Parní turbína
Parní turbína je nejpoužívanější tepelný rotační lopatkový motor sloužící k přeměně vnitřní energie páry na mechanickou energii – otáčení rotoru turbíny. K transformaci energie dochází při silovém působení páry na lopatky turbíny. Moderní energetická turbína má několik těles, přičemž každé těleso se skládá z více stupňů tvořených rozváděcími a oběžnými lopatkovými koly.
V mezilopatkových kanálech rozváděcího kola každého stupně pára expanduje, její tepelná a tlaková energie se mění na energii kinetickou, která se následně v oběžném lopatkovém kole mění na energii mechanickou. Všechna oběžná kola jsou upevněna na hřídeli a tvoří otáčející se rotor turbíny, upevnění rozváděcích kol tvoří její stator. Výkon parních turbín se většinou reguluje změnou parametrů a průtoku páry turbínou.
Historie
Historie parní turbíny se začala psát koncem devatenáctého století, kdy první stroj splňující tato kritéria sestrojil švédský inženýr a vynálezce Gustaf de Laval. Nechal se inspirovat vodní Peltonovou turbínou jen s tím rozdílem, že namísto vody proudila z dýz na lopatky oběžného kola pára. Vzhledem k vysokým rychlostem (až 30 000 ot./min.) a tím i odstředivým silám, nutnosti převodů, horším materiálovým vlastnostem v té době byly výkony rovnotlakých Lavalových parních turbín omezené a na pohon výkonových generátorů se nehodily.
Nedostatky první Lavalovy turbíny odstranil o rok později v roce 1884 anglický vynálezce Charles Algernon Parsons – vynálezce přetlakové turbíny. Na rozdíl od Lavala použil vícestupňovou konstrukci parní turbíny, přičemž každý stupeň sestával z nepohyblivého věnce rozváděcích lopatek pevně spojeného s tělesem turbíny a z věnce lopatek oběžného kola spojeného s hřídelí. V přetlakové turbíně dochází k expanzi páry nejen v lopatkových kanálech rozváděcího kola, ale i při průtoku páry oběžným kolem. Turbína Charlese Parsonse měla relativně nízké otáčky a mohla být připojena přímo ke generátoru nebo například přes redukci k lodnímu šroubu.
Na přelomu 19. a 20. století začalo její masivní využívání a za několik let úplně vytlačila parní stroj. První Parsonsova turbína poháněla generátor o výkonu 7,5 kW, ale v poměrně krátkém čase se výkon jeho turbogenerátorů zvýšil až 10 000krát. Turbína byla lehce škálovatelná a našla si své pevné místo v energetice.
Většina dnes používaných parních turbín má horizontální provedení a axiální průtok páry jednotlivými stupni – to znamená, že pára od vstupu do turbíny postupuje rovnoběžně s osou turbíny, která je vodorovná. V historii se vývoj turbín samozřejmě ubíral i jinými směry, ale pro nadměrnou složitost nebo jiné nedostatky se tyto prototypy neprosadily. Z turbín s vertikální osou rotace můžeme vzpomenout stroj Američana Charlese Curtise, další představil Francouz Auguste Rateau. Zcela specifickým vynálezem byla radiální parní turbína bratří Ljungströmových, ve které proudila pára od osy otáčení směrem ven soustavou protiběžně rotujících oběžných kol.
Parní turbína podrobně
Základní rozdíl při konstrukci turbín spočívá v principu přeměny energie páry na kinetickou energii rotoru. Rovnotlaká akční parní turbína je charakteristická tím, že k expanzi a poklesu tlaku páry dochází jen při jejím průtoku rozváděcími lopatkami, při průtoku páry oběžným kolem se její tlak nemění. Pro přetlakovou reakční turbínu naopak platí, že k expanzi a poklesu tlaku páry dochází na lopatkách obou kol turbínového stupně.
Podle parametrů vstupní páry lze parní turbíny rozdělit na turbíny na sytou páru (často využívané v jaderné energetice) a turbíny na přehřátou páru, které pracují v uhelných elektrárnách a vyznačují se vyšší účinností.
Parní turbíny jsou výkonově dobře škálovatelné, ty větší jsou složeny z několika vícestupňových těles na společné hřídeli. Teoreticky je ale možné turbíny dělit na jednostupňové a vícestupňové a na jednotělesové a vícetělesové. Pro vícestupňové parní turbíny platí, že je průměr oběžného kola každého následujícího stupně větší, protože postupnou expanzí páry se zvětšuje i její objem. Průměry oběžných kol posledních nízkotlakých stupňů jsou ale limitovány maximální odstředivou silou působící na lopatky a tím i jejich délkou. Je-li páry v nízkotlaké oblasti turbíny více, je nutné její rozdělení do dvou, někdy i tří nízkotlakých dílů.
Tělesa parních turbín mohou být jednoproudé nebo dvouproudé. Pára v jednoproudém tělese prochází jednotlivými stupni tělesa jen jedním směrem a axiální síly vzniklé v rotoru musí být kompenzovány ložiskem nebo druhým, v protisměru orientovaným tělesem. U dvouproudých těles vchází pára do tělesa uprostřed a proudí přes stupně symetricky na obě strany. Axiální síly obou proudů se vyrovnají a není nutné je externě kompenzovat.
Podle dalšího využití páry, která prošla turbínou, můžeme parní turbíny rozdělit na kondenzační, protitlakové a odběrové. Kondenzační turbíny se snaží plně využít potenciál v páře – pára po opuštění posledního stupně turbíny kondenzuje na chladných trubkách kondenzátoru a tím v něm udržuje hluboký podtlak. Pára z výstupu protitlakové turbíny má ještě dostatečně vysoké parametry na to, aby mohla být dále technologicky využita, například k vytápění. Parní turbína může být ještě odběrová – pára se z turbíny odebírá na více místech mezi jednotlivými stupni a slouží k regenerativnímu ohřevu kondenzátu nebo jako zdroj tepla pro teplárenství. Odběry mohou být regulované nebo neregulované. Většina energetických parních turbín je odběrových.
Bezpečnou a spolehlivou práci turbíny zabezpečují především systémy pro její regulaci, mazání, prohřev nebo natáčení rotorů.
Bezproblémový chod turbosoustrojí zabezpečuje vysokotlaký olejový systém hydraulicky řídící všechny regulační a uzavírací prvky na vstupech páry do jednotlivých dílů. Jsou to hlavně ochranné rychlozávěrné ventily, které rychle uzavřou přívod páry do turbíny v případě nenadálé havarijní situace a tím nouzově přesměrují tok páry mimo soustrojí do jiných zařízení, například kondenzátoru. Další jsou regulační ventily a klapky umožňující plynulou regulaci průtoku páry do turbíny na základě vyhodnocení provozních čidel nebo přímého zásahu operátora bloku. Regulační ventily na základě impulsů z elektro-hydraulického převodníku škrtí přívod páry do turbíny a tím snižují její využitelnou energii i výkon turbíny.
Druhým důležitým pomocným systémem turbíny je systém mazání, který zásobuje mazacím olejem všechna kluzná ložiska turbosoustrojí. Skládá se ze zásobní olejové nádrže, čerpadel oleje, filtrů, chladičů až po tlaková potrubí. Mazání ložisek musí být zabezpečeno při všech režimech turbíny.
Během najíždění turbíny ze studeného stavu je potřebný další systém – systém prohřevu a odvodnění vnitřních částí turbíny, zabezpečující postupné rovnoměrné zvyšování teplot těles ještě před vpuštěním páry do turbíny. S najížděním souvisí i natáčecí zařízení, které umožňuje pomalé protáčení rotorů turbíny během prohřevu před najetím nebo naopak při ochlazování po odstavení turbosoustrojí.
Turbína s označením MTD 70 – 660 MW, použitá u Nového zdroje v Ledvicích, patří mezi reakční kondenzační turbíny s přihříváním pro nadkritické parametry. Skládá se z jednoho vysokotlakého dílu, z jednoho dvouproudého středotlakého dílu a ze dvou dvouproudých nízkotlakých dílů.
Každý ze čtyř dílů turbíny má celokovaný rotor uložený ve dvou radiálních segmentových ložiscích. Rotory jsou navzájem spojeny pevnými spojkami. Z důvodu jednoproudého VT dílu je jeho rotor kvůli kompenzaci axiálních sil ještě opatřen opěrným kotoučem pro axiální ložisko. Na spojce ST a NT dílu je nainstalováno natáčecí zařízení. Všechny díly turbíny mají horizontální dělicí rovinu staženou závrtnými šrouby.
Celková délka turbíny je 32 metrů a váží přes 1 000 tun. Ostrá pára, proudící do VT dílu turbíny čtyřnásobným vstupním potrubím přes rychlozávěrné a regulační ventily v množství kolem 1 685 tun/hod., má tlak 26,5 MPa a teplotu dosahující 600 °C. Všechny rychlozávěrné a regulační ventily turbíny jsou řízeny pomocí vysokotlakého hydraulického regulačního systému.
Využití tak vysokých teplot páry na vstupu do turbíny je umožněno použitím moderních žárupevných ocelí na lopatkování a tělesa vysokotlakých a středotlakých dílů. Turbína má devět odběrů pro regeneraci a tři neregulované odběry pro teplofikaci. Termická účinnost turbíny je 51,5 %.
Pracovní látkou v parní turbíně je vodní pára, jejíž tepelná energie, kterou získala v uhelném kotli od produktů spalování paliva, se mění na mechanickou práci rotoru. Proces transformace energie probíhá při expanzi páry, proudící mezilopatkovým prostorem rozváděcího a v případě přetlakové turbíny i oběžného kola. Do turbíny vstupuje pára s určitou tlakovou energií, která se postupně v jednotlivých stupních turbíny mění expanzí na kinetickou energii. Tu pára na svojí další cestě předá s určitou účinností lopatkám oběžných kol, které konají mechanickou práci.
V ideální turbíně probíhá expanze páry jako izoentropický děj (entropie soustavy se nemění) – pára koná práci na úkor vnitřní energie.
Ze zjednodušené rovnice prvního zákonu termodynamiky vyplývá, že měrná mechanická práce ideální turbíny se rovná izoentropickému tepelnému spádu, tvořenému rozdílem měrných entalpií páry na vstupu do turbíny (ip [kJ/kg]) a výstupu z turbíny (ik0 [kJ/kg]).
a = ip – ik0 = Δi0
V reálných parních turbínách dochází například vlivem tření páry v lopatkování ke ztrátám a skutečný tepelný spád je menší.
Δi = ip – ik
Míru zmenšení spádu a tím i výsledné měrné mechanické práce charakterizuje vnitřní termodynamická účinnost turbíny.
ηtd = Δi / Δi0 = (ip – ik) / (ip – ik0)
Výkon parní turbíny (Pt [kW]) je zjednodušeně přímo úměrný skutečnému tepelnému spádu a množství páry protékající turbínou (mp [kg/s]).
Pt = mp . (ip – ik)
Emisní pára vycházející z turbíny kondenzuje na trubkách kondenzátoru při stálém emisním tlaku. Pokud má vzniklý kondenzát na výstupu z kondenzátoru entalpii ikon, turbína má následující spotřebu tepla (Qt [kJ/s]).
Qt = mp . (ip – ikon)
Maximální využití parametrů páry v parní turbíně lze dosáhnout carnotizací tepelného oběhu. V Carnotově cyklu určují tepelnou účinnost střední teploty přívodu a odvodu tepla. Mezi základní úpravy, přispívající ke zlepšení účinnosti cyklu, patří:
- zvýšení teploty páry na vstupu do turbíny
- zvýšení tlaku páry na vstupu do turbíny
- přihřívání páry mezi VT a ST dílem
- regenerační ohřev napájecí vody
- snížení teploty kondenzace