Napájecí čerpadlo
Napájecí čerpadla jsou v tepelné elektrárně důležitým článkem koloběhu tepelného média. Jejich úlohou je doprava odplyněné napájecí vody z napájecí nádrže přes vysokotlaké regenerační ohříváky do systému napájení kotle, přičemž současně zvyšují tlak napájecí vody na hodnotu překračující tlak ostré páry proudící z kotle na turbínu. Tlak za čerpadly musí být od tlaku páry vyšší o hydraulické ztráty v trubkách ohříváků vysokotlaké regenerace i v samotném kotli. Konstrukčně jsou hydrodynamická napájecí čerpadla většinou vyráběna jako rotační, článkové, odstředivé lopatkové stroje, poháněné výkonným elektromotorem nebo malou parní turbínou. Hřídel je uložena v kluzných ložiscích, tlakový mazací olej pro ložiska je externě chlazen. Z důvodu jednosměrnosti toku čerpané kapaliny čerpadlem musí mít hřídel určitý kompenzační a vyrovnávací mechanizmus pro eliminaci vzniklých axiálních sil. Elektrický motor nebo parní turbína je s čerpadlem spojena většinou pomocí regulační hydraulické spojky a výkon čerpadla se reguluje změnou jeho otáček.
Z důvodu zabezpečení spolehlivosti napájení kotle napájecí vodou jsou často tyto čerpadla počítána na 50 % průtoku a v napájecím uzlu jsou instalována tři čerpadla – třetí je jako horká rezerva pro případ poruchy na jednom ze dvou pracujících čerpadel.
Rozdělení čerpadel
Čerpadla, jako stroje na dopravu kapalin, se dají podle principu práce rozdělit na tři základní skupiny. Nejpočetnější a v energetice nejvyužívanější jsou odstředivá čerpadla. Druhou skupinu tvoří objemová čerpadla a třetí jsou proudová čerpadla – injektory a ejektory.
Mezi objemová čerpadla patří různé konstrukce pístových a membránových čerpadel, dále lamelová a zubová čerpadla nebo šnekové čerpadlo. Pracovní látka se nasává do čerpadla po určitých objemových dávkách a následně se vytlačuje z čerpadla ven. U pístových čerpadel zabezpečuje tento cyklus posuvně se pohybující píst, tvořící pohyblivou stěnu pracovní komory. U membránových čerpadel je namísto pístu použita pružná membrána s táhlem – průhyb membrány způsobuje změny objemu a tlaku v prostoru pod membránou a čerpadlo střídavě nasává a vytlačuje kapalinu.
Zubová čerpadla fungují na principu dvou do sebe zapadajících ozubených kol, přičemž je kapalina unášena k výstupnímu hrdlu v mezizubních prostorech. Lamelové čerpadlo používá excentricky uložený rotor s radiálně posuvnými lamelami ve válcové pracovní komoře. Speciálním typem objemového čerpadla je Archimedův šroub – šikmo uložený šnekový mechanismus v trubce, který při otáčení vytváří svými závity vzhůru se pohybující kapsy s kapalinou.
Odstředivá čerpadla využívají k vytvoření tlakové energie účinek odstředivé síly působící na kapalinu. Patří mezi rotační lopatkové stroje s lopatkovým oběžným kolem umístěným v pracovní komoře, přímo poháněným například elektromotorem. Odstředivá čerpadla mají rovnoměrný průtok čerpaného média a poměrně jednoduchou konstrukci. K jejich výhodám patří snadná regulace průtoku výstupní kapaliny škrcením ve výtlačném potrubí, přičemž nehrozí jejich poškození ani při celkovém uzavření výtlaku. Sání odstředivých čerpadel je nejčastěji axiální – kapalina vstupuje do oběžného kola čerpadla v ose rotoru. Podle směru jejího výstupu se odstředivá čerpadla dělí na:
- Radiální – směr výstupu je kolmý na osu rotace rotoru
- Axiální – směr výstupu je stejný jako směr vstupu a rotor připomíná vrtulové kolo
- Diagonální – spojuje principy dvou předchozích typů
Další dělení může být podle polohy hřídele na horizontální a vertikální čerpadla, podle počtu stupňů na jednostupňové a vícestupňové čerpadla nebo podle počtu vtoků do oběžného kola na čerpadla s jednovtokovým a dvouvtokovým oběžným kolem.
Napájecí stanice Nového zdroje v Ledvicích je umístěna v mezistrojovně bloku a tvoří ji tři čerpadla s elektrickým pohonem pracující v zapojení 2 + 1 (2 pracující čerpadla po 50 % průtoku a 1 rezervní záskokové čerpadlo). Mezi motorem a čerpadlem je použita regulační hydraulická spojka Vorecon, zabezpečující potřebné otáčky napájecího čerpadla a tím ve svém důsledku i množství a žádaný tlak napájecí vody. Součástí napájecího soustrojí je i menší podávací čerpadlo zvyšující tlak napájecí vody na sání hlavního napájecího čerpadla tak, aby napájecí čerpadlo pracovalo vždy v bezkavitačním režimu. Napájecí stanice dodává při nominálních parametrech do kotle 468 kg napájecí vody každou sekundu při tlaku 34,6 MPa a teplotě 189 °C.
Fyzikální principy
V hydrodynamických čerpadlech se mění mechanická energie Emech přiváděná na hřídel rotoru od elektromotoru na tlakovou energii čerpaného média Etlak na výstupu z čerpadla. Mezičlánkem při přeměně energie je kinetická energie proudící kapaliny Ekin, vznikající na lopatkách oběžného kola.
Průtok kapaliny je kontinuální, výstupní tlak závisí na rychlosti otáčení rotoru čerpadla.
Emech → Ekin → Etlak
Odstředivá síla v rotoru při uzavřeném výtlaku čerpadla způsobuje nárůst tlaku za čerpadlem Δp [Pa], který je závislý na hustotě čerpané kapaliny ρ [kg/m3], otáčkách rotoru n [1/s] a poloměrech vstupu a výstupu média z rotoru r, R [m]. Zjednodušený vztah můžeme zapsat ve tvaru:
Pokud čerpadlo čerpá kapalné médium o hmotnostním průtoku m [kg/s] a hustotě ρ [kg/m3] je ke zvýšení tlaku potřebný výkon A [W], který se zjednodušeně spočítá podle rovnice: