Ocenenie Profesor roka 2018 STU si vyslúžil prof. Ing. František Urban, CSc., Ústav energetických strojov a zariadení, Strojnícka fakulta Slovenskej technickej univerzity v Bratislave. Odovzdal mu ho rektor univerzity prof. h. c. prof. Ing. Robert Redhammer, PhD.
Prof. Ing. František Urban, CSc. sa v rámci vedeckovýskumnej činnosti zameriava na zásobovanie teplom, optimalizáciu návrhov na prevádzku zdrojov tepla, kombinovanú výrobu elektriny a tepla, úspory primárnych zdrojov energie. Venuje sa zostavovaniu matematických a fyzikálnych modelov jadrových energetických zariadení a optimalizácii tepelných cyklov elektrární. Ním navrhnutá optimalizačná metóda lineárneho programovania bola úspešne aplikovaná pri optimalizácii prevádzky a rekonštrukcii teplární v Ostrave, Bratislave, Zvolene, Žiline a Štětí.
S. CIGÁŇOVÁ: Ako ste reagovali na zisk tohto ocenenia?
F. URBAN: Ocenenie Profesor roka 2018 som prijal s pokorou. Práca vysokoškolského učiteľa, vedca, výskumníka je tímová. Ocenenie, ktoré som získal, patrí aj kolegom zo Strojníckej fakulty, Stavebnej fakulty, Fakulty elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave, kolegom zo strojníckych fakúlt Žilinskej univerzity v Žiline a Technickej univerzity v Košiciach, univerzít v Čechách a spolupracujúcim energetikom z celého Slovenka. Spoločne sme riešili projekty, výsledky mnohých boli aplikované v praxi.
Teším sa, že pod mojim vedením 93 absolventov úspešne obhájilo diplomové práce a 7 absolventov dizertačné práce v odbore energetické stroje a zariadenia. Títo absolventi Strojníckej fakulty STU v Bratislave zastávajú významné posty v jadrových elektrárňach, teplárňach, výskumných a projekčných ústavoch a prispievajú k rozvoju energetiky na Slovensku aj v EÚ.
S. C.: Vysvetlite, v čom spočíva vaša vedeckovýskumná činnosť zameraná na zásobovanie teplom, optimalizáciu návrhov na prevádzku zdrojov tepla, kombinovanú výrobu elektriny a tepla, úspory primárnych zdrojov energie.
F. URBAN: V reťazci zdroje tepla, distribúcia a spotreba tepla sa prednostne treba zamerať na potreby tepla jeho konečných spotrebiteľov. V dôsledku zlepšených teplotechnických vlastností budov, zavádzania energeticky úsporných technológií v priemysle a klimatických zmien sa spotreba tepla na vykurovanie, prípravu teplej vody a technologické účely znižuje. V závislosti od týchto potrieb sú dimenzované tepelné rozvody, v zdrojoch tepla skladba kotlov a spôsob kombinovanej výroby elektriny a tepla. Treba optimalizovať návrh, rekonštrukciu a prevádzku zdrojov tepla a distribučnej sústavy. Na základe definície optimalizačného kritéria – účelovej funkcie – sa počas prevádzky sústavy centralizovaného zásobovania teplom znižujú spotreba primárnych zdrojov energie, produkcia emisií, náklady na palivo a distribúciu tepla. Vybraná je optimálna kombinácia radenia kotlov, turbín, kogeneračných jednotiek inštalovaných v zdrojoch tepla v závislosti od predikcie potreby tepla počas vybraného obdobia, napr. dňa, týždňa. Následne je on-line v reálnom čase optimalizované zaťažovanie vybraných energetických strojov a zariadení inštalovaných v zdrojoch tepla.
S. C.: Priblížte bližšie optimalizačnú metódu lineárneho programovania v prípade teplární.
F. URBAN: Pre optimalizáciu návrhu a prevádzky kotolní a výhrevní, v ktorých sa uskutočňuje monovýroba tepla, a tiež teplární s kombinovanou výrobou elektriny a tepla treba zostaviť matematické modely kotlov, výmenníkových staníc, kogeneračných jednotiek, parných a spaľovacích turbín, elektrických generátorov. Modely vo forme lineárnych alebo nelineárnych závislosti opisujú procesy transformácie primárnych zdrojov energie na teplo, chlad, elektrinu a mechanickú prácu v energetických strojoch a zariadeniach inštalovaných v zdrojoch tepla.
Zostavené energetické a technicko-ekonomické charakteristiky a na nich nadväzujúca účelová funkcia slúžia na optimalizáciu prevádzky zdrojov tepla metódami lineárneho programovania, napr. simplexovou metódou a metódou charakteristík. Pri aplikácii prírastkovej metódy možno použiť lineárne aj nelineárne charakteristiky rovnako ako pri stochastickej metóde nadroviny v n-rozmernom priestore. V metóde Lagrangeových multiplikátorov sa používa nelineárna účelová funkcia.
Jednotlivé optimalizačné metódy možno porovnať v závislosti od nárokov na zostavenie optimalizačného softvéru, jeho úpravu pri zmene počiatočných a okrajových podmienok, operačnú pamäť a výpočtový čas. Na základe tohto porovnania v komerčných softvéroch na optimalizáciu prevádzky zdrojov tepla sú použité lineárne metódy programovania.
Metóda charakteristík, zostavená na Strojníckej fakulte STU v Bratislave, vykazuje pri porovnaní spomínaných optimalizačných metód najkratší výpočtový čas, zápis a úpravy softvéru sú jednoduché. Je vhodná na on-line optimalizáciu zaťažovania zdrojov tepla. Bola úspešne aplikovaná pri tvorbe energetických koncepcií miest v tepelnej energetike, prevádzke a rekonštrukcii teplární v Ostrave, Bratislave, Zvolene, Žiline a Štětí.
S. C.: Čo považujete za najdôležitejší počin, ktorý sa vám dosiaľ podaril?
F. URBAN: Počas pôsobenia na fakulte som spolu s kolegami riešil množstvo vedeckovýskumných úloh z oblasti zásobovania teplom a bezpečnosti prevádzky jadrových elektrární. Riešili sme aktuálne úlohy z praxe. Napríklad na počiatku prevádzky 1. a 2. bloku jadrovej elektrárne VVER 440 v Jaslovských Bohuniciach bolo potrebné podrobnejšie sa zaoberať systémom napájania parogenerátorov. V jadrovej elektrárni patrí výška hladiny parovodnej zmesi na sekundárnej strane parogenerátora medzi dôležité merané a regulované veličiny. Signály z hladinomerov sú použité na reguláciu napájania parogenerátora a súčasne ako vstup do informačného systému. V súvislosti s potrebou zvýšenia bezpečnosti a spoľahlivosti prevádzky parogererátorov sme zostavili nelineárny matematický model parogenerátora. Vypočítali sme tvar hladiny – zložitej priestorovej plochy – parovodnej zmesi v parogenerátore. Tento model bol verifikovaný počas odstávky bloku na základe série snímok vnútorného povrchu plášťa medzi horným radom teplovýmenných rúrok a žalúziovým separátorom. Na základe nelineárneho matematického modelu parogenerátora a jeho experimentálneho overenia bol analyzovaný vplyv umiestnenia hladinomerov parogenerátorov jadrových elektrární VVER 440 na meranú výšku hladiny a z toho vyplývajúce vyhodnocovanie signálov z hladinomerov pre systém napájania parogenerátorov.
S. C.: Na čom momentálne pracujete?
F. URBAN: Na základe dohôd EÚ sa výskumné ústavy, akadémie vied a univerzity krajín V4 od roku 2014 zaoberajú projektom ALLEGRO. Cieľom projektu je uviesť do prevádzky výskumný rýchly reaktor 4. generácie, chladený héliom. Jednou z úloh projektu je zvýšiť teplotu hélia vystupujúceho z reaktora na 850 °C, čím vysokopotenciálne teplo z reaktora bude možné využiť na výrobu vodíka a v chemickom priemysle.
V jadrovej energetike sa pri návrhu, projektovaní, výstavbe, prevádzke a trvalom odstavení jadrových elektrární najväčší dôraz kladie na bezpečnosť a spoľahlivosť. Okrem množstva definovaných požiadaviek na bezpečnosť prevádzky jadrových elektrární je zvýraznené bezpečné odstavenie jadrového reaktora a odvod zvyškového tepla. Po havárii blokov vo Fukušime sa zdôrazňuje potreba dlhodobého pasívneho odvodu zvyškového tepla z reaktora a bazénov s vyhoretým palivom bez dodávky elektriny.
Na základe informácií o konštrukcii rýchleho reaktora ALLEGRO chladeného héliom boli na Strojníckej fakulte STU v Bratislave určené základné parametre a principiálna schéma experimentálnej héliovej slučky na odvod zvyškového tepla z reaktora. Návrh, výrobu, inštaláciu a uvedenie do prevádzky experimentálnej héliovej slučky STU realizovala a. s. ŠKODA JS Plzeň. Experimentálna héliová slučka je umiestnená v Trnave. V experimentálnej héliovej slučke STU je skúmaná najmä prirodzená cirkulácia hélia pri zvyškovom tepelnom výkone fyzikálneho modelu reaktora do 220 kW, teplote hélia v rozmedzí od 150 °C do 520 °C a tlaku hélia do 7,0 MPa. Merania realizované na experimentálnom zariadení pri rôznych prevádzkových režimoch héliovej slučky STU možno využiť pri korigovaní konštrukcie chladiacich slučiek, ako aj na validáciu výpočtových kódov pre analýzy pasívneho odvodu tepla z reaktora ALLEGRO.
V súčasnosti sú predložené projekty týkajúce sa héliovej slučky STU – unikátneho experimentálneho zariadenia. Na základe návrhu experimentálneho programu na héliovej slučke a jeho realizácii sa uvažuje o úpravách experimentálneho zariadenia. Úpravy héliovej slučky umožnia rozšíriť spektrum simulovaných podmienok ďalších havarijných situácií reaktora ALLEGRO. Modifikovaná slučka bude následne použitá pre rozšírenú validáciu výpočtových programov.
S. C.: Čo je vašou kariérnou métou do 5 rokov?
F. URBAN: V rámci Operačného programu výskum a vývoj vydalo Ministerstvo hospodárstva SR výzvu na predkladanie žiadostí o poskytnutie nenávratného finančného príspevku zameranú na podporu inovácií prostredníctvom priemyselného výskumu a experimentálneho vývoja v rámci domény Priemysel pre 21. storočie.
Jednou z prioritných tém v teplárenstve je optimalizácia procesu kombinovanej výroby elektriny a tepla spolu so znižovaním environmentálnej záťaže na okolie. Žilinská teplárenská, a. s. je žiadateľom projektu „Inovácia výrobných a distribučných procesov v Žilinskej teplárenskej, a. s. pre 21. storočie“. Z dôvodu vykonaných racionalizačných opatrení u odberateľov tepla a klimatických zmien dochádza ku znižovaniu odberov tepla a k zmenám diagramu odberu tepla. Z tohto dôvodu je potrebné zásadne inovovať výrobné a distribučné procesy v Žilinskej teplárenskej a. s. Partnerom projektu je aj Strojnícka fakulta STU v Bratislave, ktorá sa bude podieľať na vývoji matematických modelov výroby a optimalizačného modulu prevádzky technologických zariadení. Implementáciou projektu v prostredí Žilinskej teplárenskej a. s. sa znížia variabilné náklady na palivo a dopady prevádzky teplárne na životné prostredie.
Projekt bol podaný v júni 2018, v súčasnosti prebieha jeho hodnotenie. Trvanie projektu je navrhnuté na 32 mesiacov, t. j. do polovice roka 2022.
Ak dovolíte, rozšírim odpoveď na otázku „5 rokov“. Veková štruktúra učiteľov na technických univerzitách je nevyhovujúca. Napr. na Strojníckej fakulte STU v Bratislave učitelia starší ako 61 rokov tvoria 35 %, vo veku 46 až 60 rokov je 35 %, 36 až 45 rokov má 16 % učiteľov a mladších ako 35 rokov je 14 % učiteľov. Podobne z hľadiska veku učiteľov je to aj na iných technických fakultách a univerzitách. Starší učitelia odchádzajú do dôchodku a súčasne mnohí mladí a perspektívni učitelia z dôvodu lepšieho finančného zabezpečenia svojich rodín uprednostňujú vyššie mzdy ponúkané mimo rezortu školstva. Potrebné je zvýšiť atraktívnosť pedagogických profesií pre motiváciu mladých ľudí.
Ak spoločnosť na Slovensku má záujem o prípravu stredoškolsky a vysokoškolsky vzdelaných technikov, výskumníkov a vedcov, na rozhodnutie politikov neostáva veľa času. Navrhujeme zmeniť existujúci systém financovania škôl, ktorý je založený najmä na počte študentov študujúcich na škole. Nová metodika by mala zohľadniť spoločnosťou definované požiadavky na potreby počtu absolventov pre jednotlivé profesie.
Rozhovor a foto poskytol: prof. Ing. František Urban, CSc., Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Ústav energetických strojov a zariadení
Zhovárala sa: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ