Elektrárny A1M15ENY
přednáška č. 8 Jan Špetlík
[email protected] - v předmětu emailu „ENY”
Katedra elektroenergetiky, Fakulta elektrotechniky ČVUT, Technická 2, 166 27 Praha 6
První případ bez přihřívání:
p2 T2
p2 = 12 MPa T2 = 530 °C ⇓ i2 = 3429 kJ.kg -1 s2 = 6,591 kJ.K -1.kg -1
p5
Známe s do dalšího děje:
s5 = 6,591 kJ.K -1.kg -1 p5 = 3,5 kPa ⇓ T5 = 27 °C i5 = 1971 kJ.kg -1
Známe T do dalšího děje:
T1 = 27 °C x = 0 (kondenzace) ⇓ i1 = 111,8 kJ.kg -1 s1 = 0,3906 kJ.K -1.kg -1
Celková účinnost bude tedy:
i2 − i5 − ( p2 − p1 ) .v = η= i2 − i1 − ( p2 − p1 ) .v
3429 − 1971 − 1, 2.104.0, 001 = = 4 3429 − 111,8 − 1, 2.10 .0,001 1446 = = 43, 7% 3305
p2 T2
Druhý případ s přihříváním:
p3 = 2,3 MPa s3 = 6,591 kJ.K -1.kg -1 ⇓ i3 = 2959 kJ.kg -1 T3 = 277 °C
p3 T4
Známe p,T do dalšího děje:
p4 = 2,3 MPa T4 = 480 °C ⇓ i4 = 3420 kJ.kg -1 s4 = 7,308 kJ.K -1.kg -1
Známe s do dalšího děje:
s5' = 7,308 kJ.K .kg p5' = 3,5 kPa ⇓ i5' = 2186 kJ.kg -1 T5' = 27 °C -1
-1
Celková účinnost bude tedy:
η=
i2 − i5' + i4 − i3 − ( p2 − p1 ) .v = i2 − i1 + i4 − i3 − ( p2 − p1 ) .v
3429 − 2186 + 3420 − 2959 − 12 = = 3429 − 111,8 + 3420 − 2959 − 12 1701 = = 45, 2% 3766
p5' = p5
Okruh páry a napájecí vody buben
pára napájecí voda topná voda chladící voda vzduch
rychlozávěrný ventil (RZV)
KOTEL
přihřívák
TURBÍNA bypass
přehříváky
dýzový regulační ventil
NT VT
ST
ekonomizéry
vývěva (VY)
várnice
(EKO)
hořák
topný okruh odplyňovák
VTO výtlak napáječky
napáječka (EN)
TG
odběr NTO
nádrž napájecí vody (NNV) sběrná nádrž kondenzátu (SNK)
chladící okruh kondenzátor kondenzátní čerpadlo (KOČ)
Turbíny Podle pracovní látky: -
Plynové (plynná nebo kapalná paliva, vst. teplota 600-1400°C, výst. teplota 450-600°C) Parní (přehřátá pára, vst. teplota 400-650°C, výst. teplota 28-42°C) Parní na mokrou páru (v JE, vst. teplota 300°C, výst. teplota dtto)
Podle tlaku výstupní páry: -
Protitlaké turbíny (výst. tlak 0,11-0,6MPa) Kondenzační turbíny (výst. tlak 0,11-0,6MPa)
Podle odběrů páry: -
Turbína s neregulovanými odběry (pro regeneraci, ucpávková pára atd.) Turbína s regulovanými odběry (kromě výše uvedených odběrů ještě navíc jeden nebo více regulovaných teplárenských odběrů)
Podle počtu těles: -
Jednotělesové (pro menší výkony) Vícetělesové (VT, ST, NT díly)
Turbíny Podle principu funkce: -
-
Rovnotlaké (impulsní) (entalpický spád stupně se celý přemění na rychlost v rozváděcích lopatkách, tlak páry je na vstupu i výstupu oběžného kola stejný) Přetlakové (reakční) (část entalpického spádu se přemění na rychlost i v oběžných kolech)
Příklad rovnotlaké turbíny
Příklad přetlakové turbíny
Turbíny Princip funkce: Každý stupeň turbíny je tvořen: - Rozváděcími koly tj. pevnou rozváděcí lopatkovou mříží (součást statoru) = soustava paralelních trysek, které s minimálními ztrátami přeměňují tlakovou energii na energii kinetickou - Oběžnými koly tj soustavou lopatek (součást rotoru), kde se kinetická energie páry přeměňuje na rotační energii turbínového tělesa Výtoková rychlost za rozváděcí tryskou: Obecně platí:
dq = di + da + d ( 12 c 2 )
Pro adiabatickou expanzi:
0 = di + d ( 12 c 2 )
a
c1 = c02 + 2. ( i0 − i1 )
Ve skutečnosti není děj adiabatický, entropie stoupá např. okrajovou ztrátou, třením v rozváděcích a oběžných kolech, změnou směru proudění apod.
i
i0 Δiid
p0 Δi1
p1 iid
i1 s
Turbíny
Výtoková rychlost pro c0=0, dosazení ze stavové rovnice:
⎛ T1 ⎞ 2 ⋅κ .r.T0 . ⎜1 − ⎟ = c1 = 2. ( i0 − i1 ) = 2.cP . (T0 − T1 ) = κ −1 ⎝ T0 ⎠ κ −1 ⎡ ⎤ κ ⎛p ⎞ 2 ⋅κ = ⋅ p0 ⋅ v0 ⋅ ⎢1 − ⎜ 1 ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ p0 ⎠ ⎥ κ −1 ⎢⎣ ⎥⎦
Saint Vénantova-Wantzelova rovnice
Max. rychlost proudění id. plynu je tedy do vakua p1=0:
2 ⋅κ 2 ⋅κ ⋅ p0 ⋅ v0 = .r.T0 κ −1 κ −1 p1 Tlakový poměr: β = p0 c1max =
-1
-2
Zavedeme-li hustotu hmotnostního toku [kg.s .m ] : κ −1 ⎡ ⎤ m 1 κ1 2 ⋅ κ κ = ρ .c1 = ⋅ β ⋅ ⋅ p0 ⋅ v0 ⋅ ⎢1 − β ⎥ A v0 κ −1 ⎣ ⎦
Turbíny Maximum hmotnostního toku nastává pro hodnotu:
⎛ 2 ⎞ βk = ⎜ ⎟ 1 κ + ⎝ ⎠
κ κ -1
pk = p0
kritický tlak
Při dalším snižování výstupního tlaku již hustota hmotnostního toku neroste.
Ostatní kritické parametry:
2 Tk = T0 . κ +1
2⋅ κ 2⋅ κ ck = ⋅ p0 ⋅ v0 = ⋅ r ⋅ T0 κ +1 κ +1
Rychlost zvuku v id. plynu:
⎛ ∂p ⎞ a = ⎜ ⎟ = κ ⋅ r ⋅T ⎝ ∂ρ ⎠s
a tedy
a T =T = κ ⋅ r ⋅ Tk = κ ⋅ p0 ⋅ v0 ⋅βk
κ−1 κ
k
Ve zužující se trysce po dosažení kritických parametrů k dalšímu zvyšování rychlosti už nedochází – dojde k aerodynamickému zahlcení. Část tlakové energie se ztrácí vířením => pro další navyšování rychlosti je nutné použít Lavalovu trysku.
c Machovo číslo: Ma = a
Ma>1 nadzvukové proudění Ma<1 podzvukové proudění
Lavalova tryska
= ck
Turbíny Průběhy:
Hodnoty βk:
βk Ma>1
Ma<1
βk
ρ .c
cmax
c
ck = ak a
Plyn
0,487
ideální jednoatomový
0,528
ideální dvouatomový
0,540
ideální tříatomový
0,53
vzduch
0,55
přehřátá pára
0,58
sytá pára
β
Ve skutečnosti nastávají při průtoku tryskou ztráty třením a vířením, takže výstupní rychlost je menší než adiabatická, což se vyjadřuje rychlostním součinitelem:
c1 ϕ= cid
a účinností trysky:
i0 − i1 η=ϕ = i0 − iid 2
Rovnotlaká turbína:
Turbíny Oběžná kola:
meziprostor emisní pára
admisní pára
rozvodová kola oběžná kola
rovnotlaká turbína
reakční turbína
Reakční turbína: hřídel
c1r p0
p1r = p1o
p1r ckond pkond
c0 c1o
p0 c 1r
p1o ckond
c0 c1o
pkond
Turbíny Stupeň reakce: U reakčních turbín definujeme stupeň reakce:
R=
i0 − i1r entalpický spád v rotoru = i0 − i1 celkový entalpický spád stupně
Kroutící moment a výkon stupně: Pracovní látka vystupující z trysek rozváděcích lopatek s rychlostí c1r vstupuje do lopatkové mříže oběžného kola, kde se přeměňuje její kinetická energie na kroutící moment. V oběžných lopatkách vzniká obvodová síla:
( c1r − c1o ) Fo = m.
a kroutící moment:
( c1r − c1o ) .r M o = Fo ,r = m.
takže výkon stupně je:
( c1r .uo1 − c1o .uo 2 ) Po = M o .ω = m. kde
uo1 ,uo 2 jsou příslušné obvodové rychlosti
Olej a systém ucpávkové páry turbíny Olej: Dvě funkce: - Mazací olej slouží k mazání ložisek turbosoustrojí - Rozvodový (regulační) olej pracovní olej pro regulaci turbíny – řídící veličinou je tlak oleje - Primární olej - otáčky turbíny - Sekundární olej - úhel otevření dýzových ventilů - Rychlozávěrný olej - Ovládací olej - regulace prvků turbíny
Ucpávková pára: -
Do podtlakové části turbíny vniká netěsnostmi vzduch a z přetlakové části uniká pára Pro zamezení tohoto efektu je každý díl turbínové části soustrojí vybaven labyrintovými ucpávkami napájenými parou o ST parametrech (tj. ~2 MPa) Ucpávková pára zahlcuje (nebo naopak je odsávána) ucpávku a tím zatěsní prostor mezi rotorem a statorem
Olej a systém ucpávkové páry turbíny pára napájecí voda chladící voda ucpávková pára olej
RZV
RV
admisní pára ucpávka ložisko
VT
ST
NT
TG
hřídel
olej pro mazání ložisek soustrojí emisní pára (do kondenzátoru)
nouzové ss čerpadlo (NOČ)
regulační olej
hlavní olejová nádrž (HON)
reg. teploty kondenzátor ucpávkové
páry (KUP) olejová čerpadla (OČ)
olejový chladič (OCH)
kondenzát do NTO
kondenzát z KOČ expandér
Kondenzace a regenerace NTO, VTO pára emisní pára napájecí voda chladící voda ucpávková pára olej
vývěva (VY)
chladící čerpadlo (CHČ) - chladička kanály chladící/oteplené vody
doplňování demineraliz. vody dávkování hydrazinu (odkysličení)
cirkulační/průtočné chlazení Nízkotlaká regenerace
kondenzátní čerpadlo (KOČ) - kondenzátka
kotel
KUP podchlazovač
chladič plynu alternátoru
Vysokotlaká regenerace VTO 2
OCH
VTO 1
NTO 3
NTO 4 Odpl.
EN
NNV SNK
NTO 2 NTO 1
Kotle Podle druhu paliva: -
Tuhé (uhlí, koks, biomasa, odpady) Plynné (zemní plyn) Kapalné (LTO)
Podle tlaku výstupní páry: -
Nízkotlaké (výst. tlak do 1,6 MPa) Středotlaké (výst. tlak 1,6-5 MPa) Vysokotlaké (výst. tlak 5-13 MPa) Velmi vysokotlaké (výst. tlak 13-22,5 MPa) Nadkritické (výst. tlak nad 22,5 MPa)
Podle typu výparníku: -
Kotle s přirozeným oběhem vody (strmotrubné) Kotle s vnuceným oběhem vody (La Mont) Kotle průtočné (Sulzer, Benson) Kotle plamencové (přestup tepla přes vlnité plechy) Kotle žárotubné (spaliny proudí trubkami)
}
kotle s malým obsahem vody
}
kotle s velkým obsahem vody
Kotle Podle typu spalovacího zařízení: -
Roštové (pro menší výkony) Práškové (granulační – várnice na stěnách, výtavné – várnice i po dně) Fluidní (méně citlivý na změnu paliva, odsíření přímo v kotli)
Roštové kotle:
Základní části: - spalovací prostor vymezený stěnami - rošt s palivovou násypkou, hradítkem, škvárovým jízkem a výsypkou - zařízení pro přívod spalovacího vzduchu Základní části roštu : - nosná konstrukce (roštnice) - hnací ústrojí (u mechanických roštů) Pro elektrárenské aplikace vyhovuje rošt posuvný
Kotle Roštové kotle:
délka sušení účinná délka roštu délka dohoření celková délka roštu
Hrubá plocha roštu:
Sr =
m pal ⋅ Qn qr
m pal [kg.s-1 ] Qn [MJ.kg -1 ] qr [MW.m-2 ] a,L [m]
= a ⋅ L [m2 ]
spalované množství paliva výhřevnost paliva střední jmenocitý tepelný výkon roštu ≈ 0,7-1,6 MW.m -2 šířka, délka roštu
Doba spalování u roštových kotlů: desítky minut
Kotle Práškové kotle:
Pro spalování hnědého/černého uhlí jsou kotle vybaveny spalovacím zařízením s tlukadlovými mlýny a přímým foukáním prášku Kotle mají velký regulační rozsah bez použití stabilizace (LTO). Práškové kotle se stavějí od cca 50 t/h. Doba spalování u práškových kotlů: 1-3s
Kotle Fluidní kotle: Využívají vznosu, který vzniká vháněním spalovacího vzduchu ze spodu kotle do vrstvy zrnitého odpadu. Vznikne tak fluidní vrstva s velkým reakčním povrchem a velmi intenzivním průběhem spalování v celé vrstvě. Takto lze spalovat kapalný i pevný odpad (nadrcený nebo rozemletý na stejnou zrnitost). Fluidní spalování je vhodné pro odpady s vyšším obsahem síry, neboť produkty jejího hoření lze s výhodou zachycovat prostřednictvím mletého vápna nebo vápence přidaného do spalovaného odpadu. Nelze naopak použít pro spékavé odpady, které způsobují slinování fluidní vrstvy. Podle technologie fluidní vrstvy dělíme fluidní kotle na: -
Kotle s vířícím ložem (Bubbling Fluidized Bed BFB) Kotle s cirkulujícím ložem (Circulating Fluidized Bed - CFB)
Vzhledem k požadavkům na odsiřování je dnes CFB vpodstatě jedinou alternativou pro hnědouhelné elektrárny větších výkonů fluidní kotel CFB
Kotle Fluidní kotel CFB: separátor membránový cyklón
spalovací komora
fluidní lože
dávkování/odběr ložového popela / písku
Kotle – hydraulická část Tlakové ztráty: Cílem je určit tlakové poměry v kotli nutných pro správné dimenzování napájecího čerpadla. Celková tlaková ztráta je dána součtem dílcích ztrát:
Δp = Δpt + Δpm ± Δph ± Δpd tření v potrubí místní odpory (nátoky, výtoky, kolena...)
Voda:
Δpt = λ.
l d ekv
součinitel tření
Pára:
p ρ= r.T
c2 . .ρ 2
dynamický tlakový spád
hydrostatický tlak
Spec. pro laminární proudění:
64 λ= Re
1 m 4.m c= . = ρ A π.d 2 .ρ
Re = Reynoldsovo č.
kinematická viskozita
16 m 2 r.T Δpt = p1 − p1 − 2 .λ. 5 . .l d ρ π
Trubkový výparník (várnice): Složitější popis, aproximuje se pomocí kubické rovnice:
A 3 Δpt = .m − B.m 3 + C.Q.m Q
c.d ν
A,B,C
konstanty
Kotle – hydraulická část Hydrostatický tlak:
Místní odpory:
Δpm = ∑ ζ m .
2
c .ρ 2
Δph = Δh.ρ.g
Dynamický tlak:
ρ1 .c12 ρ2 .c22 Δpd = − 2 2
součinitel místních odporů
Přirozený oběh, oběhové číslo: Tlakové ztráty vyvolané prouděním vody/páry ve várnici jsou funkcí rychlosti
Δpzc = Δpt + Δpm = f zc ( c )
Rozdílem hydrostatických tlaků vzniká ve várnici statický přetlak
Δpsp = h.ρ1 .g − h.ρ2 .g = f sp ( c )
Dimenzování přirozeného oběhu se provádí tak, že se najde taková hodnota * rychlosti vody na vstupu do várnice c , že
f zc ( c* ) = f sp ( c* )
Oběhové číslo se definuje jako
m O= z m v
hmotnostní průtok v zavodňovacích trubkách hmotnostní průtok výparníku
Oběhové číslo se mění podle průtoku páry, jmenovité oběhové číslo bývá pro velké kotle 6-8.
Buben:
Kotle – hydraulická část
Buben kotle je silnostěnné válcové těleso (tloušťka stěny je kolem 10 cm) o průměru cca 1 m, umístěné v horní partii předního tahu kotle. Do spodní části bubnu jsou zaústěny varné a do horní přehřívákové trubky. Hladina vody v bubnu je rozhraní mezi dvěma stavy vody. Tuto hladinu je potřeba udržovat na stálé výši, cca uprostřed tělesa bubnu. Do varných trubek se nesmí dostat pára a do přehřívákových voda!
H
J
I
K L
G
F M E
N
max. norm.
cyklon
D
cyklon
min.
O
3 x 50
C
P
B A - odvodnění bubnu B,R - zavodňovací trubky C,D - várnice pravé strany E,F - várnice přední stěny G - napájení bubnu
A
R H - pojišťovací ventily I,K,L - parovody k PK 1 J - alkalizace M,N - várnice levé strany O,P - várnice zadní stěny
