Parní turbíny a kondenzátoryhome.zcu.cz/~kuceraj/PTK/PTK_kondenzace_a_regenerace... ·...

Parní turbíny a kondenzátory 2. přednáška – Kondenzace a regenerace Autor: Jindřich Louthan Datum: 27.11. 2019

Obsah

1. Úvod do problematiky

Tvorba a udržení vakua ve vakuovém systému

Zjišťování netěsností vakuového systému

Řešené příklady

2. Druhy evakuačních zařízení

Paroproudé vývěvy

Vodoproudé vývěvy

Vodokružné vývěvy

Řešené příklady

Motivace

Hledání odpovědí na základní otázky:

• Co je systém evakuace a proč je nezbytný?

• Jaké jsou druhy používaných evakuačních zařízení v energetice?

• Jak v praxi vypadají systémy evakuace?

Rozsah zařízení kondenzace a regenerace

Tepelné výměníky: - Kondenzátory - Regenerační ohříváky - Kondenzátory komínkové/ucpávkové páry - Chladiče sekundárních okruhů - Separátory–přihříváky - Ohříváky topné vody

Systém evakuace (vývěvy)

Čerpadla: - Kondenzátní čerpadla - Pomocná čerpadla - Napájecí čerpadla

Redukční stanice (bypass turbíny)

Kontinuální čištění kondenzátoru Zařízení kondenzace

a regenerace

Expandéry (uvolňovače páry)

Napájecí nádrže a odplyňováky

Vakuum je velmi nízký podtlak vůči atmosférickému tlaku. Přístroje pro měření vakua se nazývají

vakuometry. Vakuometry mohou udávat:

1) Absolutní tlak a nebo

2) Rozdíl mezi atmosférickým tlakem a absolutním tlakem

Vakuum se často v elektrárenských provozech udává v procentech, takže pokud provozní technici mluví

např. o 95 % vakua, znamená to, že při tlaku okolní atmosféry pb = 100 kPa hovoří o tlaku pk = 5 kPa, viz:

Dnes se v případě provozních a garančních měření se používají tzv. tlakové převodníky (viz obrázek

níže), které převádějí hodnotu tlaku na proudový signál, který je dále zpracováván elektronicky.

%1001100

b

k

b

kb

p

p

p

ppVakuum

Měření vakua (1)

V dřívějších dobách bylo vakuum měřeno U-trubicí se rtutí, přičemž výpočet tlaku se z rozdílu výšek

rtuťových sloupců zjistil následovně:

P = ΔHmmHg x ( 13595 – 2,452 x t ) x 9,80665 x 10-3 [Pa]

ΔHmmHg …rozdíl výšek sloupců rtuti udávající tlakový rozdíl mezi atmosférou a

kondenzátorem [mmHg]

t …teplota okolí v místě měření U-trubicí [°C]

Patm …tlak okolní atmosféry v místě měření [Pa]

Pkondenzátor = Patm – P [Pa]

1 bar = cca 750 mmHg

Měření vakua (2)

ΔHmmHg

Pkondenzátor Patm

Zdroje vzduchu ve vakuovém prostoru:

Drtivá většina vzduchu pochází z netěsností na NT dílu turbíny,

na kondenzátoru, na potrubí, na armaturách …

Nekondenzovatelné plyny obsažené v páře, která přichází z kotle (nebo

parogenerátoru) tvoří zanedbatelnou položku v celkovém průtoku

nekondenzovatelných plynů nutném k odsávání

Vzduch v kondenzátoru nekondenzuje a představuje tedy nekondenzovatelnou

složku, kterou je nutné z kondenzátoru kontinuálně odvádět. Pakliže by nebyl

vzduch z kondenzátoru kontinuálně odváděn, docházelo by k postupné ztrátě

vakua, viz dále pojednání o testu spadku vakua.

Zdroje vzduchu ve vakuovém prostoru

Průtok vzduchu netěsnostmi resp. potřebnou kapacitu evakuační

stanice (vývěv) lze ve fázi návrhu evakuačního zařízení volit:

1) Dle HEI – Standards for Steam Surface Condensers (udaná

hodnota slouží k dimenzování vývěv – skutečná hodnota průtoku

vzduchu během provozu se předpokládá méně než poloviční)

2) Dle VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and

Operation of Vacuum Pumps for Steam turbine Condensers

3) Dle předchozích vlastních zkušeností z měření

Volba kapacity evakuačních zařízení

Doporučená kapacita hlavní vývěvy - kondenzátor s jedním pláštěm [kg/h]

Průtok páry na jeden hlavní výstup z turbíny [t/h] 1 výstup z turb. 2 výstupy z turb. 3 výstupy z turb.

0 až 11,34 6,12 8,16 10,21

11,34 až 22,68 8,16 10,21 15,33

22,68 až 45,36 10,21 15,33 20,41

45,36 až 113,40 15,33 25,49 25,49

113,40 až 226,80 20,41 30,62 35,70

226,80 až 453,59 25,49 40,82 40,82

453,59 až 907,19 30,62 51,03 51,03

907,19 až 1360,78 35,70 51,03 61,23

1360,78 až 1814,37 40,82 61,23 71,44

Volba kapacity vývěv dle HEI Standards (1) Tabulka doporučených kapacit hlavních vývěv (odsávaných průtoků suchého

vzduchu) podle HEI Standards při parametrech parovzdušné směsi 71,5°F a 1 inHg

(21,9°C a 3,386 kPa → podchlazení parovzdušné směsi 4,2°C).

Volba kapacity vývěv dle HEI Standards je nejrozšířenějším přístupem

Volba kapacity vývěv dle HEI a VGB

Volba kapacity vývěv dle HEI Standards (2)

Příklad:

Máme parní turbínu s NT dílem se dvěma hlavními výstupy páry, kterými

při nominálním provozu (100% výkonu) dohromady vytéká 420 t/h páry. Výstup

z turbíny je veden do jednoho kondenzátoru (jednoho pláště). Turbína je (ve vakuové

části) vybavena jedním odběrem, kterým vytéká 35 t/h páry. Pro dané zadání určete

kapacitu evakuačního zařízení dle HEI Standards.

Řešení:

Celkový průtok páry z turbíny: 420 + 35 = 455 t/h

Počet hlavních výstupů páry: 2

Průtok páry pro hledání v tabulce: 455 / 2 = 227,5 t/h

Celkový počet výstupů z turbíny: 2 + 1 = 3

Požadovaná kapacita vývěv: 40,82 kg/h

Poznámka:

Jelikož je přístup dle HEI Standards konzervativní, v praxi se často odběry z NT dílu turbíny

zanedbávají. Pracuje se tedy pouze s hlavními výstupy páry a počtem plášťů kondenzátorů.

Za uvedených zjednodušení by doporučená kapacita vývěvy činila 30,62 kg/h.

Spadek vakua (1) Měření spadku vakua je nejjednodušším testem těsnosti vakuového systému.

Spadek vakua = zhoršování vakua vlivem přibývajícího obsahu vzduchu ve vakuovém prostoru

bez provozu evakuace, tj. při zavřeném sání vývěv nebo při odstavených vývěvách. Naměřená hodnota

spadku vakua je srovnávána s předpokládanou hodnotou spadku popř. s hodnotou uvedenou

v požadavcích zákazníka nebo uvedenou v normě (existuje-li taková norma).

Zjednodušený postup testu:

1) Během testu by měl být zaručen stálý průtok páry do kondenzátoru, tj. ventily před turbínou jsou

drženy na stejném otevření. Dnes bývá na TG většinou výkonová regulace, kdy je při zhoršujícím

vakuu navyšován průtok páry do turbíny, aby byl výkon TG držen na stejné úrovni. Zkreslení výsledků

díky výkonové regulaci bývá ale nevýznamné.

2) Je uzavřena armatura na sání vývěv tzn. vývěvy neodsávají vzduch z vakuového prostoru.

3) Během testu je ručně nebo automaticky zaznamenáván tlak v kondenzátoru. Pokud je tlak

zaznamenáván ručně, je vhodné tlak zapisovat minimálně každou minutu. Při vyhodnocení je nutné

sledovat průběh změny tlaku a do vyhodnocení zahrnout pouze přímkovou část záznamu.

4) Doba trvání testu spadku vakua se doporučuje minimálně 6 – 10 min.

5) Je-li test ukončen, je otevřena armatura v sání vývěvy.

6) Vyhodnocení:

Spadek vakua = (pt – p0) / t [Pa/min]

p0 …první čtení tlaku v testu na přímkové části průběhu tlaku [Pa]

pt …poslední čtení tlaku v testu na přímkové části průběhu tlaku [Pa]

t …doba měření/záznamu s přímkovým průběhem tlaku [min]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Tlak

v k

on

de

nzá

toru

[kP

a]

Čas [min]

Záznam z testu spadku vakua

Vyhodnocovaná část měření

Uzavření armatury na sání vývěv

Otevření armatury na sání vývěv

Spadek vakua (2)

Spadek vakua (3) 7) Srovnání s předpokládanou hodnotou spadku vakua:

Pa/min

V … objem vakuového objemu za provozu TG (kondenzátor + nástavba

kondenzátoru s mezikusem + průtočná část NT dílu turbíny, vakuové

NTO, EPK, převáděcí potrubí …) m3

rair … měrná plynová konstanta (pro suchý vzduch 287,1 J.kg-1.K-1)

tair … teplota vzduchu = teplota sytosti v kondenzátoru °C

… předpokládaný průtok vzduchu netěsnostmi např. dle HEI Standards

kg/h

Je-li naměřená hodnota spadku vakua výrazně horší, než předpokládaná hodnota, je

vhodné hledat netěsnosti na vakuovém systému, neboť se zvýšenou netěsností hrozí

omezení provozu kondenzátoru kapacitou vývěvy.

airairair m

V

trp

60

)15,273(

airm

Spadek vakua (4) Průběhy spadků vakua pro různé velikosti vakuového prostoru

Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (1) Důvody měření průtoku vzduchu:

1) Omezení dosažitelného vakua v kondenzátoru kapacitou vývěvy. Což znamená snížení

entalpického spádu na turbíně (= horší tepelná účinnost cyklu). Daný stav by se projevil

neúměrně vysokým teplotním koncovým rozdílem na kondenzátoru (rozdíl mezi teplotou sytosti

a výstupní teplotou chladicí vody).

2) Při extrémní netěsnosti vakuového systému dochází navíc ke zhoršení přestupu tepla

na vnější straně teplosměnných trubek v centrální oblasti trubkového svazku kondenzátoru.

Důvodem jsou jednak zhoršení sdílení tepla a jednak vliv Daltonova zákona, kdy se teplota

sytosti odpovídající parciálnímu tlaku páry v parovzdušné směsi přiblíží teplotě povrchu stěny

trubky a kondenzace pak již nemůže probíhat. Následné dopady jsou totožné s bodem 1.

3) Nadměrná netěsnost vakuového systému zpravidla vede na zvýšený obsah kyslíku

rozpuštěného v kondenzátu (často požadovaná hodnota obsahu O2 v kondenzátu činí 10 ppb*)

Způsoby měření průtoku vzduchu, který vniká do vakuového systému netěsnostmi, jsou:

1) Pomocí měření spadků vakua s postupným přidáváním řízené netěsnosti

2) Měření na výfuku z vývěv např. pomocí rotametru

* ppb = parts per billion = μg/kg, v praxi je často užívaná jednotka μg/l

Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (2)

Měření průtoků vzduchu netěsnostmi pomocí spadků vakua s postupně přidávanými

řízenými netěsnostmi se skládá z několika měření spadků vakua (min. dvou), přičemž

první měření může být provedeno jako standardní měření spadku a další měření spadku

se provádí po přidání dýzy na vakuový systém (dýza = řízená netěsnost). Dýzou se

do vakuového prostoru přisává vzduch. Jelikož víme, že s rostoucí netěsností se spadek

vakua zvyšuje lineárně, stačí změřené spadky vakua vynést do grafu a body proložit

přímkou.

Obr. Dýzy pro přidání řízené

netěsnosti se závitem M20x1,5

Jelikož je v kondenzátorech vakuum, je mezi okolní atmosférou a hlavním vakuovým

prostorem nadkritický tlakový spád. To tedy znamená, že dýzou je přisáván konstantní

průtok vzduchu z okolní atmosféry a dílčí změny tlaku ve vakuovém prostoru neovlivňují

průtok přisávaného vzduchu.


Průtok suchého vzduchu dýzami při kritickém a nadkritickém tlakovém spádu je možné

vypočítat dle vztahu:

…hmotnostní průtok suchého vzduchu dýzou [kg/s]

dO …průměr dýzy [m]

…účinnost dýzy [-]

…tlak okolního vzduchu [Pa]

…isoentropický exponent suchého vzduchu [-]

…měrná plynová konstanta vzduchu [J/kg/K]

…okolní teplota (přisávaného) vzduchu [°C]

115,273

2

1

2

4

1

12

air

air

airairair

airO

O

airtr

pd

mair

airm

98,095,0 ažO

airp402,1air

KkgJrair //06,287

airt


Dýzy se aplikují přímo na kondenzátorech nebo na NT dílech turbín. Při použití metody

zjišťování průtoku vzduchu netěsnostmi pomocí spadků vakua s přidanými řízenými

netěsnostmi nemusí být znám objem vakuového prostoru a nemusí být k dispozici

pokročilá měřicí instrumentace.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-20 -10 0 10 20 30 40 50

Spad

ek v

aku

a [P

a/m

in]

Průtok vzduchu řízenými netěsnostmi (dýzami) [kg/h] Hledaná provozní netěsnost [kg/h]

Lokalizace netěsností vakuového systému Lokalizaci netěsností vakuového systému je možné provést:

1) Použitím héliového detektoru (čichače)

- tato metoda je dnes nejrozšířenější a nejsofistikovanější

2) Zaplněním některých částí vakuového prostoru vodou

- dobře realizovatelné u kondenzátoru pod turbínou (zaplnění parního prostoru kondenzátoru se

provádí vždy v rámci hydrostatické zkoušky)

- dojde-li k úniku vody z parního prostoru, je netěsnost nalezena

3) Natlakováním některých částí vakuového prostoru vzduchem

- potírání kritických míst “jarovou“ vodou, kdy se při úniku vzduchu v daném místě tvoří bublinky

4) Kontrolou rizikových (vytipovaných) míst se svíčkou

- tato metoda je dnes používaná pouze v rozvojových zemích (např. Indie)

- netěsnost je nalezena tehdy, je-li plamínek svíčky přisán k místu netěsnosti

5) Použití kouřové metody

- kolem vytipovaných míst je vytvářen kouř, přičemž je vizuálně sledován případný vnik kouře

do vakuového prostoru

6) Použitím detekce pomocí CO2

- je sledován nárůst vodivosti kondenzátu na výstupu z kondenzátoru

Použití héliového detektoru (čichače)

Nejčastějším způsobem lokalizace netěsnosti je použití héliového detektoru

(čichače).

Pomocí héliového detektoru je možné případnou netěsnost nejenom lokalizovat,

ale také kvantifikovat tzn. odhadnout její velikost. Před každým měřením je totiž

sledována odezva héliového detektoru na kontrolní (přesně danou) netěsnost.

Podmínky pro použití héliového detektoru:

Při použití héliového detektoru musí sledovaným vakuovým systémem proudit

pára, která hélium rychle dopraví do sání vývěv, kde je zapojen odběr

pro detektor hélia.

Pokud bychom sledovali vakuový systém bez proudící páry, měření by bylo

nerealizovatelné, neboť odezva měření by byla velmi dlouhá (pakliže by byla

vůbec nějaká). Hélium je navíc lehčí než vzduch, takže by se bez proudící páry

hromadilo v horních částech sledovaného prostoru.

Kondenzátor

Kondenzátní čerpadlo

Vývěva

Čerpadlo chladicí vody

Turbína

Evakuační zařízení Systém evakuace je tvořen:

- vývěvami

- tepelným výměníkem (chladič pracovní vody u vodokružných

vývěv nebo kondenzátor pro parovzdušnou směs

u paroproudých vývěv)

- potrubím

- armaturami

Vývěvy za provozu turbíny nevytváří vakuum v kondenzátoru! Vakuum v kondenzátoru je

dáno tepelnou bilancí a procesem kondenzace páry. Vývěvy pouze pomáhají udržet vakuum

odsáváním vzduchu, který je nekondenzující směsí plynů. Vzduch by se bez použití vývěv

ve vakuovém prostoru hromadil, čímž by sekundárně narůstal tlak ve vakuovém prostoru, což

by vedlo k vyššímu protitlaku za posledním stupněm turbíny a následně k odstavení turbíny

na ztrátu vakua.

Vakuový systém = kondenzátor + turbína + část systému regenerace

Při najíždění turbíny je třeba celý vakuový systém odvzdušnit neboli evakuovat pomocí vývěv.

Evakuační zařízení Typy vývěv běžně používaných v energetice:

Proudové vývěvy

– paroproudé

– vodoproudé

Mechanické vývěvy

– vodokružné vývěvy

Hybridní systém

– kombinace proudové vývěvy a vodokružné vývěvy

Dimenzování evakuačního zařízení je nutné kontrolovat ze dvou pohledů:

1) Z pohledu dosažení požadované doby počáteční evakuace

2) Z pohledu udržení vakua ve vakuovém systému během různých provozních stavů, kdy

musí zajištěna dostatečná kapacita vývěvy při různých tlacích v sání vývěvy (potažmo

v kondenzátoru)

Doba počáteční evakuace (1) Pojem “doba počáteční evakuace“ značí čas potřebný ke snížení tlaku ve vakuovém

prostoru (kondenzátor, NT díl turbíny atd.) na úroveň, kdy do turbíny může být puštěna

první pára a mohou být navyšovány otáčky rotoru.

Za předpokladu, že kapacita evakuačního zařízení je konstantní a vakuový systém je

absolutně těsný lze dobu počáteční evakuace spočítat následovně:

[h, min, s …]

V …evakuovaný objem [m3]

p1 …počáteční tlak ve vakuovém prostoru [Pa, kPa, bar …]

p2 …koncový tlak ve vakuovém prostoru [Pa, kPa, bar …]

…objemová kapacita vývěvy [m3/h, m3/s, m3/min …]

2

1

p

pln

vyvývěV

Vt

vyvývěV

Doba počáteční evakuace (2) Příklad:

Jaká je doba počáteční evakuace z tlaku 100 kPa(a), činí-li objem vakuového prostoru 480 m3,

koncový tlak bude 30 kPa(a) a objemová kapacita vývěvy činí 1800 m3/h? Předpokládejme

konstantní objemovou kapacitu vývěvy a absolutně těsný vakuový systém.

V = evakuovaný objem 480 m3

p1 = počáteční tlak ve vakuovém prostoru 100 kPa

p2 = koncový tlak ve vakuovém prostoru 30 kPa

= objemová kapacita vývěvy 1800 m3/h (= 0,5 m3/s)

Za zadaných podmínek bude evakuace ze 100 kPa na 30 kPa trvat 19 minut a 16 sekund.

ssV

Vt

vyvývě

16min19115630

100ln

5,0

480

p

pln

2

1

vyvývěV

Doba počáteční evakuace (3)

Ve skutečnosti je při výpočtu času počáteční evakuace brát v potaz:

1) charakteristiku vývěvy, která určuje sací kapacitu při různých tlacích v sání vývěvy

2) absolutně těsný vakuový systém v energetice neexistuje, tzn. v modelu počáteční

evakuace bychom měli uvažovat přítomnost netěsnosti

3) počáteční evakuace je zpravidla uskutečňována současným provozem více evakuačních

stanic, zvláště pokud se bavíme o evakuačních stanicích tvořených vodokružnými

vývěvami

Poznámka: Ukázka v MS Excel.

KKE

Poháněcím médiem paroproudých vývěv je pára z odběru turbíny nebo z ostré páry přes redukční stanici.

Poháněcí pára expanduje v Lavalově dýze, čímž je urychlována. Na výstupu z Lavalovy dýzy má pára

vysokou rychlost (řádově 1000 až 1400 m/s v závislosti na parametrech poháněcí páry). Urychlená

poháněcí pára pak ve směšovací komoře předává hybnost parovzdušní směsi odsávané z kondenzátoru.

Tlak parovzdušné směsi se průchodem vývěvou postupně zvyšuje (probíhá komprese) až na výstupní

atmosférický tlak snížením rychlosti v navazujícím difuzoru.

Paroproudé vývěvy se energetice v drtivé většině případů praktikují jako dvoustupňové vývěvy

s kondenzátorem parovzdušné směsi, přičemž návrh je proveden tak, aby kompresní práce byla

rovnoměrně rozdělena mezi oběma stupni vývěvy.

Jako jednostupňová vývěva se obyčejně navrhuje startovací ejektor sloužící k počáteční evakuaci

vakuového prostoru.

Paroproudé vývěvy (1)

KKE

Příklad: Určete výtokovou rychlost páry na výstupu z Lavalovy dýzy v 1. stupni paroproudých

vývěv, je-li tlak páry před dýzou 10,0 bar(a) a teplota 300°C, tlak za dýzou je 0,06 bar(a). Dále

určete průtok poháněcí páry do ejektoru 1. stupně, je-li kritický průměr Lavalovy dýzy 7,0 mm.

Řešení: entalpie páry na vstupu h1 = 3051,70 kJ/kg (z tlaku a teploty)

entalpie páry na výstupu h2 = 2194,17 kJ/kg (z tlaku a entropie)

Příklad – Výtoková rychlost z Lavalovy dýzy

1 22 0,97 2 3051700 2194170 1270,3 /w h h m s

𝑚 =𝜋 ⋅ 𝑑2

4⋅

2

𝜅 + 1

1+𝜅1−𝜅

⋅2

𝜅 − 1⋅

𝑝1𝑝0

2𝜅

−𝑝1𝑝0

𝜅+1𝜅

=

= 𝜋⋅0,0072

4⋅

2

1,33+1

1+1,33

1−1,33⋅

2

1,33−1⋅

6000

1000000

2

1,33−

6000

1000000

1,33+1

1,33= 0,049452 kg/s =

= 178 kg/h

Kondenzátory paroproudých vývěv řešené jako povrchový výměník:

Kondenzátory paroproudých vývěv řešené jako směšovací výměník:

Kondenzátor parovzdušné směsi umožňuje:

1) Částečně využít teplo z páry v cyklu proudící na výstupu z jednotlivých stupňů vývěv (platí jen

pro povrchový výměník).

2) Kondenzátor za prvním stupněm vývěvy umožní kondenzaci parní složky ve směsi jdoucí

z prvního stupně, čímž se snižují nároky na kompresní práci ve druhém stupni vývěvy, neboť

ten po té odsává méně parovzdušné směsi.


Paroproudé vývěvy (3) Nejčastější provedení dvoustupňových

paroproudých vývěv je vidět na obrázku

vpravo.

Odsávaná směs spolu s poháněcí párou

po výstupu z difuzoru 1. stupně vstupuje

do mezikondenzátoru, kde podstatná část

parní složky obsažené ve směsi

zkondenzuje. Zbytek směsi je pak odsáván

druhým stupněm vývěvy. Odsávaná

parovzdušná směs spolu s poháněcí párou

druhého stupně vystupuje z difuzoru

do výstupního kondenzátoru směsi, kde

opět podstatná část páry obsažené

ve směsi zkondenzuje a vzniklý kondenzát

se vrací do cyklu, přičemž zbylá

parovzdušná směs odchází do atmosféry.

Výstup hlavního kondenzátu

Odřazovací armatury

Kondenzátor 2. stupně

Kondenzátor 1. stupně

Odřazovací armatury

Ventily pracovní páry

Přívod pracovní páry Filtr

Vstup vzduchu (sání vývěv 1 . stupně)

Odřazovací armatury Ventily pracovní páry

Ejektory 2. stupně

Vstup hlavního kondenzátu

Ejektory 1. stupně

Paroproudé vývěvy (4) Jedno z možných reálných provedení dvoustupňové vývěvy včetně základních armatur:

Zdroj: Shutte & Koerting

KKE

Při návrhu dvoustupňového ejektoru je důležitá prvotní volba tzv. dělicího tlaku, což je tlak

mezi stupni (= tlak v sání druhého stupně ejektoru). Z pohledu účinnosti evakuační stanice

je vhodné rozdělit kompresní práci mezi oba stupně rovnoměrně, proto ideálně platí:

V případě třístupňové vývěvy jsou dělicí tlaky počítány následovně:

Poznámka: Výše uvedené dělicí tlaky se v praxi nedodržují z důvodu limitace výkonu

vývěvy vlivem vysoké teploty chladicí vody pro mezikondenzátor, kdy by příliš nízkém

dělicím tlaku již nedocházelo ke kondenzaci parní složky směsi v mezikondenzátoru, čímž

by druhý stupeň ejektoru byl zatížen vyšším průtokem parovzdušné směsi s dopadem

do nižšího sacího výkonu vývěvy. Dělicí tlak se v praxi volí 30 až 35 kPa.

Příklad – Dělicí tlak vícestupňové parní vývěvy (1)

2. 1. 2.

2. 3 105 17,75

sání stupně sání stupně výfuk z stupně

sání stupně

p p p

p kPa

3.3.1.2 stupnězevýfukstupněsánístupněsání ppp

stupnězevýfukstupněsánístupněsání ppp .3.2.3

KKE

Kompresní poměr = pvýfuk / psání

V praxi se volí kompresní poměr u parních ejektorů

maximálně 10, nejběžněji vychází kompresní poměr 5 až

8.

Pokud bychom uvažovali rovnoměrné rozdělení kompresní

práce mezi stupni a kompresní poměr 8 na každý stupni,

pak by tlak v sání vycházel cca 1,6 kPa, což lze považovat

za praktický limit dvoustupňové paroproudé vývěvy

při zachování obstojné kapacity.

Pokud by byl požadován nižší tlak v sání než cca 1,6 kPa,

bylo by již na zvážení použití třístupňové vývěvy.

Příklad – Dělicí tlak vícestupňové parní vývěvy (2)


Zkoušení paroproudých vývěv

Hlavním výsledkem zkoušky paroproudých vývěv je charakteristika vývěvy vyjadřující

závislost tlaku v sání vývěvy na odsávaném průtoku vzduchu. Zkouška probíhá tak, že

po najetí vývěvy jsou postupně měněny dýzy v sání, čímž je postupně měněno zatížení

vývěv přisávaným vzduchem. Pro každou úroveň průtoku přisávaného vzduchu je měřen

tlak v sání vývěvy 1. stupně a doplňkově též v sání 2. stupně.

Obr. Zkušební dýzy pro přisávání vzduchu

Běžné parametry poháněcí páry paroproudých vývěv se

v energetice pohybují:

Tlak: 5 – 15 bar(a)

Teplota: 180 – 400°C

Běžná konfigurace paroproudých vývěv:

2x 100% + startovací ejektor

Spotřeba pracovní páry obou stupňů vývěvy:

Ve většině případů do cca 0,5 t/h

Výhody:

- Jednoduchost (bez rotačních částí)

- Schopnost dosáhnout nízké hodnoty vakua (min. cca 1,6 kPa)

Nevýhody:

- Nutný zdroj poháněcí páry (z redukční stanice, z odběru turbíny,

z externího zdroje – dopad do účinnosti celého cyklu)

- Nutná tepelná izolace

- Nutný startovací ejektor pro zajištění počáteční evakuace

- Hluk (obzvlášť u startovacího ejektoru → nutný tlumič na výfuku

ejektoru)


2. stupeň

1. stupeň

Sání 1. stupně

Sání 2. stupně

Kondenzátor 1. a 2. stupně integrovaný

v jednom plášti

Výstup vody

Vstup vody


Zlom na charakteristice prvního stupně vývěvy je způsoben omezením sací schopnosti druhého stupně

vývěvy.

Na charakteristice paroproudé vývěvy je vidět, že objemová kapacita s rostoucím tlakem v sání rapidně

klesá, což je hlavní důvod, proč je nutné použití separátního startovacího ejektoru při počáteční

evakuaci vakuového systému.

KKE

Čerpadlo přivádí vodu o tlaku pv do vývěvy. Vodní paprsek

vystupuje velkou rychlostí z vodní dýzy (v závislosti

na velikosti tlakového spádu na dýze činí výstupní rychlost

paprsku vody 15 až 25 m/s) a strhává ve směšovací komoře

nasávaný vzduch resp. dochází k výměně hybnosti mezi

pracovní vodou a odsávanou parovzdušní směsí. Pohybová

energie směsi se dále mění v navazujícím difuzoru v tlakovou

energii (vzduch je stlačován na atmosférický tlak).

Vodoproudé vývěvy (vodní ejektory) je možné použít jak

při počáteční evakuaci před najetím turbíny, tak při trvalém

provozu turbíny.

Tlak ve směšovací komoře vývěvy bude vždy dán součtem

parciálního tlaku vzduchu a parciálního tlaku páry, který

odpovídá tlaku sytosti dle teploty pracovní vody.

Vodoproudové vývěvy (1)

psm

pv

pb

KKE

Příklad: Určete výtokovou rychlost vody z vodní dýzy, je-li tlak před dýzou 2,2 bar(a) a tlak

za dýzou 0,06 bar(a) a teplota vody je 20°C. Dále určete průtok vody dýzou při výše zadaných

podmínkách, je-li průměr dýzy 148 mm.

Příklad – Výtoková rychlost z vodní dýzy

2 220000 600020,97 20,1 /

998,13

pw m s

2 20,148

2 0,97 2 998,13 220000 6000 344,91 /4 4

1241,7 /

dm p kg s

t h

Běžné parametry pracovní vody vodoproudých vývěv se v energetice pohybují:

Tlak: 1 – 3 bar(g)

Teplota: dle zdroje chladicí vody

Běžná konfigurace vodoproudých vývěv:

2x 100%, 3x 50% (pro dva kondenzátory)

Spotřeba pracovní vody vodoproudé vývěvy:

Záleží na požadované sací kapacitě, řádově 500 – 1 500 t/h (např. JE Dukovany cca 1 200 t/h)

Pracovní voda se průchodem vývěvou ohřívá a je nutné dbát udržování dostatečně nízké teploty

pracovní vody, aby nedocházelo k omezení na dosažitelném tlaku v sání vývěvy, který by již znamenal

dopad do provozu turbíny.

Zdroje ohřátí pracovní vody ve vodoproudé vývěvě:

1) Teplo z komprese vzduchu

2) Teplo ze ztrát v čerpadle

3) Teplo z kondenzace páry obsažené v odsávané parovzdušné směsi

4) Teplo ze vzduchu obsaženého v odsávané parovzdušné směsi


Výhody:

- Jednoduchost samotné vývěvy

- Schopnost dosáhnout nízké hodnoty vakua (závisí na teplotě pracovní vody)

- Vysoká sací kapacita v širokém provozním rozsahu = není zapotřebí separátní startovací ejektor se

zvýšenou kapacitou jako v případě paroproudých vývěv

Nevýhody:

- Nutné čerpadlo pro dopravu pracovní vody. Je možné odebírat vodu přímo z okruhu chladicí vody a

využít přetlak vyvolaný čerpadlem chladicí vody, čímž potřeba čerpadla odpadá.

- Náročné z pohledu stavby. Je nutná jímka pracovní vody + samotná vývěva měří na výšku

2,5 až 5,5 m + nutná bezpečnostní výška evakuačního potrubí, viz dále.

- Omezení v dosažitelném vakuu v závislosti na teplotě pracovní vody. Z důvodu udržení nízké teploty

pracovní vody je nutné zajistit její průběžnou výměnu v jímce. Výměna vody v jímce odpadá, pokud

je použit tzv. otevřený okruh, kdy je pracovní voda odebírána rovnou z hlavní trasy chladicí vody a je

využíván přetlak daný čerpadlem chladicí vody.



Z charakteristik vodoproudé vývěvy je patrné, že kapacita vývěvy je i při vyšších tlacích v sání

vysoká, z čehož vyplývá, že pro zajištění rychlé počáteční evakuace vakuového prostoru není

zapotřebí žádné další speciální startovací vývěvy. Vodoproudá vývěva vykazuje vysokou sací

kapacitu v celém rozsahu tlaků v sání.


Charakteristiky vodoproudých vývěv p – mvzd se často

vyjadřují pro parciální tlak vzduchu, čímž je

charakteristika zobecněná pro různé teploty pracovní

vody. Pro určení tlaku v sání vývěvy, pak stačí

k parciálnímu tlaku vzduchu odečtenému z grafu

charakteristiky přičíst tlak sytosti odpovídající dané

teplotě pracovní vody.

Tělesa vodoproudých vývěv se dříve skládala

z odlitkových částí, viz obrázek vpravo.

Jelikož jsou dnes odlitky nákladné, vyrábějí se

vodoproudé vývěvy jako svařence ze zkroužených

plechů.

Patentované opatření Škoda proti kontaminaci kondenzátu

pracovní vodou vývěvy při výpadku čerpadla pracovní

vody.

Při případném výpadku čerpadla pracovní vody by okamžitě

došlo ke zpětnému nasátí vody z jímky skrz difuzor vývěvy až

do kondenzátoru. Přestože je u evakuačního potrubí počítáno

ve výšce s cca 10 m, což pokrývá “statický“ rozdíl tlaků mezi

atmosférou a kondenzátorem, je třeba si uvědomit, že

při výpadku čerpadla dojde při zpětném nasátí k počátečnímu

dynamickému urychlení vody, která by ochrannou výšku

snadno překročila, čímž by se dostala systémem evakuace až

do kondenzátoru, kde by kontaminovala čistý kondenzát

v oběhu pára-voda.

K uvedenému může též dojít v případě cíleného odstavení

čerpadla pracovní vody, přičemž armatura v sání vývěvy se

neuzavře nebo se armatura zadrhne.


Tento systém je možné spatřit

např. na JE Dukovany

Patent CZ 279 236 B6

Vodokružná vývěva je mechanickou vývěvou založenou na principu otáčení rotoru, který

unáší vodu. Voda vlivem odstředivé síly vytvoří po obvodu tělesa vývěvy kroužek, přičemž

rotor vývěvy je vůči tělesu uložen excentricky. Tím v prostoru mezi lopatkami rotoru a

těsnícím vodním kroužkem vzniká komora, která při rotaci rotoru mění svůj objem, viz

video.

V případě odsávané parovzdušné směsi je výhodou, že dochází k přímému styku

parovzdušné směsi s pracovní vodou vývěvy. Pára ze směsi tak může na pracovní vodě

přímo kondenzovat, čímž se snižuje kompresní práce resp. zvyšuje kapacita vývěvy.

Vodokružné vývěvy (1)

Vodokružná vývěva ke svému

provozu potřebuje tzv.

separátor, který plní funkce:

1) Separátoru

2) Nádrže pracovní vody

Do výfuku z pracovního

prostoru odchází vzduch

s vodní tříští. Voda je

od vzduchu odlučována

v separátoru. Vzduch odchází

výfukem ze separátoru

do volné atmosféry.

V separátoru je kontrolována

úroveň hladiny pracovní vody.

V případě, že hladina klesá je

pracovní voda doplněna

z okruhu demi-vody.

V případě, že hladina stoupá,

je separátor vybaven

přepadem.


Zdroj: Sterling SIHI

Výhody:

- Kompaktní provedení na rámu

- Vysoká účinnost a tedy nižší energie vynaložená na kompresi směsi

- Počáteční evakuace při najetí TG se provádí současným chodem několika vodokružných vývěv

Nevýhody:

- Rotační mechanická vývěva s ucpávkami – tedy oproti proudovým vývěvám větší pravděpodobnost

poruchy

- Omezení v dosažitelném vakuu v závislosti na teplotě pracovní vody (u dvoustupňové vodokružné

vývěvy se obecně za minimální tlak v sání při trvalém provozování uvažuje tlak cca 3 kPa).

- Nutné zajistit chlazení a doplňování pracovní vody vývěv


PID schéma evakuační stanice s vodokružnými vývěvami v základním provedení




Uvedené charakteristiky dvoustupňové vodokružné vývěvy byly zjištěny pro teplotu pracovní vody 15°C a

teplotu odsávaného vzduchu 20°C.

Vodokružné vývěvy (6) Katalogové charakteristiky vodokružných vývěv jsou stanoveny pro podmínky:

- teplota suchého vzduchu 20°C

- teplota pracovní vody 15°C

Jelikož v reálném provozu bývají odlišné parametry, je třeba odečtenou kapacitu vývěvy z katalogové

charakteristiky korigovat, k čemuž slouží následující metodika:

Suchý vzduch v sání vývěvy: Parovzdušná směs v sání vývěvy:

…korigovaná kapacita vývěvy pro změněné podmínky [-]

…katalogová kapacita vývěvy pro teplotu pracovní vody 15°C a teplotu suchého vzduchu

v sání 20°C

λI …korekční součinitel na teplotu pracovní vody vývěvy [-]

λII …korekční součinitel vyjadřující vliv kondenzace páry v pracovní vodě z parovzdušné

směsi [-]

λIII …korekční součinitel na teplotu odsávaného vzduchu [-]

t3 …teplota pracovní vody vývěvy [°C]

t1 …teplota odsávaného vzduchu [°C]

p1 …tlak v sání vývěvy [mbar]

pD …tlak sytosti odpovídající teplotě pracovní vody [mbar]

pS …tlak sytosti odpovídající teplotě parovzdušné směsi v sání vývěvy [mbar]

IIIIK VV 0

IIIK VV 0

KV

0V


Suchý vzduch v sání vývěvy: Parovzdušná směs v sání vývěvy:

Rozsah platnosti uvedených korekčních vztahů:

pD a pS 17 až 123 mbar d …průměr oběžného kola [mm]

p1 33 až 1013 mbar h …šířka oběžného kola v prvním stupni vývěvy [mm]

t1 20 až 200°C

t3 15 až 50°C

IIIIK VV 0

273

2066,01

3

1

t

tIII

04,171,0ln35,0

1,0ln35,0

11

112

pp

ppp DstupI

04,1705,10783,0ln27,0

05,10783,0ln27,0

11

111

pp

ppp DstupI

IIIK VV 0

04,1705,10783,0ln27,0

05,10783,0ln27,0

11

111

pp

ppp DstupI

04,171,0ln35,0

1,0ln35,0

11

112

pp

ppp DstupI

0369,0

11

11

04,17783,0082,0

75,02877,0ln75,0

2877,0ln75,0

D

S

E

E

II

p

d

hE

ppp

pp


Příklad: Jaká je kapacita dvoustupňové vodokružné vývěvy při tlaku v sání 10 kPa, při teplotě pracovní vody

25°C a teplotě odsávaného suchého vzduchu 35°C? Vycházejte z katalogové charakteristiky uvedené

na předchozím slidu. Spočtěte též ideální výkon pro kompresi pro odsávaný průtok vzduchu. Tlak

na výstupu z vývěvy předpokládejte 101 kPa.

Poznámka: Katalogové charakteristiky vodokružných vývěv jsou stanoveny pro podmínky:

- teplota suchého vzduchu 20°C

- teplota pracovní vody 15°C

Dle charakteristiky vodokružných vývěv na předchozích slidech je při tlaku v sání 10 kPa kapacita

vývěvy 2620 m3/h. Kapacitu vývěvy je zapotřebí korigovat pro odchylné podmínky. Řešení proveďte

dvěma metodami a sice početně i graficky odečtem z grafů.

IIIIK VV 0

273

2066,01

3

1

t

tIII

04,171,0ln35,0

1,0ln35,0

11

112

pp

ppp DstupI


89,0

04,171,0100ln35,0100

6,311,0100ln35,0100

04,171,0ln35,0

1,0ln35,0

11

112

pp

ppp DstupI

03,1

27320

203566,01

273

2066,01

3

1

t

tIII


Dvěma způsoby bylo zjištěno:

Korigovaná objemová kapacita vývěvy:

03,1

89,0

III

I

hmVV IIIIK /240203,189,02620 3

0


Wp

pVpP Kkomp 43015

00010

000101ln

3600

240200010ln

1

21.


Ideální kompresní výkon (izotermická komprese):

Takto zjištěný příkon je pouze teoretickou hodnotou, kterou je možné chápat jako

minimální hodnotu příkonu. Při určování příkonu vodokružné vývěvy je třeba brát v potaz

průtok pracovní vody, který průběžně vývěvou neustále prochází, neboť vodokružná

vývěva z části pracuje jako vodní čerpadlo a je tedy nutné brát v potaz čerpací práci

odvedenou na cirkulaci pracovní vody a na ztrátách způsobených “rotací“ vody ve skříni

vodokružné vývěvy.

Vodokružné vývěvy – Kavitace (1)

Zdroj: Busch

Pokud se výstupní teplota pracovní vody přiblíží na 2°C k teplotě sytosti odpovídající tlaku

v sání vývěvy, je vývěva vystavena riziku kavitace.

Vodokružné vývěvy – Kavitace (2)

Zdroj: Busch

Kavitace se projevuje:

- na sníženém sacím výkonu vývěvy

- na zvýšeném chvění vývěvy

- na hluku vývěvy

- při dlouhodobém provozování v režimu kavitace dojde k totálnímu poškození oběžného

kola, viz foto níže

Hybridní vývěvy kombinují výhody vodokružné vývěvy a proudové vývěvy. Proudová vývěva a

vodokružná vývěva jsou řazeny v sérii, přičemž nejpodstatnější část komprese se odehrává

ve vodokružné vývěvě.

Hlavními účely hybridního řešení jsou:

1) Rozšíření pracovního rozsahu vodokružné vývěvy směrem k nižším tlakům v sání

2) Kavitační ochrana vodokružné vývěvy

Předřazený proudový stupeň může být realizován:

1) Vzduchovým ejektorem – Vzduch potřebný pro funkci ejektoru je přisáván z okolní atmosféry a

tedy nic “nestojí“. Je zde pouze nevýhoda, že vodokružná vývěva musí komprimovat mimo

odsávaný vzduch též vzduch přicházející ejektorem jako poháněcí médium, což v určitých

pracovních rozsazích vývěvy může být nevýhodné.

2) Paroproudým ejektorem – Za paroproudým stupněm se navíc zařazuje kondenzátor

parovzdušné směsi. Výhodou je, že samotná vodokružná vývěva vychází se značně nižším

příkonem a často o menší velikosti. Nevýhodou je, že pro funkci parního ejektoru je zapotřebí

poháněcí pára (alespoň o tlaku 3 bar(a) a teplotě cca 150°C). Je též třeba přivádět chladicí vodu

pro kondenzátor parovzdušné směsi. Z uvedeného plynou nároky na zdroj poháněcí páry,

na izolace potrubí, na další potrubí chladicí vody. Vznikají tak další dílčí náklady na projekt mimo

náklady na samotnou evakuační stanici.

Hybridní vývěvy (1)

Srovnání charakteristik klasické

vodokružné vývěvy s vývěvou

hybridní, kdy je u vodokružné

vývěvy na sání předřazen

vzduchový ejektor.

U hybridního řešení bývá ejektor

v praxi používán pouze

od určitého tlaku v sání vodokružné

vývěvy níže. Schopnost ejektoru by

při vyšších tlacích v sání omezovala

kapacitu samotné vodokružné

vývěvy, což je vidět na obrázku

vpravo.



PID schéma hybridní evakuační stanice s vodokružnými vývěvami s parním ejektorem



Výhody:

- Hybridní řešení přináší rozšíření pracovního

rozsahu vodokružných vývěv směrem k nižším

dosažitelným tlakům v sání

- Ejektor v sání vodokružné vývěvy funguje jako

kavitační ochrana vodokružné vývěvy

- V případě použití parního ejektoru vychází

vodokružná vývěva o menších rozměrech a

nižším příkonu pohonu z důvodu:

- menšího měrného objemu směsi

- parní složka směsi z části

zkondenzuje v kondenzátoru

- část kompresní práce je odvedena

v předřazeném ejektoru

Nevýhody:

- V případě použití vzduchového ejektoru musí

vývěva komprimovat větší hmotnostní průtok

vzduchu = větší vývěva = vyšší cena

- V případě použití parního ejektoru musí být

zajištěn zdroj páry, přívod páry potrubím a

chladicí voda pro kondenzátor zařazený

za ejektorem



HEI – Performance Standard for Liquid Ring Vacuum Pumps 4th Edition (2011)

HEI – Standards for Steam Jet Vacuum Systems 5th Edition (2000)

VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and Operation of Vacuum Pumps for Steam

Turbine Condensers (1995)

ASME – Performance Test Codes 24 (1976) – Ejectors

Normy a doporučení z oblasti vývěv

Sokolov E.J., Zinger N.M. – Srujnye Apparaty, Energoatomizdat, Moskva 1989

HEI – Standards for Steam Surface Condenser 11th Edition, 2012

VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and Operation of Vacuum Pumps for Steam Turbine

Condensers (1995)

Milčák P., Škopek J. – Přednášky ZČU Plzeň

Byly použity materiály firem:

Sterling SIHI

Doosan Škoda Power s.r.o.

Shutte & Koerting

Zdroje a doporučená literatura

Děkuji za pozornost

Kontakty: [email protected]

Parní turbíny a kondenzátoryhome.zcu.cz/~kuceraj/PTK/PTK_kondenzace_a_regenerace... ·...

Documents

Transcript of Parní turbíny a kondenzátoryhome.zcu.cz/~kuceraj/PTK/PTK_kondenzace_a_regenerace... ·...