uticaj promene pritiska kondenzacije na snagu...

Dragoqub S. @ivkovi}1*, Zoran M. Staj~i}2,Velimir P. Stefanovi}1, Mirjana S. Lakovi}1

1 Ma{inski fakultet, Univerzitet u Ni{u, Ni{, Srbija2 Termoelektrana „Kolubara” ‡ A, Lazarevac, Srbija

Uticaj promene pritiska kondenzacijena snagu parne tur bine A-110 MWu TE „Kolubara” ‡ A

Originalni nau~ni radUDC: 621.311.22:621.1

U radu je analiziran uticaj promene tem per a ture i protokarashladne vode kondenzatora na snagu parne tur bine i energetskuefikasnost turbopostrojewa. Za prora~un snage turboagregatakori{}ena je univerzalna karakteristika parne tur bine. Kaokriterijum za ocenu energetske efikasnosti kori{}ena je speci-fi~na potro{wa toplote turbopostrojewa polu neto. Rezul-tati ispitivawa pokazuju da se snaga tur bine i energetska efi-kasnost ispitivanog turbopostrojewa mogu pove}ati. Radi toganeophodno je pove}awe kapaciteta sistema rashladne vode konden-zatora. Kona~na ocena o mogu}em poboq{awu performansi turbo-postrojewa mo`e se doneti tek nakon tehno-ekonomske analize ko-ja bi ukqu~ila i tro{kove potrebne investicije.

Kqu~ne re~i: energetska efikasnost, snaga tur bine, pritisakkondenzacije, kondenzator, rashladna voda

Uvod

Usavr{avawe toplotne {eme i stepena korisnosti pojedinih komponenti

parnog turbopostrojewa dostigli su takav nivo da je danas veoma te{ko posti}i neko

zna~ajnije poboq{awe. Stoga je veoma zna~ajan pravilan izbor i dimenzionisawe

opreme, kao i optimalno rukovawe i vo|ewe postrojewa. Poboq{awa merena delo-

vima procenta su veoma zna~ajna jer se u parnim blokovima danas proizvode ogromne

koli~ine elektri~ne energije.

Pri razmatrawu problema optimizacije „hladnog kraja” parnog turbo- pos-

trojewa, uzima se da je pritisak kondenzacije veli~ina koja odre|uje pod kakvim

uslovima }e raditi pojedine komponente. Promena pritiska kondenzacije najvi{e se

D. S. @ivkovi} i dr.: Uticaj promene pritiska kondenzacije na snagu parne ...TERMOTEHNIKA, 2010, XXXVI, 2-3, 215–224

215

* Odgovorni autor; elektronska adresa: [email protected]

odraàva na rad posledweg stupwa tur bine niskog pritiska, dok se wen uticaj na

druge komponente turbopostrojewa moè zanemariti.

Pri promeni pritiska kondenzacije, promena sopstvene potro{we elek-

tri~ne energije nastaje uglavnom usled promene utro{ene energije za pogon pumpi za

rashladnu vodu. Zbog toga je uveden kriterijum ‡ specifi~na potro{wa toplote

turbopostrojewa polu neto:

qQ

P PTPpn

dov

Gb M

=-

(1)

gde su: Qdov ‡ toplota dovedena turbopostrojewu sveòm i dogrejanom parom, PGb ‡

snaga generatora bruto, i PM – snaga elektromotora koji pokre}u pumpe za rashladnu

vodu.

Za referentni objekat izabran je parni blok A5-110 MW, instalisan u

termoelektrani „Kolubara” ‡ A u Lazarevcu. Ovaj parni blok ima instalisan sistem

rashladne vode kondenzatora u obliku povratnog hla|ewa sa ventilatorskim ras-

hladnim torwevima.

Uticaj promene pritiska kondenzacijena snagu parne tur bine

Eksperimentalna istraìvawa pokazuju da promena pritiska kondenzacije

uti~e skoro iskqu~ivo na promenu toplotnog pada posledweg stupwa, dok se promene

toplotnih padova ostalih stupweva mogu zanemariti (sl. 1). Zbog toga se promena

snage kondenzacione parne

tur bine usled promene pri-

tiska kondenzacije moè iz-

ra~unati kao promena snage

posledweg stupwa.

Funkcija koja defini{e

promenu snage kondenzacio-

ne parne tur bine (DPGb) u

zavisnosti od promene pri-

tiska kondenzacije (pk) za od-

re|eni protok pare kroz kon-

denzator (Mk) poznata je u li-

teraturi kao univerzalna ka-

rakteristika tur bine [1–4]:

DP

Mf

p

MGb

k

k

k

=æ

èçç

ö

ø÷÷ (2)

Za dozvu~nu oblast stru-

jawa u re{etki radnog kola


216

Slika 1. Promena toplotnog pada u stupwevimakondenzacione parne tur bine usled promene pritiska

na izlazu iz tur bine

tur bine niskog pritiska u literaturi [5] dat je slede}i oblik univerzalne karakte-

ristike:

DPcGb

zv io&( ) *

M PK

=-

- -é

ë

êê

ù

û

úú

--

22

1

0

11

11 1

kg e -e g h

k

kk

k -ì

íï

îï

- -æ

è

çç

ö

ø

÷÷

+ -æ

è

çç

ö

ø

÷÷

- -1

21 12

22

2

1

eb

ek ku

c

g

zv

cos ü

ýï

þïh hm G (3)

a za nadzvu~nu oblast:

DPucGb

zv&si

M PK

=+

--

+

æ

è

çç

ö

ø

÷÷

-

--

2 22

1

2

21

11

2

1y

k

k ke e

k

k k n cos22 2b b h hg g vl m Gk-

é

ë

êê

ù

û

úú

(4)

gde su:

czv [ms–1] – brzina zvuka u naju`em preseku re{etke radnog kola posledweg stupwa (sl.

2); k [–] – eksponent izentrope (sl. 3); g h h= il*

i*o

/ ‡ relativna promena unutra{weg

stepena korisnosti tur bine; e0 = p0/pkr ‡ odnos pritiska pare ispred tur bine niskog

pritiska i pritiska u naju`em preseku re{etke radnog kola posledweg stupwa pri

kome nastaje brzina strujawa jednaka lokalnoj brzini zvuka (Ma2s = 1); p0 ‡ pritisak

na ulazu u turbinu niskog pritiska; e2 = p2/pkr ‡ odnos pritiska pare u izlaznom


217

Slika 2. Brzina zvukau vodenoj pari na izlazu

iz kondenzacione tur bine, [5]

Slika 3. Eksponent izentrope vla`nevodene pare. (Isprekidanom linijom je

prikazana Zenerova empirijska for mula:k = 1,035 + 0,1x), [5]

preseku 2‡2 posledweg stupwa i pritiska u najuèm preseku re{etke radnog kola

posledweg stupwa pri kome nastaje brzina strujawa jednaka lokalnoj brzini zvuka

(Ma2s = 1); u [ms–1] ‡ obimna brzina na sredwem pre~niku radnog kola posledweg

stupwa; y ‡ koeficijent brzine re{etke radnog kola; b2g [°] ‡ ugao mlaza pare bez

naknadnog skretawa u preseku 2‡2 posledweg stupwa; hi*

0[‡] ‡ unutra{wi stepen

korisnosti tur bine niskog pritiska bez uticaja gubitaka sa izlaznom brzinom, za

slu~aj kada je Ma2s = 1 (na sredwem radijusu); hm ‡ mehani~ki stepen korisnosti tur -

bine; hG ‡ stepen korisnosti elektrogeneratora; kvl ‡ koeficijent kojim se uzima u

obzir smawewe snage tur bine pri radu s vla`nom parom; &MPK = czv Aiz sinb2g/n* ‡

protok pare na izlazu iz posledweg stupwa; n* [m3kg–1] ‡ specifi~na zapremina

vodene pare u najuèm preseku re{etke radnog kola posledweg stupwa kada je dos-

tignuta brzina zvuka.

Jedna~ine (3) i (4) u literaturi [3] izvedene su za odnos pritisaka ek = pK /pkr,

gde je pK pritisak pare u kondenzatoru, pri ~emu je bilo usvojeno da je pritisak pK

jednak pritisku p2 u izlaznom preseku 2‡2 posledweg stupwa tur bine niskog pri-

tiska. Na ovaj na~in izostavqen je uticaj izlaznog rukava tur bine niskog pritiska.

êsto se koristi upro{}eni oblik univerzalne karakteristike tur bine

kada se zanemaruje promena unutra{weg stepena korisnosti tur bine (g = 1).

Sa sniàvawem pritiska iza posledweg stupwa u jednom trenutku dolazi do

pojave strujawa sa aksijalnom komponentom brzine jednakom brzini zvuka. Pritisak

pri kome nastaje ova pojava naziva se grani~nim pritiskom kada se postiè maksi-

malno pove}awe snage tur bine:

p p pegr e kr= = +min (sin )b

k

k2

2

1 (5)

U oblasti vla`ne pare, gde je k @ 1,135, imamo da je grani~ni pritisak:

pegr = pe min = 0,578 p1(sin b2)1,061 (6)

Snièwe pritiska ispod grani~ne vrednosti nema nikakvog smisla zato

{to tada ne dolazi do pove}awa ve} do smawewa snage tur bine. Naime, pri snièwu

pritiska kondenzacije ispod grani~ne vrednosti vodena para ekspandira iza

posledweg stupwa, zbog ~ega nema pove}awa toplotnog pada u wemu. Istovremeno sa

snièwem pritiska kondenzacije sniàvaju se temperatura i pritisak glavnog kon-

denzata {to pove}ava koli~inu pare oduzete iz posledweg oduzimawa, uz pret-

postavku da je pritisak pare na mestu oduzimawa iz tur bine nepromewen. Zbog pove-

}anog protoka oduzimawa smawuje se rad posledweg stupwa tur bine, tako da i to ima

uticaj na zavisnost snage tur bine od pritiska kondenzacije. S promenom protoka

oduzimawa mewa se i pritisak na mestu oduzimawa {to dodatno komplikuje raz-

matrawe. U isto vreme nastaju dopunski gubici snage potrebne za pogon pumpi za

rashladnu vodu.

Zna~ajnije pove}awe pritiska u kondenzatoru (pogor{awe vakuuma) pred-

stavqa opasnost za turbinu niskog pritiska. Glavna opasnost se sastoji u tome {to se


218

tada temperatura u izlaznom delu tur bine pove}ava. Ovo dovodi do dodatnog zagre-

vawa kraja rotora, usled ~ega dolazi do wegovog rascentrisawa i nastanka dodatnih

vibracija. Pored toga, zagrevawe rotora preti da dovede do prekora~ewa aksijalnih

zazora, posebno u stupwevima koji su najudaqeniji od aksijalnog leàja.

Kod turbina s vrlo dugim posledwim lopaticama zna~ajno pove}awe

pritiska u kondenzatoru, posebno pri vrlo malim protocima, pra}eno je pojavom

dopunskih naprezawa u tim lopaticama. Zbog toga se kod takvih turbina ne dopu{ta

dugotrajan rad pri zna~ajnom pove}awu pritiska u kondenzatoru (pogor{awu vakuu-

ma). Uobi~ajeno je da svako pogonsko uputstvo za eksploataciju tur bine predvi|a

definisawe vrednosti maksimalnog pritiska iznad koga se ne dopu{ta rad tur bine

pri nominalnom optere}ewu. Za kondenzacione tur bine ovaj pritisak iznosi oko 16

kPa, kome odgovara temperatura saturacije oko 55 °C [6].

Pri pogor{awu vakuuma ispod dopu{tene vrednosti neophodno je rastere-

}ewe tur bine putem smawewa wene snage. Obi~no dopunsko snièwe vakuuma ispod

grani~ne vrednosti za 133,3 Pa zahteva snièwe optere}ewa za 1‡2 MW, s tim {to bi

pri vakuumu od oko 56,8 kPa turbina bila prevedena na prazan hod.

Mala pove}awa pritiska u kondenzatoru ne uti~u na wegovu sigurnost rada,

ali veoma jako uti~u na ekonomi~nost turbopostrojewa.

Zavisnost snage tur bine od promene pritiska kondenzacije, za nominalni

protok Mk i veli~ine na sredwem pre~niku lopatice, prikazana je na sl. 4.

Kako se vidi, ova zavisnost za potkriti~no strujawe, izme|u ta~aka A i B,

pribli`no je linearna. Od ta~ke B, pri snièwu pritiska u kondenzatoru, nastaje

jak uticaj skretawa izlazne brzine u kosom mlazniku na proizvedeni mehani~ki rad

tur bine. Ta~ka V odgovara stawu koje nastaje pri nastanku grani~nog pritiska u

kondenzatoru.

Rezultati eksperimentalnog ispitivawa parnog turbopostrojewa

Eksperimentalna ispitivawa parnog turbopostrojewa je obavio Rudarski

institut iz Beograda [7]. Pri merewima su bili iskqu~eni regenerativni zagreja~i

niskog pritiska posledweg i pretposledweg oduzimawa. Ispitivawa parnog tur-


219

Slika 4. Zavisnost relativnepromene snage parne tur bineod pritiska u kondenzatorusa proto~nim hla|ewem(PGb = 200 MW; pGV = 16,5 MPa;tGV = 565/565 °C; pknom == 0,04 bar), [6]

bopostrojewa su izvr{ena pri snagama bloka 109,52 MW, 95,63 MW i 81,34 MW. Mer-

ni instrumenti su odabrani i ba`dareni prema va`e}im propisima tako da po pre-

ciznosti zadovoqe propisane klase ta~nosti instrumenata za garancijska ispiti-

vawa (DIN-1943). Maseni protoci su odre|ivani iz podataka dobijenih merewima

pomo}u prigu{nica (mernih blendi i mlaznika) prema DIN-1952 (tabl. 1).

Rezultati prora~una

Prora~un je izvr{en kori{}ewem programa MATLAB [9]. Za izra~unavawe

termodinami~kih veli~ina stawa vode i vodene pare kori{}en je sistem jedna~ina

IAPWS In dus trial For mu la tion 1997 [10]. Rezultati prora~una prikazani su na sl. 5‡9.

Protok rashladne vode ostvaruje se pomo}u dve aksijalne pumpe tipa

J-SSK-8-LM, koje je isporu~ila firma „Sigma“ iz Republike ^e{ke (PHnom = 495 kW,

PM=560 kW, Hnom = 21 m, Qnom = 120 m3/min., nnom = 590 o/min).


220

Tablica 1. Bilans parnog turbopostrojewa bloka A5 ‡ 110 MWu TE „Kolubara” ‡ A prema I zakonu termodinamike [8]

Veli~ina OznakaIspitivawe

broj 1Ispitivawe

broj 2Ispitivawe

broj 3

Ukupno dovedena toplota u kotlu Qu [kW] 292652,40(98,67%)

254742,70(98,20%)

219025,50(98,63%)

Snaga napojne pumpe PNP [kW] 3486,69(1,18%)

4270,33(1,65%)

2706,36(1,22%)

Toplota dovedena dodatnom vodom tGV [°C] 468,63(0,15%)

389,14(0,15%)

345,01(0,15%)

Ukupno dovedeno u kW296607,70(100,00%)

259402,20(100,00%)

222076,90(100,00%)

Odvedena toplota iz kondenzatora Qkond [kW] 180578,80(60,88%)

158528,40(61,11%)

137071,30(61,72%)

Gubici u generatoru PGgub [kW] 2190,40(0,74%)

1912,60(0,74%)

1626,80(0,73%)

Mehani~ki gubici Pmeh. gub.750,00(0,25%)

750,00(0,29%)

750,00(0,34%)

Suma gubitaka SUMgub.183519,20(61,87%)

161191,00(62,14%)

139448,10(62,79%)

Snaga generatora PGb [kW] 109520,00(36,93%)

95630,00(36,86%)

81340,00

(36,63%)

Ukupno odvedeno u kW293039,20(98,80%)

256821,00(99,00%)

220788,10(99,42%)

Gre{ka u kW3568,50(1,20%)

2581,14(1,00%)

1288,72(0,58%)

Razmatrana je promena snage parne

tur bine u intervalu realnih vrednosti

pritiska kondenzacije (pk = 7‡15 kPa),

kada dolazi i do pojave natkriti~nog

re`ima strujawa (pri nominalnim uslo-

vima pkr = 10,462 kPa). Grani~na vrednost

pritiska kondenzacije, prora~unata za

nominalne vrednosti parametara pare,

iznosi pgr = 3,8 kPa i ona se u realnim us-

lovima eksploatacije ne javqa.

Sa sl. 5 i 6 mo`e se uo~iti da pri

promeni protoka rashladne vode od oko

1150 kg/s (pritisak kondenzacije se tada

mewa za 1 kPa) dolazi do promene snage

tur bine za oko 530 kW. Razlika snaga

PGb – PM mewa se tada za oko 370 kW (sl. 7).


221

Slika 5. Zavisnost promene snagetur bine niskog pritiska

od tem per a ture (t1) i protoka rashladnevode (Mrv)

Slika 6. Zavisnost snage parne tur bineod protoka rashladne vode (Mrv)pri nominalnoj vrednosti dotoka pareu kondenzator (Mk = 76,839 kg/s)i temperaturi rashladne vode na ulazuu kondenzator t1 = 28 °C

Slika 7. Zavisnost razlike snaga parnetur bine i elektromotora za pogon pumpiza rashladnu vodu (PGb – PM) od protokarashladne vode (Mrv) pri nominalnojvrednosti dotoka pare u kondenzator(Mk = 76,839 kg/s) i temperaturirashladne vode na ulazuu kondenzator t1 = 28 °C

Optimalna vrednost protoka rashladne vode leì u intervalu 5000‡5100 kg/s

(sl. 8). Do ove vrednosti se dolazi posmatrawem promene specifi~ne potro{we

toplote turbopostrojewa poluneto (sl. 8) ili posmatrawem promene razlike snaga

(PGb – PM) (sl. 7), gde je PGb snaga generatora bruto, a PM snaga elektromotora za

pokretawe pumpi za rashladnu vodu. Zavisnost snage parne tur bine od pritiska

kondenzacije prikazana je na sl. 9.

Nalaèwe optimalne vrednosti protoka rashladne vode kod sistema sa

proto~nim hla|ewem je jednostavnije zbog toga {to izme|u protoka i tem per a ture

rashladne vode na ulazu u kondenzator ne postoji me|usobna zavisnost. Kod povrat-

nih sistema hla|ewa kondenzatora, optimalna vrednost protoka rashladne vode za-

visi jo{ i od karakteristike rashladnog torwa koja uslovqava me|usobnu zavisnost

protoka i tem per a ture rashladne vode na ulazu u kondenzator.

Odre|ivawe optimalne vrednosti protoka rashladne vode ne moè se izvr-

{iti bez uzimawa u obzir cene investicije potrebne za pove}awe protoka. Prema

tome, kona~na optimalna vrednost protoka rashladne vode mora da se odredi kori{-

}ewem metoda tehno-ekonomske optimizacije. Kona~no re{ewe }e zavisiti i od

vremena eksploatacije bloka u toku godine, jer je ono neophodno za odre|ivawe eko-

nomskih kriterijuma optimizacije.


222

Slika 8. Zavisnost promene specifi~nepotro{we toplote turbopostrojewa poluneto od protoka rashladne vode (Mrv) prinominalnoj vrednosti dotoka pareu kondenzator (Mk = 76,839 kg/s)i temperaturi rashladne vodena ulazu u kondenzator t1 = 28 °C

Slika 9. Zavisnost snage parne tur bineod pritiska kondenzacije (pk)pri nominalnoj vrednosti dotokapare u kondenzator (Mk = 76,839 kg/s)

Zakqu~ak

Rezultati analize pokazuju da je mogu}e pove}awe snage tur bine i ener-

getske efikasnosti ispitivanog turbopostrojewa. Navedene efekte mogu}e je ostva-

riti smawewem tem per a ture i pove}awem protoka rashladne vode. Kod sistema po-

vratnog hla|ewa rashladne vode, ova dva parametra su povezana.

Pri konstantnoj temperaturi rashladne vode, optimalna vrednost protoka

rashladne vode leì u intervalu 5000‡5100 kg/s. S obzirom da kod sistema povratnog

hla|ewa rashladne vode pri porastu protoka dolazi do izvesnog smawewa tem per a -

ture rashladne vode, treba o~ekivati boqe efekte optimizacije od rezultata dobi-

jenih prora~unom.

Radi pove}awa protoka rashladne vode za oko 25% potrebno je investirati u

pove}awe kapaciteta sistema rashladne vode kondenzatora. Kona~na odluka o ovoj

investiciji moè se doneti na osnovu kriterijuma tehno-ekonomske optimizacije

koji uzimaju u obzir i cenu investicije.

Zahvalnost

Ovaj rad je realizovan u okviru projekta EE-18006 pod nazivom „Numeri~ka

i eksperimentalna analiza sistema rashladne vode kondenzatora u ciqu pove}awa

energetske efikasnosti rada termoelektrana”. Autori rada su zahvalni Mini-

starstvu za nauku i tehnolo{ki razvoj Republike Srbije na finansijskoj pomo}i.

Literatura

[1] Vasiqevi}, N., Savi}, B., Stojakovi}, M., Istraìvawe optimalnih projektnih ieksploatacionih uslova rada kondenzacijskog dela parnih turbopostrojewa, Ma-{inski fakultet, Beograd, 1991

[2] Stojakovi}, M., Optimizacija eksploatacionih uslova kondenzacije u kondenza-cijskom delu parnih turbopostrojewa, Doktorski rad, Ma{inski fakultet, Beograd, 1990

[3] [~egqaev, A. V., Parovie turbini, Energija, Moskva, 1976[4] Samojlovi~, G. S., Trojanovskij, B. M., Peremennie i perehodnie reìmi v parovih

turbinah, Energoizdat, 1982[5] Ambro`, J., Parni turbiny a kondenzace, ^VUT, Praha, 1984[6] Truhnij, A. D., Losev, S. M., Stacionarnie parovie turbini, Energoizdat, Moskva,

1981[7] Perkovi}, B., Garancijska ispitivawa bloka 110 MW u TE „Kolubara”, Rudarski

institut, Beograd, Zavod za termotehniku, Zemun, 1982.[8] ]uk, N., Odre|ivawe radnih karakteristika i analiza rada parnog turbopostrojewa

TE „Kolubara” ‡ A 110 MW, Izve{taj br. 06.16-1/1992, Beograd, 1992.[9] Gilat, A., Uvod u Matlab 7 sa primerima, John Wiley & Sons, Inc.– Mi kro kwiga,

Beograd, 2005.[10] ***, The In ter na tional As so ci a tion for the Prop er ties of Wa ter and Steam, Re lease on the

IAPWS In dus trial For mu la tion 1997 for the Ther mo dy namic Prop er ties of Wa ter and Steam,Erlangen, Ger many, Sep tem ber 1997


223

Ab stract

The In flu ence of the Con den sa tion Pres sure Change onSteam Tur bine Power in the Power Plant „Kolubara” – A

by

Dragoljub S. ŽIVKOVI]1*, Zoran M. STAJ^I]2,Velimir P. STEFANOVI]1 and Mirjana S. LAKOVI]1

1 Fac ulty of Me chan i cal En gi neer ing, Uni ver sity of Ni{, Ni{, Ser bia2 Power Plant “Kolubara” – A, Lazarevac, Serbia

The in flu ence of the cool ing wa ter tem per a ture and mass flowrate changes onsteam tur bine power and en ergy ef fi ciency of the steam power plant, are ana lysed in thiswork. Cal cu la tion of the steam tur bine power has been done by us ing uni ver sal char ac ter -is tic of the steam tur bine. Spe cific heat con sump tion of the tur bine plant has been used asa cri te rion to es ti mate en ergy ef fi ciency. Re sults show that in crease of the tur bine powerand en ergy ef fi ciency of the in ves ti gated power plant, are pos si ble. That is why the cool -ing wa ter ca pac ity in crease is nec es sary.

Key words: en ergy ef fi ciency, tur bine power, con den sa tion pres sure, con denser, cool ingwa ter

*Cor re spond ing au thor; e-mail: [email protected]

Rad primqen: 15. juna 2010.

Rad revidiran: 28. septembra 2010.

Rad prihva}en: 1. oktobra 2010.


224

uticaj promene pritiska kondenzacije na snagu...

Documents