Master's Thesis

Steam turbine for biomass power plant

Final Thesis 5.79 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Kotas

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Abstract:

This thesis focuses on the design of a steam turbine for a biomass power plant and the associated part of the heat balance diagram. Within the heat balance diagram, among other designed components, a heat exchanger for heating water with a capacity of up to 25 𝑀𝑊 was also included. Based on this capacity, the condensing mode, corresponding to a state with zero heating water output, was selected as the turbine design operating condition. This operating mode subsequently served as the reference condition for the detailed design of the turbine and its associated components, such as the sealing system and bearing selection. Considering this heat exchanger, the feedwater tank, and the low-pressure heaters, a steam turbine with three extraction points was initially designed in the thesis. The turbine design itself was divided into the design of the governing stage and the multistage section. For both of these parts, blade profiles, flow-path geometry, velocity and thermodynamic parameters, as well as energy parameters including losses, efficiency, and power output, were determined. Finally, the design characteristics of the stages were evaluated in terms of dimensionless parameters and subjected to a strength analysis. A key outcome of the thesis is a steam turbine consisting of twenty-six stages distributed across five cone-segments, incorporating two uncontrolled extractions and one controlled extraction fitted with a control diaphragm, achieving a total electrical output of 32,14 𝑀𝑊 and an internal efficiency of 82 % at the design condition. The final part of the thesis presents the operating characteristics of the turbine and a conceptual cross-sectional view.

Keywords:

Steam turbine, heat balance diagram, heat exchanger, regeneration, deaeration, impulse blading, reaction blading, governing stage, compensating piston, operating characteristics, conceptual cross-section.

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. Sedlák se dotázal, proč je levá část ostré páry zavedena do odplyňováku, a dále na účel redukční stanice a chladiče před odplyněním. Otázka byla zodpovězena.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

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 biomasovou elektrárnu 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 vodou 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 B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

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

Hlavním cílem DP bylo navrhnout parní turbínu pro biomasovou elektrárnu včetně související části tepelného schématu. Tepelné schéma bylo provedeno pro dva provozní režimy – kondenzační a zimní. Poměrně rozsáhlá práce je členěna do 7 kapitol a obsahuje 52 obrázků. Grafická úroveň je výborná. DP začíná návrhem tepelného schématu a pokračuje termodynamickým výpočtem regulačního stupně a stupňové části parní turbíny. Správně je optimalizován průtočný kanál pro oba provozní režimy. Následuje výpočet a návrh ucpávek včetně určení axiální síly a dále návrh radiálních a axiálního ložiska dle katalogu. V další kapitole byla zpracována provozní charakteristika, ze které vyplynuly limity výkonu turbíny. Velmi vhodné bylo uvedení grafů vybraných veličin po jednotlivých stupních pro rychlý přehled stavu výsledků. V závěru byl nakreslen rámcový podélný řez turbínou s vyznačením průtočného kanálu, další konstrukční uzly nebyly prokresleny. Konstatuji, že zadání bylo splněno ve všech bodech, student prokázal hlubokou znalost problematiky. DP doporučuji k obhajobě.

Poznámka: v textu se objevuje nepřesný výraz "stupňovitá" část - v technické praxi se jedná o stupňovou část podle výrazu stupeň turbíny.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
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 A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) v tepelném schématu (obr.6,7 a 41,42) je hmotnostní průtok do kondenzátoru vždy stejný pro kondenzační i zimní provoz (30,8 kg/s). V případě zimního provozu pak nevychází hmotnostní bilance. Vysvětlete.
  2. 2) v kap. 2.2.5 je tlak za regulačním stupněm 38,53 bar (2.123) v kapitole 5 uvádíte tlak 45,15 bar. Proč se hodnoty liší? Proč byla zvolena hodnota počtu břitů vyrovnávacího pístu právě 100 (5.36)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová