MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasseasiirde/Loengud/Loengud sissejuhatus...MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasse 42 Narva EJ põlevkivikatelde arengud η ~30% (*) η ~36%

TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYTHERMAL ENGINEERING DEPARTMENT

MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasse

Ivan Klevtsov

223.11.2015 MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasse

MST0130 Soojusjõuseadmete projekteerimine – projekt. Ainekava 1. Õppeaineregistri osa: A 2. Õppeaine kood: MST0130 3. Õppeaine nimetus eesti keeles: Soojusjõuseadmete projekteerimine –

projekt 4. Õppeaine nimetus inglise keeles: Design of Thermal Power Plant

Equipment – Project 5. Õppeaine nimetus vene keeles: Проектирование теплосилового

оборудования - проект 6. Õppeaine maht (EAP-des): 5 7. Kontrolli vorm: Projekti esitamine ja suuline kaitsmine 8. Õppetöö keel : Eesti keel 9. Õpetamise semester K 10. Õppeaine eesmärgid eesti keeles: Teavitada soojustehnika eriala tulevasi spetsialiste energeetilistest kateldest, sh gaas, vedel ja tahkekütuste põletamisest, katlabilansist, kolde arvutusest, küttepindade bilansist ja küttepindade soojus- ning konstruktorarvutustest. Aine omandamine annab õppijale võimaluse kasutada soojustehnika teoreetilisi aluseid (termodünaamika, soojusülekanne, kütuste põletamine, katlatehnika) praktiliste ülesannete lahendamiseks ja soojustehnika eriala edukaks omandamiseks.







TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYTHERMAL ENGINEERING DEPARTMENT

MSE0130 - Soojustehniliste seadmete projekteerimine –projekt

Ivan Klevtsov

1. Trumlikatla arvutus: lähteülesanne

23.11.2015 MS 01 0E 3

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOLMehaanikateaduskondSoojustehnika Instituut

Kursusetöö aines MSE0130 “Soojustehniliste seadmete projekteerimine -projekt”

Üliõpilane Raul Treier

Arvutada ja projekteerida aurukatel vastavalt algandmetele:

Aurutootlikkus, Da 310 t/hÜlekuumendatud auru temperatuur, t″

ük 5410°CÜlekuumendatud auru rõhk, p″

ük 14,5 MPaToitevee temperatuur, ttv 230°CKütuse liik * põlevkiviLisatingimused trummelkatel* kivisöeliik valitakse (Tabel 2.1, lisa 2 [24]) järjekorra numbrite järgi vastavalt matrikli numbri viimasele arvule.

Kursusetöö peab olema tehnilise projekti staadiumis järgmises mahus:

SeletuskiriA1. Katla kirjeldus (2-3 lehekülge). Omapoolsete valikute põhjendus.A2. Katla töö- ning kolde ja küttepindade põhinäitajad (tabelina).A3. Inglise keelne kokkuvõte.

10

1. Trumlikatla projekt: lähteülesanne

23.11.2015 MS 01 0E 3

ArvutusedB1. Põlemisproduktide arvutusB2. Katla soojusbilansi arvutusB3. Kolde soojus-ja konstruktorarvutusB4. Festooni soojusarvutusB5. Ülekuumendi ja järelküttepindade skeemi valik ja soojusbilansi arvutusB6. Ülekuumendi ja ökonomaiseri soojus- ja konstruktorarvutusB7. Õhueelsoojendi soojus- ja konstruktorarvutus

Graafiline osaKatla pikkilõige (formaat A1)Katla ristlõige (formaat A1)

Soovitav lõpetamise tähtaeg 15. aprill 2015Ülesande väljaandmise aeg 5 . veebruar 2013

Kursuse juhendaja

Ivan Klevtsov, TTÜ STI professor, tehnikadoktor

11

1. Trumlikatla projekt: lähteülesanne

23.11.2015 MS 01 0E 3

Aurukatla obligatoorsed elemendid (a) ja konstruktsioonid: (b) tahke kütus, (c) gaas, masuut; 1 – kolle, 2 – trummel, 3 – ökonomaiser, 4 – ekraanitorud, 5 –laskuvtorud, 6 – festoon, 7 – laeülekuumendi, 8 – “külm” auruülekuumendi, 9 – “kuum” auruülekuumendi, 11 – pöördkamber, 12 – õhueelsoojendi, 13 – kollektorid, 14 –aurujahuti.

12

bhpr

hgva

Hk

hp

hük1

hük2

b´´

b´=0

600

mm

600

mm

x ük2

x ük1

a)

b

5

b´

b´´

4

1

2

11

3

12

13

9 8

6

10

7

0,6m

x toitevesi

Hõe

s+0,

6m

h ük

13

aur tarbijale

h gva

h ões

0,6mb´

b´´

hpr 600

mm

600

mm

x ük 2

x ük1

hkl

0,5hkl

Hk

Hk

hgva

h´k

h´k

0,5h

gva

0,5h

gva

hük1

hp

hük2

b

b)

c)

14

hp=h´k⋅(1,04-2⋅M); M – leegiasenditegur.

3.Trumlikatla joonised

23.11.2015 MS 01 0E 3 13

2. Trumlikatla arvutused

23.11.2015 MS 01 0E 3 14


23.11.2015 MS 01 0E 3 15


23.11.2015 MS 01 0E 3 16

17

Tallinna TehnikaülikoolSoojustehnika Instituut

Ivan Klevtsov

SOOJUSELEKTRIJAAMADMSJ 0060

18

Tallinna Tehnikaülikool, Soojustehnika Instituut

I. Klevtsov, MSJ 0060, SEJ, Loeng 1

The International Energy Agency - Key world energy statistic 2013. http://www.iea.org/Rahvusvaheline Energiaagentuur - võtme maailma energiaturu statistika

Joon. 1.1a. Erineva primaarkütuste kasutamine maailmas

http://www.iea.org/

19



1. Kashiwazaki-Kariwa 8,206 MW Japan 2. Bruce 6,830 MW Canada

3. Zaporizhzhya,Ukraine, 6,000 MW 4. Ulchin, Republic of Korea, 5,900 MW

http://www.industcards.com/top-100-pt-1.htm

20

Three Gorges Dam project

LARGEST HYDRO-ELECTRIC DAMS

1.Three Gorges Dam, Kolme Kuristiku tammChina - 18,200 megawatts2. Itaipu, Brazil/Paraguay - 12,600 megawatts3. Guri, Venezuela - 10,000 megawatts4. Grand Coulee, US - 6,494 megawatts5. Sayano-Shushensk, Russia - 6,400 megawatts6. Krasnoyarsk, Russia - 6,000 megawatts7. Churchill Falls, Canada - 5,428 megawatts8. La Grande, Canada - 5,328 megawatts

185m high, 2,309m long wallWhen its 26 turbines become operational in 2009, the dam will have a capacity 18,200 megawatts.

21

The World's Largest Hydro-electricPower Plants

2..Itaipu, Brazil/Paraguay - 12,600 megawatts 3. Guri, Venezuela - 10,000 megawatts

4. Grand Coulee, US - 6,494 megawatts 5. Sayano-Shushensk, Russia - 6,400 megawatts

22

1.2. Eesti kütuse varud ja nende tarbimine

Kütuse- ja energiamajanduse pikaajalise riikliku arengukava aastani 2015 kinnitamine. Riigikogu 15. detsembri 2004. a otsus

ENERGIARESSURSIDEesti energiaressurssides ja primaarenergia bilansis on kodumaiste energiaallikate osatähtsus kõrge, baseerudes suures osas põlevkivil. See annab elektrivarustuses arvestatava strateegilise sõltumatuse (imporditavate energiaallikate osakaal on meil ~1/3, EL liikmesriikides keskmiselt ~2/3). Põlevkivi suuremahulise kasutamise peamisteks positiivseteks külgedeks on riigi energeetiline varustuskindlus ning vähene hinnasõltuvus maailmaturust. Negatiivse poolena tõusevad esile suured keskkonnakahjustused nii põlevkivi kaevandamisel kui ka kasutamisel ning põlevkivi madal kütteväärtus. Põlevkivi osakaalu primaarenergia bilansis mõjutab oluliselt elektrienergia ekspordimaht – mida suurem on elektri eksport, seda suurem on põlevkivi osakaal primaarenergiabilansis.

23

Taastuvad energiaallikadEesti taastuvenergia potentsiaal avaldub eeskätt biokütustel baseeruvas elektri ja soojuse koostootmises ning tuuleenergias, samuti arendatakse väikesemahulist hüdroenergeetikat, mille tehniliselt rakendatavaks koguressursiks on ~40 MW.

24

Tallinna (Väo) KTJElektri ja sooja koostootmise jaam Asukoht: Tallinn, Väo karjäär Ehituse algus: 2007, esimene kvartal Valmimine: 2008 Maksumus: miljard krooni Võimsus: elektrit 23,5 MW, soojust 67 MW Kütus: madalakvaliteediline puit Töötajaid: 20



25



Steam engineA steam engine is an external combustion heat engine that makes use of the thermal energy that exists in steam, converting it to mechanical work.

http://www.goencyclopedia.com/e/Mechanical_work.htm

26



800-hobujõulise lokomobiili katsetamine 20. sajandi algaastail soojustehnikainseneri valvsa pilgu all

27

Suuremad soojuselektrijaamad

1.Taichung, Taiwan, 5,834 MW, Coal-Fired

2.Poryong, Republic of Korea, 4,954 MW

3.Kawagoe, Japan, 4,802 MW 4.Surgut II, Venemaa, maagaas, 4800 MW

28



1.4. Eesti elektrijaamadNarva KEJ: 95% elektrienergia toodangust, põlevkivi.

Balti Elektrijaam 765 MW

Eesti Elektrijaam 1615 MW

Balti Elektrijaam ehitati aastatel 1959-1965, 2005.a, renoveeriti 11. energiaplokk.

Eesti Elektrijaam ehitati aastatel 1963-1973, 2003.a renoveeriti 8. energiaplokk. NEJ toodetakse elektrienergiat rohkem kui 9 miljardit kWh aastas.

29



Eesti Elektrijaam.Katlad: TP-101

30



Eesti Elektrijaam. Turbiinid K-200-130

31



Eesti Elektrijaam. Keevkihikatlad, plokk 8



Auvere elektrijaama lihtsustatud soojusskeem




Turbiini läbilõige

HP 26% IP/LP1 40% LP2 34%

37



Auvere Elektrijaam. Keevkihikatel, 300MW

38




39




40




41



Auvere Elektrijaam. Keevkihikatel, 300MWFuel system


Narva EJ põlevkivikatelde arengud

η~30%(*) η~36% (*) η~40%(*)

Tolmpõletus1959-1973

Tsirkuleeriv keevkiht

2004-2005

Tsirkuleeriv keevkiht

2015

TP-101, Narvap = 13,2 MPat = 520 / 525 °Cη ~30%

CFB, Narva, E08, B11p = 13,3 MPat = 535 / 535 °Cη ~36%

CFB, Auvere 300 MWp = 17,8 MPat = 543 / 568 °Cη ~40%

(*) - Energiaploki kasutegur

Arendustest Narva elektrijaamades Rain Veinjärv

MSJ0160 -TÖÖSTUSTORUSTIKUD JA KAUGKÜTTEVÕRGUD

23.11.2015 44

Agregaatide ühendusskeem torustikega esitatakse elektrijaama detailsel soojusskeemil.

34

35

3310

9

25 6

24

24 23

20 19 1821

1716

3

pt=13MPa=565°C

KõrgRO

Stoppklapp

1514

p=0,5MPa

p=0,3MPa

13 12 11

22

5

30

37

4

MRO2

31

p=1,2-1,5MPa28

29

2732

26

78836

1

KeskRO

p=3,

8 M

Pa

p=2,

3 M

P a

p=1 ,

2-1,

5 M

Pa

p=0,

04-

0,2

MP a

p=

0 ,06

-0,

25 M

Pa

45

AS NARVA ELEKTRIJAAMADE SOOJUSJÕUSEADMETES KASUTATUD TERASED: Uued plokid Kõrgrõhu aurutorustik:

X10CrMoVNb91 - ∅219x22,2 mm, ∅323,9x28 mm; ∅355,6x36 mm; ∅406,4x32 mm;

keskrõhu kuumaurutorustik:10CrMo910 - ∅457x25 mm, ∅610x20 mm;X10CrMoVNb91 - ∅323,9x12,5 mm; ∅610x20 mm.

H354

1.12

1.9

1.13

1.201.211.22

1.23

1.6

1.4

H353H351

H352H046

H045

219x22,2X10CrMoVNb91

355,6x36X10CrMoVNb91


1.111.7

1.251.26

1.26.1

1.27

1.28

1.29

1.35

1.301.31

H047

2.41

2.502.51

2.542.55

H133

H134

H135

H015

2.91.10

1

4

H018

1.56



xX10CrMoVNb91

323,9 28

H020

1.501.51

1.541.55

H071

H072

H048

2.31

2.32.1

1.32.1

1.32.2 2.35.1

2.35

2.30

2.29

2.28

2.29

2.262.25

2.22


2.23

H069

H350

H349

H348

2.13

2.20

2.21

2.112.12

2.92.4

219x22,2X10CrMoVNb91

2.72.6

H347

1.41

H017

H016

H011H012

5

67

H0078

1.1a

1бH008

2б

1а

1.2а

2.2бH010

H009

H013H014

1.pall (2005) R HB 234

H047

1.pall (2005) R HB 192

H354

1.pall (2005) R HB 272

H017

1.pall (2005) R HB 227

H018

1.pall (2009) R HB 222

H008

1.pall (2009) R HB 212

H045

1.pall (2009) R HB 200

H069

1.pall (2012) R HB 257

H012

2 pall (2009)R HB 190

H347.

2 pall (2012)R HB 227.

2 pall (2012)R HB 211

H349.

2 pall (2012)R HB 238

H046.

2 pall (2012)R HB 232

H351.

1.pall (2012) R HB 240

H070

1.pall (2012) R HB 224

H016

2 pall (2009)R HB 214

H015.

2 pall (2012)R HB 224.

H071

23.11.2015 46

Torustikud Torud Sumitomo metal

23.11.2015 47

TorustikudTorud

Terastorud: a) õmblusteta, b) pikiõmblusega.

23.11.2015 48

Elektrijaamade torustike termiline pikenemine

a) b) c)kinnistugi juhttugi

kompensaator

23.11.2015 49

Elektrijaamade torustike koormustsüklidLubatav pingeamplituud torustiku arvutamisel

tsüklilisele väsimusele.

RSK1 K2K3

N10710610510410310210

100

1000

10000

2σ

Klassi RS mittekeevitatavad komponendid (valtsmetalli pind) ja keevitusklassid K1, K2 ja K3.

23.11.2015 50

Toed ja riputidVEDRURIPUTITE KONSTRUKTSIOONID

Vedrutoe konstruktsiooni näide.

kinnitusvõru, kandetala, sidevarras, talrep, sang

23.11.2015 51


LISEGA tüüpi püsikoormustoe tööskeem.

23.11.2015 52


EEJ, plokk 8

23.11.2015 54

Kanaliga ja kanalita maaalused soojusvõrgud

Maaalune soojusvõrk läbikäidamatus kanalis.Läbikäidamatute kanalite mõõte määravad peamiselt paigaldatavate torude läbimõõt, torutelgede vaheline kaugus ja pilu suurus soojusisolatsiooni ning kanali seinte vahel.

23.11.2015 55

Kanaliga ja kanalita maaalused soojusvõrgud

Soojusvõrkude läbikäidamatutesse kanalitesse paigaldamise kõrval leiab üha rohkem kasutamist nende kanalita paigaldamine

Joonis 2.10. Soojusvõrkude kanalita paigaldamine.


MST 0100 SOOJUSJÕUSEADME METALL: TUGEVUS, TÖÖIGA,

TÖÖKINDLUS

57

Plastse metalli tõmbediagrammid

Plastse metalli tõmbediagrammid: tinglik (а) ja tegelik (b), joonmõõdete ja kuju muutus tõmbeteimil (с) ning purunemispilt (d).

I. Klevtsov. Soojusjõuseadme metalli kahjustused Loeng 3

c) F F

F F

l0 S0 lg Sg lS

σ, N/mm2

Ühtlaneplastnedeformatsioon

Rm

ReH RP02ReL

ReRpr Ka

ela

tekk

imin

eKa

ela

defo

rmat

sioon

Puru

nem

ine

а)

ε, %0,2%

Ag

A

σ

0

σmax

b)

Ag

ε, %

A

58

Habraste materjalide tõmbediagrammid

Habraste materjalide tõmbediagrammidel ei ole voolepinda ja kalestustsooni.Habrastel teimikutel ei teki plastsetele materjalidele iseloomustuslikku kaela.

Hapra metalli tõmbediagramm (а) ja purunemispilt (b).


σ, N/mm2

a)

59

Staatilised katsemised


60

Plastne deformatsioon ülekuumenemisel


Plastne deformatsioon ülekuumenemisel: а) katla leektoru ∅1450x20 mm (autori pilt), b) küttepinna toru “fish mouth” [1.52].

1.52. Port R.D., Herro H.M. The Nalco Guide to Boiler Failure Analysis, Nalco Chemical Company. McGraw-Hill, Inc. (1991).

Kühm

а)

Leegitoru esialgne profiil

61

seinapaksuse lisa с0 korrosioonile


62

seinapaksuse lisa с0 korrosioonile


63

Plastse materjali vananemine


Löögisitkus (KU, KV)

64

Hapruspurunemise näide


65


www1.gantep.edu.tr

Common examples of catastrophic failures of structures caused by brittle fracture are:

- Welded ships & tankers made of mild steel (during World War II)

- Rails of railways during cold winter periods.

67

Kõvadus


DynaPocket

68

Kõvadus


EN 1043-1:1996 Destructive tests on welds in metallic materials. Hardness testing Part 1: Hardness test on arc welded joints

Figure 3 — Location of the indentations in butt welds in ferrous metals (excluding austenitic steels)

23.11.2015 69

KEEVISLIIDE MIKROKÕVADUS

23.11.2015 70

KEEVISLIIDE MIKROKÕVADUS

71

Väsimusteimimine


Väsimusteimimasinad: (а) - pöörlev paindega, (b) – tõmbe-surve tsükliga

Ping

e pu

nktis

A

a) A

ωω

ωτ F

b)

ωA

σm=0

ωτ

σm>0

ωτ

σA

σA

σA

72

Väsimusteimimine


http://www.asminternational.org/content/ASM/StoreFiles/05224GChapter14.pdfModern fatigue test frame

http://www.asminternational.org/content/ASM/StoreFiles/05224G_Chapter14.pdf

http://www.asminternational.org/content/ASM/StoreFiles/05224G_Chapter14.pdf

73

Väsimusnäitajad


Erinevat tüüpi materjalide väsimuskõverad: 1) materjalid tegeliku väsimuspiiriga; 2) materjalid ilma väsimuspiiritaVäsimusnäitajad: N1 – tsüklite arv prao tekkimiseni või purunemiseni, m –väsimuskahjustuse kuhjumisjoone kalle, σ-1 – tõeline väsimuspiir

<∞=

≥

⋅=

−

−−

1

11

1

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

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

σσ

σσσσ

а

а

m

a

kuiN

kuiNN

<

⋅=

≥

⋅=

−−

−−

1

2

11

1

1

11

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

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

σσσσ

σσσσ

а

m

a

а

m

a

kuiNN

kuiNN

108107106105104 N1

σ-1 1

2

Tsüklite arv prao tekkimiseni, N

Ping

eam

plitu

d tsü

klis

, σa

74

Pingete kontsentratsioon kaheteljelisel tõmbel


Praod trumli laskuvtorude avade servadel..

75I. Klevtsov. Soojusjõuseadme metalli kahjustused Loeng 5

76

Pingete kontsentratsioon ovaalse ava serval


77

Väsimuspurunemine


http://www.4x4community.co.za/forum/showthread.php?t=79395 26.03.15Turbine Accident at DuvhaThey were doing a test of the turbine overspeed protection system, speed starts going crazy, it went from 3000 RPM to 4500 RMP in ten seconds

http://www.4x4community.co.za/forum/showthread.php?t=79395

78

Väsimuspurunemine


79

Väsimuspurunemine


80

Roometeimimine


Roometeimi katseseadme skeem. 1 – kuulikujuline tugi, 2 – ülemine haarats, 3 – elektriahi, 4 – termopaar, 5 – teimik, 6 – tensomeetrihoovad тяги тензометра, 7 – indikaatorid, 8 – alumine haarats, 9 –kang, 10 – raskus.

Suht

elin

e de

form

atsi

oon,

ε

teimiku purunemine

Aeg, τ10

98

7

654

321

x x

x

III

IIIσ σ= 2

σ σ= 3

σ σ= 1

ε σ( )1

0 τ2τ1

81

Metallide roometeim


http://www.wmtr.com/en.creep.html 30.03.15

siledad või V-soonega teimikud

http://www.wmtr.com/en.creep.html

82

Metallide roometeim Sumitomo metal


83

Roomenäitajad


Arvutuslikud roomediagrammidRoomenäitajad:Rp1/τ/t – roometugevus, materjali kestustugevuse näitaja, suurim pinge, mille korral roomedeformatsioon temperatuuril t ajavahemikul τ ei ületa lubatut, antud juhul 1%;

RU/τ/t – kestustugevus, pinge, mille korral käitamistemperatuuril t metall puruneb ajavahemiku τ pärast;

84

Purunemine roomavuse tagajärjel


Roomavus sõltub käitamise tingimustest ja materjali tegelikest omadustest. Roomavusest suurenevad detailide lineaarsed mõõdud ja väheneb seina paksus. Detaili purunemisel roomavusest on plastne deformatsioon mitu korda väiksem kui lühiajalisel ülekoormamisel ja purunemise iseloom on kristallidevaheline. Mõned näited purunemisest roomavuse tagajärjel on esitatud Joonisel.

85

Tõmbetugevuse määramine

I. Klevtsov. Soojusjõuseadme metalli kahjustused

86



87



88



Stress distribution in turbine rotor after sampling.

Maximum stress

01020304050607080

0 10 20 30

Points along perimeter

Stre

ss N

/mm

2

w ith notch w ithout notch

89



Stress distribution in pipe wall after sampling.

Maximum stress

50

60

70

80

90

0 5 10 15 20 25 30

Distance along tube thickness mm

Stre

ss N

/mm

2

Depth of dimple 0 mm 1 mm

2 mm 3 mm

4 mm

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Depth of the cavity mm

Stre

ss c

once

ntra

tion

fact

or

90

Jääkdeformatsioon


91

Jääkdeformatsioon


0.000%

0.100%

0.200%

0.300%

0.400%

0.500%

0.600%

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

∆d, m

m

Kaugus rootori otsast auru liikumise suunas, mm

dD, mm

dD, %

92

Struktuuri kahjustuse skaala


1

2

34

5

6

7

<65 %

65 -74 %

74 -81 %

81 -87 %

87 -96 %>96 %

1

2

7

6

5

4

3

Suht

elin

e de

form

atsio

on, ε

Kahjustusepall Ressursikulu

Purunemine

makropraod

mikropraod

pooride kett

palju orienteeritudpoore terade piiril

palju poore ilmakindla orientatsioonita

üksikud poorid

poorid puuduvad Aeg

93I. Klevtsov. Soojusjõuseadme metalli kahjustused Loeng 14

Documents

MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasseasiirde/Loengud/Loengud sissejuhatus...MSE0340-Sissejuhatus soojusenergeetikasse 42 Narva EJ põlevkivikatelde arengud η ~30% (*) η ~36%