VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Faulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiy Ing. Jiří Cídl Matematicý model arní turbíny s otlačeným vauem Mathematical model of steam turbine with suresed vacuum Zrácená verze Ph.D. Thesis Obor: Šolitel: Oonenti: Technicá ybernetia Doc. Ing. Ivan Švarc, CSc. Prof. Ing. Jaroslav Kadrnoža, CSc. Datum obhajoby: 8. října 2004 Ing. Antonín Sousedí, CSc. Prof. Ing. Jaroslav Balátě, DrSc.
KLÍČOVÁ SLOVA: arní turbína, otlačená ondenzace, teelný výmění, simulátor KEYWORDS: steam turbine, suresed vacuum, heat exchanger, simulator, MÍSTO ULOŽENÍ PRÁCE: Disertační ráce je uložena na Děanátě Faulty strojního inženýrství. Jiří Cídl, 2004 ISBN 80-214-2808-2 ISSN 1213-4198
Obsah SEZNAM POUŽITÉHO OZNAČENÍ...5 1 ÚVOD...6 1.1 ÚVOD DO ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY...6 1.2 SOUČASNÉ ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY...7 2 CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE A METODY ŘEŠENÍ...7 2.1 CÍLE DISERTAČNÍ PRÁCE...7 2.2 METODY ŘEŠENÍ A POSTUP PRÁCE...8 3 NELINEÁRNÍ MATEMATICKÝ MODEL PRŮMYSLOVÉ PARNÍ TURBÍNY...9 3.1 OBECNÝ POSTUP VYTVOŘENÍ MATEMATICKÉHO POPISU PARNÍ TURBÍNY...9 3.2 PRŮTOK PÁRY VÍCESTUPŇOVOU PARNÍ TURBÍNOU...10 3.2.1 PŘEMĚNA POHYBOVÉ ENERGIE PÁRY V MECHANICKOU PRÁCI...11 3.2.2 PRŮTOK PÁRY REGULAČNÍM STUPNĚM...11 3.2.3 PRŮTOK PÁRY SKUPINOU STUPŇŮ...13 3.2.4 PRŮTOK PÁRY PRŮTOČNÝM PROSTOREM...15 3.2.5 DYNAMIKA ROTORU...16 4 PARNÍ TURBÍNA S POTLAČENÝM VAKUEM...17 4.1 POPIS TECHNOLOGIE...17 4.2 MATEMATICKÝ POPIS KONDENZÁTORU - VÝMĚNÍKU...18 5 NAVRŽENÝ MODEL PARNÍ TURBÍNY POMOCÍ PROSTŘEDÍ MATLAB SIMULINK...22 5.1 POPIS VYTVOŘENÉHO MATEMATICKÉHO MODELU PARNÍ TURBÍNY...22 5.2 CELKOVÉ USPOŘÁDÁNÍ MODELU PARNÍ TURBÍNY S POTLAČENÝM VAKUEM...23 6 SIMULAČNÍ OVĚŘENÍ NAVRŽENÉHO MODELU...23 6.1 SIMULAČNÍ OVĚŘENÍ MODELU PARNÍ TURBÍNY...23 6.2 SIMULAČNÍ OVĚŘENÍ TURBÍNY S POTLAČENÝM VAKUEM...24 7 SIMULÁTOR PARNÍ TURBÍNY...25 7.1 SIMULÁTOR PRO ZKOUŠKY ŘÍDÍCÍCH SYSTÉMŮ...26 7.2 SIMULÁTOR PRO VÝCVIK OPERÁTORŮ (OPERÁTORSKÝ TRENAŽÉR)...26 8 ZÁVĚR...27 9 POUŽITÁ LITERATURA...29 10 VLASTNÍ PUBLIKACE V OBORU...30 3
4
Seznam oužitého označení c... absolutní rychlost áry [m.s -1 ] c... měrné telo ři stálém tlau [J.g -1.K -1 ] d... růměr (truby) [m] h... entalicý (teelný) sád stuně [J.g -1 ] i... měrná entalie [J.g -1 ] l 23... výarné telo [J.g -1 ] m... hmotnost [g] n... otáčy [s -1 ] n... očet trube ve svazu [-]... tla [Pa, bar] q... měrné telo [J.m -2 ] r... měrná lynová onstanta [J.g -1.K -1 ] t... telota [ C] v... měrný objem [m 3.g -1 ] w... relativní rychlost áry [m.s -1 ] x... délová souřadnice [m] y... zdvih regulačních ventilů [m], [%] z... měrná ztrátová energie [J.g -1 ] D... routící moment [N.m] E... energie mechanicá [J] F... síla [N] H... entalicý (teelný) sád suiny stuňů [J.g -1 ] J r... reduovaný moment setrvačnosti [g.m 2 ] M... hmotnostní růto [g.s -1 ] O... obvod (truby) [m] P... výon [W] Q... telo [J] S... locha (růtočná, telosměnná výměníu) [m 2 ] T... termodynamicá (absolutní) telota [K] V... objem [m 3 ] α... součinitel řestuu tela [W.m -2.K -1 ] δ... tloušťa stěny (truby) [m] ε... riticý tlaový oměr [-] λ... součinitel teelné vodivosti [W.m -1.K -1 ] η... účinnost [-] κ... adiabaticý exonent [-] µ... dynamicá visozita [N.s.m -2 ] ρ... měrná hmotnost (hustota) [g.m -3 ] τ... čas [s] Φ... růměr [m] ω... úhlová rychlost [s -1 ] 5
1 Úvod 1.1 Úvod do řešené roblematiy Rozvoj eletroniy a výhody eletrohydraulicé regulace arních turbín (ružnost, možnost oužití oroových regulačních algoritmů, snadné řestavení regulátorů za rovozu, vysoá solehlivost a autodiagnostia, možnosti omuniace s nadřazenými řídícími systémy atd.) vedly řední světové výrobce arních turbín již v 60-tých letech masivnímu zavádění eletrohydraulicých regulačních a řídících systémů. Zatímco vývoj hydraulicé části těchto systémů byl raticy uončen již v 70-tých letech (hydraulicé servoohony a eletrohydraulicé řevodníy) neustálý rozvoj eletroniy a zejména výočetní techniy vedl e ontinuálnímu vývoji eletronicé části regulačních řídících systémů arních turbín. Prvními aliacemi eletroniy do řízení arních turbín byly v 60-tých letech eletronicé regulátory, využívající analogových obvodů (v ČR systém MODIN). Tyto regulátory byly dostatečně rychlé a solehlivé a jejich řídící algoritmus dostatečně řesný, avša jejich seřizování a údržba byla roblematicá a zejména rozsah oužití ro různé tyy turbín a ožadovaných regulačních smyče byl omezený. Tento nedostate byl odstraněn oužitím mirorocesorů a očítačů v řídící technice v růběhu 70-tých let. První mirorocesorové řídící systémy byly velmi drahé a relativně omalé, taže regulační obvody, ve terých byla rozhodující rychlost, byly i nadále řešeny analogovou techniou. U arních turbín byly nejrve vyvinuty mirorocesorové eletrohydraulicé regulační systémy u turbín velého výonu určených regulaci frevence sítě a ředávaných výonů. Vzhledem tomu, že v důsledu dalšího rozvoje eletroniy lesala cena a zvyšovala se solehlivost olovodičových eletronicých rvů, bylo možno zavádět eletrohydraulicou regulaci i u růmyslových turbín menších výonů. K dalšímu rozvoji došlo v 80-tých letech s vývojem rogramovatelných logicých automatů. Programovatelný logicý automat je uživatelsy rogramovatelný řídící systém řizůsobený ro řízení růmyslových a technologicých rocesů. PLC jsou v současné době oužívány něterými výrobci arních (Dresser Rand, GE, Alstom, Siemens, Mitsubishi Heavy Industry), i lynových (Siemens, GE) turbín ro jejich řízení. V dnešních eonomicých odmínách je laden důraz na nízou cenu ři zachování všech užitných vlastností a ředevším na maximální zefetivnění lidsé ráce. Disertační ráce má řisět e onstruci simulátoru růmyslových arních turbín oužitelného ro zoušy řídících systémů arních turbín již ve výrobním závodě, což řisěje e zrácení doby otřebné ro uvádění turbínových zařízení do 6
rovozu a tím ovede e zvýšení jejich onurenceschonosti na světových trzích. Dalším využitím tohoto simulátoru bude výcvi budoucích obsluh energeticých zařízení ještě řed uvedením onrétního zařízení do rovozu. 1.2 Současné řešení roblematiy Ve světě bylo vyvinuto něoli matematicých modelů arních turbín v rostředí SIMULINK. Tyto modely vša byly vyvinuty jao zjednodušené modely větších celů celých eletráren a eletrizačních sítí. Dynamia jednotlivých částí turbíny (VT, ST, NT) závislá na momentu setrvačnosti rotujících hmot, objemech arních rostor atd. je zde modelována jao roorcionální členy se setrvačností rvního řádu. Časové onstanty těchto členů závisí na mnoha arametrech, ja onstantních (moment setrvačnosti, objemy arních rostor), ta roměnných arametry áry, zatížení atd. Z uvedeného je vidět, že tyto časové onstanty jsou roměnné a závisí na racovním bodě. Ve výše uvedených modelech jsou vša tyto časové onstanty uvažovány onstantní a tyto modely jsou tedy vhodné ouze ro simulace v rozsahu cca ±10% od racovního bodu. Matematicý ois arní turbíny s otlačeným vauem jao celu, tj. sojení arní turbíny a teelného výměníu, nebyl zatím zracován. Teelné výočty ondenzátorů arních turbín se soustřeďují ředevším na ois ustálených stavů se zvláštním zřetelem na výočet součinitele rostuu tela (metody HEI a VTI- CKTI). Dynamicé chování teelných výměníů bylo odrobně zracováno nař. v ráci [7], avša ředevším ro taové tyy teelných výměníů ve terých nedochází ani na jedné straně e změně suenství. Jedná se ředevším o ois dynamicého chování řehříváů áry u arních otlů a dále o reuerační výměníy tyu ára-voda oříadě voda-voda. Uvedené oisy dynamicého chování jsou zde vyjádřeny omocí transcendentních řenosů, neříliš vhodných ro rogramování v rostředí Simulin. 2 Cíle disertační ráce a metody řešení 2.1 Cíle disertační ráce Na záladě rozboru současného stavu řešení roblematiy a otřeb výrobce růmyslových arních turbín Demag Delaval Industrial Turbomachinery s.r.o byly stanoveny tyto cíle disertační ráce: 1. Vytvoření matematicého modelu arní turbíny s oužitím Matlab Simulin. 7
2. Vytvoření matematicého modelu ondenzátoru/výměníu arní turbíny. 3. Sestavení zřesněného nelineárního matematicého modelu arní turbíny s otlačeným vauem v rostředí Matlab Simulin. 4. Návrh simulátoru arních turbín s využitím modelu v rostředí Matlab Simulin. Bodů jedna a tři bude oužito ro simulaci různých rovozních stavů arních růmyslových turbín jaožto regulované soustavy a ro efetivní odlaďování a zoušy číslicových regulátorů arních turbín. Vytvořené matematicé modely budou dále sloužit jao zálad ro vytvoření tréninového simulátoru růmyslových arních turbín oužitelného ro zašolování budoucích obsluh teelně energeticých zařízení. Hlavním řínosem této disertační ráce má být ředevším dolnění matematicého oisu arní turbíny o ty arní turbíny s otlačeným vauem, oužívaného v telárenství terve v oslední době. Z dostuné literatury není zracování matematicého oisu tohoto tyu arní turbíny známo. Dalším výstuem bude zracování matematicého oisu růmyslové arní turbíny, jaožto regulované soustavy v rostředí Matlab Simulin. Vytvořený rogram bude oužit ro zoušy řídících systémů arních turbín simulací regulované soustavy číslicovým očítačem. Konrétním řínosem vytvořeného matematicého modelu v rostředí Matlab Simulin bude zlešení zouše řídících systémů arních turbín již ve výrobním závodě, což řisěje e zrácení doby otřebné ro uvádění turbínových zařízení do rovozu a tím ovede e zvýšení jejich onurenceschonosti na světových trzích. 2.2 Metody řešení a ostu ráce Pro dosažení výše uvedených cílů byly oužity následující metody. Pro dosažení cíle 1 byla oužita metoda matematico-fyziální analýzy dějů robíhajících v arní turbíně. Za zálad matematicého modelu byly vzaty vztahy vyhledané v literatuře oisující roudění áry dýzou a charateristiy stuňové části arní turbíny vytvořené na záladě staticého výočtu. Ta byl o zavedení vlivu setrvačnosti rotujících hmot a aumulace áry sestaven nelineární dynamicý model arní turbíny, latný v široém rozsahu rovozních režimů. V dalším rou byly formulovány ožadavy na model arní turbíny v rostředí Matlab Simulin a rovnice matematicého modelu byly narogramovány v rostředí Matlab Simulin. Pro dosažení cíle 2 byl roveden rozbor fyziálních dějů robíhajících v ondenzátoru arní turbíny. Na záladě tohoto rozboru byla sestavena soustava tří 8
diferenciálních rovnic oisujících řenos tela z ondenzující áry do chladící vody. Tato soustava zahrnuje vlivy aacity hmotnosti trube a aacitu chladící vody. Dále byla odvozena diferenciální rovnice oisující děj aumulace áry na mezi sytosti v arních rostorách. Pro dosažení cíle 3 byly rovnice odvozené v bodu 2 narogramovány v rostředí Matlab Simulin. Pro dosažení bodu 4 byly sestaveny dvě rozdílné onfigurace simulátoru arních turbín. Jedna onfigurace je určená ro zoušy a testování řídících systémů arních turbín, druhá onfigurace je určená ro výcvi oerátorů turbosoustrojí. 3 Nelineární matematicý model růmyslové arní turbíny Pro návrh číslicové regulátoru arní turbíny a jeho ověření v různých etaách návrhu je otřebné vytvořit matematicý model arní turbíny jaožto regulované soustavy, to znamená rovést její identifiaci. Navržený model musí dostatečně řesně oisovat chování řízeného objetu. Při identifiaci soustavy lze ostuovat buď metodami analyticé identifiace tj. matematico fyziální analýzy soustavy nebo metodami exerimentální identifiace. Při matematico fyziální analýze arní turbíny jaožto regulované soustavy se vychází z oisů jednotlivých dějů, teré robíhají v arní turbíně ři řeměně teelné energie vstuující áry vícestuňovou exanzí v mechanicou ráci. Výsledem je systém algebraicých a diferenciálních rovnic, teré soustavu oisují. Tyto rovnice jsou zravidla nelineární a nestacionární. Výhodou analyticé identifiace je to, že tato vytvořený model latí ro celou třídu tyů rocesů a ro různé rovozní stavy. Další výhodou je to, že může být vytvořen ro fyzicy neexistující systém. Nevýhodou je jeho větší časová náročnost. Prvořadým hledisem ři návrhu modelu je roto vždy účel, ro terý je model sestavován. Podrobnější model nemusí být vždy současně řesnější, neboť říadné neřesnosti v modelovaných vazbách, v odhadech hodnot něterých arametrů atd. se umulují ve výslednou chybu, terá a může být i větší, než u jednoduchého modelu, zahrnujícího jen záladní vazby, ale řesnějšího [10]. 3.1 Obecný ostu vytvoření matematicého oisu arní turbíny Pro vytvoření matematicého modelu arní turbíny byla oužita metoda matematico fyziální analýzy. Přeměna energie áry vícestuňovou exanzí v 9
mechanicou ráci je již dostatečně odrobně osána nařílad v ráci [1]. Většinou se vša jedná o ois ustálených stavů ro otřeby stacionárních teelných výočtů. Chování arní turbíny jaožto regulované soustavy určují romě vlastností vlastní turbíny taé vlastnosti generátoru a řiojené eletricé sítě. U růmyslových arních turbín s regulovanými odběry, rotitlaových nebo s řídavnou arou je chování řízené soustavy taé ovlivněno vlastnostmi odběrové sítě technologicé áry resetive dynamicým chováním zdroje řídavné áry. Protože se z hledisa matematicého oisu jednotlivé tyy turbín sládají ze stejných záladních částí je oužit obecný ostu sestavení modelu [25]: Turbínu rozdělíme místy nesojitosti, ve terých dochází e změnám růtou (vstuní část, odběry, uvažovaná aumulace), na něoli částí. V místech dělení určíme arametry áry na záladě očátečního rozdělení entalicého sádu. Poíšeme děje aumulace v uvažovaných arních rostorách. Na záladě oamžitého růtou a arametrů áry v místech dělení určíme hnací momenty jednotlivých částí turbíny. Na záladě znalosti dílčích hnacích momentů určíme celový hnací moment turbíny jao jejich součet. Závěrečným vztahem je odmína momentové rovnováhy hnacích a zátěžných momentů na rotoru turbíny. Při matematico fyziálním rozboru chování arní turbíny je otřeba řihlížet vlivu jednotlivých oisovaných částí na celové chování arní turbíny. U turbín odběrových a rotitlaových je chování turbíny značně ovlivněno odběrovou sítí technologicé áry. Vliv regulovaných odběrů se v matematicém modelu turbíny rojeví v systému rovnic oisujících růto áry turbínou. Vliv vlastností hnaného stroje či celého eletrorozvodné sítě vyjádříme zátěžným momentem generátoru. 3.2 Průto áry vícestuňovou arní turbínou Parní turbína je teelný (arní) motor s rotačním ohybem hnacího ústrojí. Pára je řiváděna z arního generátoru - otle do rozváděcího ústrojí, de exanduje z vysoého tlau na nižší a její teelná energie se řitom mění na energii ohybovou, to znamená, že se zvyšuje její rychlost. Poté vstuuje ára touto vysoou rychlostí do oběžného ola, de se mění její energie ohybová na energii mechanicou. Jedna řada rozváděcích - statorových loate a následující řada 10
oběžných - rotorových loate se nazývá racovním stuněm turbíny. Něoli bezrostředně o sobě následujících stuňů tvoří suinu stuňů. Zvláštním suinou stuňů může být suina tvořená ouze jedním stuněm a to regulačním. Jeho zvláštností je to, že doážeme měnit jeho růtočný růřez a tím regulovat růto áry turbínou. Ostatní suiny stuňů mají růtoové růřezy onstantní. 3.2.1 Přeměna ohybové energie áry v mechanicou ráci Tato řeměna se děje v oběžném ole turbíny. Pára tu roudí zařivenými anály oběžné loatové mříže ohybující se obvodovou rychlostí u [m/s], na teré ůsobí obvodovou silou F u [N]. Součin F u.u a znamená výon vyonaný jedním racovním stuněm turbíny. Podle [1] latí ro výon turbíny vztah P = M H η (3.1) T j, j j j 3.2.2 Průto áry regulačním stuněm Při vyjádření otřebných funčních závislostí vycházíme z očátečního růtou a hodnot stavových roměnných na exanzní čáře. V tomto říadě bude uvažována regulace suinová [11]. Záladní myšlenou ro návrh tohoto tyu regulace výonu turbíny je rovádět změny výonu ouze změnou růtou ja je atrno z rovnice (3.21). Při onstantních stavech vstuní áry a rotitlau to vyžaduje změnu růtoových růřezů. Tuto změnu lze usutečnit ouze v rvním, tzv. regulačním stuni, rotože změna růtoových růřezů v celé turbíně je onstručně neroveditelná. Ani vstuní růřez vša nelze měnit lynule, ale oužívá se něolia (3 až 6) dýzových segmentů, do nichž se ára řivádí říslušnými regulačními ventily. Při změně růtou vícestuňovou arní turbínou dochází e změně tlau za regulačním stuněm, mění se tla áry řed jednotlivými dýzovými suinami a veliost arciálního ostřiu. Zvláštností regulačního stuně je, že je třeba rozlišovat roud áry rotéající lně otevřenými regulačními ventily a roud áry rotéající částečně otevřenými regulačními ventily. Zatímco u lně otevřených regulačních ventilů je tla v dýzové omoře d řibližně roven tlau áry na vstuu do turbíny, je tla v dýzové omoře s částečně otevřenými regulačními ventily závislý na otevření těchto regulačních ventilů. Schéma regulace a růběh exanze v turbíně je znázorněn na obr.č. 3.7. Průto regulačním stuněm je možno rozdělit na růto regulačními ventily a růto říslušnými dýzovými suinami. 11
0,v 0,T 0 RZA 1 RV d1 2 d2 d3 3 Obr. č. 3.1: Schéma dýzové regulace. Průto částečně otevřeným ventilem (nař. ventil 3 v obr. č. 3.1) je dán vztahem M,3 ( 1 ε 2 ) ( ε ε 2 ) ( 1 ε 2 ) ( ε ε ) 2 1 10 y3 = S () y (3.2) 3 10 T T 1 Index 0 značí v tomto říadě stavy, odovídající sestrojené růtoové charateristice. Při nadriticém roudění se vztah (3.26) zjednoduší na y30 1 10 M = S () y (3.3),3 3 10 T T 1 Celový růto regulačními ventily je dán růtoem lně otevřenými ventily a růtoem částečně otevřeným ventilem i 1,yc = Σ j= 1 M M + M,yj,yi (3.4) V raxi jsou disozici odlady teelných výočtů navrhované turbíny a z nich vylývající růtoová charateristia regulačních ventilů. 12
Pro růto dýzovou suinou latí odobný vztah jao ro růto regulačním ventilem, růtočná locha dýzové suiny S di je onstantní. Poněvadž termodynamicými výočty jsou růtočné lochy včetně růtou ři jmenovitých stavech áry a ři lně otevřených ventilech vyočteny, lze výsledů využít a ro růto ři tlau řed dýzami di odlišným od jmenovitého dij latí resetive di M,i = M,ij (3.5) dij M,i 2 2 di ( 1 ε ) ( ε di ε ) = M,i0 (3.6) 2 ( 1 ε ) ( ε ε ) 2 di0 di0 de 2 ε di = M,i0 (3.7) di Ve velé většině říadů stačí vycházet z charateristiy regulačních ventilů a oreci na jiné stavy, než výočtové rovést odle zjednodušených vztahů ro 2 =>ε 1 M T 2 2 ( 1 2 ) 2 2 ( ) 10,r = S(y) (3.8) T1 10 20 a v říadě nadriticého roudění T 10 1 M,r = S(y) (3.9) T1 10 ro 2 <ε 1 3.2.3 Průto áry suinou stuňů Suina stuňů arní turbíny je tvořena z něolia loatových mříží onstantního růřezu řazených za sebou. Loatové mříže můžeme ovažovat za řadu ostuně za sebou řazených odorů, vložených do roudu áry. Pa lze ředoládat, že stavy áry říslušející exanzi v jednotlivých stuních leží na olytroě obr.č. 3.2. Průto suinou stuňů je možno vyjádřit vztahem odvozeným rof. Stodolou 13
M T 2 20 = M E( ε ε ) (3.10),s,s0 23, 20 T2 i [J.g -1 ] i 1 1 T 1 2 3 H x n-1 T n n i n n s [J.g -1.K - 1 Obr. č. 3.2: Exanze áry v i-s diagramu Funce E(ε 23, ε ) je rovnicí Bendemannovy elisy a v říadě odriticého růtou má tvar E 2 2 ( 1 ε ) ( ε 23 ε ) ( ε 23, ε ) = (3.11) 2 ( 1 ε ) ( ε ε ) 2 a v říadě nadriticého roudění E 230 2 ( ) ( 1 ε ) ε 23, ε = (3.12) 2 ( 1 ε ) ( ε ε ) 2 230 [20] Kriticý tlaový oměr lze zjednodušeně vyočítat ze vztahu uvedeného v κ κ 2 1 1 ε = (3.13) κ + 1 N de ro rovnotlaé loatování je N=z (z je očet stuňů ve suině) a ro řetlaové loatování je N=2z. 14
Často lze vystačit se zjednodušenými vztahy ro růto stuňovou částí turbíny. Pro růto ři odriticém roudění latí M T 2 2 ( j ) 2 2 ( ) j0,s = M,so (3.14) Tj j0 0 Vznine-li v něterém stuni nadriticé roudění, nebo je-li << j, nař. u ondenzačních turbín, ředchozí vztah se zjednoduší na tvar Tj0 j M =,s M,so (3.15) T j j0 Pro vyjádření izoentroicého sádu mezi j-tým a -tým místem dělení je oužit vztah ( ) ε κ 1 κ H = κ j rtj 1 j (3.16) κ 1 Telota na onci exanze ve stuni je vyjádřena z teloty na začátu exanze omocí rovnice olytroy n ( ε ) n 1 T = T j j (3.17) de n je olytroicý exonent, jenž je větší než exonent izotermy (n=1) a zravidla menší než exonent adiabaty (n=κ) a obecně latí 1<n<>κ. Termodynamicá účinnost turbínových stuňů je většinou uvažována onstantní a za ředoladu zanedbání ucávových ztrát ji lze vyjádřit ve tvaru ω H j ω H j η = η j 2 (3.18) ω j H ω j H de indexem j jsou značeny jmenovité (nominální) hodnoty. 3.2.4 Průto áry růtočným rostorem Dynamicé vlastnosti arních turbín mohou být značně ovlivněny aumulací áry v arních rostorách. Jedná se ředevším o rostory regulačních stuňů, roojovacích a řeváděcích otrubí a řihříváů áry. Průtočný rostor V 1 je možno ovažovat za soustředěnou aacitu, ve teré je vyjádřena aumulace hmotnosti áry m na záladě hmotnostního růtou áry 15
vstuující M,1 a vystuující M,2 z říslušného rostoru. Podle záona zachování hmotnosti je aumulace áry vyjádřena následující rovnicí dm dτ (,i) dρ = V1 dτ = M,1 M,2 (3.19) Protože změny teloty, resetive entalie (ředoládá se řehřátá ára a izotermicý děj) jsou malé a jejich vliv ja na měrnou hmotu ρ, ta na růto M,2 jsou zanedbatelné, je možno ředoládat závislost měrné hmoty na tlau v následujícím tvaru ρ ρ = j j (3.20) Potom je dm dτ = V 1 dρ ρ = V1 dτ j j d dτ = m, j j d dτ (3.21) Po dosazení (3.49) do rovnice (3.46) je onečná odobu diferenciální rovnice oisující dynamiu aumulace áry v růtočném rostoru m, j j d = M,1 M,2 (3.22) dτ 3.2.5 Dynamia rotoru Pohybující se hmoty rotoru turbíny a hnaného stroje ředstavují zásobní ineticé energie. Aumulování a uvolňování této energie se ulatňuje během řechodových dějů a je jedním z hlavních fatorů majících vliv na dynamiu rotoru arní turbíny. Energeticou rovnici rotoru (3.51) je možno nasat ve tvaru dω DT ω D Zω = J rω (3.23) dτ a o vydělení úhlovou rychlostí ω dostaneme rovnici vyjadřující odmínu mechanicé rovnováhy momentů na hřídeli dω DT D Z = J r (3.24) dτ 16
3.2.5.1 Hnací moment turbíny Hnací moment turbíny závisí ředevším na oloze regulačního orgánu (tj. zdvihu regulačních ventilů y) a na úhlové rychlosti rotoru turbíny (na otáčách turbíny). Závislost hnacího momentu turbíny M T na otáčách turbíny ω a na oloze regulačního orgánu y udává tzv. momentová charateristia turbíny. Kromě výše uvedených veličin závisí hnací moment turbíny taé na hmotnostním růtou áry turbínou, jejích vstuních arametrech a tlau áry na výstuu. Pro účely matematicého oisu je oužit obecný vztah ro hnací moment turbíny vyjádřený jao součet jednotlivých hnacích momentů vyvozovaných jednotlivými částmi mezi j-tým a -tým dělením 1 D T = M, jh jη j (3.25) ω i= = n i= j= 1 4 Parní turbína s otlačeným vauem 4.1 Pois technologie Záladním tyem arních turbín ro telárny jsou turbíny rotitlaové. U těchto turbín je jednoznačně svázán růto áry turbínou s výonem hnaného eletricého generátoru a s teelným výonem dodávaným z rotitlau. Teelné zatížení telárny zravidla olísá během dne, týdne, měsíce a ředevším během rou. Z uvedených důvodů se oužívá, zejména v menších městsých telárnách, tzv. turbína s otlačeným vauem, terá může být v letních měsících rovozována jao ondenzační se zhoršeným vauem nebo v zimě jao rotitlaová, řičemž ára z rotitlau je zaváděna do záladního ohříváu toné vody. Jeden a tentýž teelný výmění naojený na výstuní hrdlo turbíny slouží v létě jao ondenzátor a v zimním období jao záladní ohřívá toné vody. Taová turbína racuje s velmi roměnným výstuním tlaem, nařílad v létě 10 20 Pa (abs) a v zimě 70 80 Pa (abs), což dává telotu toné vody v rvním stuni ohřívání asi 80 až 90 C. Ve výjimečných říadech může hodnota rotitlau dosahovat až 200 Pa (abs) [16]. Kondenzátor je v odstatě teelný výmění, jehož úolem je odebírat telo áře vystuující z turbíny, terá následem toho zondenzuje. Za ředoladu, že se chladící voda může (teoreticy) ohřát v ondenzátoru až na telotu ondenzující áry [2], bude telota, a tedy i tla áry v ondenzátoru, dána ouze výstuní telotou chladící vody. Kondenzace áry robíhá za onstantního tlau a vzhledem tomu, že na výstuu z turbíny je ára obvyle na mezi sytosti, je tento 17
termodynamicý roces zároveň izotermicý. Schéma ovrchového ondenzátoru a růběh telot racovních láte v ondenzátoru je znázorněn na obr.č. 4.1. M T s i M v T v2 T [K] T s T v2 T v1 T v1 M T i` telosměnná locha [m 2 ] ondenzátoru Obr. č. 4.1: Schéma ondenzátoru 4.2 Matematicý ois ondenzátoru - výměníu V této aitole jsou vyšetřeny teelně dynamicé vlastnosti ondenzátoru jaožto ovrchového výměníu tela. Cílem rozboru je určit časovou odezvu výstuní teloty ohřívané vody na telotě vstuní a telotě, resetive tlau áry v ondenzátoru (telota áry na mezi sytosti je evně svázána s tlaem). Při odvození byly oužity následující ředolady: a) Secificá tela vody i áry jsou onstantní. b) Telota vody v trubce je ve všech místech růřezu olmého na směr roudění stejná. c) Průřez a teelná vodivost telosměnné lochy se odél výměníu nemění. d) Sdílení tela ve směru roudění telonosných teutin, a to ja v teutinách samotných (vedení, míchání), ta i ve stěně (vedení) je zanedbatelné. e) Telo vzniající hydraulicými ztrátami je zanedbatelné. f) Předoládá se, že řenos tela do oolí je nulový a teelná aacita láště ondenzátoru se neuvažuje. g) Aumulace tela v mezních vrstvách na obou stranách obou telonosných teutin se nauvažuje a ředoládáme, že řechodové děje v této vrstvě jsou značně rychlejší než časové změny teloty vlastní stěny. 18
h) Předoládá se dobře racující systém odsávání arovzdušné směsi z ondenzátoru a těsný ondenzátor. Při matematicém oisu ondenzátoru řeoládáme, že vešeré telo z ondenzující áry se odevzdá chladící vodě. Telo odvedené do oolního rostoru nebo s odsávanou arovzdušnou směsí je ta malé, že ho lze zanedbat. Dále je možno ředoládáme, že telota sytosti, říslušná tlau v ondenzátoru, je stejná s telotou ondenzující áry T (za ředoladu srávně fungujícího zařízení ro odsávání vzduchu). Při matematicém oisu vyjdeme z celového teelného tou řenášeného mezi ondenzující árou a ohřívanou teutinou (vodou) omocí rovnice energeticé bilance. Na straně ondenzující áry dochází fázové řeměně a její telota se nemění (její teelná aacita je neonečně velá [15]) a energeticou bilanci lze zasat ve tvaru dq dt ( i i ) = M (4.1) Současně taé latí ro telo odejmuté ondenzující áře a řenesené stěnou trube do ohřívané vody dq dt ( T ) = α S T (4.2) s m1 de T s je telota áry na mezi sytosti a T m1 je telota vnějšího ovrchu trube. Trubami výměníu roudí ohřívaná voda, nedochází zde řeměně suenství a měrnou teelnou aacitu můžeme ovažovat za onstantní, a energeticou bilanci můžeme zasat ve tvaru dq dt = M c ( T T ) (4.3) v v vout vin Teelný to řenášený mezi stěnou otrubí a vodou lze určit z Newtonova záona dq dt = α S( T T ) (4.4) v m2 v de telota vody T v se sojitě mění o délce truby od vstuní teloty T vin do výstuní teloty T vout. Nyní je možno vyjádřit teelný to mezi stěnou otrubí a vodou omocí vstuní teloty vody T vin a výstuní teloty vody T vout (můžeme je měřit). Z rovnice (4.3) o úravách dtv dx O M c = α ( T T ) (4.5) v v v m2 v 19
Pro určení teelného tou řenášeného do roudící vody lze rovnici (4.3) řesat omocí výše zmíněných telotních diferencí dq dt = M c ( T T ) = M c ( T T ) (4.6) v v vout vin Po dosazení za součin M v c v z rovnice (4.5) dostaneme výraz dq dt v T v ln v v vin = α S (4.7) Výraz T vln je tzv. střední logaritmicý telotní sád T T vout vin Tv ln = (4.8) Tvout ln T vin Vedení tela jednoduchou rovinnou stěnou neroměnné tloušťy δ je osáno vztahem dq dt λ δ = S( T m T ) (4.9) 1 m2 Aumulace tela v tělese je ro těleso neroměnného objemu osána rovnicí dq dt dt = mc (4.10) dt Nyní je možno řistouit sestavení rovnic matematicého modelu teelného výměníu. První rovnicí bude rovnice aumulace tela v ohřívané vodě, terá je o dosazení (4.3) a (4.7) do (4.10) a úravách vyjádřena ve tvaru vout dt dt vout 1 Tvout Tvin = M vc vtvout Sα v M vc vtvin m T vc v vout ln Tvin (4.11) V rovnici (4.11) rvní člen na ravé straně ředstavuje telo odvedené ohřátou vodou ven z výměníu, druhý člen telo řivedené stěnami trube (odebrané ondenzující áře) a třetí člen telo řivedené studenou vodou na vstu do výměníu. Druhou rovnicí bude rovnice oisující změnu teloty vnitřní stěny trube T m2, terá je o dosazení (4.2) a (4.9) do rovnice (4.10) vyjádřena ve tvaru dt dt m2 = 1 m m c 2 m λ S T δ ( T ) m1 m2 Sα v Tvout T Tvout ln T vin vin (4.12) 20
Třetí rovnicí je rovnice oisující změnu teloty vnější stěny trube T m1. Ta je o dosazení (4.2) a (4.9) do rovnice (4.10) vyjádřena ve tvaru dt dt α λ ( T ) S( T T ) m1 = S Ts m1 m1 m2 m m δ c m 2 1 (4.13) Ační veličinou je tla áry v ondenzátoru, resetive tla áry na výstuu z turbíny, zanedbáme-li tlaovou ztrátu mezi oslední řadou loate a výměníem. Pára odcházející z turbíny je aumulována v rostorách řeváděcího otrubí mezi turbínou a výměníem a v arních rostorách samotného výměníu. Tyto rostory označíme V a lze je ovažovat za soustředěnou aacitu, ve teré je vyjádřena aumulace hmotnosti áry m na záladě bilance hmotnostního růtou áry rotelé turbínou a hmotnostního růtou áry ondenzující ve výměníu. Dále lze ředoládat, že ára odcházející z turbíny je vždy na mezi sytosti. Označíme-li M hmotnostní růto áry ondenzující ve výměníu a M T hmotnostní růto áry rotelé turbínou bude odle záona zachování hmotnosti aumulace áry vyjádřena rovnicí V dρ = M dt T M (4.14) Stav syté áry je určen ouze jednou termicou veličinou stavu, tlaem nebo telotou, a ravou mezní řivou. Teelné veličiny na ravé mezní řivce závisí ouze na tlau (telotě). Pro tlay do 20 barů vyhovuje emiricý vztah (emiricá rovnice stavu syté áry) uvedený v [18] 1 = v 15 /16 = 0,5802 (4.15) ρ Po dosazení (4.15) do rovnice (4.14) a následné integraci je aumulace syté áry vyjádřena výrazem ( M T M ) 15 /16 1.5802 = dt (4.16) V 0 a z něj je možno snadno vyočítat oamžitý tla. Hmotnostní růto áry rotelé turbínou M T je dán jao výstu z modelu samotné turbíny, oříadě ho vyočteme ze stavu áry řed turbínou a charateristiy regulačních ventilů. Zbývá určit množství áry ondenzující ve výměníu M. Při jejím určení lze vyjít z rovnice energeticé bilance ondenzující áry (4.1) a z rovnice řestuu tela z ondenzující áry do stěny trube výměníu (4.2). Porovnáním obou rovnic je množství ondenzátu dáno výrazem M ( i i ) = α S( T T ) (4.17) s a odtud je možno vyočíst hledané množství ondenzující áry m1 21
5 Navržený model arní turbíny omocí rostředí Matlab Simulin 5.1 Pois vytvořeného matematicého modelu arní turbíny Ja bylo uvedeno v aitole 0, většina standardně oužívaných simulačních modelů arních turbín byla vyvinuta jao jeden z rvů větších simulačních modelů ožívaných zejména ro simulaci velých energeticých celů a jevů v řenosových sítích. Jedním z ožadavů výrobců arních turbín je otřeba existence dostatečně realisticého simulačního modelu racujícího v široém rozsahu arametrů (souštění, odstavování, rovoz ři změněných arametrech, regulované odběry atd.), oužitelného ro testování řídících systémů arních turbín a jao zálad tréninového simulátoru ro zašolování budoucích obsluh dodávaných energeticých zařízení. Při vývoji tohoto matematicého modelu v rostředí SIMULINKu bylo nutno slnit něteré důležité ožadavy: - Model musí být nezávislý na arametrech. - Model musí být dostatečně řehledný a srozumitelný. - Model musí být struturovaný do dílčích funčních bloů (odsystémů). - Tyto funční bloy musí být univerzální v tom smyslu, aby různou ombinací těchto funčních bloů bylo možno sestavit model jaéoliv růmyslové arní turbíny. - Model musí být dostatečně řesný a rychlý. Pro modelování řechodových dějů je dostačující řesnost taová, dy odchyla hodnot v ustáleném stavu je do 5%. Rychlost modelu musí být taová, aby tzv. simulační čas byl vždy rychlejší, než čas reálný. Vytvořený model arní turbíny byl s ohledem na výše uvedené ožadavy rozdělen do následujících funčních bloů: Dynamia rotoru, Servoohon, Regulační část TG, Průtočná část TG (1 až n), Aumulace áry (1 až ). Uvedené bloy se sládají z dalších funčních bloů nižších úrovní ja lyne z následujícího textu a jsou mezi sebou roojeny v jeden funční cele, ja je znázorněno na obrázu č. 5.2. Vstuními arametry modelu jsou měnitelné arametry, jao telota a tla vstuní áry, tla výstuní áry (zejména u rotitlaových turbín), zátěžný moment, atd. Tyto arametry je možno měnit ro jednotlivé simulační výočty a v modelu jsou označeny světle zelenou barvou. Dalším tyem arametrů jsou neměnné arametry vázané e onrétnímu soustrojí, jao moment setrvačnosti rotujících hmot, jmenovité hodnoty vstuní a výstuní (oř. odběrové) áry, 22
otáče, účinnosti, rozsahy zdvihu a max. rychlosti servoohonů regulačních ventilů atd., teré dostaneme z termodynamicých výočtů ro ustálené stavy onrétního stroje. Tyto arametry jsou v modelu označeny červeně. Posledním tyem arametrů jsou všeobecné fyziální a matematicé onstanty, jao π, měrná lynová onstanta r, adiabaticý exonent κ, riticý tlaový oměr ε * atd. teré jsou vždy neměnné. Tyto jsou v modelu označeny žlutou barvou. Světle modrou barvou jsou v celovém modelu turbíny (obr.č. 5.2) označeny ty části, teré budou sloužit ro roojení jednotlivých funčních bloů u složitějších modelů. 5.2 Celové usořádání modelu arní turbíny s otlačeným vauem Celové usořádání modelu arní turbíny s otlačeným vauem je znázorněno na obrázu č. 5.1. Ja je vidět z tohoto obrázu je model tvořen třemi hlavními bloy: bloem Turbína, bloem Obr. č. 5.1: Model arní turbíny s otlačeným vauem 6 Simulační ověření navrženého modelu 6.1 Simulační ověření modelu arní turbíny Funce matematicého modelu arní turbíny byla ověřována na turbíně Burru (Austrálie), číslo stroje 5553. Jedná se o jednoduchou ondenzační turbínu ro ohon generátoru v čistě ondenzačním rovozu. Regulace turbíny je suinová, se třemi dvousedlými regulačními ventily, za terými ára roudí třemi dýzovými suinami do regulačního stuně. Regulační stueň je tvořen jednověncovým olem s rovnotlaým loatováním, loatování růtočné části je tvořeno celem sedmnácti řadami řetlaových loate. Doba rozběhu stroje je jednou z důležitých onstant oisujících dynamicé chování turbosoustrojí a byla vyočtena odle vztahu 23
T a J 2 = r j (6.1) P ω max dosazením za J r =404,17 g.m 2, ω j =623,417s -1 a P max =22,2MW=22,2.10 6 W na T a =7,08s. Na obrázu č. 6.1 je vidět vyočtená rozběhová řiva s vyznačenou dobou rozběhu stroje. Vliv servoohonu není uvažován. Ja je vidět z orovnání vyočtené doby rozběhu stroje a T a =7,08s a doby rozběhu stroje odečtené z grafu na obrázu č. 6.1 T a 7s je rozdíl mezi těmito hodnotami 1,13% což je vyhovující. Obr. č. 6.1: Doba rozběhu turbíny Na obrázu č. 6.1 je taé vidět, že otáčy se ustálí na hodnotě rovné řibližně dvojnásobu nominálních otáče, což je zůsobeno tím, že hodnoty účinnosti je ři dvojnásobu nominálních otáče nulová. Toto odovídá teoreticému chování sutečného stroje (ve sutečnosti nemůže být u arní turbíny dvojnásobu nominálních otáče nidy dosaženo). 6.2 Simulační ověření turbíny s otlačeným vauem Funce matematicého modelu arní turbíny s otlačeným vauem byla ověřována na turbíně ro salovnu dřevního odadu ve švédsém Harnosandu, číslo stroje 5522. 24
Jedná se o jednoduchou ondenzační turbínu s jedním neregulovaným odběrem ro vyhřívání naájecí nádrže, terá slouží ro ohon generátoru v ombinovaném toném/ondenzačním rovozu. Určovací telotou ro arametry ondenzátu byla střední telota ondenzátu t s =(50+80)/2=65 C. Počáteční telota trube byla 48,5 C, očáteční telota vstuní vody 48,5 C, tla áry ve výměníu 0,535 bar a. Byla rovedena simulace, dy v čase τ=0 s byly otevřeny regulační ventily turbíny soově na 100% (včetně uvažování vlivu servoohonu), očáteční telota trube výměníu byla T m1 =T m2 =48,5 C, očáteční telota výstuní vody T vout =48,5 C. Parametry vstuní áry byly nastaveny na nominální hodnotu 0,j =90 bar a, t 0,j =505,4 C. V čase τ=350 s bylo dosaženo ustáleného stavu s telotou výstuní vody T vout =83,33 C. Průběh teloty výstuní vody je znázorněn na obrázu č. 6.2. Vliv neregulovaného odběru na dynamicé chování arní turbíny nebyl uvažován. 7 Simulátor arní turbíny Obr. č. 6.2: Průběh simulace turbíny Harnosand. Simulátory technologicých rocesů mohou být rozděleny do tří ategorií: rvním tyem je úlná simulace rocesu, ři teré jsou řídící systém a oerátorsé rozhraní oužity jao v reálném rocesu. Druhým tyem je částečná simulace, ři teré roces a řídící systém jsou emulovány a oerátorsé rozhraní je oužito reálné. Třetím tyem je úlná emulace ve teré jsou všechny tři části, tj. roces, řídící systém a oerátorsé rozhraní emulovány. Pro účely zouše řídících systémů arních turbín je vhodný rvní ty simulátoru, dy testovaný řídící sytém včetně oerátorsého rozhraní je reálný a ouze roces, tj. arní turbína je simulována matematicým modelem racujícím v reálném čase na očítači. Pro účely výcviu obsluh energeticých zařízení je vhodný druhý ty, dy roces, tj. arní turbína a 25
řídící systém jsou simulovány matematicým modelem v reálném čase na očítači a oerátorsé rozhraní je reálné. 7.1 Simulátor ro zoušy řídících systémů Simulátor určený ro zoušy řídících systémů arních turbín je založen na tzv. metodě hardware-in-the-loo simulation, terá se v dnešní době stává standardem ro vývoj a zoušy řídících systémů strojních zařízení (nař. řídící jednoty automobilových motorů). Tato metoda umožňuje testování těchto eletronicých jednote ve virtuálním rostředí bez řiojení reálnému zařízení, dy je toto zařízení nahrazeno matematicým modelem racujícím na očítači v reálném čase. Ostatní omonenty, teré chceme testovat, jsou zaojeny do simulace v uzavřené smyčce. Simulační rogram Simulin běží na očítači PC a omuniace s řídícím systémem robíhá na úrovni HW signálů omocí multifunčních vstuně/výstuních (I/O) aret. Softwarová obsluha těchto I/O aret je zajištěna Real Time Toolboxem stejně jao simulace v reálném čase, rotože simulace v Simulinu robíhá v tazvaném simulačním čase, terý je, díy výonu moderních očítačů, mnohem rychlejší, než reálný čas technologicého rocesu. Toto řešení je v současné době nejlevnějším a nejflexibilnějším zůsobem realizace simulátoru hardware-in-the-loo. Matlab + Simulin MF614 + AD612 Testovaný řídící systém arní turbíny Oerátorsá stanice HW signály Ethernet TCP/IP Obr. č. 7.1: Sestava simulátoru ro testování řídících systémů arních turbín. 7.2 Simulátor ro výcvi oerátorů (oerátorsý trenažér) Pro sestavení simulátoru určeného ro výcvi oerátorů arních turbín bude oužito softwarové řešení bez nutnosti naojení reálného řídícího systému. Trenažér bude sestávat ze dvou oerátorsých stanic PC, jedné ro oerátora (žáa) a druhé ro instrutora. Parní turbína a její řídící systém (regulátor) jsou namodelovány v Simulinu. Pro vizualizaci je oužita sutečná oerátorsá stanice, terou oužívá šolený oerátor. Na PC instrutora běží současně Simulin a vizualizační software a 26
výměna dat mezi modelem v Simulinu a vizualizačním software robíhá rostřednictvím OPC serveru. Sestava je schématicy znázorněna na obrázu č. 8.3. Matlab + OPC Citec Citec OPC Stanice instrutora Stanice oerátora Obr. č. 7.2: Sestava simulátoru ro výcvi oerátorů 8 Závěr Hlavním řínosem této disertační ráce je ředevším dolnění matematicého oisu arní turbíny o ty arní turbíny s otlačeným vauem, oužívaného v telárenství terve v oslední době. Z dostuné literatury není zracování matematicého oisu tohoto tyu arní turbíny známo. Dalším výstuem je zracování matematicého oisu růmyslové arní turbíny, jaožto regulované soustavy v rostředí Matlab Simulin. Vytvořený rogram bude oužit ro zoušy řídících systémů arních turbín simulací regulované soustavy číslicovým očítačem. Poud mají být ověřovány vlastnosti číslicových regulátorů bez možnosti zouše na reálné turbíně, omocí simulačních výočtů, a se bez matematicého modelu turbíny nelze obejít. Konrétním řínosem vytvořeného matematicého modelu v rostředí Matlab Simulin je zlešení zouše řídících systémů arních turbín již ve výrobním závodě, což řisěje e zrácení doby otřebné ro uvádění turbínových zařízení do rovozu a tím ovede e zvýšení jejich onurenceschonosti na světových trzích. Největší část disertační ráce je věnována vytvoření matematicého modelu růmyslové arní turbíny s otlačeným vauem. Pro vyracování modelu byla oužita metoda matematico fyziální analýzy dějů robíhajících ve výměníu. Za určitých zjednodušujících ředoladů je výmění ovažován za soustavu se soustředěnými arametry a výsledem je soustava tří diferenciálních rovnic oisujících závislost výstuní teloty chladicí vody v závislosti na změnách vstuní teloty chladicí vody, růtou chladicí vody a růtou, resetive tlau, resetive telotě ondenzující áry. Matematicý model výměníu resetuje teelnou aacitu trube a tatéž onstruční usořádání výměníu a dynamicé vlivy aumulace áry v arních rostorách výměníu, řeváděcího otrubí a výstuní části turbíny. 27
V oslední části disertační ráce jsou navrženy dvě verze simulátoru arních turbín. První verze je určena ro testování řídících systémů arních turbín ve výrobním závodě, druhá je určena ro výcvi oerátorů turbínových zařízení. Obě verze jsou navrženy s ohledem na další softwarové vybavení firmy Demag Delaval Industrial Turbomachinery a maximální možnou flexibilitu řešení. Zdoonalení řídících systémů růmyslových arních turbín s oužitím rogramovatelných logicých automatů zajistí dosažení vyšší vality regulačních ochodů, leší řizůsobení výroby eletricé energie a dodávy tela oamžitým ožadavům rovozu, snadnější řechod do ostrovního rovozu ři výadu turbosoustrojí ze sítě atd. To ve svých důsledcích ovede e zlešení účinnosti a hosodárnosti eletrárensých a telárensých rovozů a v onečném důsledu ta ovede e snížení jejich negativních doadů na životní rostředí a řisěje řešení něterých eonomicých roblémů současnosti. 28
9 Použitá literatura [1] Ambrož, J., Bém, K., Budlovsý, J., Mále, B., Zajíc, V.: Parní turbíny I. SNTL, Praha, 1956. [2] Ambrož, J., Bém, K., Budlovsý, J., Mále, B., Zajíc, V.: Parní turbíny II. SNTL, Praha, 1956. [3] Ambrož, J.: Parní turbína za změněných odmíne. Praha, SNTL, 1973. [4] Balátě, J.: Dynamia a regulace arních otlů. Regulace a automatizace turbosoustrojí. srita, VUT Brno, 1988. [5] Bečvář, J. a ol.:teelné turbíny. SNTL, Praha, 1968. [6] Cídl, J., Vašáto, J.: Řídící systém arních turbín TURLOOP. In Control of Power & Heating systems, Zlín, 2002. [7] Čermá, J., Petera, V., Závora, J.: Dynamia regulovaných soustav v teelné energetice a chemii. Academia, Praha, 1968. [8] Doumentace SIMULINK. [9] Duše, F.: MATLAB a SIMULINK, úvod do oužívání. Univerzita Pardubice, 2000. [10] Hanuš, B., Olehla, M., Modrlá, O.: Číslicová regulace technologicých rocesů. VUTIUM, Brno, 2000. [11] Hill, P., Michele, F., Vašáto, J.: Parní a lynové turbíny. Interní doument ABB ENS, Brno, 1998. [12] Hlouše, J. a ol.: Termomechania. srita VUT Brno, 1992. [13] Hotmar, P., Kual, J.: Stabilizace nelineárních systémů. Sborní onference MATLAB 2003, Praha 2003. [14] IEEE committee reort, Dynamic models for steam and hydro turbines in ower system studies IEEE Transactions and Aaratus and Systems, Vol. PAS-92, No6, 1973,.1904-1915. [15] Jícha, M.: Přenos tela a láty. CERM, Brno, 2001. [16] Kadrnoža, J., Ochrana, L.: Telárenství. CERM, Brno, 2001. [17] Kadrnoža, J.: Loatové stroje. CERM, Brno, 2003. [18] Kalčí, J., Sýora, K.: Technicá termomechania. Academia, Praha 1973. [19] Kostyu, A., Frolov, V.: Steam and Gas Turbines. Mir Publishers, Moscow, 1988. [20] Kousal, M.: Salovací turbíny. Praha, SNTL, 1980 [21] Krbe, J., Ochrana, L., Polesný B.: Průmyslová energetia. srita VUT Brno, 1996. [22] Nosievič, P.: Modelování a identifiace systémů. MONTANEX, Ostrava, 1999. [23] Polesný, B. a ol.: Termodynamicá data ro výočet teelných a jaderných zařízení. Sritum VUT Brno, 1990. [24] Ščegljajev, A. V.: Parní turbíny. Česý řelad. Praha, SNTL, 1983. [25] Vašáto, J., Sousedí, A.: Metodia sestavení matematicého modelu arní turbíny jao objetu řízení. Strojírenství, 39, 1989, č.8, 472 477. [26] Vašáto, J.: Matematicý model arní turbíny a návrh eletrohydraulicého regulačního systému arních turbín I.BZKG. Disertační ráce, Brno, 1982. 29
10 Vlastní ubliace v oboru Cídl, J.: Regulace teloty řehřáté áry vstřiem vody. In Control of Power & Heating systems, Zlín, 2002. Cídl, J., Vašáto, J.: Řídící systém arních turbín TURLOOP. In Control of Power & Heating systems, Zlín, 2002. Cídl, J.: Matematicý model arní turbíny s otlačeným vauem. In Riadenie v energetie 04, Štrbsé leso, 2004 (v tisu). Cídl, J.: Řídící systém arních turbín TURLOOP 3. In Riadenie v energetie 04, Štrbsé leso, 2004 (v tisu). 30
CURRICULUM VITAE Jiří Cídl, Ing. Narozen: 9.1.1966 v Brně Vzdělání: 1980 1984 Střední růmyslová šola strojnicá uončená maturitní zoušou 1984 1990 VUT Brno, Faulta strojní, obor Přístrojová, automatizační a regulační technia 1994 VUT Brno, Faulta strojní, secializační studium v oboru Teelné a jaderné stroje a zařízení, secializace Moderní směry v telárenství Odborná raxe: 1993 1995 Zaměstnán v ORGREZ a.s. Brno, Divize teelné techniy a chemie jao techni 1995 1999 Zaměstnán v BCS Engineering a.s. jao rojetant ASŘTP, ozději jao samostatný rojetant ASŘTP 1998 Zušební techni řídících systémů arních turbín v Indii 1999 2003 Zaměstnán v ABB ENS s.r.o., od rou 2000 ALSTOM Power s.r.o. ostuně jao samostatný rojetant řídících systémů, od listoadu 2000 jao vedoucí suiny řídících systémů. 2000 Uvádění do rovozu řídícího systému salovny omunálních odadů Bolton (UK) nejvíce automatizovaná strojovna ve Velé Britanii Od r. 2002 Člen mezinárodního vývojového týmu ALSTOM, nyní Siemens ro řídící systémy Od r. 2002 Vývoj nového řídícího systému arních růmyslových turbín Turloo 3 31
Summary A newly develoed mathematical model of the steam turbine with a suressed vacuum, used in district heating lants in a recent time, is the main contribution of the Thesis. Another contribution is a simulation of the steam turbine as an object of the control using Matlab Simulin. Program, which has been develoed, will be used for testing of the steam turbine control systems by simulation of the steam turbine on a PC. In case of testing of the digital controllers without using of the real lant, it is necessary to have the mathematical model of the controlled lant. The contribution of the mathematical model of the steam turbine in Matlab Simulin is imroving testing of the steam turbine control systems in a worsho and consequently reducing commissioning time and also commissioning cost. The main art of the Thesis is dedicated to develoing of the matematical model of the steam turbine with a suressed vacuum. The method of mathematical hysical analysis has been used for designing of the model of the rocesses in a heat exchanger. Taing into account some simlified remises it is ossible to consider the heat exchanger as a system with concentrated arameters and result is system of three differential equations describing relations among outut water temerature, inlet water temerature, water flow and steam conditions (temerature res. ressure and flow). The mathematical model of the heat exchanger resects heat caacity of the heat exchanger tubes and also mechanical design of the heat exchanger and dynamic behaviour of the steam in a saturated state accumulated in volumes of outut art of the turbine, crossover iing and heat exchanger. Two configuratins of the steam turbine simulator have been designed in the last art of the Thesis. The first one is dedicated to testing of control systems in a worsho, the second one is dedicated to training of oerating staff of the steam turbines. Both configurations are designed with resect to the software used by Demag Delaval Industrial Turbomachinery s.r.o. Brno and the highest flexibility of the simulator. As all aims of the Thesis described in a chater 2.1 have been achieved, I believe, that this Thesis will be technical and also economical contribution for Demag Delaval Industrial Turbomachinery s.r.o comany as a steam turbine manufacturer. It can be also said, that these Theses are theoretical contribution because of designed mathematical model of the steam turbine with suressed vacuum, mainly is here develoed equation described rocess of accumulation of saturated steam. 32