Parní turbíny a kondenzátory

Transkript

1 Parní turbíny a kondenzátory 2. přednáška Autor: Jiří Kučera Datum:

2 OBSAH Parní turbína v tepelném cyklu II. - regenerace - přihřívání páry v kotli - indiferentní bod u turbín s přihříváním páry Vícestupňové turbíny - zásady pro návrh - úvahy o rozdělení celkového spádu do turbínových stupňů - reheat faktor - úvahy o otáčkách turbíny, počtu těles a počtu os Rozbor typických tepelných schémat z tabulek 2

3 Parní turbína v tepelném cyklu II. Přihřívání a regenerace 3

4 Regenerace aneb ohřívání napájecí vody odběrovou párou 4

5 Teoretická Carnotizace pomocí izoentropického stlačení Protože v části I se teplo do cyklu dodává při nejnižší teplotě, má také tato část nejnižší tepelnou účinnost. Pokud by se tato část oběhu vynechala, tepelná účinnost celého cyklu se zvýšila. Aby došlo k vyloučení části I., musel by se odvodu tepla v kondenzátoru ukončit v bodě 2 a pak se izoentropickým stlačením dostat z bodu 2 do bodu 2. Takový postup by však byl technicky neproveditelný. Kompresor by měl velmi velké rozměry, velmi špatnou účinnost a během komprese by docházelo k významné změně fáze. Parovodní směs by byla komprimována na sytou vodu. C , T ek I I 2 / s kond s 0 K T 1 s =T ek II II T K 3 3 / kj/kg K s kond III T ek III 5 Strana 224 5

6 Regenerace Velmi podobného efektu se ale dá dosáhnout tím, že se ohřev napájecí vody v ohříváku vody kotle nahradí ohřevem napájecí vody v regeneračních ohřívácích párou odebíranou z turbíny. V ideálním případě se ohřev napájecí vody v ohříváku vody kotle nahradí ohřevem napájecí vody v regeneračním ohříváku párou odebíranou z turbíny. Do kotle je zaváděna napájecí voda o stavu 2. C K 374, T ek I 2 T 1 s =T ek II 3 I II 2 / T 3 / K III s kond s 0 T ek III kj/kg K s kond Strana 34 6

7 Regenerace Výhodné dopady regenerace do termodynamické účinnosti turbíny Kromě zvyšování tepelné účinnosti cyklu díky Carnotizaci, regenerace tepla zároveň zvyšuje i termodynamickou účinnost turbíny. Proč? 1. Při ohřívání napájecí vody odběrovou párou se zvětšuje průtok páry vysokotlakými stupni (oproti turbíně se stejným výkonem, která by regeneraci neměla). Tím se zvyšuje účinnost těchto VT stupňů. 2. Naopak postupným odběrem páry z několika odběrových míst z turbíny se snižuje průtok páry koncovými stupni nízkotlaké části turbíny (oproti turbíně se stejným výkonem, která by regeneraci neměla). Snižuje se tím ztráta výstupní rychlostí a zvyšuje se mezní výkon turbíny. Strana 34 7

8 Regenerace Používá se tedy regenerace pro všechny typy turbín? Ne, pro úplně všechny ne. Používá se sice jak pro kondenzační turbíny tak pro kondenzační-odběrové a protitlaké turbíny, ale nepoužívá se v případech, kdy je k dispozici zdroj nízkopotenciálního tepla (tj. s tepla relativně nízkou teplotou), který bychom jinak nedokázali využít. Typicky se jedná o turbíny do paroplynových cyklů. Teplo se v tomto případě dostává do parního cyklu ze spalin spalovací turbíny a teplo těchto spalin je výhodné využít až co do nejnižší teploty. Proto se turbíny do PPC navrhují (zpravidla) bez regenerace. 8

9 Regenerace Koncept regenerace v tepelném schématu parní turbíny Za napájecím čerpadlem -napájecí voda - vysokotlaké ohříváky Mezi kondenzátním a napájecím čerpadlem - kondenzát - nízkotlaké ohříváky zdroj P.Žitek- prezentace pro ZSES 03 str.37 9

10 Regenerace Typy regeneračních ohříváků směšovací - odplyňovák povrchový Strana

11 Regenerace Směšovací ohřívák - odplyňovák Výhoda : Δt = 0 Má schopnost odplynění - podrobnosti o termální úpravě vody budou objasněny v přednáškách věnovaných kondenzaci a regeneraci Nevýhody : rozměrná a drahá tlaková nádoba každý směšovací ohřívák musí mít své vlastní čerpadlo (tj. nároky na el.energii, investice, spolehlivost ) Proto se používá jen jeden v cyklu - odplyňovák Δt = 0 Strana

12 Regenerace Typy povrchových ohříváků Vysokotlakový ohřívák (VTO) Separátní srážeč přehřátí v moderních designech může být i integrální součástí ohříváku Nízkotlakový ohřívák (NTO) zde typ s integrovaným chladičem (podchlazovačem) kondenzátu Nízkotlakový ohřívák (NTO) zde typ s přečerpáváním kondenzátu Nízkotlakový ohřívák (NTO) zde typ se separátním chladičem (podchlazovačem) kondenzátu Strana

13 Regenerace Typy povrchových ohříváků Povrchový ohřívák s kaskádováním kondenzátu ; h Kaskádování kondenzátu topné páry do nižšího ohříváku (nebo do kondenzátoru) Při seškrcení na nižší tak se část zkondenzované páry znovu odpaří Strana

14 Regenerace Typy povrchových ohříváků ; h Povrchový ohřívák s kaskádováním kondenzátu Bilanční rovnice : Q = m& Q p / ( h h ) p p ( t t ) pro stranu páry = m& v cp v 2v 1v pro stranu vody koeficient prostupu tepla Q = k t ln S pro prostup tepla velikost střední teplosměnné logaritmický teplotní plochy rozdíl Strana

15 Regenerace Typy povrchových ohříváků s kaskádováním V : nejjednodušší z typů povrchových o. N: část tepelné energie topné páry se nevyužije k ohřevu kondenzátu. Energie se využije až v ohříváku na nižším tlaku, v případě kaskádování do kondenzátoru se nevyužije vůbec. Při seškrcení na nižší tlak se část kondenzátu topné páry odpaří. s přečerpáváním V : využije se veškerá energie topné páry, žádná se neztrácí kaskádováním na nižší úroveň N: potřeba dalšího čerpadla (i když pracuje s menším tlakem i menším množstvím než u směšovacího ohříváku) Pozn.: je-li použito přečerpávání, nebývá použit podchlazovač. PT xxxje odkazem na : Škopek J. Soubor konstrukčních tabulek. PT

16 Regenerace Typy povrchových ohříváků s integrovaným podchlazovačem V : k ohřevu kondenzátu se využije více energie než u typu s kaskádováním bez podchlazovače a méně energie se kaskáduje do ohříváku na nižším tlaku resp. do kondenzátoru. N: potřeba další teplosměnné plochy - podchlazovače. s integrovaným srážečem přehřátí Pozn. pro návrh srážeče platí : pára nesmí ve srážeči začít kondenzovat a napájecí voda (pokud jen její část protéká srážečem) se nesmí začít vařit min. přehřátí páry na konci srážeče V : je schopen využít vysokou teplotu topné páry (přehřátí) a tak je schopen zvýšit teplotu t k2 nad úroveň danou tlakem topné páry a koncovým teplotním rozdílem N: potřeba další teplosměnné plochy - srážeče přehřátí. PT

17 Regenerace Charakteristické koncové rozdíly u povrchových ohříváků TTD - terminal temperature difference - koncový teplotní rozdíl TTD DCA - drain cooler approach - koncový teplotní rozdíl na podchlazovači V komerčních SW se pro návrh běžně uvažují : TTD = 5 F = 2,78 C, DCA = 10 F = 5,56 C t drain DCA DCA = t drain - t k1 TTD = t s (p) - t k2 Volby optimálních a minimálních hodnot TTD a DCA budou diskutovány v lekcích věnovaných kondenzaci a regeneraci. Obecně platí -čím jsou TTD a DCA nižší, tím je teplosměnná plocha větší a konstrukce náročnější. PT

18 Regenerace Další úvahy o regeneraci -volba teploty napájecí vody a počtu stupňů regeneračního ohřevu S ohledem na investiční náklady bývá u velkých bloků 6 až 8, výjimečně 9 regeneračních stupňů. Poloha odplyňovače s napájecí nádrží se volí s ohledem na její požadovanou velikost, její cenu a počet vysokotlakých ohříváků. Vysokotlaké ohříváky, které jsou zařazené za napáječkou, jsou dražší a poruchovější než nízkotlaké. Jejich počet bývá omezen na 2 3 Termodynamicky optimální teplota napájecí vody : V praxi se ale volí nižší // / ( t 0 t K ) t /K z t NV opt = + z + 1 z // / / t NV = ( 0,75 až 0,85) ( t0 tk ) + tk z + 1 = počet ohříváků; = teplota syté páry při tlaku admisní páry p 0 = teplota kondenzátu za kondenzátními čerpadly Pozn.: V praxi teplota napájecí vody výrazně závisí na použitém palivu a na možnostech a zvyklostech výrobce kotle

19 Regenerace Volba teploty napájecí vody pro nadkritické bloky nadkritické parametry není přechod přes oblast mokré páry není rozdíl hustot vody a páry nelze použít bubnový kotel průtočné kotle typu Benson, Sulzer t f = teplota fázové přeměny II. řádu tj. teplota při níž má c p maximum volba teploty napájecí vody t NV = ( ) t f t NV i t f uvažovány ve [ C] Příklad : pro p 1 = 30MPa je optimální t NV ~ 300 C Zdroj : prezentace P.Milčáka Teorie parních turbín I. pro pracovníky Doosan Škoda Power 19

20 Regenerace Další úvahy o regeneraci - volby rozdělení ohřátí teploty napájecí vody Nejvýhodnější je rozdělit ohřátí napájecí vody na jednotlivé ohříváky rovnoměrně při použití povrchových ohříváku, kdy protéká jednotlivými ohříváky stejné množství kondenzátu, je nejvýhodnější držet stálý poměr absolutních teplot kondenzátu. () = = = při použití směšovacích ohříváků nebo povrchových ohříváků s přečerpáváním kondenzátu, kdy množství ohřívaného kondenzátu směrem od nízkotlakových k vysokotlakovým ohřívákům stoupá, je nejvýhodnější držet stálý rozdíl teplot kondenzátu. () = = = optimální doporučení výše se ale v praxi používají jen do té míry, do které je umožní skutečná konstrukce turbíny i vlastní tepelné schéma. Např. odběrová místa pro regenerativní ohřev se s výhodou umisťují do míst odběru páry pro procesní (průmyslové) odběry páry Bečvář str.55 20

21 Přihřívání páry 21

22 Přihřívání páry v kotli Tepelný oběh elektrárny bez regenerace s přihříváním páry v kotli. p 0, t 0, h 0 PARNÍ KOTEL PŘEHŘÍVÁK PÁRY PŘIHŘÍVÁK PÁRY p 0, t NV, h NV p pp, t pp, h pp p 1, t 1, h 1 NAPÁJECÍ ČERPADLO VYSOKOTLAKÝ DÍL PARNÍ TURBÍNA STŘEDO- A NÍZKOKOTLAKÝ DÍL K O N DE NZ ÁT O R p / e, h K p e, h e t 2V t 1V Strana 24 22

23 Přihřívání páry v kotli Ekvivalentní teplota základního cyklu je T ek ,15 16,2 MPa T K T 0 4 T pp 6 3,9 MPa T ek pp Ideální oběh (izoentropická expanze) klasické elektrárny s přihříváním páry v kotli v T-s diagramu. C T T ek 5 pp T 1 Ekvivalentní teplota přídavného cyklu je T ek pp / 7 5 ds 0 / 0 s K s 0 7s pp s kj/kg K Když T ek pp > T ek i tak roste. η t Strana 25 23

24 Další důsledky přihřívání páry V: Zvyšuje se termodynamická účinnost turbíny vlivem snížení vlhkosti páry v posledních stupních. V: Přihřívání umožňuje použít vysokých tlaků vstupní páry při takových teplotách, které by jednoduchém cyklu s ohledem na vlhkost páry v koncových stupních provoz turbíny s takovými tlaky nedovolovaly. V: Díky prodloužení využitelného entalpického spádu se snižuje spotřeba páry a tím roste i mezní výkon parní turbíny. Strana 26 24

25 Další důsledky přihřívání páry N: V důsledku průtočného odporu parovodů a přihříváku je tlak přihřáté páry před středotlakou částí turbíny nižší než tlak páry na výstupu z vysokotlaké. Tlaková ztráta činí kolem 10 % z tlaku páry a snižuje tepelnou účinnost. N: Přihřívání komplikuje konstrukci turbíny i kotle. Komplikovanější je regulace. Před středotlakým ventilem musí být záchytné ventily, které zabrání roztočení turbíny párou naakumulovanou v přihříváku v případě náhlého odlehčení. Cena turbíny se zvyšuje o %. Strana 27 25

26 Další úvahy o přihřívání páry Tepelnou účinnost ideálního cyklu s přihříváním je možno vyjádřit pomocí součtu tepelného spádu základního cyklu a přídavného tepelného spádu H 0 + ΔH 0 a součtu přivedeného tepla do základního cyklu a přídavného cyklu q kot + Δq kot η s pp t celk = q H 0 kot + H + q Teoretické úvahy o volbě optimálních parametrů pro přihřívání jsou uvedeny na stranách učebního textu ing.krajíce 0 kot S ohledem na to, že v realitě je třeba uvažovat s vlivem termodynamické účinnosti, vlivem regenerace (bude diskutována dále) a s tím, že volby parametrů jsou podmíněny technicko-ekonomickýmiúvahami a dostupnými materiály kotle i turbíny, je možno úvahu o optimálních parametrech shrnout s tím, že : teploty vysokotlaké (tzv. ostré) a přihřáté páry se volí zpravidla shodné a tak vysoké, jak jen dostupné materiály umožňují tlak přihřívání se volí 20 30% z tlaku ostré páry Strana

27 Přihřívání pro nadkritické bloky a dvojí přihřívání Další zvýšení tepelné účinnosti je možné při použití dvojitého přihřívání. Kotel má dva přihříváky. Celé zařízení je složitější a finančně nákladnější. Používá výjimečně pro turbíny velkých výkonů a s nadkritickými parametry. Zdroj : prezentace P.Milčáka Teorie parních turbín I. pro pracovníky Doosan Škoda Power 27

28 Separace a přihřívání páry v jaderných elektrárnách Hlavním cílem zde je snížit vlhkost za NT dílem -a tak snížit erozi posledních lopatek Za VT dílem se vlhkost nejprve separuje a pak se přihřívá ostrou párou nebo odběrovou párou z VT dílu Zvyšuje se termodynamická účinnost turbíny vlivem snížení vlhkosti páry v posledních stupních. Tepelná účinnost cyklu ale v tomto případě klesá Strana 36 28

29 Přihřívání páry + regenerace 29

30 Přihřívání páry + regenerace Přihřívání V praxi se samozřejmě oba postupy k vylepšení tepelného cyklu (Carnotizaci) - přihřívání i regenerace s výhodou kombinují : Odběr pro nejvyšší VTO bývá v takovém případě zpravidla z výstupu z VT dílu. Pokud je výjimečně odběr pro nejvyšší VTO odebírán z expanze VT dílu, označuje se jako HARP (heater above the reheat point) Omezením pro volbu odběrového místa z ST dílu je přitom potřeba respektování indiferentního bodu. Regenerace Strana 36, PT155, Bečvář str

31 Přihřívání páry + regenerace Stanovení indiferentního bodu Zjednodušeně řečeno, z hlediska optimální účinnosti tepelného cyklu je výhodnější po přihřátí (kdy jsme do páry dodali čerstvou tepelnou energii) páru nechat expandovat a konat práci, než ji zase hned odebírat pro regenerativní ohřev napájecí vody. Indiferentní bod je takový bod na expanzní čáře ST dílu kde se výhodnost obou efektů vyrovná a při tlacích resp. entalpiích nižších, než má indiferentní bod je již výhodné i z ST dílu odebírat páru pro regenerativní ohřev napájecí vody. Bečvář str

32 Přihřívání páry + regenerace Postup při stanovení indiferentního bodu h Spočítá se tepelná účinnost expanze ve VT dílu = Tepelná účinnost expanze ve VT dílu se pronásobí s přírůstkem entalpie při přihřívání h = h = je entalpie syté vody při tlaku odpovídajícímu tlaku přihřívání! Spočtený výsledek se odečte od entalpie přihřáté páry a tím se stanoví entalpie indiferentního bodu. = h Pozor : nejvyšší odběr z ST dílu není při entalpii i ind Pro účel stanovení odběrových míst se expanze mezi body i ind a i 4 se rozdělí na n+1 dílu (kde n je celkový plánovaný počet odběru z ST a NT dílu dohromady) Bečvář str

33 Vícestupňové turbíny 33

34 Vícestupňové turbíny Přechod od jednostupňové k vícestupňové turbíně Vnitřní výkon turbínového stupně P i je dán hmotnostním průtokem páry, jím zpracovaným tepelným spádem a vnitřní termodynamickou účinností dle vztahu i P = m& η. i H 0 Maximální zpracovaný tepelný spád stupně, který pro danou reakci stupně ρ, obvodovou rychlost u (otáčky n a střední průměr lopatkování D S ) vychází z poměru u φ cosα1 a je omezen cf 2 1 ρ opt H 0 td neboť (opakování z první přednášky): " # = $ $ H 0 = 2 " # % Proto se k pohonu elektrických generátorů a dalších strojů velkých příkonů používají vícestupňové parní turbíny. 2 c f Strana

35 Vícestupňové turbíny Průběh expanze ve vícestupňové turbíně v h-s diagramu Výsledná expanze v turbíně je složena z expanzí v jednotlivých stupních. Začátek expanze je dán vstupní teplotou a tlakem a škrcením ve vstupním ventilu Konec expanze je dán tlakem páry ve výstupním hrdle, jenž je velmi blízký tlaku v kondenzátoru Parametry páry na výstupu ze stupně jsou shodné s parametry páry na vstupu do stupně následujícího. Turbína na obrázku má regulační jednověncový stupeň s částečným ostřikem. Stupně 2 5 ve vysokotlaké části jsou rovnotlaké. Stupně 6 8 v nízkotlaké části jsou přetlakové se značnou reakcí na středním průměru. Při expanzi roste měrný objem páry. Proto se průtokový průřez lopatkování postupně zvětšuje, zvětšováním středního průměru i zvětšováním délky lopatek. Strana

36 Vícestupňové turbíny - hlavní poznatky a. Tepelný spád ve stupni vícestupňové turbíny je možno volit takový, aby pro přiměřenou obvodovou rychlost u oběžného lopatkování byla v důsledku optimálního poměru jeho účinnost maximální. b. Při zmenšení tepelného spádu stupně H 0 se zmenší i rychlost c f Při nezměněném (u/c f ) a nezměněných otáčkách n se zmenší průměr stupně d. Prodlouží se délka rozváděcích a oběžných lopatek nebo se u regulačních stupňů zvětší částečný ostřik. To je důležité u stupňů s malým objemovým průtokem. c. U turbín s vysokým vstupním tlakem a malým objemovým průtokem páry na vstupu do turbíny je žádoucí při použití regulačního stupně s velkým tepelným spádem provést veškeré další stupně s plným ostřikem a s dostatečně dlouhou délkou rozváděcích i oběžných lopatek. d. Kinetická energie proudu páry na výstupu ze stupně se částečně nebo úplně využívá v následujícím stupni. Výstupní rychlost se zcela zmaří u regulačního stupně a u posledního stupně. e. Vícestupňové turbíny jsou schopny částečně využívat ztráty vzniklé v předcházejících stupních - vlivem ztrát ve stupni dochází na vstupu páry do následujícího stupně ke zvýšení teploty páry a ke zvýšení její entalpie (tento jev zvaný reheat faktor bude pojednán dále) f. U vícestupňových turbín je možné umístit mezi jednotlivé stupně odběry páry pro topení regeneračních ohříváků sloužících ke zvýšení tepelné účinnosti cyklu. g. U vícestupňových turbín vznikají přídavné ztráty, které nemají jednostupňové turbíny, nebo které jsou v jednostupňových turbínách minimální. Jsou to například ztráty únikem páry v ucpávkách (budou pojednány na třetí přednášce) Strana

37 Vícestupňové turbíny - Reheat faktor Součinitel zpětného využití tepla - reheat faktor h0 p 0 t0 & ' > ' U mnohostupňové turbíny ztráty p 1 p 2 p3 H 0i vznikající v jednotlivých stupních zvyšují výstupní entalpii (vstupní entalpii H i do dalšího stupně) a nechají se H 0 x = 1 částečně využít v dalších stupních. Míra tohoto zvýšení vztažená k původnímu spádu se označuje jako h K reheat faktor. h s h Ks p K ) # = * + = ' ' ' = - ' Strana

38 Vícestupňové turbíny - Reheat faktor Součinitel zpětného využití tepla - reheat faktor 4 T 1 H / 01 H / 02 H / 03 H / 04 T 2 T 0 2 A 3 f 1 T 2 s z s f 2 f3 B 4 / 4 // a 5 5 / 6 6 / s q / q 3 q 4 b Při nekonečně velkém počtu stupňů Q s = 2 Při počtu stupňů z ( T T ) 0 z 1 Q = Q z 2 s a / 5 // b / Strana

39 Vícestupňové turbíny - Reheat faktor Součinitel zpětného využití tepla - reheat faktor Praktický vztah pro přibližné určení : q T ( i 1 ) = k η T td H 0celk z 1 z - H 0celk je uvažováno v [kj/kg] - Je-li celá expanzní čára v oblasti přehřáté páry k T = 4, Je-li celá v mokré páře k T = 2, Probíhá-li expanze v oblasti přehřáté i mokré páry, k T = 3, , Reheat faktor - důsledky : termodynamická účinnost celé turbíny se jeví větší, než střední termodynamická účinnost jednotlivých stupňů. při výpočtu průtočné části je třeba průběžně započítávat zisky vlivem reheat faktoru Strana

40 Konstrukční návrh vícestupňové turbíny Je popsán v učebním textu na stranách 147 až 161 a zahrnuje následující aktivity : stanovení resp. zjištění hlavních zadávacích údajů : vstupní a výstupní parametry páry, elektrický výkon, teplota napájecí vody. v první fázi je třeba propočítat tepelné bilanční schéma, aby bylo možno odhadnout průtoky páry jednotlivými částmi turbíny (částmi expanze). V této fázi se termodynamické účinnosti dílů turbíny jen odhadují. provede se návrh expanzní čáry v h-s diagramu a její rozdělení do spádů jednotlivých stupňů turbíny - neopomenout vliv reheat faktoru ve výpočtu nutno zahrnout i tlakové ztráty mimo průtočnou část turbíny (odhady ztrát viz str ) a mechanickou účinnost a účinnost elektrického generátoru jsou-li navrženy spády na stupně a odhadnuty průtoky páry stupni propočítávají se návrhy jednotlivých stupňů s dopočítáním jejich délek lopatek a jednotlivých termodynamických účinností speciální pozornost se věnuje regulačnímu stupni a poslednímu stupni (ztráty výstupní rychlostí) po spočtení termodynamických účinností jednotlivých stupňů se upřesní původní předpoklad o termodynamické účinnosti, reviduje se výpočet tepelného bilančního schématu, upřesní se průtočné množství jednotlivými částmi turbíny a celý proces se podle potřeby opakuje až do docílení shody předpokládaných a spočtených termodynamických účinností. Strana

41 Postup pro odhad počtu stupňů Postup pro odhad počtu stupňů x ( předpokládá zachování konstantní střední hodnoty poměru u/c ) : u [m/s] obvodová rychlost u n = π 60 D s kde otáčky : n [ot/min] u c u 2 stř 2 π n = D 60 = u c = 2 2 π n 2 s = x D s u c 2 2 = 60 2 u 2 h 0st = 2 π n 60 2 po dosazení x D h 0st 2 s protože u c stř = konst protože c = 2 h0 st Zdroj : prezentace P.Milčáka Teorie parních turbín III. pro pracovníky Doosan Škoda Power 41

42 Postup pro odhad počtu stupňů pokračování : u c 2 stř = π n x D h 0st 2 s x = u 2 h0 st c 2 π n 2 Ds 60 2 stř h 0 st určíme ze vstupních a výstupních parametrů a z reheat faktoru n v zadání od zákazníka příp. typově D s x u 2 h0 st c = 2 π n 2 Ds 60 ze zkušeností, příp. typově 2 stř určíme dle typu turbíny Pozor : Do vzorce je třeba dosazovat h 0st v [J/kg], n v [ot/min] a D S v [m] Zdroj : prezentace P.Milčáka Teorie parních turbín III. pro pracovníky Doosan Škoda Power 42

43 Vícestupňové turbíny Volba otáček, počtu těles a počtu os 43

44 Vícestupňové turbíny - Volba otáček Volba otáček Turbíny pro výrobu el. energie síť 50Hz (60Hz) Turbína je přímo spojená s el. generátorem Turbína je spojená s generátorem přes převodovku Turbína na plné otáčky tj ot/min (3600 ot/min) - dvoupólový generátor Turbína na poloviční otáčky tj ot/min (1800 ot/min) - čtyřpólový generátor Turbína může mít tak vysoké otáčky, jaké jsou pro návrh optimální. Generátor může mít 1500/1800/3000/3600 ot/min Turbíny pro pohon čerpadel, ventilátorů, kompresorů, pohánějící lodě nebo jiná dopravní zařízení Turbína má proměnné otáčky podle poháněného zřízení s nímž je přímo spojená Turbína má proměnný rozsah otáček podle poháněného zřízení s nímž je spojená přes převodovku Strana

45 Vícestupňové turbíny - Volba otáček Turbíny na zvýšené otáčky spojené s generátorem přes převodovku S rozvojem převodovek a snahou o optimální řešení z hlediska ceny a účinnosti se jedná o moderní trend navrhování turbín malých výkonů (v současností do cca MW). Návrh otáček turbíny je v tomuto případě podmíněn především možnostmi návrhu posledního stupně z hlediska namáhání odstředivými silami. S výhodou se pro návrh turbín na zvýšené otáčky využívá metod měřítkování (scalingu). V: pro malé turbíny vyšší účinnost a mnohem nižší cena než by mělo řešení bez převodovky možnost volby generátoru dvoupólový/čtyřpólový (čtyřpólové typy bývají v současnosti levnější) N: cena převodovky, ztráty v převodovce potřeba speciálních (menších a přesnějších) strojů pro výrobu turbíny ne vše lze snadno měřítkově zmenšit. Problémem mohou být : ventily, vyvedení odběrů páry vůle ucpávek, drsnosti povrchů, tloušťky odtokových hran Strana

46 Vícestupňové turbíny - Volba otáček Turbíny na zvýšené otáčky - zásady měřítkování (scalingu) Myšlenkou měřítkování je využití ověřených řešení - lopatkových profilů, konstrukčních uzlů (např. ucpávky, závěsy lopatek) z turbíny na plné otáčky a jejich geometrické přepočtení v poměru navýšení otáček. Nechť otáčky vzorové turbíny jsou X a vyšší otáčky nové turbíny jsou Y. N=Y/X Potom se při scalingu teoreticky změní : Veškeré geometrické rozměry Zmenší se v poměru 1 : N Průtoky páry, výkony stupňů, průtočné průřezy Zmenší se v poměru 1 : N 2 Hmotnost materiálu Zmenší se v poměru 1 : N 3 Počet stupňů, entalpické spády, rychlosti, úhly, bezrozměrné charakteristiky (Machovo číslo, rozvějíření, poměrné štíhlosti, poměrné rozteče), tlaky, přetlaky, teploty, účinnosti, mechanická namáhání od přetlaků a od odstředivých sil Nezmění se Strana

47 Vícestupňové turbíny - Volba otáček Turbíny na poloviční otáčky Zjednodušeně uvažováno, turbíny na poloviční otáčky mohou mít (při zachování stejného namáhání od odstředivých sil) dvojnásobně zvětšené všechny geometrické rozměry (v.t. měřítkování ) a dosáhnou tak 4x větší plochy výstupního průřezu z poslední lopatky V: 4x větší plochu výstupního průřezu z poslední lopatky lze (podle potřeby) využít buď ke zvýšení mezního výkonu (v.t. 3.přednáška) v jednom NT proudu (a tím buď ke zvýšení celkového výkonu nebo ke snížení počtu NT dílů) nebo ke snížení výstupní ztráty a tím ke zvýšení účinnosti NT dílu N: 2x větší rozměry, 8x větší hmotnost => : podstatně vyšší cena (materiálu) výrobní základna musí být vybavena stroji odpovídající velikosti (soustruhy, frézky,vyvažování) výška a nosnost jeřábů problémy s dopravou na staveniště VT díl může mít horší účinnost (řešitelné uspořádáním cross compound - každý díl má své otáčky) Strana

48 Vícestupňové turbíny - Volba otáček Turbíny na poloviční otáčky Porovnání VT dílů turbíny na plné a poloviční otáčky s tím, že měřítko zvětšení geometrických rozměrů nebylo 2x, ale jen 1,4x Zdroj : Modern Power Station Practice, Turbines, Generators and Associated Plant, Vol. C, strana 39 48

49 Vícestupňové turbíny - Volba počtu těles U turbíny velkých výkonů, které pracují velkými celkovými tepelnými spády, a které mají velký počet stupňů, se z konstrukčních důvodů(hlavně kvůli maximálně přípustné ložiskové vzdálenosti) skládají z několika sériově řazených dílů. V: - pro velmi vysoké celkové spády nebo pro velmi vysoké průtoky páry jde často o jediné možné řešení konstrukce stroje - možnost zvětšit celkový počet stupňů => snížit spády => zmenšit střední průměry lopatkování => prodloužit délky lopatek => zvětšit termodynamickou účinnost - menší rozměry a hmotnost jednotlivého dílu N: větší axiální délka pro dispozici strojovny, větší celková hmotnost, vyšší cena ložisková VT ložisková ST ložisková NT VT díl ST díl NT díl 1 NT díl 2 Strana

50 Vícestupňové turbíny - Volba počtu těles Ve velkých turbínách v oblasti, kde je velký objemový průtok páry, se proud páry může dělit do několika proudů. Turbína se pak skládá z několika paralelních dílů. V: - zvětšení mezního výkonu, popř. snížení výstupní ztráty a tím zlepšení účinnosti - menší rozměry a hmotnost jednotlivého dílu N: větší axiální délka pro dispozici strojovny, větší celková hmotnost, vyšší cena tři dvouproudové NT díly Strana

51 Vícestupňové turbíny - Volba počtu os V současnosti se naprostá většina turbín konstruuje jako jednoosá - s jedním generátorem Výjimkou jsou turbíny s vysokootáčkovým VT dílem, který je spojen přes převodovku s (ST)/NT dílem na plné otáčky. použit jen jeden generátor. Ale i pro ně je V minulosti se turbíny velkých výkonů stavěly i jako dvouosé se dvěma generátory (anglicky cross compound ) V: umožňovalo to řešit situaci, kdy nebyl k dispozici elektrický generátor který by výkonem odpovídal výkonu turbíny V: umožňovalo to řešit situaci s konstrukcí a dispozičním uspořádáním strojovny, kdy jednoosý stroj s velkým počtem těles (4 nebo 5) by měl příliš velkou axiální délku. V: umožňovalo to navrhovat současně VT resp. ST díl na plné otáčky a NT díl na poloviční otáčky N: vyšší cena jak vlastní turbíny tak i za druhý generátor a vyšší hmotnost celku Stal VAX Modular Steam Turbine Zdroj : Strana

52 Rozbor typických tepelných schémat z tabulek 52

53 Rozbor typických tepelných schémat z tabulek Kondenzační turbíny 53

54 Kondenzační turbíny Turbonapáječka Vodoproudá vývěva PT149, PT155 54

55 Kondenzační turbíny 230 MW 16,5 MPa/530 C/530 C t K = 40,4 C Elektronapáječka t NV = 238 C 4xNTO, 1xODPL, 2xVTO Kondenzátor komínkové p. PT148 55

56 Rozbor typických tepelných schémat z tabulek 500 MW 16,2 MPa/535 C/535 C Chladič vodíku Turbonapáječka Dvoutlakový kondenzátor t K = 29 C t NV = 251 C 5xNTO, 1xODPL, 3xVTO Zdroj : tabulka PT107c a prezentace P.Milčáka Regenerace pro pracovníky Doosan Škoda Power 56

57 Rozbor typických tepelných schémat z tabulek Průmyslové a teplárenské turbíny 57

58 Průmyslové a teplárenské turbíny PT151 : Průmyslová turbína 6 MW s regulovaným odběrem páry Přepouštěcí ventil - zvyšuje tlak odběru Přepouštěcí ventily - zvyšují tlak odběru Redukční ventil - snižuje tlak odběru PT152: Průmyslová turbína 25 MW s regulovanými odběry páry pro průmysl i pro teplofikaci PT151, PT152 58

59 Průmyslové a teplárenské turbíny Teplárenská protitlaková turbína 114 MW Teplárenská kondenzační-odběrová turbína 135 MW PT153, PT154 59

60 Rozbor typických tepelných schémat z tabulek Turbíny pro jaderné elektrárny 60

61 Turbíny pro jaderné elektrárny 220 MW, sytá pára 4,4 MPa/256 C / 0,5MPa/215 C n = 3000 ot/min m p = 377 kg/s t K = 35 C t NV = 221 C 5xNTO, 1xO, 2xVTO Zdroj : tabulka PT156 a prezentace P.Milčáka Regenerace pro pracovníky Doosan Škoda Power 61

62 Turbíny pro jaderné elektrárny Studie teplárenského provozu turbíny pro JE 1000 MW zde 828 MW MWt, sytá pára 5,86 MPa/274 C / 0,57MPa/~230 C n = 3000 ot/min m p = 1633 kg/s t K = 34,1 C t NV = 220 C 4xNTO, 1xO, 2xVTO turbonapaječka Zdroj : tabulka PT157 a prezentace P.Milčáka Regenerace pro pracovníky Doosan Škoda Power 62

63 Děkuji za pozornost 63