přednáška č. 7 Elektrárny B1M15ENY Okruh pára - voda: Turbíny Kotle Ing. Jan Špetlík, Ph.D.

Transkript

1 Elektrárny B1M15ENY přednáška č. 7 Okruh pára - voda: Turbíny Kotle Ing. Jan Špetlík, Ph.D. ČVUT FEL Katedra elektroenergetiky spetlij@fel.cvut.cz

2 První případ bez přihřívání: p 2 T 2 p 2 = 12 MPa T 2 = 530 C -1 i 2 = 3429 kj.kg s 2 = 6,591 kj.k.kg -1-1 Známe s do dalšího děje: s 5 = 6,591 kj.k.kg p 5 = 3,5 kpa T 5 = 27 C -1 i 5 = 1971 kj.kg -1-1 Známe T do dalšího děje: T 1 = 27 C x = 0-1 i 1 = 111,8 kj.kg s 1 = 0,3906 kj.k.kg (kondenzace) -1-1 Celková účinnost bude tedy: η ( ) ( ) i i p p. v = = i i p p. v , , ,8 1, , 001 = = 1446 = = 43,7% 3305 p 5

3 Druhý případ s přihříváním: p 3 = 2,3 MPa s 3 = 6,591 kj.k.kg -1 i 3 = 2959 kj.kg T 3 = 277 C -1-1 Známe p,t do dalšího děje: p 4 = 2,3 MPa T 4 = 480 C -1 i 4 = 3420 kj.kg s 4 = 7,308 kj.k.kg -1-1 Známe s do dalšího děje: s 5' = 7,308 kj.k.kg p 5' = 3,5 kpa -1 i 5' = 2186 kj.kg T 5' = 27 C -1-1 η p 2 T 2 p 3 T 4 Celková účinnost bude tedy: ( ) ( ) i i + i i p p. v 2 5' = = i i + i i p p. v = = , = = 45,2% 3766 p = p 5' 5

4 Okruh páry a napájecí vody KOTEL přihřívák buben rychlozávěrný ventil (RZV) TURBÍNA bypass pára napájecí voda topná voda chladící voda vzduch ekonomizéry (EKO) přehříváky várnice dýzový regulační ventil VT ST NT TG vývěva (VY) hořák topný okruh odplyňovák odběr výtlak napáječky napáječka (EN) VTO NTO nádrž napájecí vody (NNV) sběrná nádrž kondenzátu (SNK) chladící okruh kondenzátor kondenzátní čerpadlo (KOČ)

5 Turbíny základní klasifikace Turbína = rotační lopatkový stroj (tepelný motor), kde pára (plyn) protéká mezilopatkovými kanály, expanduje a předává svou energii rotoru. Při tom se mění entalpický spád páry (plynu) v kinetickou energii, která se odvádí jako točivý moment na hřídeli turbíny. Podle pracovní látky: Plynové (plynná nebo kapalná paliva, vst. teplota C, výst. teplota C) Parní (přehřátá pára, vst. teplota C, výst. teplota C) Parní na mokrou páru (v JE, vst. teplota 300 C, výst. teplota dtto) NT část Spalovací komora Kompresor Turbína VT část ST část Příklad vícetělesové parní turbíny Příklad plynové turbíny Podle tlaku výstupní páry: Protitlaké turbíny (výst. tlak 0,11-0,6MPa) Kondenzační turbíny (výst. tlak 0,11-0,6MPa)

6 Turbíny základní klasifikace Podle počtu těles: Jednotělesové (pro menší výkony) Vícetělesové (VT, ST, NT díly) NT díl VT díl ST díl Stupeň turbíny: = dvojice rozváděcí + oběžné kolo Rozváděcí kola jsou tvořena pevnou rozváděcí lopatkovou mříží (součást statoru) = soustava paralelních trysek, které s minimálními ztrátami přeměňují tlakovou energii na energii kinetickou Oběžná kola jsou tvořena soustavou lopatek (součást rotoru), kde se kinetická energie páry přeměňuje na rotační energii turbínového tělesa Pevné mezistěny s rozváděcími lopatkami oběžná lopatková kola v rotoru

7 Turbíny základní klasifikace Příklady provedení: a) bez mezipřihřátí b) jednoduchý hřídel, jednoduchý přihřívák c) jednoduchý hřídel, dvojitý přihřívák d) dvojitý hřídel, jednoduchý přihřívák e) dvojitý hřídel, dvojitý přihřívák

8 Podle odběrů páry: Turbíny základní klasifikace Turbína s neregulovanými odběry (pro regeneraci, ucpávková pára atd.) Turbína s regulovanými odběry (kromě výše uvedených odběrů ještě navíc jeden nebo více regulovaných výfuků pro teplárenské odběry) Podle principu přeměny energie: Rovnotlaké (impulsní) entalpický spád stupně se celý přemění na rychlost v rozváděcích lopatkách, tlak páry je na vstupu i výstupu oběžného kola stejný (Lavalova t.) Přetlakové (reakční) část entalpického spádu se přemění na rychlost i v oběžných kolech (Parsonova t.) Pozn. Z konstrukčních důvodů a dosažení optimální účinnosti se volí pro VT části rovnotlaké lopatkování a pro NT části přetlakové lopatkování Zvláštním typem rovnotlakého lopatkování pro vysoké entalipické spády je tzv. Curtisovo kolo

9 Obecně platí: Princip přeměny energie v turbíně Proudění za rozváděcí tryskou: 1 2 ( 2 ) δq = di + δa + d c Pro adiabatickou expanzi: 1 2 ( 2 ) 0 = di + d c a ( ) c = c + 2. i i i p 0 i 0 i id p i 1 1 Ve skutečnosti není děj adiabatický, entropie stoupá např. okrajovou ztrátou, třením v rozváděcích a oběžných kolech, změnou směru proudění apod. i id i 1 s

10 Princip přeměny energie v turbíně Výtoková rychlost pro c0=0, dosazení ze stavové rovnice: 2 κ T 1 c = 2. ( i i ) = 2. c.( T T) =. rt.. 1 = P κ 1 T0 2 = κ κ 1 κ κ p1 p0 v p 0 Max. rychlost proudění id. plynu je tedy do vakua p1=0: 2 κ 2 κ c = p v =.. rt κ 1 κ 1 p1 β = p 1max Tlakový poměr: Zavedeme-li hustotu hmotnostního toku [kg.s.m ]: m A 1 κ κ κ κ = ρ. c1 = β p0 v0 1 β v0 κ 1 Saint Vénantova-Wantzelova rovnice

11 Princip přeměny energie v turbíně Maximum hmotnostního toku nastává pro hodnotu: κ -1 2 β κ k = = κ+ 1 p p Ostatní kritické parametry: 2 Tk = T. 0 κ+ 1 Rychlost zvuku v id. plynu: p a= = κ rt ρ s k 0 kritický tlak Při dalším snižování výstupního tlaku již hustota hmotnostního toku neroste. 2 2 c κ κ k = p v = rt κ+ 1 κ+ 1 a tedy k Ve zužující se trysce po dosažení kritických parametrů k dalšímu zvyšování rychlosti už nedochází dojde k aerodynamickému zahlcení. Část tlakové energie se ztrácí vířením => pro další navyšování rychlosti je nutné použít Lavalovu trysku. κ 1 κ k 0 0 k k a = κ rt = κ p v β = c T= T Machovo číslo: Ma = c a Ma>1 nadzvukové proudění Ma<1 podzvukové proudění Lavalova tryska

12 Princip přeměny energie v turbíně Průběhy: Ma>1 β k Ma<1 Hodnoty βk: β k κ Plyn c max ρ.c 0,487 1,667 ideální jednoatomový 0,528 1,4 ideální dvouatomový c c k = a k a 0,540 1,333 ideální víceatomový 0,528 1,4 vzduch 0,546 1,3 přehřátá pára 0,577 1,135 sytá pára dle x 1,035+0,1.x mokrá pára β Ve skutečnosti nastávají při průtoku tryskou ztráty třením a vířením, takže výstupní rychlost je menší než adiabatická, což se vyjadřuje rychlostním součinitelem: a účinností trysky: c ϕ= c 1 id i η=ϕ = i i i id

13 Rovnotlaká turbína: Princip přeměny energie v turbíně meziprostor Oběžná kola: admisní pára emisní pára rozvodová kola oběžná kola hřídel rovnotlaké lopatkování Reakční turbína: přetlakové lopatkování c 1r p = p 1r 1o p 1r p 1o p 0 c 0 c výst p výst p 0 c 1r c 0 c výst p výst c 1o c 1o

14 Stupeň reakce: Princip přeměny energie v turbíně U reakčních turbín definujeme stupeň reakce: R i i entalpický spád v rotoru i i celkový entalpický spád stupně 0 1r = = 0 1 Kroutící moment a výkon stupně: Pracovní látka vystupující z trysek rozváděcích lopatek s rychlostí c 1r vstupuje do lopatkové mříže oběžného kola, kde se přeměňuje její kinetická energie na kroutící moment. V oběžných lopatkách vzniká obvodová síla: ( ) F = m. c c o 1r 1o takže výkon stupně je kde a kroutící moment ( ) P = M. ω= m. c.u c.u o o 1r o1 1o o2 u,u o1 o2 jsou příslušné obvodové rychlosti Na poměru u/c závisí celková účinnost stupně ( ) M = F,r = m. c c.r o o 1r 1o

15 Olej: Dvě funkce: Olej a systém ucpávkové páry turbíny - Mazací olej slouží k mazání ložisek turbosoustrojí - Rozvodový (regulační) olej pracovní olej pro regulaci turbíny řídící veličinou je tlak oleje - Primární olej - otáčky turbíny - Sekundární olej - úhel otevření dýzových ventilů - Rychlozávěrný olej - Ovládací olej - regulace prvků turbíny Ucpávková pára: - Do podtlakové části turbíny vniká netěsnostmi vzduch a z přetlakové části uniká pára - Pro zamezení tohoto efektu je každý díl turbínové části soustrojí vybaven labyrintovými ucpávkami napájenými parou o ST parametrech (tj. ~2 MPa) - Ucpávková pára zahlcuje (nebo naopak je odsávána) ucpávku a tím zatěsní prostor mezi rotorem a statorem Příklady labyrintových ucpávek: odděluje vnější a vnitřní část 1 - břity, 2 - hřídel rotoru odděluje 2 prostory s rozdílným tlakem uvnitř turbíny 1 - mezistěna, 2 - ucpávkový kroužek, 3 - hřídel rotoru

16 Olej a systém ucpávkové páry turbíny RZV RV pára napájecí voda chladící voda ucpávková pára olej admisní pára ucpávka ložisko VT ST NT TG hřídel olej pro mazání ložisek soustrojí emisní pára (do kondenzátoru) nouzové ss čerpadlo (NOČ) hlavní olejová nádrž (HON) regulační olej reg. teploty kondenzátor ucpávkové páry (KUP) kondenzát z KOČ expandér olejová čerpadla (OČ) olejový chladič (OCH) kondenzát do NTO

17 Prostředky regulace výkonu turbíny Rychlozávěrný ventil: - Uzavírá přívod páry do turbíny, bezpečnostní funkce - Pára je odvedena mimo strojovnu, expanze do atmosféry Regulace škrcením (kvalitativní): - Současné otevření všech ventilů ovládajících přívod páry do turbíny p = p p - Zmenšení průřezu, zvýšení hydraulického odporu => - Izoentalpický děj => málo se mění teplota, ztrátová regulace α β i i α i β i 2 Regulace skupinová (kvantitativní): - Regulační ventily se otevírají postupně se změnou zatížení - Nedochází k tlakové ztrátě (částečný ostřik) - Izobarický děj => teplota roste - Celkově se kombinuje s regulací škrcením Regulace klouzavým tlakem: - Tlak páry se mění regulací výkonu kotle - Teplota na vstupu se příliš nemění, dobrá účinnost - Pomalejší regulace (časová konstanta kotle)

18 Kondenzace a regenerace NTO, VTO pára napájecí voda chladící voda ucpávková pára olej doplňování demineraliz. vody dávkování hydrazinu (odkysličení) emisní pára kondenzátní čerpadlo (KOČ) - kondenzátka vývěva (VY) chladící čerpadlo (CHČ) - chladička kanály chladící/oteplené vody cirkulační/průtočné chlazení Nízkotlaká regenerace OCH KUP podchlazovač Vysokotlaká regenerace chladič plynu alternátoru kotel VTO 2 VTO 1 Odpl. NTO 4 NTO 3 EN NNV SNK NTO 2 NTO 1

19 Podle druhu paliva: Kotle základní klasifikace - Tuhé (uhlí, koks, biomasa, odpady) - Plynné (zemní plyn) - Kapalné (LTO) Podle tlaku výstupní páry: - Nízkotlaké (výst. tlak do 1,6 MPa) - Středotlaké (výst. tlak 1,6-5 MPa) - Vysokotlaké (výst. tlak 5-13 MPa) - Velmi vysokotlaké (výst. tlak 13-22,5 MPa) - Nadkritické (výst. tlak nad 22,5 MPa) Podle typu výparníku: - Kotle s přirozeným oběhem vody (strmotrubné) - Kotle s vnuceným oběhem vody (La Mont) - Kotle průtočné (Sulzer, Benson) - Kotle plamencové (přestup tepla přes vlnité plechy) - Kotle žárotubné (spaliny proudí trubkami) } kotle s malým obsahem vody } kotle s velkým obsahem vody

20 Podle typu spalovacího zařízení: - Roštové (pro menší výkony) Kotle roštové - Práškové (granulační várnice na stěnách, výtavné várnice i po dně) - Fluidní (méně citlivý na změnu paliva, odsíření přímo v kotli) Roštové kotle: Základní části: - spalovací prostor vymezený stěnami - rošt s palivovou násypkou, hradítkem, škvárovým jízkem a výsypkou - zařízení pro přívod spalovacího vzduchu Základní části roštu: - nosná konstrukce (roštnice) - hnací ústrojí (u mechanických roštů) Pro elektrárenské aplikace vyhovuje rošt posuvný

21 Roštové kotle: Kotle roštové délka sušení účinná délka roštu délka dohoření celková délka roštu m Hrubá plocha roštu: m pal Qn Sr = = a L qr -1 [kg.s ] pal -1 Q n [MJ.kg ] -2 q r [MW.m ] a,l [m] 2 [m ] spalované množství paliva výhřevnost paliva střední jmenocitý tepelný výkon roštu 0,7-1,6 MW.m šířka, délka roštu Doba spalování u roštových kotlů: desítky minut -2

22 Kotle práškové Práškové kotle: Pro spalování hnědého/černého uhlí jsou kotle vybaveny spalovacím zařízením s tlukadlovými mlýny a přímým foukáním prášku Kotle mají velký regulační rozsah bez použití stabilizace (LTO). Práškové kotle se stavějí od cca 50 t/h. Doba spalování u práškových kotlů: 1-3 s

23 Fluidní kotle: Kotle fluidní Využívají vznosu, který vzniká vháněním spalovacího vzduchu ze spodu kotle do vrstvy zrnitého odpadu. Vznikne tak fluidní vrstva s velkým reakčním povrchem a velmi intenzivním průběhem spalování v celé vrstvě. Takto lze spalovat kapalný i pevný odpad (nadrcený nebo rozemletý na stejnou zrnitost). Fluidní spalování je vhodné pro odpady s vyšším obsahem síry, neboť produkty jejího hoření lze s výhodou zachycovat prostřednictvím mletého vápna nebo vápence přidaného do spalovaného odpadu. Nelze naopak použít pro spékavé odpady, které způsobují slinování fluidní vrstvy. Podle technologie fluidní vrstvy dělíme fluidní kotle na: - Kotle s vířícím ložem (Bubbling Fluidized Bed - BFB) - Kotle s cirkulujícím ložem (Circulating Fluidized Bed - CFB) fluidní kotel CFB

24 Fluidní kotel CFB: Kotle fluidní separátor membránový cyklón spalovací komora fluidní lože dávkování/odběr ložového popela / písku

25 Tlakové ztráty: Kotle hydraulická část Cílem je určit tlakové poměry v kotli nutných pro správné dimenzování napájecího čerpadla. Celková tlaková ztráta je dána součtem dílcích ztrát: Voda: p = p + p ± p ± p tření v potrubí místní odpory (nátoky, výtoky, kolena...) 2 l c p t =λ... ρ d 2 ekv součinitel tření Pára: p 1 m 4.m ρ= c =. = 2 r.t ρ A π.d. ρ t m h d hydrostatický tlak Spec. pro laminární proudění: 64 λ= Re Re Reynoldsovo č. dynamický tlakový spád c.d = ν 2 16 m r.t pt = p1 p 1. λ...l 2 5 π d ρ kinematická viskozita Trubkový výparník (várnice): Složitější popis, aproximuje se pomocí kubické rovnice: = A Q p t.m B.m C.Q.m A,B,C konstanty

26 Místní odpory: 2 c p m = ζm.. ρ 2 součinitel místních odporů Přirozený oběh, oběhové číslo: zc t m zc Kotle hydraulická část ( ) p = p + p = f c Hydrostatický tlak: p = h. ρ.g h Dynamický tlak: ρ.c ρ.c pd = 2 2 Tlakové ztráty vyvolané prouděním vody/páry ve várnici jsou funkcí rychlosti Rozdílem hydrostatických tlaků vzniká ve várnici statický přetlak sp 1 2 sp ( ) p = h. ρ.g h. ρ.g = f c Dimenzování přirozeného oběhu se provádí tak, že se najde taková hodnota * rychlosti vody na vstupu do várnice, že Oběhové číslo se definuje jako c f c = f c zc * * ( ) sp ( ) m O = m z v hmotnostní průtok v zavodňovacích trubkách hmotnostní průtok výparníku Oběhové číslo se mění podle průtoku páry, jmenovité oběhové číslo bývá pro velké kotle 6-8.

27 Buben: Buben kotle je silnostěnné válcové těleso (tloušťka stěny je kolem 10 cm) o průměru cca 1 m, umístěné v horní partii předního tahu kotle. Do spodní části bubnu jsou zaústěny varné a do horní přehřívákové trubky. Hladina vody v bubnu je rozhraní mezi dvěma stavy vody. Tuto hladinu je potřeba udržovat na stálé výši, cca uprostřed tělesa bubnu. Do varných trubek se nesmí dostat pára a do přehřívákových voda! Kotle hydraulická část F E D C G H cyklon I B max. norm. min. J A K 3 x 50 R L cyklon P M N O A - odvodnění bubnu H - pojišťovací ventily B,R - zavodňovací trubky I,K,L - parovody k PK 1 C,D - várnice pravé strany J - alkalizace E,F - várnice přední stěny M,N - várnice levé strany G - napájení bubnu O,P - várnice zadní stěny