Badanie turbiny parowej

Instrukcja do ćwiczenia nr 15

Badanie maszyn - laboratorium

Opracował: dr inż. Andrzej Tatarek

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery

Wrocław, grudzień 2006 r.

2

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań kontrolnych turbiny parowej 13UC100 w

warunkach normalnej eksploatacji, zainstalowanej w bloku ciepłowniczym BC-100 w Zespole

Elektrociepłowni

Wrocławskich

KOGENERACJA

S.A.

Zakres

ćwiczenia

obejmuje

przeprowadzenie pomiarów określonych wielkości zgodnie z arkuszem pomiarowym załączonym do

instrukcji (Załącznik A). Po przeprowadzeniu pomiarów wykonuje się zestawienie bilansu energii

oraz wyznacza sprawność turbiny i turbozespołu.

2. Wiadomości podstawowe

Zasada działania turbiny parowej polega na zamianie energii cieplnej czynnika gazowego (pary

wodnej) najpierw na energię kinetyczną, a następnie na pracę mechaniczną.

Odpowiednio do tego w skład turbiny parowej wchodzą:

•

elementy ekspansyjne

, w których zachodzi przemiana energii cieplnej czynnika na energię

kinetyczną;

•

łopatki wirnikowe

, gdzie energia kinetyczna gazu zamienia się na pracę.

Przyrządy ekspansyjne, zwane dyszami lub kierownicami, połączone są konstrukcyjnie z

nieruchomym korpusem turbiny. Łopatki wirnikowe stanowią część wirnika, wykonującego ruch

obrotowy.

Stopień turbiny jest to jeden zespół obejmujący wieniec przyrządów ekspansyjnych (wieniec

kierowniczy) oraz wieniec łopatek wirnikowych.

Generalnie buduje się turbiny wielostopniowe, czyli turbiny składające się z pewnej liczby

stopni umieszczonych szeregowo. Obecnie turbiny jednostopniowe należą do wyjątków.

Zasadniczo turbiny parowe buduje się jako tzw. turbiny o przepływie osiowym, w skrócie

nazywane turbinami osiowymi.

Ze względu na sposób pracy stopnia turbiny rozróżnia się:

•

system akcyjny

, w którym cały możliwy spadek entalpii zamienia się na energię kinetyczną

w dyszach. Ciśnienie za dyszami równe jest ciśnieniu za wieńcem wirnikowym, nie zachodzi

w nim żadna ekspansja;

•

system reakcyjny

polega na tym, że część spadku entalpii, jaki jest możliwy w stopniu

turbiny zamienia się na energię kinetyczną w dyszach, czynnik przepływając przez wieniec

wirnikowy ekspanduje nadal.

3

3. Dane charakterystyczne turbiny

Podstawą ekonomiczności siłowni cieplnej jest zarówno sprawność zainstalowanych urządzeń,

jak i właściwa eksploatacja. Aby stwierdzić, w jakim stopniu są spełnione założenia, prowadzi się

badania dające ocenę sprawności siłowni lub poszczególnych maszyn i urządzeń. Szczególne

znaczenie mają badania turbin parowych – kluczowych elementów siłowni cieplnej. Sprawność

turbiny w istotny sposób decyduje o sprawności całej siłowni cieplnej.

Do określenia turbiny wystarczają podstawowe dane charakterystyczne:

•

rodzaj turbiny z punktu widzenia sposobu wykorzystania energii cieplnej pary

odprowadzonej z turbiny (kondensacyjna, przeciwprężna, upustowo-kondensacyjna,

upustowo-przeciwprężna);

•

moc znamionowa;

•

prędkość obrotowa;

•

ciśnienie i temperatura pary dolotowej;

•

w układach z międzystopniowym przegrzewem – temperatura pary wtórnie przegrzanej;

•

w turbinach przeciwprężnych – ciśnienie pary wylotowej;

•

w turbinach upustowych – ciśnienie i ilość pary upustowej;

Tabela. 1. Miejsce pomiaru parametrów określających stan czynnika

Lp.

Czynnik

Miejsce pomiaru

1.

para dolotowa

przed zaworem szybkozamykającym

2.

para wylotowa

w turbinie przeciwprężnej – w króćcu
wylotowym lub bezpośrednio za nim;
w turbinie kondensacyjnej – w gardzieli
skraplacza

3.

skropliny ze skraplacza

w rurociągu skroplin u wylotu ze skraplacza

4.

skropliny podgrzane w
podgrzewaczach regeneracyjnych

w rurociągu skroplin za ostatnim
podgrzewaczem

5.

para upustowa

rurociąg bezpośrednio za wylotem z turbiny

6.

woda chłodząca dopływająca do
skraplacza

w pobliżu kołnierza na wejściu wody
chłodzącej do skraplacza

7.

woda chłodząca odpływająca ze
skraplacza

w pobliżu kołnierza na wyjściu wody
chłodzącej ze skraplacza

4

4. Badanie cieplne turbin parowych

4.1. Schemat układu cieplnego bloku ciepłowniczego BC-100

XA

XB

XN1

XN2

XN3

SP

WP

1

3

4

5

6

2

PK

PZ

OP-430

ROZP

ODG

Turbina 13UC100

PS

Rys. 1. Schemat układu cieplnego bloku ciepłowniczego BC-100 wraz z zaznaczonymi osłonami

bilansowymi turbiny i turbozespołu. ODG – odgazowywacz, ROZP – rozprężacz, XN1-XN3 –

podgrzewacze regeneracyjne, XA i XB – podgrzewacze wody sieciowej, PZ – pompa zasilająca, PK –

pompa kondensatu, PS – pompa wody sieciowej

4.2. Obliczenia cieplno-bilansowe bloku ciepłowniczego BC-100

Z przeprowadzonych pomiarów (zob. tabela pomiarowa) wynika, że w układzie kontrolno-

pomiarowym bloku BC-100 nie ma pomiaru strumienia masy pary pobieranej z drugiego upustu (D

2

)

oraz strumieni masy pary (D

5

i D

6

) kierowanej na wymienniki ciepłownicze (podgrzewacze wody

sieciowej) XA i XB.

XA

XB

t

w1

t

w3

t

w2

i

6

p

w1

p

w3

D

ws

i

5

D

5

D

6

i

6

,

i

5

,

Rys. 2. Wymienniki ciepłownicze XA i XB

5

Bilans cieplny wymiennika ciepłowniczego (sieciowego) XA

Z bilansu wymiennika wyznaczamy strumień masy pary D

6

w kg/s:

(

)

(

)

1

2

'

6

6

6

w

w

w

ws

w

t

t

c

D

i

i

D

−

⋅

⋅

=

−

⋅

⋅

η

gdzie:

η

w

– sprawność wymiennika ciepłowniczego, do obliczeń przyjmujemy równą 0,98;

i

6

– entalpia pary przegrzanej odczytana dla t

6

i p

6

; jeśli rozprężanie pary w turbinie kończy się

na linii x=1, wtedy do obliczeń przyjmujemy

''

6

i

, czyli entalpię pary nasyconej suchej

odczytaną dla ciśnienia nasycenia, kJ/kg;

'

6

i

– entalpia wody w stanie nasycenia odczytana dla ciśnienia p

6

(lub temperatury t

6

) nasycenia,

kJ/kg;

D

ws

– strumień masy wody sieciowej, kg/s;

c

w

– średnie ciepło właściwe wody, do obliczeń przyjmujemy 4,187 kJ/kg—K;

t

w1

– temperatura wody sieciowej przed wymiennikiem XA, °C;

t

w2

– temperatura wody sieciowej za wymiennikiem XA, °C.

Bilans cieplny wymiennika ciepłowniczego (sieciowego) XB

Z bilansu wymiennika wyznaczamy strumień masy pary D

5

w kg/s:

(

)

(

)

2

3

'

5

5

5

w

w

w

ws

w

t

t

c

D

i

i

D

−

⋅

⋅

=

−

⋅

⋅

η

gdzie:

η

w

– sprawność wymiennika ciepłowniczego, do obliczeń przyjmujemy równą 0,98;

i

5

– entalpia pary przegrzanej odczytana dla t

5

i p

5

; jeśli rozprężanie pary w turbinie kończy się

na linii x=1, wtedy do obliczeń przyjmujemy

''

5

i

, czyli entalpię pary nasyconej suchej

odczytaną dla ciśnienia nasycenia, kJ/kg;

'

5

i

– entalpia wody w stanie nasycenia odczytana dla ciśnienia p

5

(lub temperatury t

5

) nasycenia,

kJ/kg;

t

w2

– temperatura wody sieciowej przed wymiennikiem XB, °C;

t

w3

– temperatura wody sieciowej za wymiennikiem XB, °C.

Bilans masowy turbiny

Z bilansu wyznaczamy strumień masy pary pobierany w drugim upuście

(

)

6

5

4

3

1

2

D

D

D

D

D

D

D

p

+

+

+

+

−

=

,

kg/s

6

Bilans cieplny turbiny

(pierwsza osłona bilansowa)

r

m

reg

ciep

u

D

S

S

Q

Q

N

Q

+

+

+

+

=

Strumień ciepła doprowadzony do turbiny w parze przegrzanej

p

p

D

i

D

Q

⋅

=

, kW

gdzie: D

p

– strumień masy pary kierowany na turbinę (suma lewa + prawa strona), kg/s;

i

p

– entalpia pary przegrzanej w kJ/kg odczytana dla temperatury t

p

i ciśnienia p

p

.

Strumień ciepła odprowadzany na wymienniki ciepłownicze XA i XB

6

6

5

5

i

D

i

D

Q

ciep

⋅

+

⋅

=

,

kW

gdzie: D

5

– strumień masy pary kierowany na wymiennik ciepłowniczy XB, kg/s;

i

5

– entalpia pary w pierwszym wylocie ciepłowniczym, kJ/kg;

D

6

– strumień masy pary kierowany na wymiennik ciepłowniczy XA, kg/s;

i

6

– entalpia pary w drugim wylocie ciepłowniczym, kJ/kg;

Strumień ciepła odprowadzany do regeneracyjnych podgrzewaczy wody zasilającej

4

4

3

3

2

2

1

1

i

D

i

D

i

D

i

D

Q

reg

⋅

+

⋅

+

⋅

+

⋅

=

,

kW

gdzie: D

1

÷D

4

– strumienie pary w upustach 1÷4, kg/s;

i

1

÷i

4

– entalpie pary w upustach 1÷4, kJ/kg;

Moc wewnętrzna turbiny

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

kW

i

i

D

D

D

D

D

D

i

i

D

D

D

D

D

i

i

D

D

D

D

i

i

D

D

D

i

i

D

D

i

i

D

N

p

p

p

p

p

p

p

i

,

6

5

5

4

3

2

1

5

4

4

3

2

1

4

3

3

2

1

3

2

2

1

2

1

1

1

−

⋅

−

−

−

−

−

+

−

⋅

−

−

−

−

+

+

−

⋅

−

−

−

+

−

⋅

−

−

+

−

⋅

−

+

−

⋅

=

Moc użyteczna turbiny

i

m

u

N

N

⋅

=

η

, kW

gdzie:

η

m

– sprawność mechaniczna, do obliczeń przyjmujemy równą 0,96

Moc tracona w wyniku strat mechanicznych

(

)

i

m

u

i

m

N

N

N

S

⋅

−

=

−

=

η

1

, kW

Reszta strat

(

)

m

reg

ciep

u

D

r

S

Q

Q

N

Q

S

+

+

+

−

=

, kW

7

Sprawność wewnętrzna turbiny

t

i

i

N

N

=

η

gdzie: N

t

– moc teoretyczna turbiny jest funkcją strumienia masy pary i izentropowego spadku

entalpii, kW;

N

i

– moc wewnętrzna przekazana przez parę wirnikowi turbiny jest funkcją strumienia masy

pary i rzeczywistego spadku entalpii, kW;

Sprawność ogólna turbiny

m

i

OT

η

η

η

⋅

=

Bilans cieplny turbozespołu

(druga osłona bilansowa)

r

g

m

reg

ciep

el

D

S

S

S

Q

Q

N

Q

+

+

+

+

+

=

Moc elektryczna turbozespołu

u

g

el

N

N

⋅

=

η

,

kW

gdzie:

η

el

– sprawność generatora, do obliczeń przyjmujemy równą 0,986

Straty mocy w generatorze

(

)

(

)

i

m

g

u

g

el

u

g

N

N

N

N

S

⋅

⋅

−

=

⋅

−

=

−

=

η

η

η

1

1

,

kW

Reszta strat turbozespołu

(

)

g

m

reg

ciep

el

D

r

S

S

Q

Q

N

Q

S

+

+

+

+

−

=

,

kW

Sprawność ogólna turbozespołu

g

m

i

OTZ

η

η

η

η

⋅

⋅

=

8

4.3. Graficzne przedstawienie bilansu turbiny i turbozespołu – wykres Sankeya

W sprawozdaniu należy sporządzić wykres Sankeya dla turbiny (pierwsza osłona bilansowa) i

turbozespołu (druga osłona bilansowa). Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy wykres dla

turbiny.

Q

reg

Q

ciep

Q

D

N

u

S

m

Rys. 3. Wykres Sankeya – bilans energii w turbinie

4.4. Graficzne przedstawienie rozprężania pary w turbinie

Na fragmencie wykresu i-s dla pary wodnej (Załącznik B), należy zaznaczyć kolejne etapy

rozprężania pary w turbinie.

Przy opracowaniu instrukcji korzystano z „Pomiary cieplne i energetyczne”, prac. zbiorowa pod red. M. Mieszkowskiego, Wydanie II,
WNT, Warszawa 1985

9

Załącznik A

Ćwiczenie nr 15. Badanie turbiny parowej


..................................................................

..........................................

............................

Imię i nazwisko

Nr grupy

Data

p

b

= .................... hPa

Arkusz pomiarowy

Wielkość mierzona

Symbol

Jednostka

Wartość

Strumień masy pary świeżej

D

p

Mg/h

Temperatura pary świeżej

t

p

°C

P

ar

a

św

ie

ża

Ciśnienie pary świeżej

p

p

MPa

Strumień masy pary w upuście nr 1

D

1

Mg/h

Temperatura pary w upuście nr 1

t

1

°C

Ciśnienie pary w upuście nr 1

p

1

MPa

Strumień masy pary w upuście nr 2

D

2

Mg/h

Temperatura pary w upuście nr 2

t

2

°C

Ciśnienie pary w upuście nr 2

p

2

MPa

Strumień masy pary w upuście nr 3

D

3

Mg/h

Temperatura pary w upuście nr 3

t

3

°C

Ciśnienie pary w upuście nr 3

p

3

kPa

Strumień masy pary w upuście nr 4

D

4

Mg/h

Temperatura pary w upuście nr 4

t

4

°C

U

p

u

st

y

p

ar

y

Ciśnienie pary w upuście nr 4

p

4

kPa

Strumień masy pary w I wylocie ciepł.

D

5

kg/s

Temperatura pary w I wylocie ciepł.

t

5

°C

Ciśnienie pary w I wylocie ciepł.

p

5

kPa

Strumień masy pary w II wylocie ciepł.

D

6

kg/s

Temperatura pary w II wylocie ciepł.

t

6

°C

W

yl

o

ty

c

ie

p

ło

w

n

ic

ze

Ciśnienie pary w II wylocie ciepł.

p

6

kPa

Temperatura wody sieciowej przed
wymiennikiem XA

t

w1

°C

Ciśnienie wody sieciowej przed
wymiennikiem XA

p

w1

MPa

Temperatura wody sieciowej pomiędzy
wymiennikami XA i XB

t

w2

°C

Temperatura wody sieciowej za
wymiennikiem XB

t

w3

°C

Ciśnienie wody sieciowej za wymiennikiem
XB

p

w3

MPa

P

ar

am

et

ry

w

o

d

y

si

ec

io

w

ej

Strumień masy wody sieciowej

D

ws

Mg/h

10

Załącznik B