Master's Thesis

Steam turbine for municipal waste incineration plant

Final Thesis 5.32 MB

Author of thesis: Bc. Pavol Hudák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Abstract:

This thesis deals with the design of a condensing steam turbine for a municipal waste incineration plant and its associated equipment. The steam turbine operates in two operating modes — winter mode, in which part of the steam is extracted via a regulated extraction to the base heater for heating water for the district heating system (DHS), and condensing mode, in which no heat is supplied to the DHS. In the introductory section, a heat balance diagram is developed for these operating modes with condensate recovery using two low-pressure heaters (LPH) and a feed tank (FT). Based on the heat balance diagram, a steam turbine design is developed, which includes the design of an A-wheel control stage and a stage section with reaction-type blade arrangement. Subsequently, the work is supplemented with calculations regarding strength criteria. The designed turbine operates at a speed of 5280min · s−1 and comprises a total of RS+17 stages divided into five cones. A control damper is located behind the third cone. For both operating modes, terminal power outputs were calculated, which are 18,64MW in condensing mode and 14,49MW in winter mode. The internal thermodynamic efficiency is 82,7% for condensing mode and 85,8% for winter mode. Finally, the operating characteristics were compiled and a conceptual cross-section of the turbine was created.

Keywords:

Condensing steam turbine, municipal waste incineration plant, thermal diagram, control stage, reaction-type blade design, strength calculation, sealing system, operating characteristics

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny následující doplňující otázky. Pan Ing. Šnajdárek, Ph.D., se dotázal na to, co se musí kontrolovat u labyrintových ucpávek v případě mechanických vlastností, a jaké se používají typy těsnění u turbín. Otázka byla zodpovězena. Pan Ing. Sedlák se dotázal na důvod, proč je vyrovnávací píst zaveden do turbíny, a jaká je výhoda zvoleného zavedení. Otázka byla zodpovězena. Pan Ing. Sedlák se dále zeptal, proč je zahlcení ucpávek za vyrovnávacím pístem zobrazeno směrem ven. Otázka byla zodpovězena.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Fiedler, Dr. (předseda)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Nešpor (člen)
Ing. Pavel Sedlák (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem kondenzační parní turbíny pro spalovnu komunálního odpadu s tepelným schématem, ve kterém by měla být parní turbína provozována. Tepelné schéma je navrženo se základním ohřívákem topné vody pro dodávku tepla do SCZT, rozvinutou regenerací (napájecí nádrž s odplyněním a dvěma nízkotlakými regeneračními ohříváky) a vzduchem chlazeným kondenzátorem.

Pro tepelné schéma student provedl návrh parní turbíny. Student postupoval při návrhu dílčích částí parní turbíny podle doporučených metodik a provedl optimalizaci, a to včetně jednotlivých stupňů v přetlakové části lopatkování sousledně s bilancí navrženého tepelného schématu. Výsledný návrh reflektuje mimo jiné doporučené bezrozměrné podobnostní součinitele v optimálních mezích s ohledem na dovolené pevnostní namáhání jednotlivých stupňů. Součástí návrhu je i vyrovnávací píst, ložiska a systém ucpávkové páry.

Pro optimalizovanou variantu parní turbíny je vykreslena provozní charakteristika v závislosti na hmotnostním průtoku páry do turbíny, tepelném výkonu dodávaném do SCZT a svorkovém výkonu TG. Provozní charakteristika vychází z matematickofyzikálního modelu, který si student v rámci DP vytvořil pro návrh PT. V závěru práce je popsán koncepční řez navržené parní turbíny, který je také součástí DP. Koncepční řez nese známky nezkušenosti, ale plní cíle zadání.

Při zpracování práce student projevil zájem o danou problematiku, prokázal schopnost samostatného řešení zadaného úkolu a dokázal dobře zhodnotit získané výsledky. Práce splnila zadání v celém rozsahu, doporučuji ji k obhajobě a hodnotím známkou výborně / A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Cílem DP byl návrh kondenzační parní turbíny s regulovaným odběrem páry pro spalovnu komunálního odpadu. Rozsáhlá práce obsahuje 136 stran textu a je členěna do 8 kapitol. Kapitola č.1 obsahuje návrh tepelného schématu pro dva režimy provozu, správně je provedena energetická bilance pro oba režimy. Další kapitoly se zabývají předběžným a detailním termodynamickým výpočtem průtočného kanálu, pevnostní kontrolou s výslednou optimalizací navrhovaného řešení. Následuje návrh ucpávek a dimenzování a výběr ložisek podle katalogu. V závěru jsou shrnuty výsledky celé DP. Postup řešení považuji za správný a výsledné hodnoty reálné.

Koncepční podélný řez vykazuje známky schematičnosti, odpovídá znalostem diplomanta.

DP splnila zadání v celém rozsahu a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Poměrná ztráta rozvějířením na posledním stupni je 13,7 %(4.93) - souhlasím. Jak by bylo možno tuto ztrátu snížit?
  2. 2) Používáte vzduchový kondenzátor. Co v zimním režimu, kdy teplota vzduchu poklesne výrazně pod návrhových +25°C a do kondenzátoru proudí pouze cca 25% letního hmotnostního průtoku?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová