Howden ČKD Compressors Stand pro vývoj kompresorových stupňů firmy. Jindra Kosprdová, Josef Kaplický, Ondřej Luňáček

Howden ČKD Compressors Stand pro vývoj kompresorových stupňů firmy Howden ČKD Compressors Jindra Kosprdová, Josef Kaplický, Ondřej Luňáček

© Howden Group 2013

Stand pro vývoj kompresorových stupňů

Dodávka zařízení dle požadavků zákazníka Radiální turbokompresory: •

Horizontálně dělené kompresory

•

Vertikálně dělené kompresory

•

Převodové kompresory

Další zařízení: •

Pístové kompresory

•

Elektromotory, generátory


2


Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka •

Typ 5 RMX 99

•

Sání z atmosféry

•

pv = 0.739 MPa; n = 6360 1/min; QN = 90 000 Nm3/hod; P = 12.5 MW


3


Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka •

Typ 4 RVA 88

•

Třítělesový kompresor pro stlačování pyrolýzního plynu

•

pv = 0.2526 MPa; n = 5885 1/min; m = 170 000 kg/hod; Psoustrojí = 26.8 MW


4


Stupeň radiálního turbokompresoru •

Oběžné kolo – difuzor – vratný kanál (výtlačná spirála)

•

Oběžná kola v rozsahu D2 = (120 – 1350) mm

Oběžné kolo

Difuzor

Vratný kanál © Howden Group 2013

5


Vývoj nové řady stupňů radiálních turbokompresorů •

Pokrytí rozsahu průtokových čísel FI0 = (0.0075 – 0.15)

•

Maximalizace účinnosti stupně

•

Maximalizace tlakového čísla

•

Dodržení požadavků na regulační rozsah

𝜙0 =

4𝑄0 𝜋𝐷22 𝑢2

𝜒𝑠 =

𝛥ℎ𝑠 𝑢22


6


Postup vývoje nové řady •

1D návrh – základní geometrické parametry (vstupní/výstupní úhel, výstupní šířka, vstupní průměry atd.), předpokládané charakteristiky

•

3D návrh – tvar lopatek oběžného kola i vratného kanálu, tvar krycí a nosné stěny, numerické simulace (CFD, FEM)

•

Experimentální ověření – výroba vzorku, projekt měření a návrh sond, osazení měřicí technikou, vyhodnocení měření

•

Na řešení spolupracuje mnoho útvarů HCKD (EZK, KKO, TPO, TRZ, VPR, …) i externích partnerů


7


FEM simulace namáhání oběžného kola •

FEM simulace v prostředí ANSYS Mechanical

•

Určení kritických míst a úprava návrhu pro snížení namáhání


8


CFD simulace průtočné části •

Simulace proudění média v průtočné části

•

Určení parametrů stupně v prostředí ANSYS CFX


9


Historie zkušebny ČKD •

70. a 80. léta 20. stol. – největší zkušebna ve střední Evropě

•

Stupně vyvíjeny ve spolupráci s SVÚSS Běchovice – DARINA


10


Historie zkušebny ČKD •

Přelom 20. a 21. stol. – zkušebna v areálu ČKD ve Vysočanech


11


Zkušebna pro vývoj kompresorových stupňů •

V roce 2013 dokončeno nové zkušební pracoviště pro vývoj stupňů

•

Areál Vědeckotechnického parku Plzeň – Borská pole

•

Spolupráce s výzkumným centrem Nové Technologie při ZČU


12


Zkušebna – návrh pracoviště •

Návrh zkušebního pracoviště byl řešen především s ohledem na:  Hlučnost zkušebního standu  Manipulační možnosti jeřábové dráhy  Dispozici sací a výtlačné měřicí trati


13



Možnosti jeřábu:  Max. výška háku nad zemí 2.6 m  Nosnost 5 tun  Jedno zdvihací zařízení


14



Hlučnost zkušebního dmychadla byla uvažována až 110 dB

•

Hmotnost tlumičů hluku na sání a na výtlaku 3.5 t

•

Demontovatelný akustický kryt


15



Trať pro měření průtoku na sání a výtlaku kompresoru dle ČSN EN ISO 5167

•

Rozsah průtoku řady vyvíjených stupňů V = (0.1 - 10) m3/s

•

Potrubí na sání DN450, na výtlaku DN400

•

Ve vertikální části výtlačného potrubí je umístěna regulační armatura


16


Zkušebna – vertikální řez


17


Zkušebna – dispozice


18


Zkušebna – návrh pracoviště


19


Zkušebna – provedení


20


Zkušební stand – základní parametry •

Universální zkušební dmychadlo s výměnnou vnitřní zástavbou průtočné části radiálního stupně s letmo uchyceným oběžným kolem o průměru 440 mm

•

Elektromotor s maximálním příkonem 1 200 kW, 400 V, jmenovité otáčky 3 600 ot/min, při jmenovité frekvenci 60 Hz, s kapalinovým chlazením

•

Frekvenční měnič v kombinaci s převodovkou, rozsah otáček testovaného stupně v rozmezí 4 500 – 16 500 ot/min


21


Zkušební dmychadlo – základní parametry • •

Výměnná průtočná část pro různá provedení radiálního stupně v provedení s bezlopatkovým i lopatkovým difuzorem, uvažováno se začleněním regulačních lopatek v sání a v difuzoru Stlačované médium vzduch, sání z atmosféry, maximální výtlačný tlak 300 kPa abs


22


Zkušební dmychadlo – dynamika rotoru •

Provoz dmychadla v širokém rozsahu otáček

•

Konstrukční úpravy pro zlepšení dynamiky rotoru


23


Zkušební dmychadlo – průtočná část •

Výměnná průtočná část se skládá ze sání dmychadla, oběžného kola a statorových částí

•

Statorové části – nosná, krycí a sací mezistěna, nosič ucpávek

•

Labyrintové ucpávky oběžného kola, hřídelová ucpávka


24


Elektromotor typ 5N 181-02HW •

1200 kW, 400 V, jmenovité otáčky 3 588 ot/min, při jmenovité frekvenci 60 Hz, jmenovitý proud 2029,3 A; cos f 0,89; IP 55

•

Kapalinové chlazení


25


Frekvenční měnič ACS800-37-1430-3 •

Výrobce ABB

•

V kombinaci s převodovkou zajišťuje požadovaný rozsah testovacích otáček zkušebního stupně v rozmezí 4450 – 16 500 ot/min

•

Maximální příkon P = 1 200 kW, maximální proud I = 2 814 A

•

Provedení Low harmonic drives, jemná kompenzace jalového proudu

•

Vzduchové chlazení (56 kW, 10 240 m3/hod)


26


Převodovka •

Výrobce WIKOV Gear - rychloběžná převodovka RUB 396 s čelními šikmými ozubenými koly

•

Příkon 1 200 kW; otáčky 4 450 – 16 500 1/min; převodový poměr 5.0344

•

Ložiska segmentová Waukesha

•

Z dispozičních důvodů šikmá dělící rovina


27


Olejové hospodářství •

Olejový blok umístěn mimo rám soustrojí

•

Obsahuje: – Olejovou nádrž – Provozní čerpadlo – Záložní zdroj – Chladič olej-chladicí kapalina – Olejový filtr

– Odvětrávací jednotka včetně filtru – Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur – Měření průtoku a teploty oleje ložisek dmychadla •

Zajišťuje potřebu oleje pro ložiska zkušebního tělesa, převodovky a elektromotoru

•

Olej turbínový VG 46 dle ISO, náplň 1 600 l


28


Pomocná zařízení •

Aparatura pro měření vibrací výrobce AURA Milevsko

•

Snímače absolutních a relativních vibrací hřídele dmychadla

•

Kompresor pro zafukování vnějších ucpávek Kaeser

•

UPS a frekvenční měnič pro pohon olejového čerpadla


29


Chladicí systém •

Chladicí okruh obsahující blok s ventilátorovým chladičem vzduch – chladicí kapalina umístěný na střeše budovy a druhý blok v hale – dodavatel ČKD PRAHA DIZ

•

Obsahuje: – Čerpadlo – Expanzní nádrž – Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur

•

Chladicí kapalina – nemrznoucí ekologická směs Friterm, uzavřený přetlakový systém

•

Okruh je dimenzován pro chlazení elektromotoru a mazacího oleje, náplň 1000 l


30


Řídicí systém • •

Řídicí systém Schneider electric řady TWIDO – 36 digitálních vstupů, 18 analogových výstupů Zdroj 24 V DC pro napájení PLC a sběr dat, napájení z UPS

•

Ovládání z rozvaděče ve strojovně ze 7,5“ barevného dotykového panelu, komunikace prostřednictvím Ethernetu Magelis GTO

•

Technologie ovládána prostřednictvím webového prohlížeče pro připojení k panelu Magelis GTO

• Operátorské stanoviště je umístěno ve velínu s prosklenou stěnou


31


Řídicí systém • Ovládání všech technologických zařízení zkušebního soustrojí • Provozní signalizace o stavu soustrojí včetně pomocných pohonů • Blokování startu, varovací signalizace a havarijní odstavení při výskytu nežádoucích stavů zkušebního soustrojí


32


Řídicí systém • Moduly Olej, Teploty, Vibrace, Chlazení


33


Provozní měření a signalizace Provozní měření: • Na rozdíl od experimentálního měření je zajištěno standardním vybavením pro provoz kompresorových zařízení • Zajišťuje ucelený přehled o stavu a provozu zařízení: - Soubor měření všech důležitých tlaků (média, oleje, chladicí směsi) - Soubor měření všech důležitých teplot (média, oleje, chladicí směsi, ložisek, vinutí elektromotoru atd.

Provozní signalizace: • Zajišťuje signalizaci chodu pomocných pohonů: - Ventilátorů chlazení - Pohonů olejového a vodního čerpadla

- Pohonu odsávaní olejových par z olejové nádrže • Polohy škrtící klapky na výtlaku v %


34


Protihlukový kryt • Výrobce Greif-akustika • Rozměry 9 705 x 6 405 x 2 190 mm • Celková plocha 133 m² • Hmotnost 6.9 tuny • Vstupní parametry: - hladina hluku soustrojí 110 dB - vyzařované teplo 30 kW

• Akustické parametry: - hladina hluku 1 m od krytu 65 dB až 80 dB - neprůzvučnost Rw = 30 dB


35


Tlumič hluku sání DN 600/PN 6 • Výrobce Greif-akustika • Rozměry 2 450 x 1 250 – 6 465 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg • Teplota vzduchu -20˚C až 32˚C • Filtrační komora pro 8 vložek FILTR KS PAK 25HF G3 • Tlaková ztráta 200 až 450 Pa • Hladina akustického tlaku LAeq 50 dB(A) 3 m od sání


36


Tlumič hluku výtlaku DN 600/PN 6 • Výrobce Greif-akustika • Rozměry 2 450 x 1 250 – 6 208 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg • Průtok 37 116 kg/h, vzduch max 130˚C • Tlaková ztráta cca 1 000 Pa • Hladina akustického tlaku LAeq 50 dB(A) 3 m od výdechu


37


Experimentální měření – provozní veličiny • Soubor dat vnějšího měření (frekvence z měniče, svorkový příkon elektromotoru, kroutící moment, otáčky dmychadla, tlaky a teploty na sání a výtlaku, diference na clonách, atd. - 21 veličin • Soubor virtuálních veličin (průtočné množství, garantované tlaky a teploty v sání, relativní vlhkost plynu v sání, stlačení, příkon z dynamometru atd. (zadávané jako konstanty, nebo získané výpočtem z jiných veličin - 8 veličin


38


Experimentální měření – vnitřní měření • Soubor vnitřního měření stupně v 5 měřicích rovinách – celkem 122 tlaků a 46 teplot • 28 převodníků tlaku s rozsahem 5-120 kPa (a), přesnost 0.1% • 94 převodníků s rozsahem 80-270 kPa (a), přesnost 0.1% • 46 termočlánků typu K dodaných firmou AHT Energetika

4

5

m

0


7

39


Projekt měření • Projekt měření dle návrhu AHT Energetika


40


Funkční vzorek stupně • Oběžné kolo průměr D2 = 440 mm, 13 až 15 lopatek, materiál X5CrNi • Výroba frézováním z jednoho kusu (3D stupně) nebo pájením (2D stupně) • Bezlopatkový difuzor, vratný kanál s 28 lopatkami


41


Měřicí sondy • Násobné sondy pro měření celkového tlaku a teploty v sání a na výtlaku stupně • Jednoduché sondy pro měření celkového tlaku a teploty v jednotlivých částech • Sondy pro měření statického tlaku • Víceotvorové sondy pro určení směru proudění • Sondy s rychlými snímači pro měření nestacionarit


42


Montáž sond • Osazení jednotlivých mezistěn • Sestavení paketu • Připojení vývodů • Založení paketu mezistěn a nosiče ucpávek do tělesa


43


Schéma experimentálního měření • Výsledné schéma měření


44


Systém pro zpracování měřených dat • Výrobce Peekel Instruments • Měřicí ústředna AUTOLOG 3000 pro přenos a registraci dat – 322 vstupů, rychlost měření 200 kanálů/sekundu, přesnost: 0.1% z rozsahu v celém rozsahu pracovních teplot • Snímače tlaku JSP, Rosemount, Kulite • Přenos a zpracování dat na PC s grafickými výstupy


45


Dynamometr •

Výrobce Torquemeters

•

Součástí rychloběžné spojky John Crane pro měření krouticího momentu hřídele dmychadla

•

Dvě torzní tyčky – do 170 Nm a do 740 Nm

•

Součástí je čidlo pro měření otáček


46


Přístroje pro experimentální měření •

Rychlé snímače tlaku XTL- 123 M, rychlost snímání 175 kHz, přesnost 0.1 %, výrobce Kulite

•

Snímače tlaku D 2610, přesnost 0.1 %, výrobce JSP Industrial Controls

•

Absolutní a diferenční snímače tlaku, přesnost 0.025%, výrobce Rosemount

•

Vlhkoměr H8D, výrobce AHLBORN

•

Průtokoměr, přesnost 0.1 l/min, max. průtok 300 l/min, výrobce IFM Eletronic


47


Instalované sondy


48


Instalované sondy


49


Konečná montáž průtočné části


50


Konečná montáž, vývody měření


51


Sledování průběhu měření


52


Přestavba zkušebního zařízení pro měření •

Přestavba zkušebního dmychadla: – Odpojení měření – Demontáž výtlačného potrubí – Demontáž sací části

– Rozpůlení tělesa – Otočení vrchní části skříně – Vyjmutí a rozebrání mezistěn – Demontáž sond


53


Vyhodnocení výsledků měření •

Vyhodnocení klíčových parametrů stupně – stlačení, vnitřní příkon, účinnost apod.


54


Zpracování výsledků měření •

Vytvoření podkladů pro návrh kompresoru na základě fyzikální podobnosti

•

Interní návrhový SW Návrh RTK


55


Publikace výsledků •

Konference Turbostroje a Experimental Fluid Mechanics

•

Setkání uživatelů výpočetních SW ANSYS a NUMECA

•

Tematický časopis společnosti Howden CFD Newsletter

 Syka, T., Luňáček, O.: Numerical simulation of radial compressor stage; Mezinárodní konference Experimental Fluid Mechanics 2012, Hradec Králové, ISBN 978-80-7372-912-7, 4s  Syka, T., Luňáček, O.: Vliv geometrických úprav na účinnost lopatkového stroje; Konference Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 6s  Luňáček, O.: Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů; Konference Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 10s

 Luňáček, O.: Compressor Stages Family Development; CFD Newsletter, Issue 03, 2s


56


Náklady na řešení projektu •

Celkové náklady na projekt vývoje nové řady stupňů přesahují 100 mil. Kč

•

Zkušební zařízení bylo vybudováno v rámci programu „Posílení kapacity společnosti ČKD NOVÉ ENERGO, a.s. pro vývoj a testování odstředivých kompresorů“, programu Potenciál vládní agentury pro podporu podnikání a investic Czechinvest

•

Vývoj nové řady stupňů je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v programu TIP, projekt „Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů“ je řešen v období 2011-2015


57

Howden ČKD Compressors Contact Information

Howden ČKD Compressors s. r. o. Klečákova 347 190 00 Prague 9 Czech Republic Tel.: + 420 226 543 103 Fax: + 420 284 812 148 E-mail: [email protected] www.howden.com


58

Thank You


Howden ČKD Compressors Stand pro vývoj kompresorových stupňů firmy. Jindra Kosprdová, Josef Kaplický, Ondřej Luňáček

Recommend Documents