ŠKODA POWER
MĚŘENÍ TEMODYNAMICKÉ TEMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI ÚČINNOSTI MĚŘENÍ ROTAČNÍCH STROJŮ STROJŮ ROTAČNÍCH
ŠKODA POWER POWER a. a. s., s., Plzeň Plzeň ŠKODA
ŠKODA POWER
Obsah
1. Účinnost stupňů parních turbín 2. Testování FROTORU
1
ŠKODA POWER
Rovnotlaký stupeň parní turbíny
Rozváděcí lopatky
Oběžné lopatky
ŠKODA POWER
Rychlostní trojúhelníky
2
ŠKODA POWER
Definice termodynamické účinnosti huž = c02 c22z h0 + − 2 2 N nl = c2 c2 Grk h0 + 0 − 2 z 2 2
η ST =
η ST =
i0c − i2 c c2 i0c − i2 s − 2 x 2
ŠKODA POWER Důvody pro měření termodynamické účinnosti
1. Komplexní proměření proudových parametrů a stanovení provozních poměrů 2. Výpočtová studie dosud neumožňuje spolehlivě podchytit všechny vlivy a stanovit konečnou ztrátu či účinnost. Je vhodná pro studijní a vývojové práce, pro optimalizaci geometrie. Nedává však záruku o výsledné účinnosti. 3. Podklady pro zákazníky 4. Materiál pro výzkumně-vývojové práce
3
ŠKODA POWER
Experimentální parní turbína 1 MW
ŠKODA POWER
Experimentální možnosti
1. Účinnost samostatných stupňů 2. Účinnost skupiny stupňů 3. Jednohřídelové a dvouhřídelové uspořádání 4. Vliv proudových parametrů
4
ŠKODA POWER
Modelování provozních parametrů
1. 2. 3. 4. 5.
Geometrická podobnost – měř. 1:1 Pára jako pracovní medium Výrobní drsnost povrchu Dodržení provozního Machova čísla Provoz při optimálním Strouhalově čísle u/c 6. Provoz v automodelové oblasti Reynoldsova čísla
ŠKODA POWER
Schéma měření na turbině T 1MW
5
ŠKODA POWER
Způsob vyhodnocování účinnosti Určení stavů páry na stupni - Teploty (měřeno odporovými teploměry Heraus) - Tlaky (měřeno tlakovými převodníky Rosemount, tlaky přímo na stupni jsou vyvedeny do tlakového přepínače Scanivalve) - Pomocí rovnic pro i – s diagram lze spočítat entalpii, entropii, měrný objem, viskozitu …..
ŠKODA POWER
Způsob vyhodnocování účinnosti Množství páry stupněm Základní hodnotou potřebnou pro určení účinnosti turbinového stupně je množství páry protékající rozváděcí a oběžnou mříží. Množství bylo měřeno měrnou nádrží, tzn. na výstupu z turbiny (množství však není totožné s tím, které pracuje v mříži, proto je potřeba provést korekce. Grl = Gk + Gv - Gucc + Gkom Grl [kg s-1] Gk [kg s-1] Gv [kg s-1] Gucc [kg s-1] [kg s-1] Gkom
......... ......... ......... ......... .........
množství rozváděcími lopatkami množství kondenzátu, měřené měrnou nádrží množství páry odsáté do vývěvy množství ucpávkové páry množství komínkové opáýry
Gobl = Grl - Grv + Gur Gobl Grv Gur
......... ......... .........
množství oběžnou lopatkou průtok ucpávnkou obvodové bandáže průtok hřídelovou ucpávkou rozváděcího kola
[kg s-1] [kg s-1] [kg s-1]
Jako druhý způsob bylo použito měření parní dýzou a pak Grl = Gpd + Gvv Gpd [kg s-1] ......... množství parní dýzou [kg s-1] ......... množství vstříkované vody Gvv Gobl = Gpd + Gvv - Grv + Gur Pozn.: Gvv = 0 ....... při měření nebyla vstřikována voda Gur = 0 ....... při měření byl udržován nulový průtok (vhodným nastavením odsávání do kondenzátoru)
6
ŠKODA POWER
Kondensátor
ŠKODA POWER
Měření množství páry
7
ŠKODA POWER
Způsob vyhodnocování účinnosti Měření výkonu Nnl = Nb + Nl + Nv Nnl [W] ......... výkon na lopatkách Nb [W] ......... výkon na vodním dynamometru (torquemeteru) Nl [W] ......... ložiskové ztráty Nv [W] ......... ventilační ztráty
Výpočet účinnosti Termodynamická účinnost stupně: ηt =Nnl / (Grl ⋅ hst) hst [J kg-1] ......... isentropický spád Termodynamická s využitím výstupní rychlosti: ηtv =Nnl / (Grl ⋅ (hst - c2z2/2)) ......... osová složka výstupní rychlosti c2z [m s-1]
ŠKODA POWER
Torquemeter
8
ŠKODA POWER
Brzda
ŠKODA POWER
Řídící a regulační panel
9
ŠKODA POWER
Stanovení základních parametrů stupně Machovo číslo stupně:
M = ( 2 / (k − 1))((p 0 / p 2 ) ( k −1)/ k − 1) k p0 p2
......... Poissonova konstanta pro spád na stupeň ......... tlak páry ve vstupním konfusoru ......... tlak páry za oběžným kolem
Reynoldsovo číslo stupně: Rest = (c b1)/(µ v) c ......... rychlost ......... tětiva rozváděcí lopatky b1 µ ......... dynamická viskozita v ......... měrný objem Strouhalovo číslo: u1p/c2st = π ⋅ Dp1 ⋅ n / 60 ⋅ cst Dp1 [m] ......... patní průměr [ms-1] ......... rychlost z isoentropického spádu cst [min-1] ......... otáčky rotoru nst
ŠKODA POWER
Vliv u/c na účinnost
10
ŠKODA POWER
Vliv Reynoldsova čísla na účinnost stupně
ŠKODA POWER
Lopatky banán I.
11
ŠKODA POWER
Vliv Machova čísla na účinnost
ŠKODA POWER
Výsledky měření a testování stroje FROTOR
12
ŠKODA POWER
Schéma FROTORU
ŠKODA POWER
Využití FROTORU Přednosti Nízkootáčkový pohon Využití zbytkové expanze plynů (vzduch, spaliny) Maximální tlakový spád p1/p2 = 6 Relativně jednoduchá konstrukce Nevýhody: Obtížná regulace otáček Nízká termodynamická účinnost Nízká provozní teplota (kontakt s olejem) Nemožnost použití páry (kontakt s olejem) Velké vlastní ztráty (tření lopatek)
13
ŠKODA POWER
Podmínky pro testování termodynamické účinnosti
Pracovní medium stlačený vzduch Nelze použít dostupné dynamomatery či brzdy (nevhodné rozměry a příkony) Zatěžování stroje pomocí vodního čerpadla a měření termodynamických parametrů vzduchu na vstupu a výstupu z FROTORU
ŠKODA POWER
Schéma měření
14
ŠKODA POWER
Fotky z měření
ŠKODA POWER
Měření množství vzduchu měří ěřící clona o Ø110mm je umí umístě stěna v potrubí potrubí o Ø150mm 2 odbě odběry statické statického tlaku před clonou p0 – tlak měř en proti atmosfé měřen atmosféře na cloně en diferenč cloně dp0 – tlak měř měřen diferenčně proti p0 tlakové tlakové převodní evodníky ROSEMOUNT, výstupní výstupní signá signál 4 - 20mA umí umístě stění clony a provedení provedení odbě odběrů dle normy ČSN
15
ŠKODA POWER
Měření tlaků vzduchu tlaky př před a za strojem před strojem – statický a celkový tlak za strojem – pouze statický tlak tlakové tlakové převodní evodníky ROSEMOUNT, výstupní výstupní signá signál 4 - 20mA všechny tlaky měř eny proti atmosfé měřeny atmosféře
barometrický tlak absolutní absolutní tlakový př převodní evodník ROSEMOUNT výstupní výstupní signá signál 4 - 20mA
ŠKODA POWER
Měření teplot vzduchu
teploty př před a za strojem použ použity termoč termočlánky NiCrNiCr-Ni umí umístě stění – přímo v proudu (bez jíjímek) elektrické elektrické převodní evodníky ROSEMOUNT – studené studené konce výstupní výstupní signá signál 4 - 20mA
16
ŠKODA POWER
Sběr dat z převodníků výstupy z př převodní evodníků jsou zavedeny do propojovací propojovacího boxu pomocí pomocí odporu 400Ω 400Ω je proudový signá signál př převeden na napěť ový napěťový napěť ové é signá eny 20ti kaná napěťov signály měř měřeny kanálovou ústř střednou HP34970A, HP34970A, ta je př přes RS232 spojena s měř měříícím PC naměř ená á data jsou zaznamená naměřen zaznamenávána do souboru
ŠKODA POWER
Měření otáček
otá otáčkomě koměr s kapacitní kapacitní sondou na hř ř í deli je umí h umístě stěn krouž kroužek se 4 zuby řídící jednotka (č č í tač č pulzů ( ta pulzů) display pro př přímě zobrazení zobrazení otá otáček přes RS232 signá á l do poč č í tač č sign po ta e – program ve Visual Basicu
17
ŠKODA POWER
Měření hluku stroje použ použit hlukomě hlukoměr BruelBruel-Kjaer 2260 kromě kromě hladiny hluku lze vyhodnotit i třetinooktá etinooktávové vové charakteristiky změř ené ého hluku změřen hluk měř en ve vzdá měřen vzdálenosti 1 m od stroje ve výš výšce 1 m nad zemí zemí změř ená á data lze pomocí změřen pomocí linky USB př přené enést do poč počítač tače a vyhodnotit Project 076 dB 130
18.09.2006 00:52:48 - 00:59:05
120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 12.50 31.50 63 125 250 LZeq LZFmax Cursor: (A) Leq=93.4 dB LFmax=100.4 dB LFmin=84.8 dB
500 LZFmin
1000
2000
4000
8000
16000
A C Hz
ŠKODA POWER
Měření povrchových teplot stroje teplota tě tělesa kontrolní kontrolní měřen ěřeníí při provozu prová prováděna bezdotykovým infrač infračerveným teplomě teploměrem teplota lopatek provedeno měř eníí termovizní měřen termovizním systé systémem infrač infračervená ervená kamera Flir ThermaCAM SC2000 rozsah teplot: přesnost měř eníí: měřen teplotní teplotní citlivost:
-40 až až +2000° +2000°C ±2°C <0,2 °C
měřen ěřeníí provedeno ve spoluprá spolupráci s NTC/ZČ NTC/ZČU
Lopatka č.4
60,5˚C
18
ŠKODA POWER
Určení účinnosti a výkonu
his
h
naměř ené é hodnoty naměřen statické statické tlaky a teploty na vstupu a výstupu stroje množ množství ství vzduchu výpoč výpočet i1 (ps1, T1) s1=s2 ps1 s1 (ps1, T1) = s2 1 i1 i2is (ps2, s1) his = i1 - i2is i2 (ps2, T2) h = i1 - i2 účinnost η = h / his výkon P = h · mvz
ps2 i2is
2is
2
i2
ŠKODA POWER
Průběh provedených zkoušek
1. etapa zkouš zkoušky prová prováděny bez zatí zatížení ení první první pokusy o roztoč roztočení ení stroje byly prová provázeny velkými vibracemi a hlukem po vyjetí vyjetí na vyšší vyšší otá otáčky (okolo 1300 ot/min) ot/min) stroj sá sám zač začal otá otáčky sniž snižovat i když když přívod vzduchu zů zůstá stával konstantní konstantní podezř podezření ení na kontakt lopatek o pláš plášťť stroje konzultace s výrobcem – úprava lopatek a seř seřízení zení
19
ŠKODA POWER
Průběh provedených zkoušek 2. etapa při chodu bez zatí zatížení ení dosaž dosaženy otá otáčky až až 1480 ot/min ot/min při tě těchto otá otáčkách zaznamená zaznamenány vysoké vysoké vibrace a velký hluk (ví (více než než 120 db(A)), bylo nutné nutné okamž okamžitě itě otá otáčky sní snížit 10h provoz př při malých otá otáčkách bez zatí zatížení ení doporuč doporučení ení 8h provoz př při malých otá otáčkách se zatí zatížení ením výrobce provedena měř eníí bez zatí měřen zatížení ení a se zatí zatížení ením v rozsahu otá otáček do 1500 ot/min ot/min při zatí zatížení ení se vibrace stroje sní snížily a hluk stroje se pohyboval do 110 dB(A) otá otáčky stroje jsou nerovnomě nerovnoměrné rné v rozsahu cca ±30 ot/min ot/min
ŠKODA POWER
Výsledky – průběh otáček 1510 1500 1490 1480
1600
1470 1460
1400
1450 1440
1200
Otáčky [ot/min]
1430
1000
1420 10:07:49
800
10:08:24
10:08:59
10:09:33
10:10:08
10:10:42
10:11:17
nerovnomě nerovnoměrný chod
600 560 550
400
540
200
530 520
0 8:00:00
8:30:00
9:00:00
9:30:00
10:00:00
Čas
10:30:00
11:00:00
11:30:00
510 500 490 480 470 10:49:09 10:49:52 10:50:36 10:51:19 10:52:02 10:52:45 10:53:28 10:54:12 10:54:55
20
ŠKODA POWER
Závislost výkonu na tlakovém poměru
ŠKODA POWER
Závislost výkonu na otáčkách
21
ŠKODA POWER -2 Závislost účinnosti na n/(2*hisis)-2
ŠKODA POWER -2 Závislost účinnosti vlastní na n/(2*hisis)-2
22
ŠKODA POWER
Děkuji za pozornost L. Tajč
23
