrátka předpovědět jen těžko.

Až na kost

Kapičky narážejí na náběžné hrany dlouhých lopatek, čímž erodují materiál. Konstruktéři proto navrhují profily řezů dlouhých lopatek (které pracují právě v oblasti mokré páry), aby byly co nejodolnější. Kdyby totiž použili profil, který bude vhodný pro nadzvukovou vstupní rychlost, zanedlouho by ze špičky lopatky moc nezbylo. Kapičky by lopatku doslova ohlodaly jak pes kost! Turbíně by klesla účinnost a zkrátila by se i životnost stroje.

Cennou informací je, co se s párou děje v posledních stupních nízkotlakého dílu. Tyto děje lze v laboratořích modelovat jen těžko, a tak vědci měří proudění v turbíně přímo v elektrárnách a za plného provozu. Například plzeňský výrobce parních turbín, Doosan Škoda Power, se kterým Ústav termomechaniky AV ČR dlouhodobě spolupracuje, dbá o získávání údajů z provozu parních turbín a měření organizuje v uhelných i jaderných elektrárnách.

Lopatka před erozí

Lopatka – eroze

Ústav termomechaniky AV ČR se do měření zapojuje, aby jeho experti mj. zvládli jednu z metod experimentálního aerodynamického výzkumu – drátkové anemometrie. Její rozvoj má v oddělení dynamiky tekutin Ústavu termomechaniky AV ČR dlouholetou tradici. Pomocí sond zasunovaných mezi lopatková kola lze totiž zjistit údaje o proudění (rychlost a směr proudění v měřených místech, stupeň a charakter turbulence). Naměřený signál poskytuje i data o charakteru mokré páry. Jak s úsměvem vysvětluje vedoucí laboratoře smykového turbulentního proudění prof. Václav Uruba: „Není pára jako pára!“

Měření v elektrárnách ale provázejí problémy – ať již jde o magnetické pole, které neumožňuje počítačům spolehlivé fungování (s měřicí aparaturou se cestuje po strojovně a hledá se místo, kde je elektromagnetický stín), případně častou devastaci sond (do obrovského stroje se zasunují miniaturní sondy s napnutým drátkem o průměru tisícin milimetru). „Údaje ale za námahu jistě stojí. Přinášejí totiž důležité informace pro výrobní závody – a to nejen pro stavbu nových a spolehlivých turbín, ale i pro modernizaci stávajících strojů,“ uzavírá dr. Luxa.

Připravili:
Martin Luxa, Ústav termomechaniky AV ČR,
Luděk Svoboda, Odbor akademických médií SSČ AV ČR,

Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR

TÉMA Energie: BIOMASA
TÉMA Energie: EFEKTIVITA
TÉMA Energie: EXCELENCE VE VĚDĚ
TÉMA Energie: SKLADOVÁNÍ
TÉMA Energie: VIRTUÁLNÍ ELEKTRÁRNY A CHYTRÉ SÍTĚ

Téma: ENERGIE – Efektivita

Přečtěte si také

Newsletter