Možnosti využitia malých modulárnych jadrových blokov SMR v energetike a teplárenstve v porovnaní s veľkými blokmi (4)

Turbíny na diaľkové vykurovanie z reaktorov s nasýtenou parou

Turbína na sýtu paru používaná čisto na výrobu elektriny je optimálne rozdelená na vysokotlakovú (VT) a nízkotlakovú (NT) sekciu, keď je tlak pary v krížovom potrubí v rozpätí 0,7 a 1,2 MPa (7 a 12 bar). To je bod, keď možno najlepšie odoberať paru na ohrev bez toho, aby sa musela podstatne meniť konštrukcia turbíny.

Pokiaľ by sa však v tomto bode odoberala para, mala by horúca voda výstupnú teplotu 433 až 453 K (160 až 180 °C), aj keď pri relatívne nízkom výkone. Ak by sa znížil odber pracovnej pary na polovicu, tlak pary medzi vysokotlakovou a nízkotlakovou sekciou by poklesol na 0,35 až 0,6 MPa (3,5 až 6 barov), čo by malo za následok, že by bolo možné získať výstupnú teplotu 403 až 423 K (130 až 150 °C). Aj keby sme predpokladali, že tepelné straty na dlhom potrubí, prípadne na prídavnom tepelnom výmenníku na prenos do regionálnej siete, sú na teplote 283 to 293 K (10 až 20 °C), potom je uvedená výstupná teplota stále vyššia ako priemerné hodnoty požadované vykurovacím systémom na mieste návrhu. Okrem toho, za predpokladu, že konvenčné zariadenia majú výstupnú teplotu ~363 K (90 °C), budú tieto požadované hodnoty rádovo 383 až 393 K (110 až 120 °C). Škrtenie vykurovacej pary alebo ochladzovanie horúcej vody na požadovanú úroveň by bolo veľmi neekonomické riešenie, a preto je priame odvádzanie pary medzi VT a LP sekciou turbíny na účely vykurovania nevhodné.

Aby bolo možné urobiť aj kvantitatívne závery, nasledujúce úvahy sú založené na konkrétnom projekte s LWR s tepelným menovitým výkonom ~3 000 MW a s turbínou s 3 000 otáčkami za minútu produkujúcou elektrický výkon 1 000 MW, ktorá je prevádzkovaná výhradne s kondenzáciou, teda zodpovedajúcim JETE VVER 1000 (obr. 10, [A.1]). Vysokotlaková sekcia turbíny je dvojprúdového typu, nízkotlaková sekcia má šesť prietokov a teplá voda je ohrievaná v dvoch stupňoch od 333 do 383 K (60 až 110 °C), v prípade JETE v troch stupňoch (60 až 160 °C), odber 300 MWt [A.3].

Pri týchto úvahách sa zohľadňujú nasledujúce veľkosti odberu:

(i) 116 MW = 100 Gcal/h (zodpovedá odberu 5 % pary pretekajúcej turbínou),

(j) 348 MW = 300 Gcal/h (zodpovedá odberu 15 %),

(k) 1 160 MW = 1 000 Gcal/h (zodpovedá 50 %),

(l) 2 320 MW = 2 000 Gcal/h (zodpovedá 100 %, t. j. kompletná protitlaková prevádzka).

A. Odber vykurovacej pary z NT turbíny

Pokiaľ je tepelný tok, ktorý sa má využiť na ohrev, relatívne malý v porovnaní s tokom prechádzajúcim turbínou, je najlepšie použiť neregulovaný odber v nízkotlakovej sekcii turbíny (obr. 10, usporiadanie A). Je pravda, že to neumožňuje tzv. banking (škrtenie pary prúdiacej ďalej klapkami, keď je extrakčný tlak príliš malý), ale s týmto usporiadaním možno situáciu zlepšiť pri vysokej výstupnej teplote prepnutím na najbližší vyšší odberný bod.

Veľkosť možného výkonu vykurovacej pary z existujúcej kondenzačnej turbíny bez stavebných úprav závisí od:

1. rozsahu teplôt vykurovacej vody,
2. počtu vykurovacích kondenzátorov,
3. počtu tokov NT,
4. prípustnej rýchlosti odvádzanej pary vo vypúšťacích potrubiach a otvoroch (obmedzená vibráciami a hlukom),
5. sily lopatiek pred príslušným bodom odberu,
6. možnosťami usporiadania potrubia vnútri a mimo NT sekcie turbíny.

Odber (1) 116 MW (100 Gcal/h) a dokonca (2) 348 MW (300 Gcal/h) je v diskutovanom prípade uskutočniteľný bez nutnosti úpravy turbíny. Vhodnou úpravou turbíny (zväčšením odvzdušňovacích rúrok a otvorov, zosilnením lopatiek atď.) možno, samozrejme, získať ľubovoľný požadovaný výkon odberu. No či sa to na neregulovaný odber veľkého množstva pary ekonomicky oplatí, je iná otázka.

Len čo sa odchýli prevádzka od projektovaného bodu, vznikne:

a) ľubovoľná výstupná teplota,

b) teplotné rozsahy v tepelných kondenzátoroch už nie sú rovnaké,

c) nastanú obe podmienky súčasne.

Výsledkom je v každom prípade strata výkonu. Skupiny stupňov v nízkotlakovej (NT) časti turbíny tiež pracujú so zlou účinnosťou, najmä pri stredných a veľkých výkonoch odberu. Je nepopierateľné, že turbína s neregulovaným odberom je zo všetkých najjednoduchšia konštrukcia, pretože sa zaobíde bez prídavných ovládacích prvkov pre turbínu.

B. Samostatná vykurovacia turbína na hlavnom hriadeli turbíny

Vysoký extrakčný výkon sa najlepšie dosiahne výraznou úpravou normálnej konštrukcie turbíny. Predĺženie vysokotlakového (VT) telesa na získanie potrebného extrakčného tlaku by viedlo k príliš veľkej odchýlke od optimálnej úrovne tlaku pre separátor/prihrievač vlhkosti a k enormnému objemu vyfukovanej pary na konci predĺženého vysokotlakového telesa. Rozdelenie vysokotlakovej časti na vysokotlakovú (VT) a stredotlakovú (ST) sekciu by prekonalo prvú záťaž, ale veľké rozmery ST sekcie a krížových častí (potrubia a ventilov) by zostali. Bolo by teda výhodné mať turbínu s vykurovacou sekciou paralelnou s NT sekciou (obr. 10, usporiadanie B). Táto ohrievacia sekcia by fungovala ako protitlaková turbína a po dokončení expanzie by teda dodávala celý svoj prietok pary do dvoch tepelných ohrievačov.

„Záchytné ventily“, ktoré sú v každom prípade prítomné v krížových potrubiach hlavnej turbíny, môžu byť použité na škrtenie nízkotlakovej pary, pokiaľ je tlak pary pred vykurovacou turbínou vyšší ako pred NT sekciou hlavnej turbíny. Naopak, pred vykurovacou turbínou treba použiť ventily alebo klapky na škrtenie pary vykurovacej turbíny, keď je tam tlak pary nižší ako pred NT sekciou. Pretože pri prihrievaní pary vykurovacej turbíny ostrou parou v tomto prípade dochádza k miernemu poklesu účinnosti cyklu (tlaková strata prihrievača je väčšia a rozdiel koncových teplôt menší), je vhodné zapojiť vykurovaciu turbínu v okruhu pred prihrievačom. Iné parametre, ako tu použité, by mohli viesť k odberu pary z vykurovacej turbíny za prihrievačom.

Pri samotnej výrobe elektriny treba v lete napríklad neustále bežiacu vykurovaciu turbínu chladiť malým prietokom pary. V čase, keď je vykurovacia sieť mimo prevádzky, treba využiť zariadenie na odber tepla chladiacej pary. Možné spôsoby, ako to dosiahnuť, sú nasledujúce:

1. Nízkokapacitné čerpadlo vykurovacej vody dodáva teplo z chladiacej pary odoberanej z tepelného kondenzátora do vykurovacej siete, kde sa „ukladá“.
2. Chladiaca voda je privádzaná do prídavného radu rúrok v tepelnom kondenzátore, v ktorom vytvorený podtlak znižuje ventilačné straty v lopatkách vykurovacej turbíny.
3. Teplo z chladiacej pary je dopravované špeciálnym vedením do hlavného kondenzátora.
4. Teplo z chladiacej pary je privádzané cez bajpas do pomocného kondenzátora napájaného chladiacou vodou.

(i) Pre odberový výkon 116 MW (100 Gcal/h) (stĺpec 1) musí byť vykurovacia turbína navrhnutá s jediným prietokom, aby sa zlepšila jej účinnosť (obr. 10, usporiadanie B-1), aj keď tá je stále o niekoľko percent nižšia ako v prípade obvyklej trojtelesovej NT sekcie. Vykurovacia turbína je konštruovaná na protitlakovú prevádzku a vybavená jedným odberovým ventilom. Odberový tlak horného tepelného ohrievača je daný prietokom zostávajúcej pary vo vykurovacej turbíne podľa elipsového „Stodolovho“ zákona, zatiaľ čo výfukový tlak na dolnom ohrievači je daný tepelnými potrebami vykurovacej siete. Akákoľvek odchýlka od konštrukčného bodu pri rovnakých tepelných ohrievačoch má za následok nerovnaké teplotné rozsahy oboch ohrievačov a v dôsledku toho zhoršené termodynamické vlastnosti.

(j) S odberom 348 MW (300 Gcal/h) (stĺpec 2) možno vykurovaciu turbínu konštruovať ako dvojprúdovú asymetrickú protitlakovú turbínu (obr. 10, usporiadanie B-2). Vznikne tak vždy ideálne rozdelenie teplotného rozsahu (každá polovica), a to za predpokladu, že tepelné ohrievače sú konštrukčne zhodné. Tlak na výstupe z vykurovacej turbíny sa totiž voľne prispôsobuje požiadavkám vykurovacieho systému.

(k) Vykurovacia turbína, ktorej výstup dodáva 1 160 MW (1 000 Gcal/h) (stĺpec 3) do tepelných kondenzátorov, je v princípe vzhľadovo zhodná s variantom pre 348 MW (300 Gcal/h) (stĺpec 2). Odporúča sa zmenšenie veľkosti NT turbíny na dve telesá (obr. 10, usporiadanie B-3). Ak sa vyžaduje ešte vyšší výkon odberu, stáva sa problematická konštrukcia lopatiek posledného stupňa vykurovacej turbíny a pri plnom odbere, t. j. ~2 320 MW (2 000 Gcal/h) (stĺpec 4), by mala mať vykurovacia turbína štvorprúdový dizajn. Axiálny tlak je potom plne kompenzovaný (usporiadanie B-4). NT turbína môže byť ešte ďalej zmenšená na jedno teleso. Pri plnom odbere na ohrev sa musí NT turbína chladiť parou.

C. Samostatná vykurovacia turbína s vlastným generátorom

Keď sa elektrina musí vyrábať po celý rok, ako to často býva, ale teplo je potrebné len časť roka, najmä v strednom a veľkom množstve, je vyššie opísané usporiadanie vykurovacej turbíny na samostatnom hriadeli a odporúča sa vlastný generátor (obr. 10, usporiadanie C). Keď sa zariadenie používa iba na výrobu elektriny, je chladiaca para pre vykurovaciu turbínu a opatrenia na jej kondenzáciu zbytočné, pretože vykurovacia turbína môže byť úplne odstavená. Sú potrebné vhodné ventily alebo tesniace klapky pred vykurovacou turbínou.

Toto usporiadanie ponúka množstvo výhod:

1. iba mierna úprava konštrukcie existujúcich kondenzačných turbín (ohrievacia para odvádzaná za odlučovačom vlhkosti alebo za prihrievačom),
2. kondenzačná prevádzka bez obmedzenia,
3. žiadne straty v dôsledku chladiacej pary v kondenzačnej prevádzke,
4. možnosť rozšírenia existujúceho zariadenia diaľkového vykurovania o samostatnú kompletnú tepláreň na vykonanie miernej zmeny režimu odberu.

Nevýhody usporiadania C v porovnaní s usporiadaním B sú zvýšené investičné náklady vyplývajúce z dvoch generátorov, dvoch samostatných riadiacich systémov, dvoch súprav základov atď. a napokon, ako v prípade B, škrtiace straty v oboch turbínach, keď tlak pary pred vykurovacou turbínou nie je rovnaký ako pred NT nízkotlakovou sekciou hlavnej turbíny. Pripomienky uvedené v predchádzajúcich častiach o rôznych vyhotoveniach platia aj tu, pretože lopatky sú v oboch prípadoch rovnaké.

D. NT turbína s vlastným generátorom

Pokiaľ je teplo potrebné po celý rok, hlavný dôraz sa bude klásť na prevádzku vykurovania. Usporiadanie s nízkotlakovou turbínou na samostatnom hriadeli umožňuje jej odstavenie bez straty chladiacej pary, keď sa vyžaduje čisto vykurovacia prevádzka, napr. v zime (obr. 10, usporiadanie D). No usporiadanie tohto druhu je rozumné iba vtedy, keď ide o veľké a veľmi veľké odberové výkony.

E. Trojhriadeľové usporiadanie

Ak sa na výrobu elektriny a tepla kladie rovnaký dôraz, no nezávisle od seba, môže sa ukázať ako riešenie trojhriadeľové usporiadanie. V tomto prípade bude mať VT a NT turbína každá svoj vlastný generátor, rovnako ako vykurovacia turbína, ktorou prúdi para paralelne s NT turbínou (obr. 10, usporiadanie E). Tri generátory, tri riadiace systémy a tak ďalej vedú k oveľa drahšiemu usporiadaniu ako usporiadanie C a D s dvoma generátormi. Je zrejmé, že s týmto usporiadaním možno uvažovať iba pri veľmi veľkom odbere na účely vykurovania.

F. Autonómna vykurovacia turbína

Turbínu používanú na výrobu elektriny a vykurovaciu turbínu možno úplne oddeliť odberom ostrej pary za reaktorom alebo parogenerátorom a umožniť tak jej expanziu na potrebný protitlak v úplne nezávislej vykurovacej turbíne poháňajúcej vlastný generátor a s vlastným tepelným ohrievačom (obr. 10, usporiadanie F). Toto riešenie je zaujímavé tým, že je vhodné pre všetky veľkosti odberu tepla.

Ponúka nasledujúce výhody:

1. Umožňuje použitie existujúcich konštrukcií turbín bez akýchkoľvek úprav pre hlavnú turbínu.
2. Poskytuje autonómiu buď v čisto kondenzačnej, alebo čisto protitlakovej prevádzke.
3. Nedochádza k stratám chladiacou parou, či už pri kondenzačnej, alebo protitlakovej prevádzke.
4. Nie je potrebné meniť existujúce kondenzačné elektrárne, pokiaľ je k dispozícii kompletná samostatná tepláreň.
5. Existujúcu kondenzačnú elektráreň možno rozšíriť pridaním samostatnej teplárne.

Medzi nevýhody patria vysoké náklady a nepriaznivé správanie hlavnej turbíny pri čiastočnom zaťažení, pretože pri prevádzke vykurovacej turbíny sa prirodzene znižuje prietok pary do hlavnej turbíny, čo má pri súčasnej konštrukcii pre základné zaťaženie bez regulačného stupňa za následok straty pri škrtení. To isté platí pre vykurovaciu turbínu, ak je navrhnutá bez regulačného stupňa a beží pri čiastočnom zaťažení.

(i) Pri odberovom výkone 116 MW (100 Gcal/h) je najvhodnejším riešením jednoprúdová turbína (usporiadanie F1). Aj tu platia poznámky k správaniu dvoch tepelných kondenzátorov v predchádzajúcej časti. Expanzia pary v tejto vykurovacej turbíne zasahuje hlboko do oblasti mokrej pary (–20 % na výstupe z turbíny). Okrem nižšej účinnosti treba prijať opatrenia na zamedzenie erózie v turbíne a tepelných ohrievačoch.

(j) Pri 348 MW (300 Gcal/h) by bola z hľadiska objemového prietoku uskutočniteľná dvojprúdová vykurovacia turbína, pričom usporiadanie je v princípe rovnaké ako v prípade F2 (hore). Nízka účinnosť a nebezpečenstvo erózie sa však ukazujú rovnako nevýhodné ako pri opísanej jednoprúdovej vykurovacej turbíne. Konštrukciou turbíny ako dvojtelesovej s odlučovačom vlhkosti (ale bez prihrievača) možno nájsť nápravu (obr. 10, usporiadanie F2, dole). S tlakom pary medzi valcami 1,2 až 1,5 MPa (12 až 15 bar) možno získať optimálne podmienky týkajúce sa účinnosti (o niekoľko percent lepšie) a vlhkosti po vysokotlakových a nízkotlakových telesách (teraz medzi 10 a 15 %).

(k) Pri 1 160 MW (1 000 Gcal/h) možno použiť rovnaký koncept ako pri 348 MW (300 Gcal/h) aj napriek podstatne väčšiemu objemovému prietoku (obr. 10, usporiadanie F3). Vysokotlaková časť dvojvalcovej vykurovacej turbíny je však prednostne riešená ako dvojprúdová sekcia (obr. 10, usporiadanie F3, stred). Pri väčšej hodnote vyrobenej elektriny môže byť ekonomickejšie, aby vykurovacia turbína mala štvorprúdovú nízkotlakovú sekciu (obr. 10, usporiadanie F3, dole).

(l) Pri maximálnom odbere, t. j. 2 320 MW (2 000 Gcal/h), musí byť ohrievacia turbína v každom prípade štvorprúdová v NT sekcii (obr. 10, usporiadanie F4, hore). Zlepšenie výroby elektriny možno dosiahnuť šiestimi prietokmi (obr. 10, usporiadanie F4, stred), pre ktoré je trojstupňový ohrev takmer samozrejmosťou (obr. 10, usporiadanie F4, dole). Ide o najdrahšie usporiadanie zo všetkých, čo v praxi vedie k dvom turbosústrojom na plný prietok pary, z ktorých každé má svoj vlastný systém ohrevu: jedna turbína čisto na výrobu elektriny (1 000 MWe) a druhá na vykurovanie (menovitý 800 MWt). Zároveň je to usporiadanie vykurovacej turbíny s najvyššou účinnosťou, aspoň pri prevádzke v bode návrhu. Rozhodujúca je však ziskovosť celej elektrárne v celom rozsahu zaťaženia a nie účinnosť samotnej turbíny v jednom prevádzkovom bode.

Záver

Jadrové elektrárne určené na diaľkové vykurovanie sa v súčasnosti nestavajú alebo len minimálne [A.6]. Existuje však mnoho už v minulosti detailne rozpracovaných projektov, z ktorých väčšina má výkon 1 000 MWe. Energetické stroje a zariadenia, ktoré by boli použité, už dosiahli takú technickú úroveň, ktorá umožňuje postaviť ich kedykoľvek a na mieru podľa potreby.

Podobne detailne rozpracované sú projekty aj na akumuláciu tepla, a to buď v lokalite jadrovej elektrárne ako súčasť strojovne a pridružených „pomocných“ zariadení, alebo v rozsahu SCZT pozdĺž tepelného potrubia (v rozdeľovacích uzloch alebo na mieste spotreby tepla). Opis metód a zariadení akumulácie tepla vo vodnej pare alebo horúcej vode je však už mimo rozsahu tohto článku.

Literatúra

[1] Low-Temperature Nuclear Heat Applications: NPP for District Heating. International Atomic Energy Agency 1986.

[2] Guidance on Nuclear Energy Cogeneration. International Atomic Energy Agency 2019.

[3] Muhlhauser, H. (1978). Steam Turbines for District Heating in Nuclear Power Plants. Nuclear Technology Series. [online]. Publikované 13. 5. 2017. ISSN 0029-5450 (Print), 1943-7471 (Online).

[4] EU Platform on Sustainable Finance, Response to the Complementary Delegated Act, January 2022.

[5] Co byste měli vědět o vodíku. Česká vodíková technologická platforma (HYdrogen TEchnology Platform – HYTEP), 2020.

[6] Frilund, Bjarne – Knudsen, Knud (1978). Nuclear Steam Turbines for Power Production in Combination with District Heating and Desalination. Nuclear Technology Series. [online]. Publikované 13. 5. 2017. ISSN 0029-5450 (Print), 1943-7471 (Online).

[7] Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems. Gen IV International Forum, January 2014.

[8] Non-baseload Operation in Nuclear Power Plants: Load Following and Frequency Control Modes of Flexible Operation. IAEA Nuclear Energy Series, No. NP-T-3.23, Vienna, 2018.

[9] Technical and Economic Aspects of Load Following with Nuclear Power Plants. OECD – IAEA, Nuclear Development June 2011.

[10] OTE, a. s., ve spolupráci s EGÚ Brno. Očekávaná dlouhodobá rovnováha mezi nabídkou a poptávkou elektřiny a plynu – výhled do roku 2060. Prosinec 2019.

[11] Macenauer, M. a kol.: Temelín by mohl vytápět Prahu. [online]. Publikované 2. 2. 2017. 

Publikácie autora článku

[A.1] Neuman, P.: Regulace jaderných elektráren a odběru tepla pro dálkové vytápění. 10. ročník konference Jaderné dny 2020. Západočeská univerzita v Plzni. Univerzitní kampus, Plzeň Bory.

[A.2] Neuman, P.: Automatizace nevyčerpatelné a udržitelné energetiky. In: AUTOMA, 2017, č. 11, 2017, s. 39 – 41.

[A.3] Neuman, P.: Blahodárný vliv jaderných elektráren na provoz elektrizační soustavy (1., 2., 3. část). In: ELEKTRO, 2018, č. 8 – 9, 10.

[A.4] Neuman, P.: Uplatnění jaderných elektráren v energetickém mixu (část 1, 2, 3). In: Energie 21, 2019, č. 6 (prosinec), č. 1 (únor), č. 2 (duben).

[A.5] Neuman, P.: Synergické pozitivní efekty pro energetiku ČR získané propojením elektroenergetiky a zdrojů JE s teplárenstvím. In: ENERGETIKA, 2019, č. 3, 4.

[A.6] Neuman, P.: Praktické zkušenosti s jadernými elektrárnami s odběrem tepla pro účely vytápění. In: ENERGETIKA, 2020, č. 4, s. 102 – 108.

[A.7] Neuman, P.: Slovensko – európsky líder vo využívaní jadrového vykurovania. In: ATP Journal, 2020, č. 6, 7, 8.

[A.8] Neuman, P.: Francouzský jaderný blok EPR1200 pro Česko – předpoklady a přínosy. [online]. Publikované 28. 6. 2021. 

[A.9] Neuman, P.: Elektroenergetika ČR se bez nových flexibilních jaderných bloků neobejde. In: ELEKTRO, 2021, č. 8 – 9.

[A.10] Neuman, P.: Francouzský jaderný blok EPR 1200 – jediná nabídka z EU na nový jaderný blok JEDU5. In: ENERGETIKA, 2021, č. 5.

Peter Neuman
neumanp@volny.cz