Průmyslové parní turbíny v nevýpočtových režimech

Nejjednodušeji si lze představit změněné podmínky práce průtočné části turbíny na jednoduchém aerodynamickém profilu křídla. Na obrázku 1 je nakreslen profil, na nějž nabíhá pracovní médium pod úhlem náběhu. Ve spodní části obrázku je uveden průběh tlaků na horní a spodní straně křídla. Na obrázku 2 je uveden průběh součinitele vztlaku a odporu v závislosti na úhlu náběhu - polára profilu. Z obrázku je vidět že existuje poměrně úzká oblast, ve které pracuje křídlo s optimálními parametry, a při jejich překročení narůstají ztráty a v extrémních podmínkách může dojít až k odtržení proudu od křídla a ztrátě vztlaku.

S podobnými problémy se setkáváme ve skutečných strojích, jejichž stupně jsou složeny z lopatkových mříží. Na obrázku 3 je nakreslena statorová a rotorová lopatková mříž turbínového stupně. Pokud stupeň pracuje v návrhovém režimu, relativní rychlost w1 obtéká rotorovou mříž s optimálním úhlem náběhu. Pokud je např. snížen průtok mříží, sníží se absolutní rychlost na hodnotu c1, relativní rychlost na w1, přičemž se její směr odkloní o úhel náběhu i.

Na obrázku obr 4 je uvedena obecná charakteristika lopatkové turbinové mříže, ve kterém plná čára znázorňuje průběh poměrných ztrát na úhlu náběhu Z obrázku lze také vidět, že při zvětšování aerodynamického zatížení, tzn. při větším otočení proudu v mříži – kladné úhly náběhu, ztráty mříže rostou rychleji. Na obrázcích 5 a 6 jsou uvedeny charakteristiky akční a reakční lopatkové turbinové mříže. Z obrázku je patrný rychlejší nárůst ztrát u akční, než u reakční mříže. Při velkých úhlech náběhu dojde k odtržení proudu od profilu a prudkému snížení účinnosti stupně.

Zatímco běžný turbinový stupeň se skládá ze dvou konfuzorů, každý kompresorový stupeň je složen z rotorového a statorového difuzoru. Praxe potvrzuje teorii, že návrh účinného difuzoru s ohledem na záporný tlakový gradient je poměrně složitý úkol. Na dalším obrázku 7 je uvedena obecná charakteristika difuzoru. Na něm jsou vyznačeny oblasti práce bez odtržení proudu, oblast nestabilní práce a oblast, pokud je takto navržený difuzor, neplní svoji funkci a proud je odtržen od obou stěn. Uvedený graf je platný pro difuzor, s obdélníkovým rychlostním profilem na vstupu. Pokud se však vstupní proud odchyluje od osy difuzoru, hranice stability se posouvají k menšímu plošnému rozšíření a i správně navržený difuzor se dostává do nestabilní oblasti, případně při velkých úhlech náběhu přestává pracovat.

Na obrázku č. 7 je vidět průběh zatížení jednotlivých stupňů při postupném zatěžování mnohastupňové turbíny. Z obrázku je vidět, že zatímco při malých výkonech turbíny je regulační stupeň značně přetížen, jednotlivé stupně jsou odlehčeny a dokonce poslední stupně pracují v tzv. kompresorovém režimu, s vysokými ventilačními ztrátami a nerovnoměrným rozdělením proudu po délce lopatky. S postupným zvyšováním výkonu turbíny – s rostoucím expanzním poměrem přetlakového lopatkování, zatížení stupňů se v první skupině prakticky nemění, zatížení druhé skupiny postupně roste a největší změnu zatížení lze pozorovat u poslední skupiny.

Oproti stupňům přetlakového lopatkování zatížení lopatkování regulačního stupně s rostoucím výkonem klesá. Podobně se chová zatížení stupňů ve skupině. Na obrázku 8 je uveden průběh expanzních poměrů skupiny šesti stupňů zkušební turbíny. I zde je vidět, že nejmenší změnu zatížení mají první stupně, zatímco největší změně zatížení je vystaven poslední stupeň.

Na obrázku 9 je uveden průběh teplot na vrcholu a u kořene statorových lopatek zkušební turbíny. Z průběhu teplot je vidět vliv úhlu náběhu na průběh teplot – tedy ztrát. Na obrázku 10 vidíme průběh účinnosti skupiny stupňů v závislosti na rychlostním poměru. Pokud by byl dosazen za rychlostní poměr úhel náběhu, bylo by vidět, jak jeho změny ovlivňují ztráty a tím celkovou účinnost skupiny stupňů a následně celé turbíny.

Uvedené skutečnosti popisují fyzikální skutečnosti, které je nutné respektovat a nám zbývá nic jiného, než hledat cesty jak těmto skutečnostem vyhovět. Velmi známé jsou případy různých druhů spaloven. Ty jsou budovány v blízkosti měst. V zimních měsících je možné teplo vznikající při spalování využít jak pro výrobu elektrické energie, tak pro vytápění bytů, v létě není pro nízkopotenciální teplo využití. Pokud je ve spalovně instalována jednohřídelová kondenzační turbína je nutno částí páry v zimních měsících „chladit“ nízkotlakovou část turbíny. Pokud by však byl instalován typ dvouhřídelový kondenzační modul, pak by bylo možné v zimě odpojit a tím získat teplo pro další domácnosti, což sebou přináší oproti jednohřídelovému provedení mnohamilionový zisk.

K uvedeným skutečnostem je nutno přihlédnout i při rekonstrukci starých a návrhu nových strojů, jak v oblasti turbín tak i kompresorů, aby mohla být dosažena co největší efektivita daného projektu. Výsledné efekty provozování turbín v nenávrhových režimech lze pozorovat při údržbě strojů výskytem typických opotřebení, které se liší v závislosti na druhu odchylky od návrhového režimu. Typické je provozování turbín při nízkém zatížení, kdy dochází k vysokému namáhání regulačního stupně, které se projevuje poškozením dýz regulačního stupně, především v oblasti první dýzové skupiny. Provoz kondenzačních částí turbín při nízkém zatížení také způsobuje zvýšení míry eroze (zvláště provoz se zatížením kondenzační části okolo 30 % nominálního průtoku, často užívaný provoz odběrových kondenzačních turbín). Provoz s nízkým zatížením je navíc často doprovázen snížením teploty páry z kotle a zvýšením tlaku páry – kombinace, která vede k ještě větší míře eroze, zvláště u vysoce účinných moderních posledních stupňů kondenzačních turbín.

Ze zkušenosti lze dopady provozu v nevýpočtových režimech zmírnit především správným dimenzováním stroje a stanovením výběrových kritérií, případně úpravou provozních parametrů dříve dodaných strojů. Dalším řešením jsou konstrukční úpravy na regulačním stupni nebo posledních stupních turbín.

Industrial steam turbines in non-computational modes
Turbines, compressors and other blade-driven machines are designed in accordance with customer specifications. The supplier-manufacturer must meet these requirements and confirm them with guaranteed dimensions. It can happen during operation, however, that for different reasons machines designed in this fashion are not operated under the original design conditions, rather under alternate conditions, whether it concerns inlet pressure and temperature, backpressure, typical load and revolutions.

Autoři

• Kubiš Stanislav
• Poledník Vladislav