Článek popisuje základní technické parametry a charakteristiky jaderného bloku EPR1200, který je společností EDF nabízen pro nový jaderný blok JEDU5. Bylo by dobré si uvědomit potenciální přínosy nabídky EDF a při hledání dlouhodobého jaderného spojence vzít v úvahu společné členství v EU.
Vzhledem k tomu, že dosud v Česku byly využívány výhradně rychloběžné turbíny ŠKODA z Plzně, je vhodné se zmínit o obecných výhodách a nevýhodách rychloběžných (3000 ot/min) a pomaloběžných TG (1500 ot/min), se zřetelem na požadovaný výkon 1200 MWe pro blok JEDU 5.
Pomaloběžná konstrukce (1500 ot/min)
Nevýhody
- velké rozměry, velké hmotnosti (výroba jen u speciálně vybavených dodavatelů, obtížná a komplikovaná doprava), potřeba většího prostoru
- Rozměrově větší tělesa vyžadují větší tloušťku stěn VT tělesa, což způsobuje pomalejší prohřívání (negativní dopad do flexibility)
- Větší průměr VT rotoru vede k většímu tepelnému namáhání (negativní dopad do flexibility)
- Někteří výrobci používají skládané NT rotory (nasazované disky) – nebezpečí stress corrosion cracking, horší dynamické vlastnosti
- Větší rozměry těles vyvolávají větší síly v dělící rovině – může být problém s těsností
Výhody
- dostatečná výstupní plocha průtočné části, poslední lopatka může být dlouhá až 1,8 m, cca 28 m2, díky polovičním otáčkám jsou odstředivé síly menší, což má pozitivní vliv na dynamiku rotorů a na menší erozi lopatek (WDE).
II. Rychloběžná konstrukce (3000 ot/min)
Nevýhody
- vzhledem k vysokým otáčkám jsou odstředivé síly větší, což má negativní vliv na dynamiku rotorů a na erozi lopatek (WDE).
Výhody
- Vyšší účinnost ve VT stupních
- menší rozměry a hmotnosti, snadnější doprava), stačí menší prostor
- Rozměrově menší tělesa vystačí s menší tloušťkou stěn VT tělesa, je dosahováno rychlejší prohřívání (pozitivní dopad do flexibility)
- menší průměr VT rotoru vede k menšímu tepelnému namáhání (pozitivní dopad do flexibility)
- menší nebezpečí stress corrosion cracking, lepší dynamické vlastnosti
- menší rozměry těles vyvolávají menší síly v dělící rovině – není problém s těsností
Výhodou pomaloběžných turbín je tedy velká hodnota rotační setrvačnosti hřídele generátoru parní turbíny, která je prospěšná pro stabilitu sítě.
Pozitivní vliv setrvačnosti je následující. Během elektrických poruch sítě, jako je náhlý pokles síťového napětí, bude mít rychlost rotace turbínového generátoru tendenci se zvyšovat, protože ze sítě již není žádný odporový moment. Když otáčky hřídele dosáhnou určité prahové hodnoty (typicky 110 % jeho nominálních otáček), bude potřeba turbínový generátor odpojit od sítě, aby se předešlo nehodě s překročením otáček. Turbíny s poloviční rychlostí mají 6 až 8krát větší rotační setrvačnost než řešení s plnou rychlostí, proto se jejich rychlost při narušení sítě zvýší pouze pomalu, a mohou tedy zůstat připojeny k síti déle. Je tedy evidentní, že turbíny s poloviční rychlostí mají mnohem lepší schopnost „projíždění poruchy“ než turbíny s plnou rychlostí.
Analytický závěr k volbě turbíny
Existují však jednoznačné technické důvody, proč rychloběžná turbína je pro jaderný blok 1200 MWe již prakticky nepoužitelná, a proto také “full-speed” turbína (3000 ot/min) pro výkon 1200 MW neexistuje nikde na světě. Je to proto, že na nízkotlaké části, kde jsou nejdelší lopatky, může dosahovat obvodová rychlost rychlosti zvuku a take síly, které působí na lopatku jsou na mezi kluzu, možná na mezi pevnosti standardních ocelí. Provozně lopatky tzv. “courají ve vodě”, což vede k jejich opotřebení a nebezpečí větší koroze.
Riziko eroze poslední turbínové lopatky je dáno tím, že pára na výstupu z jaderných nízkotlakých turbín je mokrá a její obsah kapalné vody je typicky 10 až 14 %. Eroze lopatek posledního stupně nízkotlakých turbín (last stage blades - LSB) kapkami vody je rizikem, které je třeba pečlivě řešit. V jaderném průmyslu je dobře známo, že riziko eroze LSB se zvyšuje s obvodovou rychlostí hrotu LSB. S ohledem na toto riziko jsou tedy polorychlostní turbíny mnohem lépe použitelné než turbíny s plnou rychlostí díky jejich mnohem nižší rychlosti LSB špičky (typicky o 30 až 40 % nižší rychlosti špičky v závislosti na zvolených délkách LSB).
Důvodů, proč se používá turbína s polovičními otáčkami, je ale více. Polorychlostní turbíny mají přirozeně vyšší vnitřní účinnost než plnorychlostní díky použití delších, protáhlejších lopatek s vyšší aerodynamickou účinností a celkově sníženými ztrátami způsobenými sekundární stěnou. Rozdíl v hrubém výkonu na svorkách generátoru mezi těmito dvěma typy strojů je obecně považován za +3 až +4 % ve prospěch poloviční rychlosti. Tzn. u výkonové třídy 1200 MW typicky o +36 až +48 MWe více.
Parní turbíny GE typu ARABELLE jsou vhodné pro velké a velmi velké reaktory jaderných bloků, dodávají výkon od 700 MW do 1 900 MW s frekvencí 50 a 60 Hz a lze je přizpůsobit jakýmkoli podmínkám protitlaku, pro výběr nízkotlakých modulů a typů lopatek posledního stupně.
Turbíny ARABELLE jsou přizpůsobeny všem typům reaktorů a jsou dobře vybavené pro kogenerační aplikace, jako je dálkové vytápění nebo odsolování. To je důležitý aspekt vzhledem k tomu, že v současnosti probíhají intenzivní jednání mezi MPO, ČEZ a Teplárnami Brno o realizaci dálkového horkovodu z Dukovan, který by měl být využíván po mnoho desítek let, tedy dlouho po roce 2036/2038, kdy bude uveden do provozu nový blok EDU 5 - 1200 MWe.
(část 2/3)
Ing. Petr Neuman, Ph.D.
NEUREG sdružení, senior konsultant v energetice
člen Spolku Jaderní Veteráni (F.NV)
