POPTÁVKA - Modernizace Zkušebního Stavu - Plynové Spalovací Komory Technická specifikace Odběratel: Kontakt : PBS Turbo s. r. o. Ing. Tomáš Březina Vlkovská 279 Telefon: +420 566 822 258, Zkušebna PBS Turbo Fax: +420 566 822 272 Tomas.brezina@pbsturbo.eu 1. AKTUÁLNÍ STAV 1.1 Popis současné funkce zkušební stolice Zkušební stolice je soustava potrubních okruhů, připojovacích potrubí, desky pro uložení turbodmychadla a spalovací komory která slouží ke generování horkých plynů k pohánění turbodmychadel při vývojových testech a testech sériových turbodmychadel (TBD) PBS Turbo (PBST). Při testech lze pak TBD v měřícím okruhu a provozovat v libovolných režimech od minimálních až po ty maximální výkony a ověřovat tak jednotlivé komponenty TBD. Technologické schéma (viz Figure 1 ) je zkušební stolice 04 pro zkoušky dmychadel v jednostupňovém uspořádání (pouze jedno TBD) složené z hlavních komponent jako spalovací komora (HGG- Hot Gas Generator), okruhový ventil (V1A/B), ventily odpouštění vzduchu (V2A/B/C), ventil externího (přídavného) vzduchu (V3), čerpadlo pro přívod paliva do spalovací komory, olejový mazací okruh tlakového oleje pro mazání ložisek TBD, chladící voda pro chlazení kritických komponent TBD, měřící clony. Základním cílem měření je získat celkový přehled o výkonech dmychadla, účinnostech a pracovních hranicích TBD. Výsledkem měření je pak kompresorová, turbínová a celková charakteristika (viz Figure 2, Figure 3 ). Tyto charakteristiky vznikají postupným provozováním na jednotlivých bodech křivek konstantních rychlostí (u red v rozmezí 200-590m/s). Operátor sleduje online provozní bod dmychadla v kompresorové mapě a nastavuje tyto body od meze ucpání (pravá část) až po mez pumpování (levá část). Vytvoří se většinou 4-5 bodů, které se poté následných zpracováním dat propojí a vytvoří se tak jednotlivé linie na konstantních redukovaných rychlostech. Pracovních bodů operátor dosahuje kombinací nastavení jednotlivých ventilů. Tedy. Bod 1: Kompresor je na mezi pumpování a při dalším uzavírání ventilu V1A/B dojde ke zpětnému toku stlačeného vzduchu přes do sání kompresoru. Při pumpování dochází k tlakovým rázům v potrubí a tedy kolísání množství vzduchu na spalovací komoru. Operátor v tomto případě neprodleně otevírá ventil V1A/B, tak aby dostal TBD zpět do stabilní oblasti. Operátor tedy režim na mezi pumpování docílí uzavíráním ventilu V1A/B (simulace odporu motoru). Udržení na požadovaných otáčkách u red dociluje změnou množství paliva. Ostatní ventily jsou uzavřené, mimo případ, kdy je množství z kompresoru natolik malé (dané specifikací průtočných částí turbína vs. Kompresor), že je nutné přidávat externí vzduch ventilem V3 a docílit tak nižší teploty spalin generované spalovací komorou, aby nebyla překročena max. dovolenoá teplota před turbínou. Bod 2: Kompresor je na mezi ucpání a už nelze okruhem protlačit větší množství vzduchu z důvodu propustnosti turbínové strany TBD, ztrátou v měřícím potrubí, cloně nebo spalovací komoře. V tomto režimu je ventil V1A/B plně otevřen a ostatní ventily zavřeny, mimo režim, kdy je možné ješte dosáhnout širší charakteristiky otevřením ventilu pro odpouštění z měřícího okruhu V2A/B/C až po max. dovolenou teplotu před turbínou (za HGG) Bod 3: standardní režim (bootstrap), kdy je V1A/B v mezi poloze a simuluje odpor motoru. Všechny ostatní ventily jsou uzavřeny. Page1/19
Figure 1 - Technologické schéma stávajícího zkušebního stavu v jednostupňovém uspořádání Page 2 ( from 19 )
Speciálně navržená měřící místa teplot tlaku, otáček vibrací atd. jsou osazena přímo převodníky nebo jsou výstupy z měřeného místa impulsním potrubím přivedeny na vstupy měřící ústředny (umístěné v místnosti operátora) a dále zpracovány měřícím SW AULA. Blokové schéma měření a řízení zkušebního stavu Figure 11 Surge line / mez pumpování Point 1 (close to surging) Bod 1 (blízko pumpování) Noise Area / Oblast Šumu Point 3 (bootstrap run) Bod 3 (běh v okruhu) Point 2 (choke area ) Bod 2 (mez ucpání) Figure 2 - Příklad kompresorové charakteristiky Page 3 ( from 19 )
Figure 3 - Příklad charakteristiky TBD a charakteristiky turbíny Popis jednotlivých celků zkušebního boxu Čerpadlo paliva slouží pro dodávku paliva do trysek spalovací komory. V případě plynové spalovací komory se jedná o napojení do sítě zemního plynu o tlaku cca 16barg Měřící clona zařízení sloužící k měření průtoku plynu a nastavování režimů TBD. Měřící body TnT, TvT, TnV, TvV, PnT, PvT, PnV, PvV.atd. - speciální měřící potrubní díly opatřené odběrnými místy a dále převodníky pro měření termodynamických parametrů TBD a současně sloužící pro řízení spalovací komory a tím i režimů TBD. Pro měření teplot jsou využívány termočlánky typu K ve třídě přesnosti I. S kalibrační křivkou. Ventil odpouštění vzduchu, okruhový ventil a ventil externího vzduchu slouží pro řízení režimu TBD, tedy omezovaní průtoku vzduchu produkovaného kompresorem a tím i jeho stlačení. Kombinací nastavení těchto ventilů se nastavují mezní režimy TBD a simuluje se tak skutečný motor. Komín/Tlumič zařízení zajišťující odvod expandovaného plynu (spalin) z turbíny do atmosféry. Současně snižuje produkovaný hluk na povolenou hodnotu. Olejový Agregát / mazací olej souží dodávce tlakového oleje pro mazání kluzných ložisek TBD. Pro velikost TBD vyráběné v PBST je to cca 150-4500l/h při teplotách 30-120 C a tlaku 0,5-6,0barg. Chladící Agregát / chladící voda souží dodávce chladící kapaliny s inhibitorem pro chlazení ložiskové případně turbínové/kompresorové skříně TBD Pro velikost TBD vyráběné v PBST je to cca 50-2500l/h při teplotách 30-95 C a tlaku 0,5-3,0barg. Spalovací komora je součástí každého z 10ti zkušebnách stavů zaměřených na některé z následující zkoušek Ověřování bezpečnosti TBD - Zkoušky související z požadavky norem na bezpečnost točivých strojů. Účelem zkoušky je reálně ověřit chování dmychadla po roztržení kompresorového nebo turbínového kola za definovaných podmínek a to zejména s ohledem na integritu vnějšího povrchu skříní TBD a uniku rotujících částí mimo prostor TBD. Termodynamické zkoušky TBD -Jde o velice komplexní záznam provozních parametrů TBD. Sledují se hodnoty všech vstupních i výstupních médií, které souvisejí s provozem TBD. Z těchto hodnot sw vypočítává kompletní charakteristiku TBD. Výstupem pak jsou průtokové charakteristiky, u činnostní profily atd. Figure 2, Figure 3 Page 4 ( from 19 )
Funkční zkoušky - Cílem těchto testů je ověřit funkčnost a spolehlivost turbodmychadla ještě předtím, něž je doručeno zákazníkovi. Během zkoušky se TBD provozuje v oblasti nejvyšší účinnosti, která je definována návrhovým bodem. Po dosažení tohoto bodu operátor ověří hodnotu reálné účinnosti stroje, která musí byt rovna nebo vyšší minimální předepsané pro danou specifikaci TBD. Během zkoušky je dosaženo maximálních provozních parametrů (otáčky rotoru a teplota před turbínou). Vývoj ložiskových uložení - zkoušky pro ověření nových konstrukčních řešení ložiskových uložení kluzných ložisek. Ověřování životnosti TBD-zcela zásadní životností a dlouhodobá zkouška umožňující uvěřit chování TBD (těsnost, materiálová životnost, zanášení atd.) ještě před odesláním na prototypové zkoušky. Měření povrchových teplot TBD - Při těchto zkouškách se ověřuje správná funkce izolace turbodmychadla. Pomocí termokamery se hledají nejteplejší místa na vnějším povrchu izolace, která se následně přesně doměří dotykovým teploměrem. Maximální povolená provozní teplota je 220 C. Tato hodnota je stanovena s ohledem na bezpečnost provozu TBD. Měření hluku TBD-Měření pro stanovení hladiny akustického tlaku při různých provozních režimech TBD. Výstupem z toho měření pak může byt konstrukční úprava sacího filtru pro snížení hlučnosti celé sestavy. Měření vibrací a jejich spekter Měření identifikující kritické uzly a potenciální iniciátory poruch TBD., včetně nalezení vlastních frekvencí a kritických otáček. Figure 4 - Současná místnost operátora a zkušebního stavu se spalovací komorou na letecký petrolej JET-A1 Page 5 ( from 19 )
1.2 Stavební dispozice zkušebního boxu Figure 5 - Stavební dispozice zkušebního boxu Page 6 ( from 19 )
Figure 6 - Stavební dispozice zkušebního boxu (potrubí) Page 7 ( from 19 )
Gas Pipeline connection Figure 7 Budova zkušebny Page 8 ( from 19 )
Chimney/komín tlumič hluku V2C V1B V2A V1A V2B Compressor outlet Výstup kompresoru Figure 8 - Stavební dispozice zkušebního boxu (3D) 1.3 Konstrukce/princip současné Spalovací komory na petrolej Ke generování horkých plynů (spaliny leteckého petroleje JET-A1) k pohonu turbodmychadel (TBD) se na zkušebně používají letecké spalovací komory. Spalovací komora se skládá z vnějšího pláště Nerezový plech 321H (1.4940), tl. 4mm a plamence. (MIG15 motor VK1), vstřikovací trysky (MIG15/VK01). K zapálení směsi petroleje a vzduchu dojde prostřednictvím zapalovací svíčky 5. Na následujícím obrázku je spalovací komora v řezu se základními rozměry. Příruby 1,2 a spojovací materiál z nerezi s teplotní odolností do 700 C. Page 9 ( from 19 )
+-+* Figure 9 - Konstrukce spalovací komory na petrolej Page 10 ( from 19 )
2. TECHNICKÁ SPECIFIKACE NOVÉ PLYNOVÉ SPALOVACÍ KOMORY (HGG- HOT GAS GENERATOR) 2.1 Základní provozní režimy Startovací sekvence plynová spalovací komora (HGG) automaticky nastartuje na navolený výkon v bootstrap módu (uzavřený měřící okruh). S využitím externího vzduchu pomocného šroubového kompresoru. Parametry viz kapitola 3 Řídící systém (ŘS) plynové spalovací komory zabezpečí všechny nutné kroky k bezpečnému startu spalovací komory a uvede TBD na volnoběžné otáčky. Manuální režim operátor ovládá výkon spalovací komory přidáváním ubíráním výkonu tlačítky manuálně. Automatický režim operátor navolí řežim regulace na redukované otáčky ( poskytované systémem AULA), a ventilem V1A/B nastavuje požadovanou polohu pracovního bodu na redukované rychlosti. Režim respektuje všechny popsané provozní stavy, limitní provozní a bezpečnostní hranice popsané výše pro petrolejovou spalovací komoru Operátor nastavuje i mezní body na hranici pumpování (TBD může krátce několikrát pumpovat) a na mezi aerodynamického ucpání otevřením ventilu odfuku V2A/B/C. ŘS HGG zajišťuje limitní regulaci na max. dovolenou teplotu a tlak generovaných plynů. Režim Cyklování operátor přes rozhraní definuje parametry cyklu. Pomocí ventilů nastaví požadovaný pracovní bod TBD (motorovou křivku). TBD je v tomto režimu provozováno střídavě ve dvou stavech. Cyklus nahoře Otáčky TBD 0-100000RPM Teplota za HGG 0-750 C Doba setrvání 0-600sec Rychlost přestavení otáček 0-600sec Rychlost přestavení teploty 0-600sec (max. gradient 10 C/s) Cyklus dole Otáčky TBD 0-100000RPM Teplota za HGG 0-750 C Doba setrvání 0-600sec Rychlost přestavení otáček 0-600sec Rychlost přestavení teploty 0-600sec Spalovací komora řídí výkon dle nastaveného cyklu. Při přestavení z nízkého cyklu na vysoký nejprve reguluje na požadované otáčky a dále přestavuje teplotu na požadovanou a to případně i řízením ventilu pro dofukování nebo odfukovaní vzduchu V2A a V3. Při cyklu dolu má přednost nastavení teploty a pak případně otáčky. Během cyklu se mění tepelný výkon HGG v rozsahu cca 15-100% nominální hodnoty. 2.2 Sledování a vyhodnocení poruch/alarmů ŘS HGG v každém režimu zabezpečuje bezpečný chod spalovací komory a všech dalších zařízení tak aby byl splněn bezpečný provoz zkušební stolice Sledování digitálních a analogových mezních hodnoty systémem automatiky souvisejících s bezpečným chodem spalovací komory Reakce nebo poruchová hlášení Definice mezních hodnot a druhů reakcí volně definovatelné, Sledování mezních hodnot: specifické pro zkušebnu, program chodu a bod chodu, sledování změn provozního bodu Sledované hodnoty jsou všechny naměřené a výpočtové veličiny, jako např. otáčky, tlak, teplota, objemový/hmotnostní ok apod., jakož i pro systémy a zásobování a napájení. Všechny události jsou evidovány s hloubkou min. 1 měsíc Sledování úniku plynu Page 11 ( from 19 )
2.3 Rozsah dodávky Vzhledem ke komplexnosti celé dodávky není definován rozsah dodávky jako fixní a jako minimální a celkový rozsah je daný nabídnutým řešením, které musí vyhovovat platným předpisům a bezpečnému provozu. (strojní standardy, bezpečnostní a environmentální předpisy) 2.3.1 Nehmotné dodávky Kompletní projektová a výrobní dokumentace dle platných zákonů v České republice a to dokumentace musí pokrýt všechny nezbytné komponenty spalovací komory a systémy zajišťující bezpečný provoz spalovací komory tak aby byly dodrženy platné předpisy pro provoz takového zařízení v ČR Pokud není možné využít stávajících zařízení (ventily, snímače, převodníky atd.) je součástí projektu návrh na jejich výměnu, kterou zajistí objednatel. Vizualizaci zkušební stolice a všech měřených míst související s chodem spalovací komory včetně poloh ostatních ventilů související s měřeným okruhem TBD mimo jednotku chladící vody a jednotku mazacího oleje. Ve vizualizaci bude možné volit zkoušené dmychadlo tato volba zabezpečí výběr z přednastavených TBD (min, max. otáčky atd.), Nastavení všech parametrů v požadovaných režimech TBD, vizuální a akustický signál pro hlášení varovaní a případné odstavení HGG. Všechny měřené parametry související s provozem, řízením a zabezpečením HGG budou archivovány do souboru s volitelnou frekvencí (0,1-10sec) a to i min 5minut po výpadku proudu. Soubor bude zpracovatelný aplikací EXCEL Všechny SW aplikace budou provozovány pod Windows 7 a vyšší Součástí dodávky je zaškolení obsluhy a návod v elektronické a 2x v písemné podobě Dokumentaci skutečného stavu a Výchozí revize dodaného elektrozařízení Prohlášení o shodě na dodanou část. Certifikáty a technické údaje k důležitým komponentám zařízení 2.3.2 Minimální rozsah hmotných dodávek je Spalovací komora Přípojka plynu z definovaného místa připojení (viz obr Figure 7) Regulační a bezpečnostní ventily pro dávkování plynu do spalovací komory. Pro účely optimalizace regulace doporučujeme dva regulační ventily) Průtokoměr celkově plynu dodaného do spalovací komory (±0,5% z měřeného rozsahu, informace o průtoku do systému AULA datově nebo 0-10V). Pokud bude řešení hořáků vícestupňové, pak může být více průtokoměrů. Průtokoměr vzduchu spalovací komorou dodaného v bootstrap režimu kompresorem TBD (±0,5% z měřeného rozsahu, informace o průtoku do systému AULA datově nebo 0-10V, preferované je měřící zařízení V-cone). Průtokoměr vzduchu spalovací komorou dodaného z externího pomocného kompresoru (±0,5% z měřeného rozsahu, informace o průtoku do systému AULA datově nebo 0-10V). preferované je měřící zařízení V- cone). Zařízení (hlásiče, bezpečnostní ventily atd. ) zabezpečující chod spalovací komory s ohledem na použití plynu a EX zón. Konstrukce související s instalací komory do potrubního okruhu. Elektroinstalaci, kabeláž, stykače, jištění a rozvaděče pro řídící systém plynové spalovací komory pro všechna zařízení nabídnutého řešení. Page 12 ( from 19 )
Řídící a ochranný systém (PLC) umožňující ovládání výkonu spalovací komory ve výše definovaných režimech Integraci elektroinstalace do stávajících zařízení případně vlastních rozvaděčů. Komunikační rozhraní mezi stávajícím systémem AULA (měřící ústředna AULA musí mít přístup ke všem měřeným hodnotám průtoku. Řídící systém HGG může využívat měřených hodnot systémem AULA pokud je rychlost vyčítání hodnot pro tento systém dostatečná) Všechna další zařízení nutná k provozu dle specifikovaných parametrů, režimů a k nutná k bezpečnému provozu. Emise hluku budou splňovat platné předpisy a normy v české republice. Page 13 ( from 19 )
Figure 10 - Blokové schéma z rozlišením minimálního rozsahu dodávky spalovací komory a příslušenství Page 14 ( from 19 )
Figure 11- Blokové schéma z rozlišením minimálního rozsahu dodávky měření a regulace Page 15 ( from 19 )
2.4 Parametry spalovací komory na plyn (HGG) Základní parametry spalovací komory jsou odvozeny z kompresorových charakteristik provozovaných dmychadel TCR14/TCR16/TCR18. Spalovací komora musí pokrýt minimálně rozsah definovaný v Table/Tabulka 1 - Požadované parametry spalovací komory a definice souviseních medií. Burner rig Spalovací komora min max unit Total Hot gases Mass flow Celkový Hmotnostní průtok 0,25 6,5 kg/s Hot gases Pressure (Abs.) Tlak (abs.) 100 700 kpa Temperature at output flange Teplota na výstupu komory 300 750 C Temperature deviation at output flange Maximální rozdíl teplot v rovině příruby ±50 C Burner rig capacity Výkon spalovací komory 150 3300 kw Net Natural Gas parameters Parametry zemního plynu v síti min max unit Absolute pressure Tlak plynu na vstupu SK 9,0 9,0 bara Net calorif. Value Výhřevnost 49300 49300 kj/kg density s.c. hustota 0,73 0,73 kg/m3 Combustion+mixing air (facility supply) Spalování + mixování vzduchu (dodávaný externí vzduch ) min max unit Pressure (abs.) Tlak (abs.) 300 850 kpa Temperature Teplota 20 C nom. Central burner mass flow Průtok centrálního hořáku x x kg/s Additional air Přídavný vzduch x x kg/s Combustion+mixing air (bootstrap) Spalování + mixování vzduchu (chod v uzavřeném okruhu) min max unit Pressure (abs.) Tlak (abs.) 100 700 kpa Temperature Teplota 50 300 C nom. total mass flow průtok 0,25 6,5 kg/s Pressure loss of HGG Tlaková ztráta spalovací komory min max unit Pressure loss between entrance of bootstrap air and outlet of hot gas at max hot gas mass flow / pressure Tlaková ztráty při chodu v uzavřeném okruhu (vstupní výstupní příruba) 0 20 kpa Dimension Rozměry unit Boot strap Air flanges Připojovací příruby pro "bootstrap" vzduch DN250 mm other flanges x mm width šířka x mm height výška x mm length délka x mm Noise level Hlučnost x Liftime Životnost unit Number of short time output temperature Počet rychlých změn výstupní teploty plynu z changes from min to max (cycle mode) per min. do max. (režim cyklování) za rok year 2000 - Number of operation hour per year Počet provozních hodin 1500 - Guaranty period Záruční doba 2 years Table/Tabulka 1 - Požadované parametry spalovací komory a definice souviseních medií Page 16 ( from 19 )
Spalovací komora musí pokrýt všechny definované režimy v předchozích kapitolách a dále pak provozní stavy zmíněné v kapitole 1.1 Popis současné funkce zkušební stolice Zástavba spalovací komory musí respektovat stavební dispozici zkušebny jak je popsáno v kapitole 1.2- Stavební dispozice zkušebního boxu Spalovací komora pokrývá definovaný pracovní rozsah definovaný v tabulce Table/Tabulka 1 - Požadované parametry spalovací komory a definice souviseních medií a současně pokrývá níže zobrazené pracovní body kompresoru viz Figure 12, Figure 13 Figure 12- Charakteristika kompresoru (specifikace průtočných částí pro min. průtok) Figure 13 -Charakteristika kompresoru (specifikace průtočných částí pro max. průtok) Page 17 ( from 19 )
2.5 Ostatní požadavky Součástí nabídky je Reference již realizovaných dodávek zařízení obdobného rozsahu Odhad servisních nákladů na 5let provozu při provozu definovaném v Table/Tabulka 1 Dodavatel akceptuje nákupní podmínky PBS Turbo Dodávka do 1.8.2015 Page 18 ( from 19 )
3. PARAMETRY DODÁVANÝCH MEDIÍ Owner Auxiliary Air Specification Ambient cond. 1 bar / 293 K Type max. working pressure (bar) m3/h PBST / TET Atlas Copco GA132 VSD FF / bez sušičky 9 1700 0,562 kg/s Page 19 ( from 19 )