1

ŠKODA POWER

MĚŘENÍ TEMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI ROTAČNÍCH STROJŮ

ŠKODA POWER a. s., Plzeň

MĚŘENÍ TEMODYNAMICKÉ ÚČINNOSTI ROTAČNÍCH STROJŮ

ŠKODA POWER a. s., Plzeň

ŠKODA POWER

ObsahObsah

1. Účinnost stupňů parních turbín

2. Testování FROTORU

2

ŠKODA POWER

Rovnotlaký stupeň parní turbínyRovnotlaký stupeň parní turbíny

Rozváděcí lopatky Oběžné lopatky

ŠKODA POWER

Rychlostní trojúhelníkyRychlostní trojúhelníky

3

ŠKODA POWER

Definice termodynamické účinnostiDefinice termodynamické účinnosti

2

22

20

20

xsc

ccST c

ii

ii

−−

−=η

2

22

20

20

xsc

ccST c

ii

ii

−−

−=η

2

22

20

20

xsc

ccST c

ii

ii

−−

−=η

−+

=

=−+

=

22

22

22

20

0

22

20

0

zrk

nl

z

užST

cchG

N

cch

hη

ŠKODA POWER

Důvody pro měření termodynamické účinnostiDůvody pro měření termodynamické účinnosti

1. Komplexní proměření proudových parametrůa 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 výslednéúčinnosti.

3. Podklady pro zákazníky4. Materiál pro výzkumně-vývojové práce

4

ŠKODA POWER

Experimentální parní turbína 1 MWExperimentální parní turbína 1 MW

ŠKODA POWER

Experimentální možnostiExperimentální možnosti

1. Účinnost samostatných stupňů2. Účinnost skupiny stupňů3. Jednohřídelové a dvouhřídelové

uspořádání4. Vliv proudových parametrů

5

ŠKODA POWER

Modelování provozních parametrůModelování provozních parametrů

1. Geometrická podobnost – měř. 1:12. Pára jako pracovní medium3. Výrobní drsnost povrchu4. Dodržení provozního Machova čísla5. Provoz při optimálním Strouhalově

čísle u/c6. Provoz v automodelové oblasti

Reynoldsova čísla

ŠKODA POWER

Schéma měření na turbině T 1MWSchéma měření na turbině T 1MW

6

ŠKODA POWER

Způsob vyhodnocování účinnostiZpůsob 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 účinnostiZpůsob 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 + GkomGrl [kg s-1] ......... množství rozváděcími lopatkamiGk [kg s-1] ......... množství kondenzátu, měřené měrnou nádržíGv [kg s-1] ......... množství páry odsáté do vývěvyGucc [kg s-1] ......... množství ucpávkové páryGkom [kg s-1] ......... množství komínkové opáýry

Gobl = Grl - Grv + GurGobl [kg s-1] ......... množství oběžnou lopatkouGrv [kg s-1] ......... průtok ucpávnkou obvodové bandážeGur [kg s-1] ......... průtok hřídelovou ucpávkou rozváděcího kola

Jako druhý způsob bylo použito měření parní dýzou a pakGrl = Gpd + Gvv

Gpd [kg s-1] ......... množství parní dýzouGvv [kg s-1] ......... množství vstříkované vody

Gobl = Gpd + Gvv - Grv + Gur

Pozn.: Gvv = 0 ....... při měření nebyla vstřikována vodaGur = 0 ....... při měření byl udržován nulový průtok

(vhodným nastavením odsávání do kondenzátoru)

7

ŠKODA POWER

KondensátorKondensátor

ŠKODA POWER

Měření množství páryMěření množství páry

8

ŠKODA POWER

Způsob vyhodnocování účinnostiZpůsob vyhodnocování účinnosti

Měření výkonu

Nnl = Nb + Nl + NvNnl [W] ......... výkon na lopatkáchNb [W] ......... výkon na vodním dynamometru (torquemeteru)Nl [W] ......... ložiskové ztrátyNv [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 - c2z

2/2))c2z [m s-1] ......... osová složka výstupní rychlosti

ŠKODA POWER

TorquemeterTorquemeter

9

ŠKODA POWER

BrzdaBrzda

ŠKODA POWER

Řídící a regulační panelŘídící a regulační panel

10

ŠKODA POWER

Stanovení základních parametrů stupněStanovení základních parametrů stupně

Machovo číslo stupně:

k ......... Poissonova konstanta pro spád na stupeňp0 ......... tlak páry ve vstupním konfusorup2 ......... tlak páry za oběžným kolem

Reynoldsovo číslo stupně:Rest = (c b1)/(µ v)

c ......... rychlostb1 ......... tětiva rozváděcí lopatkyµ ......... dynamická viskozitav ......... měrný objem

Strouhalovo číslo:u1p/c2st = π ⋅ Dp1 ⋅ n / 60 ⋅ cst

Dp1 [m] ......... patní průměrcst [ms-1] ......... rychlost z isoentropického spádunst [min-1] ......... otáčky rotoru

M k p p k k= − −−( / ( ))(( / ) )( )/2 1 10 21

ŠKODA POWER

Vliv u/c na účinnostVliv u/c na účinnost

11

ŠKODA POWER

Vliv Reynoldsova čísla na účinnost stupněVliv Reynoldsova čísla na účinnost stupně

ŠKODA POWER

Lopatky banán I.Lopatky banán I.

12

ŠKODA POWER

Vliv Machova čísla na účinnostVliv Machova čísla na účinnost

ŠKODA POWER

Výsledky měření a testovánístroje FROTOR

Výsledky měření a testovánístroje FROTOR

13

ŠKODA POWER

Schéma FROTORUSchéma FROTORU

ŠKODA POWER

Využití FROTORUVyužití FROTORU

PřednostiNízkootáčkový pohonVyužití zbytkové expanze plynů (vzduch, spaliny)Maximální tlakový spád p1/p2 = 6Relativně jednoduchá konstrukce

Nevýhody:Obtížná regulace otáčekNízká termodynamická účinnostNízká provozní teplota (kontakt s olejem)Nemožnost použití páry (kontakt s olejem)Velké vlastní ztráty (tření lopatek)

14

ŠKODA POWER

Podmínky pro testování termodynamické

účinnostiPodmínky pro testování termodynamické

účinnosti

Pracovní medium stlačený vzduchNelze 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 měřeníSchéma měření

15

ŠKODA POWER

Fotky z měřeníFotky z měření

ŠKODA POWER

mměřěřííccíí clonaclona o o ØØ110mm je um110mm je umííststěěna v potrubna v potrubíí o o ØØ150mm 150mm 2 odb2 odběěry statickry statickéého tlakuho tlaku

ppřřed clonou p0 ed clonou p0 –– tlak mtlak měřěřen proti atmosfen proti atmosfééřřeena clonna cloněě dp0 dp0 –– tlak mtlak měřěřen diferenen diferenččnněě proti p0proti p0

tlakovtlakovéé ppřřevodnevodnííky ROSEMOUNT, výstupnky ROSEMOUNT, výstupníí signsignáál 4 l 4 -- 20mA20mAumumííststěěnníí clony a provedenclony a provedeníí odbodběěrrůů dle normy dle normy ČČSNSN

Měření množství vzduchuMěření množství vzduchu

16

ŠKODA POWER

tlaky ptlaky přřed a za strojemed a za strojemppřřed strojem ed strojem –– statický a celkový tlakstatický a celkový tlakza strojem za strojem –– pouze statický tlakpouze statický tlak

tlakovtlakovéé ppřřevodnevodnííky ROSEMOUNT, výstupnky ROSEMOUNT, výstupníí signsignáál 4 l 4 -- 20mA20mAvvššechny tlaky mechny tlaky měřěřeny proti atmosfeny proti atmosfééřřee

barometrický tlakbarometrický tlakabsolutnabsolutníí tlakový ptlakový přřevodnevodníík ROSEMOUNTk ROSEMOUNTvýstupnvýstupníí signsignáál 4 l 4 -- 20mA20mA

Měření tlaků vzduchuMěření tlaků vzduchu

ŠKODA POWER

teploty pteploty přřed a za strojemed a za strojempoupoužžity termoity termoččlláánky nky NiCrNiCr--NiNiumumííststěěnníí –– ppřříímo v proudu (bez jmo v proudu (bez jíímek)mek)elektrickelektrickéé ppřřevodnevodnííky ROSEMOUNT ky ROSEMOUNT –– studenstudenéé koncekoncevýstupnvýstupníí signsignáál 4 l 4 -- 20mA20mA

Měření teplot vzduchuMěření teplot vzduchu

17

ŠKODA POWER

výstupy z pvýstupy z přřevodnevodnííkkůů jsou zavedeny do propojovacjsou zavedeny do propojovacíího ho boxuboxupomocpomocíí odporu 400odporu 400ΩΩ jeje proudový signproudový signáál pl přřeveden na eveden na napnapěťěťovýovýnapnapěťěťovovéé signsignáály mly měřěřeny 20ti kaneny 20ti kanáálovou lovou úúststřřednou ednou HP34970AHP34970A, ta je p, ta je přřes RS232 spojena s mes RS232 spojena s měřěřííccíím PCm PCnamnaměřěřenenáá data jsou zaznamendata jsou zaznamenáávváána do souboruna do souboru

Sběr dat z převodníkůSběr dat z převodníků

ŠKODA POWER

ototááččkomkoměěr s r s kapacitnkapacitníí sondousondouna hna hřříídeli je umdeli je umííststěěn kroun kroužžek se 4 zubyek se 4 zubyřřííddííccíí jednotka (jednotka (ččíítatačč pulzpulzůů))

display pro pdisplay pro přříímměě zobrazenzobrazeníí ototááččekekppřřes RS232 signes RS232 signáál do pol do poččíítatačče e –– program ve program ve VisualVisualBasicuBasicu

Měření otáčekMěření otáček

18

ŠKODA POWER

poupoužžit hlukomit hlukoměěrr BruelBruel--KjaerKjaer 22602260kromkroměě hladiny hluku lze vyhodnotit i hladiny hluku lze vyhodnotit i ttřřetinooktetinooktáávovvovéécharakteristiky zmcharakteristiky změřěřenenéého hlukuho hlukuhluk mhluk měřěřen ve vzden ve vzdáálenosti 1 m od stroje ve výlenosti 1 m od stroje ve výššce 1 m nad zemce 1 m nad zemíízmzměřěřenenáá data lze pomocdata lze pomocíí linky USB plinky USB přřenenéést do post do poččíítatačče a e a vyhodnotitvyhodnotit

Měření hluku strojeMěření hluku stroje

Cursor: (A) Leq=93.4 dB LFmax=100.4 dB LFmin=84.8 dB

Project 076

12.50 31.50 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 A C10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130dB 18.09.2006 00:52:48 - 00:59:05

HzLZeq LZFmax LZFmin

ŠKODA POWER

teplota tteplota těělesalesakontrolnkontrolníí mměřěřeneníí ppřři provozu provi provozu prováádděěna bezdotykovým na bezdotykovým infrainfraččerveným teplomerveným teploměěremrem

teplota lopatekteplota lopatekprovedeno mprovedeno měřěřeneníí termovizntermovizníím systm systéémemmeminfrainfraččervenervenáá kamerakamera FlirFlir ThermaCAMThermaCAM SC2000SC2000

rozsah teplot:rozsah teplot: --40 a40 ažž +2000+2000°°CCppřřesnost mesnost měřěřeneníí:: ±±22°°CCteplotnteplotníí citlivost:citlivost: <0,2 <0,2 °°CC

mměřěřeneníí provedeno ve spoluprprovedeno ve spoluprááci s NTC/Zci s NTC/ZČČUU

Měření povrchových teplot strojeMěření povrchových teplot stroje

Lopatka č.4 60,5˚C

19

ŠKODA POWER

namnaměřěřenenéé hodnotyhodnotystatickstatickéé tlaky a teploty na vstupu a výstupu strojetlaky a teploty na vstupu a výstupu strojemnomnožžstvstvíí vzduchuvzduchu

výpovýpoččetetii11 (p(ps1s1, T, T11))ss11 (p(ps1s1, T, T11) = s) = s22

ii2is2is (p(ps2s2, s, s11)) hhisis = i= i11 -- ii2is2is

ii22 (p(ps2s2, T, T22)) h = ih = i11 -- ii22úúččinnost innost ηη = h / h= h / hisis

výkonvýkon P = h P = h ·· mmvzvz

ps1

ps2

h is

h

i1

i2i2is

s1=s2

1

2is2

Určení účinnosti a výkonuUrčení účinnosti a výkonu

ŠKODA POWER

1. etapa1. etapazkouzkouššky provky prováádděěny bez zatny bez zatíížženenííprvnprvníí pokusy o roztopokusy o roztoččeneníí stroje byly provstroje byly prováázeny velkými zeny velkými vibracemi a hlukemvibracemi a hlukempo vyjetpo vyjetíí na vyna vyššíšší ototááččky (okolo 1300 ky (okolo 1300 otot/min) stroj s/min) stroj sáám m zazaččal otal otááččky sniky snižžovat i kdyovat i kdyžž ppřříívod vzduchu zvod vzduchu zůůststáával val konstantnkonstantníípodezpodezřřeneníí na na kontakt lopatek o plkontakt lopatek o plášášťť strojestrojekonzultace s výrobcem konzultace s výrobcem –– úúprava lopatek a seprava lopatek a seřříízenzeníí

Průběh provedených zkoušekPrůběh provedených zkoušek

20

ŠKODA POWER

2. etapa2. etapappřři chodu bez zati chodu bez zatíížženeníí dosadosažženy oteny otááččky aky ažž 1480 1480 otot/min/minppřři ti těěchto otchto otááččkkáách zaznamench zaznamenáány ny vysokvysokéé vibrace a velký hlukvibrace a velký hluk(v(vííce nece nežž 120 db(A)), bylo nutn120 db(A)), bylo nutnéé okamokamžžititěě ototááččky snky sníížžitit10h provoz p10h provoz přři malých oti malých otááččkkáách bez zatch bez zatíížženeníí8h provoz p8h provoz přři malých oti malých otááččkkáách se zatch se zatíížženeníímm

provedena mprovedena měřěřeneníí bez zatbez zatíížženeníí a se zata se zatíížženeníím v rozsahu m v rozsahu ototááčček do 1500 ek do 1500 otot/min/minppřři i zatzatíížženeníí se se vibracevibrace stroje stroje snsníížžilyily a hluk stroje se pohyboval a hluk stroje se pohyboval do 110 dB(A)do 110 dB(A)ototááččky stroje jsou nerovnomky stroje jsou nerovnoměěrnrnéé v rozsahu cca v rozsahu cca ±±30 30 otot/min/min

doporudoporuččeneníívýrobcevýrobce

Průběh provedených zkoušekPrůběh provedených zkoušek

ŠKODA POWER

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

8:00:00 8:30:00 9:00:00 9:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00

Čas

Otáčk

y [o

t/min

]

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

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

1420

1430

1440

1450

1460

1470

1480

1490

1500

1510

10:07:49 10:08:24 10:08:59 10:09:33 10:10:08 10:10:42 10:11:17

nerovnomnerovnoměěrný chodrný chod

Výsledky – průběh otáčekVýsledky – průběh otáček

21

ŠKODA POWER

Závislost výkonu na tlakovém poměruZávislost výkonu na tlakovém poměru

ŠKODA POWER

Závislost výkonu na otáčkáchZávislost výkonu na otáčkách

22

ŠKODA POWER

Závislost účinnosti na n/(2*his)-2Závislost účinnosti na n/(2*his)-2

ŠKODA POWER

Závislost účinnosti vlastní na n/(2*his)-2Závislost účinnosti vlastní na n/(2*his)-2

23

ŠKODA POWER

Děkuji za pozornost

L. Tajč