Parní turbíny a kondenzátory 1. přednáška Kondenzace a regenerace Autor: Jindřich Louthan Datum: 17. 10. 2018
Obsah 1. Kondenzace a regenerace Rozsah zařízení kondenzace a regenerace 2. Kondenzátor, kondenzační tlak, vliv přítomnosti vzduchu v kondenzátoru Význam kondenzátoru v tepelném cyklu Clausius-Rankine Tepelná bilance na kondenzátoru, vlivy na prostup tepla Umístění kondenzátoru, konstrukční řešení, praktické poznámky Řešené příklady
Motivace Hledání odpovědí na základní otázky: Co zahrnuje systém kondenzace a regenerace? Co je kondenzační zařízení a jaký je jeho přínos a význam v tepelném cyklu elektráren? Jak kondenzační zařízení vypadá v praxi?
Rozsah systému kondenzace a regenerace Tepelné výměníky: - Kondenzátory - Regenerační ohříváky - Kondenzátory komínkové/ucpávkové páry - Chladiče sekundárních okruhů - Separátory přihříváky - Ohříváky topné vody Zařízení kondenzace a regenerace Systém evakuace (vývěvy) Kontinuální čištění kondenzátoru Čerpadla: - Kondenzátní čerpadla - Pomocná čerpadla - Napájecí čerpadla Redukční stanice (bypass turbíny) Expandéry (uvolňovače páry) Napájecí nádrže a odplyňováky
VYSOKOTLAKÁ REGENERACE KOTEL Kondenzátor umístění v cyklu 4-5-6-1 1-2 PARNÍ TURBÍNA GENERÁTOR 3-4 2-3 KONDENZÁTOR KOTEL NAPÁJECÍ NÁDRŽ + ODPLYŇOVÁK KONDENZÁTNÍ ČERPADLA NÍZKOTLAKÁ REGENERACE NAPÁJECÍ ČERPADLA KONDENZÁTOR
Kondenzátor Důvody použití kondenzátoru (1) Co by se stalo, kdybychom v tepelném cyklu elektrárny nepoužili kondenzátor? 1) Při výfuku páry z turbíny přímo do atmosféry bychom vyhazovali páru resp. kvalitní demi-vodu. U běžných elektrárenských provozů není reálné kontinuálně doplňovat do cyklu novou demi-vodu v průtocích potřebných k provozu energetického bloku + obecně příprava demi-vody je nákladná. 2) Při výfuku páry z turbíny přímo do atmosféry by koncový tlak expanze byl na tlakové úrovni cca 1 bar(a) nižší entalpický spád na turbíně nižší tepelná účinnost cyklu + nižší dosažený výkon turbíny. Kondenzace páry na výstupu z turbíny je tedy v principu hlavní podmínkou realizovatelnosti tepelného cyklu v praxi (pomineme-li protitlaké turbíny). Ke kondenzaci páry na výstupu z turbíny a k uzavření cyklu slouží zařízení zvané kondenzátor.
Kondenzátor Důvody použití kondenzátoru (2) Příklad: Je dána jednoduchá parní turbína bez odběrů. Do turbíny vstupuje 80 kg/s páry o teplotě 500 C a tlaku 120 bar(a). Jaký bude výkon parní turbíny, když expanze páry bude končit na tlaku 1 bar(a) a 0,1 bar(a)? Expanzi páry v turbíně uvažujte pro jednoduchost jako izoentropickou. p t i s 1 1 1 1 120bar( a) 500C 3350 kj/kg 6,49 kj/kg/k P P 1bar 0,1bar m p m p p t i s 2 x 2 2 2 2 1bar( a) 99,6C 2351,2 kj/kg s 1 6,49 kj/kg/k 0,857 0,779 Z výsledků je patrné, že ukončení expanze na tlaku 1 bar(a) znamená o cca 23% nižší entalpický spád a tedy i nižší výkon turbíny ve srovnání s expanzí končící na tlaku 0,1 bar(a). p t i s 2 x 2 2 2 2 0,1bar( a) 45,8C 2054,8 kj/kg s 1 6,49 kj/kg/k h1 h2 803350,0 2351,2 79 904kW h h 803350,0 2054,8 103 616kW 1 2
Kondenzátor hlavní funkce Kondenzátor je zařízení, jehož hlavními úkoly jsou: uzavření tepelného cyklu vytvoření požadovaného vakua odvod tepla z kondenzující páry není prakticky možné realizovat elektrárenské provozy s výfukem páry z posledního stupně turbíny do atmosféry prodloužení expanze páry v turbíně, tzn. zvětšení entalpického spádu = vyšší výkon turbíny a tepelná účinnost cyklu pára v kondenzátoru kondenzuje, což znamená odvod kondenzačního tepla cca 2410 kj na 1 kg páry (přímo souvisí s předchozím bodem) sběr odvodnění z turbíny a kaskády kondenzátu z nízkotlaké regenerace zajištění kondenzace páry z přepouštěcích stanic (z bypassu turbíny) zajištění akumulace kondenzátu pro potřeby regulace kondenzátních čerpadel zajištění vakuového odplynění demi-vody
KKE Kondenzátor Proces kondenzace V kondenzátoru dochází k procesu zvanému kondenzace, při kterém je páře odebíráno kondenzační teplo a (mokrá) pára se mění na (sytou) kapalinu, tedy dochází ke změně skupenství. Teoreticky tento proces změny skupenství probíhá za konstantního tlaku a teploty. Opakem kondenzace je vypařování (var), což je proces, při kterém je pracovní látce teplo přiváděno a (sytá) kapalina se postupně, teoreticky při konstantním tlaku a teplotě, mění na sytou páru.
KKE Mokrá pára, suchost Suchost udává množství syté páry ve směsi syté kapaliny a syté páry. x m m m x suchost [-] m... hmotnost syté kapaliny m... hmotnost syté páry x = 0 suchost syté kapaliny x = 1 suchost syté páry v i s i x i s x 1 v x v s 1 x 1 x x
KKE Způsoby realizace kondenzace páry 1) Směšovací kondenzace Kondenzace páry se dosahuje přímým vstřikováním chladicí vody do proudu páry. V běžných elektrárenských provozech se nepoužívá. Avšak například v oblasti geotermálních elektráren se jedná o velmi rozšířený způsob. 2) Povrchová kondenzace (jí se budeme výhradně dále zabývat) Chladicí médium a pára jsou od sebe odděleny. Zpravidla je teplosměnná plocha tvořena systémem teplosměnných trubek. Dle druhu chladicího média se v zásadě povrchová kondenzace a typu kondenzátorů rozdělují na dva nejčastěji používané způsoby: a) Chlazení vzduchem b) Chlazení vodou
KKE Směšovací kondenzátory 1) Směšovací kondenzátory Vstup páry z turbíny Rozvod chladicí vody Odtah k vývěvám Trysky chladicí vody Pára Sběrač kondenzátu Výstup kondenzátu Zdroj: Alstom
KKE Povrchové kondenzátory 2) Povrchové kondenzátory a) Chlazení vodou - chladicí voda proudí uvnitř teplosměnných trubek a pára kondenzuje na vnější straně trubek b) Chlazení vzduchem - chladicí vzduch proudí vně teplosměnných trubek a pára kondenzuje uvnitř trubek
KKE Kondenzátor vodou chlazený (1) nástavba kondenzátoru (vstupní část kondenzátoru) teplosměnné trubky sběrač kondenzátu podpěrná stěna
Kondenzátor vodou chlazený (2) Výhody: - Podstatně menší rozměry ve srovnání se vzduchem chlazeným kondenzátorem - Samotný kondenzátor negeneruje hluk (ve srovnání se vzduchem chlazeným kondenzátorem, který vykazuje hluk od ventilátorů) - Jelikož se jedná o trubkový výměník, způsob výroby je velmi rozšířený, tzn. je k dispozici široké portfolio výrobců - Nižší cena ve srovnání se vzduchem chlazeným kondenzátorem Nevýhody: - Nutný zdroj chladicí vody - Nutný chladicí okruh (potrubí, čerpadla, popř. chladicí věže) - V případě lokality s hlubokými mrazy je třeba zvážit použití uzavřeného okruhu s nemrznoucí směsí jakožto chladicím médiem
KKE Kondenzátor Plášť Plášť kondenzátoru Plášť kondenzátoru tvoří hlavní obálku tj. uzavírá parní prostor. Plášť bývá svařen z ocelových plechů, přičemž pro menší výkony turbín (pod cca 80 MW) bývá tvar pláště kondenzátoru válcový, u větších výkonů turbín bývá tvar pláště kondenzátoru hranatý. Plášť je namáhán tlakem vnější atmosféry a vnitřní vestavby vyztužují plášť proti zborcení.
Kondenzátor Vodní komory (1) Vodní komory Vodní komory zajišťují distribuci chladicí vody do teplosměnných trubek V zásadě mohou být vodní komory spojeny s trubkovnicí dvěma způsoby: 1) přírubovým spojem se šrouby, viz obrázek níže 2) vodní komora přivařena přímo k trubkovnici, což je výrobně snazší a z pohledu zajištění těsnosti spoje mezi komorou a trubkovnicí precizní. Výstup chladicí vody Vratná vodní komora Vodní komora Vstup chladicí vody
Kondenzátor Vodní komory (2) Možné konstrukce vodních komor: 1) Klenuté vodní komory (viz níže obrázek 1) - používány u velkých kondenzátorů s hranatým pláštěm - vykazují dobré vlastnosti z pohledu distribuce vody a kuliček kontinuálního čištění 2) Válcové vodní komory (viz níže obrázky 2 a 3) - používány u kondenzátorů s válcovým pláštěm 3) Hranaté vodní komory - používány v dřívějších dobách
Kondenzátor Uspořádání vodní strany Jednotahový nedělený Dvoutahový nedělený Jednotahové kondenzátory zapojené v sérii jedná se o tzv. dvoutlakový nebo též dvoustupňový kondenzátor používaný často u turbín se dvěma NT díly Jednotahový dělený Dvoutahový dělený O počtu tahů na vodní straně rozhodují: 1) Prostorová omezení v dispozici strojovny 2) Omezení daná rozdílem teplotních dilatací pláště kondenzátoru a trubek 3) Dostupnost dlouhých teplosměnných trubek
KKE Kondenzátor Nástavba Nástavba Nástavba tvoří propojení výstupu turbíny a pláště kondenzátoru. Nástavba umožňuje umístění některých zařízení jako např. vyústění bypassu, sprchy pro zavedení demi-vody. V některých případech je možné do nástavby umístit nízkotlaký regenerační ohřívák. Nástavba
Kondenzátor Sběrač kondenzátu Sběrač kondenzátu Sběrač kondenzátu slouží k akumulaci kondenzátu z důvodu regulace kondenzátních čerpadel a zajištění nátokové výšky kondenzátních čerpadel. Sběrač je v drtivé většině případů součástí pláště kondenzátoru, je však možné v některých případech sběrač kondenzátu realizovat jako separátní nádobu Sběrač kondenzátu
Kondenzátor Průlezy Průlezy (manholes) Průlezy jsou nutné jak pro fázi montáže, tak i pro inspekci a údržbu během odstávek. Průlezy musejí být vybaveny vodní i parní prostor kondenzátoru. Každý uzavřený prostor musí být kvůli přístupu vybaven průlezem.
KKE Kondenzátor Teplosměnné trubky (1) Teplosměnné trubky Teplosměnné trubky tvoří teplosměnnou plochu, na které dochází k hlavnímu sdílení tepla Chladicí voda proudí uvnitř trubek, pára kondenzuje na vnější straně trubek Teplosměnné trubky kondenzátorů mívají vnější průměr nejčastěji 20 28 mm, přičemž tloušťka stěny trubek závisí na materiálu teplosměnných trubek: Nerezová ocel: 0,5 1,0 mm Titan: 0,5 0,7 mm (někteří výrobci až 0,4 mm) Mosaz: 1,0 mm (dnes se u nových realizací aplikuje zřídka) Cu-Ni 90-10: 0,7 mm Teplosměnné trubky se u kondenzátorů aplikují přímé (rovné) z důvodu provádění čištění Zjednodušeně řečeno, není-li zákazníkem požadováno jinak, platí následující: Mořská voda Sladká voda titan, feritická nerezová ocel Sea-Cure, speciální druhy mosazi austenitická nerezová ocel
KKE Kondenzátor Teplosměnné trubky (2) Způsoby výroby teplosměnných trubek: 1) Bezešvé výroba tažením, omezení na minimální tloušťku stěny trubek (cca 1 mm) 2) Podélně svařované svařování metodou TIG nebo laserem
Kondenzátor Trubkovnice Trubkovnice Trubkovnice odděluje parní prostor kondenzátoru od vodního prostoru (prostoru vodní komory) Trubkovnice je plech o tloušťce 40 50 mm, ve kterém jsou vyvrtány otvory pro teplosměnné trubky V trubkovnici jsou upevněny teplosměnné trubky Volba materiálu trubkovnice závisí na materiálu teplosměnných trubek a na kvalitě chladicí vody: - Uhlíková ocel - Nerezová ocel - Titan - Uhlíková ocel plátovaná nerezovým plechem - Uhlíková ocel plátovaná titanovým plechem Pozn.: Princip explozivního plátování je možné vidět např. na prezentačních videích firmy Dynaplat
Kondenzátor Uchycení trubek Uchycení teplosměnných trubek do trubkovnice se provádí dvěma způsoby: a) zaválcováním b) zaválcováním + zavařením U spoje trubka-trubkovnice je velmi důležité zajištění těsnosti mezi vodní a parní stranou kondenzátoru. Na vodní straně kondenzátoru je tlak vyšší, než-li na parní straně, takže by v případě netěsného spoje docházelo ke vniknutí chladicí vody do parního prostoru a tím ke kontaminaci čistého kondenzátu v okruhu pára-voda znečištěnou chladicí vodou. Pro pojištění těsnosti spoje trubka trubkovnice se někdy přistupuje k zavaření trubek do trubkovnice, viz obrázek. Některé materiály trubek zavaření vyžadují (např. titan).
Kondenzátor Umístění a uložení (1) Radiální výstup páry z turbíny (kondenzátory pod turbínou) Hranatý plášť kondenzátoru Válcový plášť kondenzátoru (pro menší výkony turbín) Axiální výstup páry z turbíny (kondenzátory za turbínou) Hranatý plášť kondenzátoru Válcový plášť kondenzátoru (pro menší výkony turbín) Boční výstup páry z turbíny (kondenzátory vedle turbíny)
Kondenzátor Umístění a uložení (2) Umístění kondenzátoru pod turbínou: Výhody: - Neexistuje omezení na velikost kondenzátoru Nevýhody: - Vyšší výstupní ztráta z turbíny - Vyšší stavba strojovny U kondenzátoru pod turbínou existují v zásadě dvě varianty uložení: 1) s pružným uložením kondenzátoru, kdy je nástavba kondenzátoru pevně spojena s turbínou 2) s pevným uložením kondenzátoru s kompenzátorem mezi nástavbou a výstupním hrdlem turbíny
Kondenzátor Umístění a uložení (3) Axiální umístění kondenzátoru: Výhody: - Nižší výstupní ztráta z turbíny - Nižší stavba strojovny Nevýhody: - Omezení na maximální realizovatelný průměr výstupu z turbíny - Složitější řešení kompenzací vlivu teplotních dilatací mezi turbínou a kondenzátorem (posuvy, klopné momenty) - Zvětšuje půdorysnou plochu strojovny (možno řešit externím umístěním, tj. mimo strojovnu) - Nelze použít u samostatného dvouproudého NT dílu turbíny
Kondenzátor Umístění a uložení (4) Boční umístění kondenzátoru: Výhody: - Nižší stavba strojovny Nevýhody: - Složitější řešení kompenzací vlivu teplotních dilatací mezi turbínou a kondenzátorem (posuvy, klopné momenty) - Zvětšuje půdorysnou plochu strojovny (možno řešit externím umístěním tj. mimo strojovnu)
Kondenzátor Příklady realizací CCPP Počerady 270 MW Velikost teplosměnné plochy 21 300 m2 Suchá hmotnost 403,5 t Počet trubek 21 820 ks (nerezová ocel) Ledvice 660 MW (2 kondenzátory) Velikost teplosměnné plochy 19 000 m2 Suchá hmotnost 340,3 t Počet trubek 20 462 ks (nerezová ocel)
Kondenzátor Tvary trubkových svazků (1) Balcke-Dürr (SPX) Foster-Wheeler KWU, Škoda, Siemens Alstom
Kondenzátor Tvary trubkových svazků (2) Nejčastější schéma rozmístění trubek: Úhel: 60 Rozteč: vnější průměr trubky + 6 až 7 mm Tvar trubkového svazku má: 1) umožnit vhodnou distribuci páry s co nejnižšími tlakovými ztrátami (vysoké tlakové ztráty vedou k vyššímu protitlaku pro turbínu, což má přímý dopad do výkonu turbíny a do účinnosti cyklu) 2) být kompaktní, aby samotný kondenzátor byl rozměrově kompaktní (vede na nižší cenu kondenzátoru) 3) generovat co nejnižší podchlazení kondenzátu (souvisí mimo jiné s tlakovými ztrátami na parní straně) - vysoké podchlazení kondenzátu vede k vyšší koncentraci kyslíku v kondenzátu - vysoké podchlazení kondenzátu vede k vyššímu dohřevu v prvním stupni regenerace vyšší průtok páry z odběru poslední stupně turbíny protékány menším průtokem páry nižší výkon turbíny Příklad: Pokud bude u turbíny 660 MWe tlak v kondenzátoru vyšší o pouhé 0,2 kpa oproti návrhovému stavu, znamená to snížení výkonu stroje o cca 0,8 MWe.
Kondenzátor Tvary trubkových svazků (3) Pára s nízkou koncentrací vzduchu přichází do kondenzátoru, kde prochází hlavní teplosměnnou plochou. Jak pára při průchodu trubkovým svazkem postupně kondenzuje, roste koncentrace vzduchu ve zbytku nezkondenzované páry. Od určité koncentrace vzduchu v páře dojde k rapidnímu zhoršování přestupu tepla na parní straně. Při dalším zvyšování koncentrace vzduchu v páře kondenzace zcela ustane. Důvodem je, že parciální tlak páry ve směsi a jemu odpovídající teplota sytosti dosáhne teploty stěny teplosměnné trubky. Zóny s nízkým součinitelem přestupu tepla na parní straně a s již neprobíhající kondenzací by se měly nacházet výhradně v chladiči parovzdušné směsi. Chladič parovzdušné směsi se u všech moderních trubkových svazků kondenzátorů nachází uvnitř hlavního teplosměnného svazku. Hlavními účely chladiče parovzdušné směsi jsou: 1) Jednoznačně ohraničená zóna, kterou prochází parovzdušná s vyšší koncentrací vzduchu 2) Dodatečné vykondenzování páry z odváděné parovzdušné směsi, čímž se sníží zatížení vývěv a ztráty demi-vody z cyklu Chladič parovzdušné směsi Vstup páry z turbíny
KKE Parciální tlak ve směsi plynů (1) Daltonův zákon = tlak směsi plynů je roven součtu parciálních tlaků složek směsi. Parciální tlak je takový tlak, jaký by měl plyn, kdyby byl v celém prostoru sám. Pro naši aplikaci je zásadní směsí plynů parovzdušná směs. p k p ppáry p pvzduchu Užitečné vztahy: p ppáry psmě s m 1 0,622 m vzduchu páry nebo m m páry vzduchu 0,622 psmě s 1 p ppáry Příklad: m Tlak parovzdušné směsi v chladiči kondenzátoru činí 5 kpa a poměr páry a vzduchu ve směsi činí m Jaký je parciální tlak páry ve směsi? p psmě s m 1 0,622 m ppáry 4, 71 vzduchu 1 páry 5 1 0,622 10 kpa páry vzduchu 10
KKE Parciální tlak ve směsi plynů (2)
KKE Parciální tlak ve směsi plynů (3) Příklad: Zjistěte, při jaké koncentraci vzduchu v parovzdušné směsi ustane kondenzace v trubkovém svazku, když teplota vnější stěny trubek činí 28 C a celkový tlak směsi v kondenzátoru je 4,7 kpa. Tlakové ztráty ve svazku nebudou uvažovány. p t 28C p 3, kpa syt syt ppáry 78 m m páry vzduchu 0,622 psmě s 1 p ppáry 0,622 4,7 1 3,78 2,56 Koncentrace vzduchu v parovzdušné směsi m m m páry vzduchu vzduchu 1 2,56 1 0,28 Kondenzace páry na povrchu trubek ustane při koncentraci vzduchu v parovzdušné směsi cca 28%.
KKE Průběh tlaku páry při průchodu svazkem Tlak pk je celkovým tlakem parovzdušné směsi, který klesá vlivem tlakových ztrát způsobených průchodem směsi trubkovým svazkem. Parciální tlak páry pppáry navíc klesá vlivem rostoucí koncentrace vzduchu ve směsi z důvodu postupně kondenzující páry.
Kondenzátor Podchlazení kondenzátu (1) Podchlazení kondenzátu je dáno kondenzací páry v trubkovém svazku při nižším tlaku, než je tlak mimo svazek. Hlavní příčiny podchlazení kondenzátu vůči tlaku v nástavbě kondenzátoru jsou: 1) Tlakové ztráty při proudění páry v trubkovém svazku 2) Nižší parciální tlak páry v parovzdušné směsi uvnitř trubkového svazku. Parciální tlak páry je v daném místě svazku určujícím tlakem pro kondenzaci (k tomuto efektu dochází především v chladiči parovzdušné směsi) 3) Při částečných provozech, kdy ve svazku kondenzuje malý průtok páry, dochází k podchlazení kondenzátu přímo na povrchu studených teplosměnných trubek, kdy nízký průtok kondenzátu stéká po povrchu teplosměnných trubek a stačí se před dopadem do sběrače kondenzátu podchladit vůči teplotě sytosti.
Kondenzátor Podchlazení kondenzátu (2) Rovina provozního i garančního měření se nachází cca 1 m nad trubkovým svazkem. Statický tlak směsi uvnitř svazku je nižší vlivem tlakových ztrát + tlak sytosti páry je ponižován vzrůstajícím parciálním tlakem vzduchu.
Kondenzátor Ochrana vodní strany (1) Vodní strana kondenzátoru je vystavena účinkům chladicí vody a je nutné ji chránit proti korozi. Způsoby korozní ochrany vodního prostoru kondenzátoru: 1) Volbou materiálu samotné komponenty vystavené účinkům chladicí vody - Vodní komory bývají v zásadě z uhlíkové oceli. Speciální volba materiálu se praktikuje pouze u trubkovnic. Musí být však splněna svařitelnost materiálu trubky a trubkovnice v případě zavaření trubek. Musí být též zaručena svařitelnost materiálu trubkovnice a pláště. Řešení přírubového spoje na parním plášti kondenzátoru je riskantní z pohledu zaručení vakuotěsnosti. 2) Vhodným povrchovým nátěrem - Nejrozšířenější 3) Vhodnou chemickou úpravou chladicí vody - U průtočných chlazení nepoužitelné, u věžového chlazení se z části aplikuje, ale pouze z důvodu omezení procesu zahuštění a tvorby vodních řas apod. 4) Katodickou ochranou - Pasivní - Aktivní
Kondenzátor Ochrana vodní strany (2) Ochrana vodní strany kondenzátoru nátěrem (epoxidovým ) Jedná se o velmi trvanlivou a v případě potřeby snadno opravitelnou ochranu. Nátěry lze použít i pro již těžce zkorodované povrchy, čímž se prodlouží životnost staršího zařízení. Jediným omezením u těchto nátěrů bývá omezená odolnost na vyšší teploty (do cca 100 C), v případě kondenzátorů vyšší teploty na vodní straně nehrozí. Fotografie trubkovnic kondenzátorů opatřených nátěrem firem Thortex (vlevo) a Plastocor (vpravo)
Kondenzátor Oprava prasklé trubky Dojde-li k poškození teplosměnné trubky je toto detekováno díky zvýšené vodivosti hlavního kondenzátu odváděného kondenzátními čerpadly. Oprava porušené teplosměnné trubky se nejčastěji řeší dvěma způsoby: 1) Výměna porušených trubek Vyžaduje demontáž nebo otevření vodní komory, vytažení porušených trubek, v některých případech úpravu děr v trubkovnici, provlečení nových teplosměnných trubek, zaválcování teplosměnných trubek. Provádí se tehdy, je-li porušených trubek větší počet a výměnu trubek nekomplikuje provedení spoje trubka-trubkovnice s orbitálním zavařením. 2) Zazátkování teplosměnných trubek Vzhledem k tomu, že teplosměnných trubek bývá v kondenzátoru tisíce, zazátkování několika poškozených trubek nehraje měřitelnou roli ve funkci kondenzátoru. Tento způsob je rychlý, levný a bezpečný. Zazátkování lze provést při uzavřené vodní komoře, kdy pracovník použije průlez do vodní komory. Zazátkování poškozené trubky je nutné provést na obou koncích poškozené trubky. Kovová nebo dubová zátka Pryžová zátka
Kondenzátor Výpočet Výpočet kondenzátoru může probíhat dvěma způsoby: 1) Návrhový výpočet, kdy je cílem určit velikost kondenzátoru dle zadané výsledné hodnoty (zpravidla dle tlaku v kondenzátoru) 2) Kontrolní výpočet resp. výpočet pro změněné vstupní parametry, kdy je cílem určit výsledné hodnoty (zpravidla tlak v kondenzátoru) pro již navržený kondenzátor za nenávrhových provozních podmínek
KKE Kondenzátor - Výpočet Sdílení tepla v kondenzátoru ovlivňuje řada faktorů. Některé lze dobře postihnout teoretickým výpočtem, jiné nikoliv. Mezi hlavní vlivy patří: teplota vstupní chladicí vody vzduch vnikající do vakuového prostoru a do kondenzátoru netěsnostmi uspořádání teplosměnných trubek v trubkovém svazku čistota teplosměnných trubek rychlost proudění chladicí vody v trubkách rychlost proudění páry v prostoru kondenzátoru (včetně dopadu do tlakových ztrát na parní straně kondenzátoru) spolupráce kondenzátoru a vývěv
KKE Kondenzátor Postup výpočtu 1) Sumarizace vstupů: mp, ip, tv1, druh (složení) chladicí vody, rozměrová omezení, limit tlakové ztráty na vodní straně (je-li stanoven), požadavek na pk (je-li stanoven), poloha kondenzátoru vůči turbíně. 2) Provedení voleb: w, Δtv, do, tloušťka stěny trubek (s), materiál trubek, CC 3) Výpočet potřebného průtoku chladicí vody (tepelná bilance). 4) Výpočet potřebného počtu teplosměnných trubek v jednom tahu chladicí vody. 5) Výpočet součinitele prostupu tepla (existují tři výpočtu způsoby, viz dále). 6) Výpočet délky teplosměnných trubek (+ finální určení počtu tahů chladicí vody). 7) Výpočet tlakových ztrát na vodní straně, zda splňuje limit, pokud ne, vrátíme se k bodu 2), tj. k provedení voleb w nebo do. 8) Návrh rastru (tvaru) trubkového svazku kondenzátoru.
Volba ohřátí chladicí vody v kondenzátoru Volba ohřátí chladicí vody v kondenzátoru: Chladicí věže: Průtočné chlazení říční vodou: t V = 5 8 C Průtočné chlazení mořskou vodou: t V = 5 8 C t V = 8 12 C (nejčastěji 10 C) Poznámka: U průtočných druhů chlazení je nižší ohřátí voleno na základě ekologických požadavků, kdy okolní ekosystém nesmí být zatížen přílišnou změnou teploty vody. Druhy chladicí vody: Věžová Říční Jezerní Mořská Brakická vykazuje vysokou solnost neboli salinitu 15 40 g/kg (mezi uvedenými hodnotami se pohybuje většina moří a oceánů) pod 15 g/kg (Baltské moře, ústí řek do moře apod.) Nemrznoucí směs směs vody a nemrznoucí látky např. Ecosolu, ethylen-glykolu
Volba vstupní teploty chladicí vody Teplota chladicí vody má být zadána dodavatelem investičního celku v zadávacím projektu (v tendru). Pokud teplota chladicí vody není zadána je při návrhu cyklu provést předpoklad. Dle druhu chladicí vody: Mořská voda - dle teploty odečtené meteogramech Chladicí okruh s mokrými chladicími věžemi s přirozeným tahem nebo nuceným tahem (v českých podmínkách nejobvyklejší) Nutno pracovat s teplotou mokrého teploměru twb Nutno pracovat s Teplotním přiblížením (Approach) = teplota chladicí vody na výstupu z věží twb Teplotní přiblížení se v návrhovém bodu pohybuje běžně mezi 4 až 10 C
Volba rychlosti chladicí vody v trubkách Volba rychlosti chladicí vody v teplosměnných trubkách kondenzátoru závisí na: 1) Požadavku maximálních tlakových ztrát na vodní straně kondenzátoru 2) Na zhodnocení jak volba rychlosti chladicí vody přispěje ke sdílení tepla na straně vody 3) Na materiálu teplosměnných trubek: Nerezová ocel: do 4 m/s (prakticky do 2,6 m/s) Titan: do 5 m/s (prakticky do 2,6 m/s) Mosaz: do 2 m/s Poznámka: Rychlost proudění chladicí vody v trubkách by při návrhu kondenzátoru neměla být volena nižší než cca 1 m/s z důvodů: - nárůstu rizika zanášení trubek usazeninami - zhoršení funkce kontinuálního čištění kondenzátoru, viz dále - rapidního zhoršení přestupu tepla na vodní straně - nejčastěji používaná empirická metodika pro výpočet celkového součinitele prostupu tepla (HEI Standards) je platná v rozsahu rychlostí proudění vody v trubkách 0,9 až 3,7 m/s.
Kondenzátor Tepelná bilance Kondenzátor je tepelný výměník, ve kterém se chladicí vodou odebírá teplo páře, která kondenzuje. Tepelná bilance v kondenzátoru: Q m p ln i i m c t t k S t [ ] 2 k v pv v2 v1 stř W teplo odebrané páře teplo předané chladicí vodě teplo předané přes chladicí plochu kondenzátoru
Kondenzační teplota Kondenzační tlak a kondenzační teplota leží v diagramu T-s v oblasti mokré páry na jedné čáře, čili lze rovnou psát pro kondenzační teplotu: t k t v1 t V t 2 Δt 2 Δt v Kondenzační teplota je dána: vstupní teplotou chladicí vody tv1 (dána zdrojem chladicí vody a klimatickými podmínkami) ohřátím chladicí vody (obvykle 6 12 C) koncovým rozdílem teplot (obvykle 2,8 5,0 C) poměrným průtokem vody (souvisí s volbou Δt v ) t t V 2 t t k v2 t t v2 v1 průtok chladící vody v průtok páry S [m 2 ]
Kondenzátor Sdílení tepla ln Rovnice prostupu tepla: Q k S t [ W] k [W m -2 K -1 ]... součinitel prostupu tepla (lze určit třemi způsoby, viz dále) stř S [m 2 ]... teplosměnná plocha kondenzátoru: S ntr d l 2 t stř ln [ C, K]... střední logaritmický teplotní spád: t ln stř tv2 t ln t k k t t t v1 v1 v2 Δtstř ln Δt 2 Δtv S [m 2 ]
Kondenzátor Výpočet Součinitel prostupu tepla je možné v inženýrské praxi zjistit třemi způsoby: 1) Empirickým vztahem dle doporučení Heat Exchange Institute (HEI Standard) 2) Empirickými vztahy dle VTI-CKTI 3) Analytickým přístupem tj. řešením dílčích přestupů tepla na vodní i parní straně teplosměnných trubek Poznámka: HEI Standard je celosvětově uznávaným souborem doporučení užívaných při návrhu energetických zařízení. V případě základního návrhu kondenzátoru je celosvětově drtivě nejrozšířenější použití metody uvedené v HEI Standardu.
Kondenzátor Výpočet Průměrná hodnota součinitele prostupu tepla k ~ (2 200 3 800) W m-2 K-1 součinitel přestupu tepla z páry do trubky a p ~ (5 000 16 000) W m-2 K-1 tepelná vodivost stěny trubky (závisí na materiálu trubky) l ~ (15 130) W m-1 K-1 součinitel přestupu tepla z trubky do chladicí vody a v ~ (6 000 12 000) W m-2 K-1
Fyzikální výpočet součinitele prostupu tepla Úvodní rozvaha a určení tepelných bilancí jsou zcela shodné s dřívějším řešením dle HEI Standardu, rozdíl je pouze v určení součinitele prostupu tepla: U kondenzátorů je zvykem vyjadřovat rezervu na znečištění součinitelem čistoty trubek c c, naproti tomu v běžné praxi návrhů ostatních tepelných výměníků se častěji uplatňuje přídavný tepelný odpor R i : Vztah mezi součinitelem čistoty a přídavným tepelným odporem na vodní straně je: Kondenzátor Výpočet i o v i o o p c d d d d d c k a l a 1 ln 2 1 1 i o i i o v i o o p d d R d d d d d k a l a 1 ln 2 1 1 i o i c c c o i i d d R k c nebo k c c d d R 1 1 1
Součinitel prostupu tepla fyzikálně Převrácená hodnota součinitele prostupu tepla vyjadřuje odpor proti průchodu tepla, obvykle se vztahuje na vnější povrch trubek: Prostup tepla válcovou stěnou trubky: přestup tepla z páry na vnější povrch trubky vedení tepla stěnou trubky 1 1 k a přestup tepla do chladicí vody z vnitřního povrchu trubky p do ln 2l d d o i 1 a v d d o i t so t si d i d o
Součinitel prostupu tepla fyzikálně Součinitel přestupu tepla na vodní straně (uvnitř teplosměnných trubek): α v = Nu λ d i [W/m 2 /K] kde: λ = tepelná vodivost chladicí vody [W/m/K] Nu = ξ/8 Re Pr 1 + 12,7 ξ/8 Pr 2/3 1 1 + d i l 2/3 ξ = 1,8 log 10 Re 1,5 2 koeficient tření [-] Re = w d i υ Platnost: 10 4 Re 10 6 0,1 Pr 1 000 d i l 1 w = rychlost vody v trubkách [m/s], υ = kinematická viskozita chladicí vody [m2 /s]
Součinitel prostupu tepla fyzikálně Součinitel přestupu tepla na parní straně (vně teplosměnných trubek): α p = Nu k,n λ k L kde: [W/m 2 /K] λf = tepelná vodivost kondenzátu [W/m/K] 3 L = ν k 2 charakteristická délka [-] g vk = kinematická viskozita kondenzátu [m 2 /s] Poznámka: - Uvedená metodika platí pro kondenzaci čisté stagnující páry v blízkosti meze sytosti. - Vlastnosti kondenzátu jsou brány pro střední teplotu blány kondenzátu. - Délku trubek Ltr je nutné v prvním kroku zvolit a po té zpřesnit dle výsledné délky trubek (iterace). Re = M k n tr η k L tr Mk = průtok kondenzátu (= kondenzující páry) [kg/s]; Ltr = aktivní délka trubek [m/s]; η k = dynamická viskozita kondenzátu [Pa.s] Nu k,1 = 0,959 1 ρ p ρ k Re 1/3 teoretické Nusseltovo číslo pro samostatnou trubku [-] ρ p = hustota páry na rozhraní blány [kg/m 3 ] ρ k = hustota kondenzátu v bláně [kg/m 3 ]
Součinitel prostupu tepla fyzikálně Součinitel přestupu tepla na parní straně (vně teplosměnných trubek) - pokračování: 1/6 Nu k,n = Nu k,1 n rad Nusseltovo číslo korigované na stékající kondenzát z horních řad trubek (Kern) [-] n rad = počet řad trubek nad sebou v trubkovém svazku
Vliv materiálu trubek na prostup tepla Tepelná vodivost je vlastnost materiálu, tedy závisí pouze na druhu materiálu. Udává schopnost látky vést teplo. Pokusme se vyjádřit vliv odporu vedení tepla na celkovém odporu (převrácené hodnotě součinitele prostupu tepla). Vlivy jednotlivých složek pak porovnejme. Odpor vedením rovinnou stěnou lze vyjádřit součinitelem: R s s l λ... tepelná vodivost stěny [Wm -1 K -1 ] s... tloušťka stěny [m] Odpor vedením válcovou stěnou trubky lze vyjádřit součinitelem: λ... tepelná vodivost trubky [Wm -1 K -1 ] R s do ln 2l d d o i d i... vnitřní průměr trubky [m] d o... vnější průměr trubky [m]
Vliv materiálu trubek na prostup tepla Hodnota odporu stěny R s je nízká ve srovnání s odpory při přestupu tepla 1/a p a 1/a v, proto nemá samotné vedení tepla stěnou trubky na celkový součinitel prostupu tepla k výrazný vliv (materiál trubek klade malý tepelný odpor). Je to způsobeno především malými tloušťkami stěn teplosměnných trubek běžně aplikovaných v kondenzátorech. Odpory jednotlivých složek prostupu tepla je možné srovnat v tabulce níže. Látka λ [Wm -1 K -1 ] při 25 C (tepelná vodivost) a [x10-6 mm -1 K -1 ] při 25 C (teplotní roztažnost) R s (pro s = 0,7 mm a d O = 22 mm) [x10-6 m 2 KW -1 ] 1/α v [x10-6 m 2 KW -1 ] 1/α p [x10-6 m 2 KW -1 ] Čistá měď 386 16,5 1,87 Čistý hliník 237 23,6 3,05 Mosaz CuZn28Sn CuZn20Al2As 110 130 18 19,2 6,58 5,56 Slitiny mědi a niklu Cu-Ni 90-10 Cu-Ni 70-30 50 29 17 16 14,47 24,94 83,3 200 62,5 200 Austenitické nerezové oceli 15 16 48,22 Uhlíková ocel 56 12,6 12,92 Titan 20,8 8,6 34,77 Voda 0,6-1205,44
Součinitel prostupu tepla dle HEI Standards k 2854 2 1 1 2,33d c c c w W m K 2 m t kde: d o [m]... vnější průměr trubky (rozsah platnosti 19 až 51 mm) c m [-]... korekce na materiál a tloušťku stěny trubky (rozsah platnosti 0,5 až 2,8 mm), viz tabulka níže c t [-]... korekce na vstupní teplotu chladící vody (rozsah platnosti 0 49 C) c t 1,05110 2 t v1 1,50610 3 c c [-]... součinitel čistoty trubek při použití kontinuálního čištění trubek se obvykle volí 0,9 až 0,95. Pokud není použito kontinuální čištění, pak se volí 0,8 až 0,85. w [m/s]... střední rychlost proudění vody v teplosměnných trubkách (rozsah platnosti 0,9 až 3,7 m/s) c 1,39 ABS21,5 t 0, 7765 Součinitel c m vyjadřující vliv materiálu trubky a tloušťky její stěny na součinitel prostupu tepla dle HEI Materiál trubek Tloušťka stěny trubky [mm] 0,508 0,559 0,635 0,711 0,889 1,245 1,651 2,108 2,769 Aluminium Brass 1,027 1,025 1,021 1,018 1,010 0,993 0,974 0,952 0,921 Aluminium Bronze 1,021 1,018 1,014 1,009 0,999 0,979 0,956 0,930 0,892 90-10 Cu-Ni 1,000 0,995 0,987 0,980 0,963 0,930 0,893 0,854 0,800 70-30 Cu-Ni 0,974 0,967 0,957 0,946 0,922 0,876 0,828 0,777 0,710 Carbon Steel 1,002 0,998 0,990 0,983 0,967 0,936 0,901 0,863 0,810 Stainless Steel Type 304 0,910 0,897 0,879 0,862 0,823 0,754 0,685 0,619 0,539 Stainless Steel Type 316/317 0,904 0,891 0,872 0,854 0,815 0,744 0,674 0,607 0,527 Titanium 0,951 0,942 0,928 0,915 0,885 0,830 0,772 0,714 0,640 Sea-Cure (S44660) 0,932 0,922 0,906 0,891 0,857 0,795 0,732 0,669 0,591 v1
Vlivnost volby parametrů HEI Standards pro vyšší t v1 vychází součinitel prostupu tepla k vyšší Korekce na teplotu chladicí vody vyšší rychlost chladicí vody má pozitivní dopad do součinitele prostupu tepla intenzivnější prostup tepla vykazují teplosměnné trubky s menším průměrem Uvedený graf součinitele prostupu tepla platí pro mosazné trubky, vstupní teplotu chladicí vody 21 C a tloušťku stěny trubky 1,25 mm (BWG 18).
Kondenzátor Příklad 1 Zadání: Proveďte základní tepelný výpočet kondenzátoru pro turbínu o výkonu 135 MW, je-li dáno: Průtok páry do kondenzátoru: m p = 80 kg/s Entalpie páry na výstupu z turbíny: i 2 = 2330 kj/kg Vstupní teplota chladicí vody: t v1 = 19 C Dovolené ohřátí chladicí vody: Δt v = 10 C Předpokládaný koncový rozdíl teplot: Δt 2 = 3 C Bude použito kontinuální čištění: c c = 0,9 Materiál trubek: austenitická nerezová ocel Tloušťka trubkovnice: 40 mm
Kondenzátor Příklad 1 Výpočet: Kondenzační teplota: Kondenzační tlak: Entalpie sytého kondenzátu: Odvedené teplo: Potřebný průtok chladicí vody: (c pv = 4,186 kjkg -1 K -1 ) Poměrný průtok vody: Příkon čerpadla chladicí vody: (H = 50 m; η č = 0,8) t k v1 v 2 p i k k t t t 19 10 3 32C (t (t k k ) 0,0476 bar 4,76 kpa ; x 0) 134,10 kj/kg i i 802330 134,10 175 kw Q m p 2 k 672 Q m v 175672 4197 kg/ s 4,2 m 3 / s c t 4,18610 v P č m pv v 1,65 MW v průtok chladící vody průtok páry g H č 41979,8150 0,8 4197 52,5 80 1646 903W
Kondenzátor Příklad 1 Střední teplotní logaritmický spád: ln tv2 tv 1 29 19 tstř 6, 82C tk tv 1 32 19 ln ln t t 32 29 k v2 Počet teplosměnných trubek pro jeden tah chladicí vody: (volme vnější průměr trubek d o = 25 mm a tloušťku stěny trubky s = 1 mm, vnitřní průměr trubek je tedy d i = 23 mm, rychlost proudění chladicí vody v trubkách volme 2,1 m/s) n tr 4m w d 4 825trubek 2 i 44197 9972,1 0,023 2 Součinitel prostupu tepla dle HEI: korekce na teplotu chladicí vody: c 1,05110 t 1,05110 2 2 t v1 1,50610 19,0 1,50610 3 3 1,39 ABS21,5 tv 1 0,7765 1,39 ABS21,5 19,0 0,7765 0, 971
Kondenzátor Příklad 1 k 2854 2 696W m 1 2,23d c c c w 28541 2,230,025 2 K 1 2 Potřebná teplosměnná plocha kondenzátoru: m t c S 6 Q 175,6710 9554m ln t k 6,822696 stř 0,790,9710,9 2,1 2 Délka teplosměnných trubek: Výsledná délka teplosměnných trubek je značná a to jak z pohledu standardní dispozice strojovny tak i z pohledu teplotních dilatací, kondenzátor bude řešen jako dvoutahový tzn. aktivní délka teplosměnných trubek bude: 25,21 / 2 = 12,61 m a celkový počet trubek bude dvojnásobný: 2x 4 825 = 9 650 trubek L S d 9554 25, tr n 21 tr o 4825 0,025 Dvoutahový nedělený m Pozn.: K aktivní délce trubky je nutné přičíst délku trubek v trubkovnici, tj. 2x 40 mm. Celková délka trubek tedy činí: 12 610 + 2x 40 = 12 690 mm
Kondenzátor Příklad 2 Příklad: Z předchozího příkladu máme navržený kondenzátor pro nominální stav plynoucí ze zadání. Jak se navržený kondenzátor bude chovat za změněných podmínek? Nové podmínky: Průtok páry do kondenzátoru: m p = 60 kg/s Entalpie páry na konci expanze: i 2 = 2225 kj/kg Vstupní teplota chladicí vody: t v1 = 15 C Výpočet tepelného výměníku pro změněné podmínky v drtivé většině případů vede na iterativní výpočet. V tomto zjednodušeném příkladu se však můžeme iterativnímu počtu vyhnout použitím vztahu: i k c pk t k Tepelná bilance v kondenzátoru: m v v2 v1 cpv tv2 tv 1 S k mp i2 tk tv 1 ln t t k t t v2 c pk t k
Provedeme substituci: Odstraníme logaritmus: Po úpravách dostaneme: t K dosadíme do bilanční rovnice: Kondenzátor Příklad 2 X v k v k e t t t t 2 1 1 1 1 2 X v v X X k e t t e e t 1 1 1 2 2 1 2 X v v X X pk p v v pv v e t t e e c i m t t c m 1 1 1 1 2 2 X X pk p pv v v pv v X v pk p v e e c m c m t c m e t c i m t m v c pv k S X pv v v k v k c m k S t t t t 2 1 ln
Kondenzátor Příklad 2 Korekce na teplotu chladicí vody pro výpočet součinitele prostupu tepla k: c t 1,05110 1,05110 2 2 t v1 1,50610 15,0 1,50610 3 3 1,39 ABS21,5 tv 1 0,7765 1,39 ABS21,5 15,0 0,7765 0, 914 Součinitel prostupu tepla dle HEI pro změněnou teplotu chladicí vody: k 2854 2 1 1 2,23d c c c w 2 8541 2,230,0250,790,9140,9 2,1 W m K 2 m t c 2537 X S k m v c pv 95542537 41974186 1,38 t cpk tv 1 m p i m v cpv t 4,18610 2 X v1 602225 41974,18615 1,38 e 1 e 1 22, 25C X 1,38 e e m v cpv m p cpk 41974,186 604,186 X 1,38 e 1 e 1 v2 t k X 1,38 e tv 1 e 15,0 tv 22,25 24, C X X e 1 e 1 e 1 e 1 68 2 1,38 1,38
Kondenzátor Příklad 2 Ohřátí chladicí vody v kondenzátoru pro změněné podmínky: t t t 22,2515,0 7, 25 C v v2 v1 Tlak sytosti v kondenzátoru: Entalpie sytého kondenzátu: Předané teplo v kondenzátoru: Koncový teplotní rozdíl: p k (t k 24,68C) 3,11kPa ik(tk 24,68; x 0) 103,51 kj/kg Q m p i2 ik 60 2225,0 103,51 127289 t t t 24,68 22,25 2, 43 C 2 k kw v2 Zde rozvést diskuzi na téma realizovatelnosti nízkých koncových rozdílů v kondenzátorech Fyzikální výpočet kondenzátoru s výpočtem přestupu tepla na vodní a parní straně bude řešen v rámci cvičení za pomoci přípravy v Excelu.
Hydraulický výpočet kondenzátoru p n TAH n 1 tr vst tr l obyčejně vychází cca 0, 023 a) laminární proudění Re < 2320 pro trubku hladkou nebo drsnou: b) turbulentní proudění Re > 2320 a hladká trubka K = 0: vyst tr tr TAH l d i kom 2 w 2 TRUBKY l tr l tr l tr hrdlo 2 w 2 64 Re 1 1,8 log Re 1, 2 10 64 HRDLO [Pa] c) turbulentní proudění Re > 2320 a drsná trubka K > 0: Re h Reynoldsovo číslo pro určení hranice přechodové oblasti: - přechodová oblast Re < Re h : l tr 2log 10 2,51 Re ltr 217,6 382,4log 10 Reh K di 2 K 3,71 d i K d i - turbulentní oblast Re > Re h : l tr 2log d i 10 1, 14 K 2
Hydraulický výpočet kondenzátoru Ke ztrátovému součiniteli třením v trubce jsou přidány ztrátové součinitele místními odpory: - vstup do trubky: vst 0,5 - výstup z trubky: vyst 1,0 - obrat ve vratné komoře: - vstup a výstup do/z komory: kom 2,5 hrdlo 1,5 - drsnost povrchu trubek: K [mm] Materiál trubek 0,005 Nerezová ocel 0,005 Titan 0,002 Mosaz 0,02 Uhlíková ocel Obecně lze říci, že drsnost povrchu trubek závisí na: - způsobu výroby - na opotřebení - na stupni korozního napadení - na druhu znečištění
Hydraulický výpočet kondenzátoru wd 2,1 0,023 Re i 54270 7 8,9 10 Re < 2320 jedná se tedy o turbulentní proudění Pro turbulentní proudění a drsnou trubku (K > 0) hledejme, zda je proudění v přechodové oblasti či nikoliv: K 217,6 382,4log 10 217,6 382,4log di Reh 6 K 510 d 0,023 i 10 6 510 0,023 7 443898 Re < Re h proudění se tedy nachází v přechodové oblasti a proto platí (nutno iterovat): l tr 2 2,51 6 2,51 5 10 2 log K 10 2 log 10 0,0213 Re 3,71 54270 3,71 0,023 l di tr ltr 2
Hydraulický výpočet kondenzátoru Ztrátový součinitel pro trubky: ltr tr ltr d i 12,69 0,0213 11,75 0,023 Rychlost v hrdle chladicí vody: (zkusme hrdlo DN1600: 1626 2*10 = 1606 mm) 4m 44197 whrdlo 2,08 m / s 2 2 d 997 1,606 i p n TAH n 1 tr vst vyst TAH 997 2,1 2 11,75 0,5 1 2 1 2,5 2 63753 3235 66 988 Pa 67,0 kpa kom 2 2 wtrubky 2 2 9972,08 1,5 2 hrdlo 2 w 2 HRDLO Pozn.: Pro inženýrský výpočet součinitele tření v hydraulicky drsných trubkách postačí pro laminární a turbulentní oblast univerzální vztah: l 0,11 K d i 68 Re 0,25 6 510 0,11 0,023 68 54270 0,25 0,0215 Zdroj: Spravočnik po gidravlike, V. A. Bolšakov, Kyjev 1977
Vakuové křivky kondenzátoru (1) Vakuové křivky udávají závislost tlaku v kondenzátoru na průtoku páry z turbíny resp. na výkonu turbíny. Vakuové křivky jsou užitečné především výpočtářům parních turbín, kdy pro změněné provozní podmínky turbíny či kondenzátoru mohou ihned graficky nalézt tlak v kondenzátoru.
Vakuové křivky kondenzátoru (2) Vakuové křivky ve skutečnosti nejsou dány pouze teoretickým průběhem, ale část křivky je v oblasti nízkých tlaků nahrazována přímkou, která odhaduje omezení tlaku v kondenzátoru kapacitou vývěvy. Tuto přímkovou část je možné sestavit též z doporučení HEI Standardu. Přímková část vakuové křivky Bod zlomu Teoretický průběh určený na základě tepelné bilance
Vícestupňové kondenzátory (1) Zdroj: Cziesla F., Bewerunge J., Senzel A. Lünen-Ultra Supercritical Steam Power Plant Under Construction Power-Gen Europe 2009 Cologne (Germany)
Vícestupňové kondenzátory (2) Dvoutlakové (dvoustupňové) kondenzátory (na straně chladicí vody jsou kondenzátory řazeny v sérii) Δpv / 2 Δtv = 4-5 C Dva jednostupňové kondenzátory (na straně chladicí vody řazeny paralelně) Δpv Δtv = 8-10 C mv / 2 Δpv mv Δtv = 8-10 C mv / 2 Δtv = 4-5 C Δpv / 2 Δpv
Vícestupňové kondenzátory (3) Zadání: V rámci cvičení proveďte srovnání řešení s použitím jednostupňového a dvoustupňového kondenzátoru u turbíny JE Dukovany a odhadněte dopad do elektrického výkonu na svorkách generátoru. Zadané parametry: Admisní (vstupní) tlak páry: pa = 4,3263 MPa Admisní (vstupní) entalpie páry: ia = 2790,9 kj/kg Teplota věžového chlazení na vstupu do kondenzátoru: tv1 = 20,0 C Průtok chladicí vody (celkový pro TG): mv = 9 722 kg/s Výkon na svorkách generátoru: P = 249,4 MW Termodynamická účinnost turbíny: ηtd = 0,87 [-] Mechanická účinnost: ηm = 0,99 [-] Účinnost generátoru: ηg = 0,99 [-] Průtok páry do jednoho kondenzátoru: mp = 110,76 kg/s Entalpie páry na vstupu do kondenzátoru: ip = 2291,9 kj/kg Aktuální provedení kondenzátoru: 1x dvoutlakový Počet tahů chladicí vody v kondenzátoru: 1 Celkový počet teplosměnných trubek v jednom kondenzátoru: 15 858 ks Rozměr teplosměnných trubek: 86% 22x0,5 mm + 14% 22x0,7 mm Aktivní délka teplosměnných trubek: 8 320 mm Materiál teplosměnných trubek: titan Součinitel čistoty trubek: 0,9
Vícestupňové kondenzátory (4) Pro jednoduché srovnání paralelně řazených kondenzátorů se sériově řazenými předpokládáme následující předpoklady: - Celkový průtok chladicí vody je u obou provedení shodný - Zachování velikosti teplosměnné plochy u obou provedení kondenzátorů (+ základní konstrukční charakteristiky kondenzátoru budou též zachovány, tj. průměry trubek, tloušťky stěn trubek, materiál trubek, volba rychlosti vody v trubkách pak bude takřka shodný i součinitel prostupu tepla) - Srovnání bude provedeno na shodném provozním bodu tepelné zatížení kondenzátoru resp. odvod kondenzačního tepla je u obou provedení shodný Dodržení předpokladů uvedených výše vede k tomu, že u paralelního řazení bude jedním kondenzátorem protékat poloviční průtok chladicí vody ohřátí chladicí vody v kondenzátoru bude tedy při shodném tepelném zatížení dvojnásobné. Bude-li ohřátí chladicí vody v paralelně řazeném kondenzátoru 8 10 C, pak v drtivé většině případů návrh povede na dvoutahové provedení kondenzátoru, čímž z návrhu vyjde shodný počet trubek v kondenzátoru u obou provedení rozdíly v nákladech mezi oběma provedeními (designy) kondenzátorů jsou tedy mizivé. V případě paralelně řazených kondenzátorů, které jsou z většiny řešeny jako dvoutahové lze tvrdit, že tlakové ztráty na vodní straně těchto kondenzátorů budou cca dvojnásobné a tedy celkové tlakové ztráty v trase chladicí vody budou obdobné jako u sériového řazení příkon čerpadel chladicí vody bude u obou provedení srovnatelný a tedy dopad do vlastní spotřeby bloku bude v obou provedeních takřka shodný.
Vícestupňové kondenzátory (5) Výhody vícestupňového kondenzátoru: - Je dosaženo nižšího průměrného tlaku v kondenzátorech, což znamená prodloužení expanzní křivky, jinými slovy pára v turbíně odvede více práce. - Vystupující kondenzát z kondenzátoru má vyšší teplotu oproti jednostupňovému uspořádání kondenzátorů, což znamená, že je zapotřebí menšího dohřátí v prvním regeneračním ohříváku ušetří se pára z odběru turbíny, která na posledních stupních může vykonat práci.
Čištění teplosměnných trubek U průtočného chlazení, kde je zdrojem mořská voda nebo voda z řeky, je chladicí voda používána bez speciálních úprav pouze s hrubým čištěním pevných částic. Může tak docházet k postupnému zanášení chladicích trubek nečistotami nebo živými kulturami. Kondenzátor se zanesenými teplosměnnými trubkami vykazuje celkový součinitel prostupu tepla k zhruba o 15 30 % nižší než kondenzátor s čistými trubkami. Poznámka: I v případě věžového chlazení je nutné si uvědomit, že se voda též doplňuje z přírodních zdrojů (řek, jezer, přehrad ) a nelze zde podcenit zanášení trubek. Způsoby čištění teplosměnných trubek: 1) Kontinuální čištění trubek dnes jednoznačně nejrozšířenější 2) Ruční čištění trubek při odstavené turbíně a vypuštěném kondenzátoru 3) Čištění pomocí zpětného toku chladicí vody efektivní zvláště při zanesení trubek živými kulturami (především u mořské chladicí vody) 4) Čištění teplotními šoky
Kontinuální čištění trubek (1) Popis: 1. Sběrač kuliček 2. Měření tlakové ztráty 3. Sběrná nádrž kuliček 4. Recirkulační čerpadlo 5. Počítadlo kuliček popř. měření opotřebení kuliček 6. Injektor kuliček 7. Debris filtr (není přímo součástí kontinuálního čištění) 8. Ventil proplachové vody debris filtru 9. Potrubí proplachové vody debris filtru 10. Potrubí recirkulace kuliček
KKE Kontinuální čištění trubek (2) Kontinuální čištění teplosměnných trubek: Pro čištění za plného provozu lze využít kuličky z pěnové hmoty, které mají hustotu podobnou vodě a tedy plavou ve vznosu (v klidné nádrži s vodou by kuličky neměly klesat ani stoupat). Tyto kuličky mívají průměr o 1 až 3 mm větší než je vnitřní průměr teplosměnné trubky. Kuličky se vpouštějí do chladicí vody před vstupem do kondenzátoru a proudem chladicí vody jsou unášeny do vodní komory a k jednotlivým trubkám. Tlakovým spádem vody daným tlakovou ztrátou kondenzátoru jsou kuličky protlačovány trubkami a na výstupu zachycovány v sítu (strainer). Kuliček je cca 10x méně než je počet teplosměnných trubek. Kuličky cirkulují skrz kondenzátor a nahodile (stochasticky) procházejí pokaždé jinou trubkou. Jednou trubkou projde kulička cca 10x za jednu hodinu. Životnost kuliček u nového kondenzátoru činí cca 1 až 3 měsíce. Různé provedení a povrchová úprava kuliček pro různé materiály trubek a různé druhy chladicí vody
KKE Znečištění kondenzátoru
Debris filtr Debris filtr slouží k odfiltrování pevných nečistot z chladicí vody, které se nedaří zachytit na vstupu do kondenzátoru jinými prostředky (např. česle). Tento systém je běžně používán u průtočného chlazení tj. u chlazení mořskou nebo říční vodou. Debris filtr je schopen odfiltrovat pevné nečistoty o rozměru až 5 mm. Filtr zabraňuje vniknutí částic nečistot do kondenzátoru, ale neodstraňuje je z chladicí vody. Zadržené částice nečistot jsou z filtru odváděny do výstupního potrubí chladicí vody tj. za kondenzátor. Nečistoty tedy opět odcházejí do moře nebo řeky, tím je tento druh čištění nenáročný na správu odpadu, neboť správa odpadu zcela odpadá. Chladicí voda proudí ze znečištěné strany" A přes filtrační vložku (síto). Vyčištěná chladicí voda vychází z filtru na straně B, přičemž nečistoty se zachytávají na filtrační vložce. Tlakový rozdíl mezi stranami A a B roste zanášením filtrační vložky. Tento tlakový rozdíl je neustále sledován. Jakmile tlakový rozdíl dosáhne určité hodnoty, je spuštěno čištění filtrační vložky proplachem. Jelikož armatura (číslo 10) spojuje filtr s výstupním potrubím kondenzátoru, tj. s oblastí nižšího tlaku, vzniká v oblasti filtrační vložky, před kterou se nachází proplachový rotor, silné zpětné proudění. Otočný pohyb proplachového rotoru způsobuje, že dochází postupně k vyčištění celé filtrační vložky. Proplachová voda včetně nečistot je odváděna do výstupního potrubí chladicí vody za kondenzátor. Potřebný průtok vody pro proplach filtru představuje v závislosti na tlakové ztrátě filtru pouze 3 8 % z celkového průtoku chladicí vody. Tato malá spotřeba chladicí vody pro čištění filtru neznamená prakticky žádné zhoršení provozu kondenzátoru. Navíc samotný proplach filtru vyžaduje pouze krátký čas řádově 1 2 min. B A
Normy a doporučení pro kondenzátory HEI Standards for Steam Surface Condensers 11th Edition (2012) VGB-R 130 Me Acceptance Test Measurements and Operational Monitoring of Water-Cooled Surface Condensers (1995) VGB-R 106 Le Tubes for Condensers and Others Heat Exchangers Part A: Cooper Alloy (1997) VGB-R 113 Le Tubes for Condensers and Others Heat Exchangers Part B: Stainless Steel (1997) VGB-R 114 Le Tubes for Condensers and Others Heat Exchangers Part C: Titanium (1997) ASME Performance Test Codes 12.2 (2010) Steam Surface Condensers ČSN EN 10217 Svařované ocelové trubky pro tlakové účely Technické dodací podmínky ČSN EN 12451 Měď a slitiny mědi Trubky bezešvé kruhové pro výměníky tepla ČSN EN 1092-1 Příruby a přírubové spoje - Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN - Část 1: Příruby z oceli VGB-R 455 Pe Water Treatment and Use of Materials in Cooling Systems
Kondenzátor vzduchem chlazený (1) Vzduchem chlazený kondenzátor pro paroplynový blok 805 MW (výrobce kondenzátoru GEA)
Kondenzátor vzduchem chlazený (2) Zdroj: SPX
Kondenzátor vzduchem chlazený (3) Zdroj: SPX
Kondenzátor vzduchem chlazený (4) V době, kdy jsou lokality s dobrým přístupem ke zdroji vody obsazeny, kdy vzrůstá počet staveb paroplynových cyklů v pouštních oblastech a kdy se objevuje budoucnost v oblasti solárních elektráren v pouštních lokalitách, roste význam vzduchem chlazených kondenzátorů. Výhody: - Není zapotřebí zdroj chladicí vody ani složitý okruh chladicí vody. Zahrneme-li do úvah okruh chladicí vody, může se vzduchem chlazený kondenzátor v počátečních investičních nákladech vyrovnat vodou chlazenému kondenzátoru(!). Nevýhody: - Velké rozměry srovnatelné s rozměry samotné strojovny - Podstatně vyšší cena ve srovnání se samotnými vodou chlazenými kondenzátory - Hlučnost ventilátorů (lze ovlivnit volbou otáček ventilátoru a jejich konstrukcí) - Funkci kondenzátoru výrazně ovlivňuje vítr
Kondenzátor vzduchem chlazený (5) Vzduchem chlazené kondenzátory se v praxi označují ACC (Air Cooled Condenser) ACC je možné rozdělit na dva základní konstrukční typy dle uspořádání teplosměnných trubek: 1) Víceřadé uspořádání (multi-row, či též MRC) - Nejčastější uspořádání se čtyřmi řadami válcových žebrovaných teplosměnných trubek, přičemž první řada plní funkci tzv. deflegmátoru. 2) Jednořadé uspořádání (single-row, či též SRC) - Poměr mezi hlavní kondenzační plochou a dephlagmátorovou sekcí je doporučován cca 75% / 25%.
Kondenzátor vzduchem chlazený (6) Víceřadé uspořádání (MRC) Vývěvy Vystupující teplý vzduch Vstupující studený vzduch Nejčastěji válcové trubky, zřídka též eliptické
Kondenzátor vzduchem chlazený (7) Jednořadé uspořádání (SRC) Řez teplosměnnou trubkou pro SRC
Kondenzátor vzduchem chlazený (8) Inženýrský přehled v oblasti vzduchem chlazených kondenzátorů: - Běžné rychlosti vzduchu mezi teplosměnnými trubkami se pohybují 3,5 6 m/s. - Tlakové ztráty trubkových svazků na straně vzduchu se nejčastěji pohybují 40 120 Pa. Tyto ztráty musejí překonávat ventilátory. - Ventilátory se mohou regulovat: a) Frekvenčním měničem b) Pomocí dvouotáčkového pohonu c) Vypínáním (start-stop systém) - V zimních provozech je možné ventilátory vypínat a provozovat chlazení ACC na základě přirozené konvekce. - Při návrhu ACC je nutné brát v potaz tlakové ztráty v přívodním parním potrubí a rozváděcích kolektorech. Tlakové ztráty před vstupem do samotných teplosměnných trubek se nejčastěji pohybují v rozmezí 200 1200 Pa. V závislosti na délce potrubí mezi turbínou a samotným ACC.
Kondenzátor vzduchem chlazený (9) Způsob čištění teplosměnných trubek na vzduchem chlazeném kondenzátoru Na obrázcích výše je uveden nejrozšířenější způsob čištění trubkového svazku u vzduchem chlazeného kondenzátoru pomocí trysek tlakové vody umístěných na posuvném traverzu. K čištění se používá demineralizovaná voda kvůli snížení rizika tvorby vodního kamene.