Ing. Jan Koloničný, Ph.D., Ing. David Kupka, Ph.D.
Vodní pára je společně se stlačeným vzduchem jednou z nejrozšířenějších pracovních látek v průmyslu. Obsahuje poměrně velké množství energie, která může být využita i po vykonání požadovaného účelu. Existuje nespočet příkladů jak tuto energii využít. Technicky nejjednodušší a vzhledem k nízkému potenciálu nejekonomičtější variantou obvykle bývá ohřev pitné a topné vody. Stále častěji se také můžeme setkat s teplem použitým na výrobu chladu v absorpčních jednotkách. Ty sice vykazují nižší účinnost než kompresní chladicí zařízení, ale zato umožňují zužitkovat odpadní teplo a jsou prakticky bezhlučné. Toky odpadních látek o vyšších teplotách jsou již vhodným zdrojem pro energetické systémy, které jsou schopny sledem termodynamických změn získat z tepla mechanickou práci, jež je následně transformována na energii elektrickou. Takovým typickým příkladem jsou ORC jednotky, kde pracovní látkou roztáčející turbínu a s ní spojený generátor je organické chladivo, jež se odpařuje při nižší teplotě než voda za srovnatelného tlaku. Přes tuto významnou výhodu oproti tradičnímu Rankinovu oběhu, je využití odpadního tepla páry tímto systémem málo efektivní, což je dáno především její nedostatečnou teplotou a z toho plynoucím fyzikálním omezením maximální dosažitelné účinnosti.
U nízkopotenciálních zdrojů odpadní páry obzvláště v oblasti menších výkonů má smysl uvažovat o přímém využití páry na konstrukčně jednodušším typu turbíny s přímým pohonem generátoru. Tyto aplikace mají v MSK značný potenciál, jelikož v mnoha podnicích je procesní pára vyráběna s vyššími parametry, než je potřeba pro optimální provoz technologie. Regulace tlaku na parametry požadované individuálními spotřebiči se pak uskutečňuje škrcením za pomoci redukčního ventilu. Škrcení je nevratný izoentalpický děj, při kterém se sníží tlak, ale teplota téměř neznatelně. Z tohoto důvodu se vedle regulace tlaku, upravuje také teplota, a to chlazením vstřikovanou vodou. Takové řešení je samozřejmě nehospodárné, protože část tepla je mařena a navíc dochází ke snížení kvality páry.
Vhodnou náhradou redukční stanice je tzv. točivá redukce. Obvykle se jedná o lopatkový stroj turbínového typu, ve kterém probíhá expanze páry za vzniku mechanické energie. Oběžné kolo však nemusí být nutně tvořeno lopatkovými kanály. Alternativně mohou být použity i jiné náporové prvky jako například hustě osazené dráty, což značně zlevňuje výrobu, přičemž účinnost zařízení dosahuje překvapivě dobrých hodnot. Točivé redukce mají oproti parním turbínám podstatně menší výkony a jsou schopny zpracovávat průtok již od 1,5 t/h a tlakové spády 0,7 bar.
Točivých redukcí existuje několik konstrukčních variant, mezi něž patří:
s letmo uloženým oběžným kolem - vhodné i pro pohon dmychadel a čerpadel;
s oběžným kolem mezi ložisky;
s frekvenčním měničem – pro menší průtoky;
vícestupňové – i pro kondenzační režim;
plynové expanzní – z bezpečnostních důvodů bez převodovek.
Uplatnění pro točivé redukce je možné hledat v rozmanitých odvětvích národního hospodářství. V teplárenství se hodí například pro ohřev napájecích nádrží. Značný aplikační potenciál nabízí metalurgický a petrochemický průmysl. Rovněž spalovny, cukrovary, pivovary nebo prádelny produkují značné množství tímto způsobem využitelného tepla. Z ekonomického hlediska je optimální, pokud koeficient ročního využití v rámci dané výrobní technologie je alespoň 50 %. Je-li průtok procesní páry vyšší než 4,5 t/h při tlakové diferenci admisní a emisní páry 1 bar, pak je možné o instalaci točivé redukce uvažovat téměř vždy, přičemž doba investiční návratnosti je často nižší než 3 roky.
Točivá redukce se obvykle zapojuje paralelně ke stávající redukční stanici, přičemž výkon je možné volit ze škály desítek až tisíců kW. Perspektivní jsou zejména jednotky menších výkonů, které se vyznačují relativně snadnou adaptabilitou na změnu parametrů páry a hodí se do provozů s nerovnoměrnou výrobou.
Pro městské teplárny potýkající se s nedostatkem odběru tepla v letních měsících představuje točivá redukce vítaný nástroj pro zlepšení ekonomiky provozu. Klasickou parní turbínu je nutné při poklesu spotřeby tepla pod určitou únosnou hranici z důvodu hospodárnosti odstavit. Takový okamžik přichází s koncem topné sezóny, kdy poptávka po teple je tvořena převážně potřebou ohřevu TUV. Výměníky jsou v tomto případě napájeny párou z regulační stanice, čímž vznikají nezanedbatelné energetické ztráty. Ty je možné výrazně zmírnit točivou redukcí, která zastoupí funkci redukční stanice.
Točivé redukce jsou ve srovnání s kondenzačními a protitlakými parními turbínami podstatně méně investičně náročné a nekladou tak přísné požadavky na kvalitu páry. Jejich jednoduchost a dostupné výkony za přijatelnou cenu z nich činí alternativu k redukčním stanicím, o kterou je mezi průmyslovými podniky usilujícími o racionální hospodaření s energiemi oprávněný zájem. To dokládá i projekt Moravskoslezského energetického klastru, jehož účelem je pro konkrétní výrobní závod navrhnout točivou redukci s generátorem o instalovaném elektrickém výkonu v rozmezí 50 až 100 kW. Integrace točivé redukce do technologického procesu se sytou párou o proměnlivém tlaku 0,6 až 1 MPa je v řešení Výzkumného energetického centra. To zajišťuje realizaci bilančních výpočtů s plánovaným monitoringem a vyhodnocováním provozních parametrů.
Citované zdroje:
[1] Ferdinand Madry. Informace o vývoji a provozu náporové turbíny. Dostupné online z: http://www.allforpower.cz/UserFiles/files/2011/GWRD.pdf
