Parní turbíny a kondenzátory 2. přednáška – Kondenzace a regenerace Autor: Jindřich Louthan Datum: 27.11. 2019
Obsah
1. Úvod do problematiky
Tvorba a udržení vakua ve vakuovém systému
Zjišťování netěsností vakuového systému
Řešené příklady
2. Druhy evakuačních zařízení
Paroproudé vývěvy
Vodoproudé vývěvy
Vodokružné vývěvy
Řešené příklady
Motivace
Hledání odpovědí na základní otázky:
• Co je systém evakuace a proč je nezbytný?
• Jaké jsou druhy používaných evakuačních zařízení v energetice?
• Jak v praxi vypadají systémy evakuace?
Rozsah zařízení kondenzace a regenerace
Tepelné výměníky: - Kondenzátory - Regenerační ohříváky - Kondenzátory komínkové/ucpávkové páry - Chladiče sekundárních okruhů - Separátory–přihříváky - Ohříváky topné vody
Systém evakuace (vývěvy)
Čerpadla: - Kondenzátní čerpadla - Pomocná čerpadla - Napájecí čerpadla
Redukční stanice (bypass turbíny)
Kontinuální čištění kondenzátoru Zařízení kondenzace
a regenerace
Expandéry (uvolňovače páry)
Napájecí nádrže a odplyňováky
Vakuum je velmi nízký podtlak vůči atmosférickému tlaku. Přístroje pro měření vakua se nazývají
vakuometry. Vakuometry mohou udávat:
1) Absolutní tlak a nebo
2) Rozdíl mezi atmosférickým tlakem a absolutním tlakem
Vakuum se často v elektrárenských provozech udává v procentech, takže pokud provozní technici mluví
např. o 95 % vakua, znamená to, že při tlaku okolní atmosféry pb = 100 kPa hovoří o tlaku pk = 5 kPa, viz:
Dnes se v případě provozních a garančních měření se používají tzv. tlakové převodníky (viz obrázek
níže), které převádějí hodnotu tlaku na proudový signál, který je dále zpracováván elektronicky.
%1001100
b
k
b
kb
p
p
p
ppVakuum
Měření vakua (1)
V dřívějších dobách bylo vakuum měřeno U-trubicí se rtutí, přičemž výpočet tlaku se z rozdílu výšek
rtuťových sloupců zjistil následovně:
P = ΔHmmHg x ( 13595 – 2,452 x t ) x 9,80665 x 10-3 [Pa]
ΔHmmHg …rozdíl výšek sloupců rtuti udávající tlakový rozdíl mezi atmosférou a
kondenzátorem [mmHg]
t …teplota okolí v místě měření U-trubicí [°C]
Patm …tlak okolní atmosféry v místě měření [Pa]
Pkondenzátor = Patm – P [Pa]
1 bar = cca 750 mmHg
Měření vakua (2)
ΔHmmHg
Pkondenzátor Patm
Zdroje vzduchu ve vakuovém prostoru:
Drtivá většina vzduchu pochází z netěsností na NT dílu turbíny,
na kondenzátoru, na potrubí, na armaturách …
Nekondenzovatelné plyny obsažené v páře, která přichází z kotle (nebo
parogenerátoru) tvoří zanedbatelnou položku v celkovém průtoku
nekondenzovatelných plynů nutném k odsávání
Vzduch v kondenzátoru nekondenzuje a představuje tedy nekondenzovatelnou
složku, kterou je nutné z kondenzátoru kontinuálně odvádět. Pakliže by nebyl
vzduch z kondenzátoru kontinuálně odváděn, docházelo by k postupné ztrátě
vakua, viz dále pojednání o testu spadku vakua.
Zdroje vzduchu ve vakuovém prostoru
Průtok vzduchu netěsnostmi resp. potřebnou kapacitu evakuační
stanice (vývěv) lze ve fázi návrhu evakuačního zařízení volit:
1) Dle HEI – Standards for Steam Surface Condensers (udaná
hodnota slouží k dimenzování vývěv – skutečná hodnota průtoku
vzduchu během provozu se předpokládá méně než poloviční)
2) Dle VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and
Operation of Vacuum Pumps for Steam turbine Condensers
3) Dle předchozích vlastních zkušeností z měření
Volba kapacity evakuačních zařízení
Doporučená kapacita hlavní vývěvy - kondenzátor s jedním pláštěm [kg/h]
Průtok páry na jeden hlavní výstup z turbíny [t/h] 1 výstup z turb. 2 výstupy z turb. 3 výstupy z turb.
0 až 11,34 6,12 8,16 10,21
11,34 až 22,68 8,16 10,21 15,33
22,68 až 45,36 10,21 15,33 20,41
45,36 až 113,40 15,33 25,49 25,49
113,40 až 226,80 20,41 30,62 35,70
226,80 až 453,59 25,49 40,82 40,82
453,59 až 907,19 30,62 51,03 51,03
907,19 až 1360,78 35,70 51,03 61,23
1360,78 až 1814,37 40,82 61,23 71,44
Volba kapacity vývěv dle HEI Standards (1) Tabulka doporučených kapacit hlavních vývěv (odsávaných průtoků suchého
vzduchu) podle HEI Standards při parametrech parovzdušné směsi 71,5°F a 1 inHg
(21,9°C a 3,386 kPa → podchlazení parovzdušné směsi 4,2°C).
Volba kapacity vývěv dle HEI Standards je nejrozšířenějším přístupem
Volba kapacity vývěv dle HEI Standards (2)
Příklad:
Máme parní turbínu s NT dílem se dvěma hlavními výstupy páry, kterými
při nominálním provozu (100% výkonu) dohromady vytéká 420 t/h páry. Výstup
z turbíny je veden do jednoho kondenzátoru (jednoho pláště). Turbína je (ve vakuové
části) vybavena jedním odběrem, kterým vytéká 35 t/h páry. Pro dané zadání určete
kapacitu evakuačního zařízení dle HEI Standards.
Řešení:
Celkový průtok páry z turbíny: 420 + 35 = 455 t/h
Počet hlavních výstupů páry: 2
Průtok páry pro hledání v tabulce: 455 / 2 = 227,5 t/h
Celkový počet výstupů z turbíny: 2 + 1 = 3
Požadovaná kapacita vývěv: 40,82 kg/h
Poznámka:
Jelikož je přístup dle HEI Standards konzervativní, v praxi se často odběry z NT dílu turbíny
zanedbávají. Pracuje se tedy pouze s hlavními výstupy páry a počtem plášťů kondenzátorů.
Za uvedených zjednodušení by doporučená kapacita vývěvy činila 30,62 kg/h.
Spadek vakua (1) Měření spadku vakua je nejjednodušším testem těsnosti vakuového systému.
Spadek vakua = zhoršování vakua vlivem přibývajícího obsahu vzduchu ve vakuovém prostoru
bez provozu evakuace, tj. při zavřeném sání vývěv nebo při odstavených vývěvách. Naměřená hodnota
spadku vakua je srovnávána s předpokládanou hodnotou spadku popř. s hodnotou uvedenou
v požadavcích zákazníka nebo uvedenou v normě (existuje-li taková norma).
Zjednodušený postup testu:
1) Během testu by měl být zaručen stálý průtok páry do kondenzátoru, tj. ventily před turbínou jsou
drženy na stejném otevření. Dnes bývá na TG většinou výkonová regulace, kdy je při zhoršujícím
vakuu navyšován průtok páry do turbíny, aby byl výkon TG držen na stejné úrovni. Zkreslení výsledků
díky výkonové regulaci bývá ale nevýznamné.
2) Je uzavřena armatura na sání vývěv tzn. vývěvy neodsávají vzduch z vakuového prostoru.
3) Během testu je ručně nebo automaticky zaznamenáván tlak v kondenzátoru. Pokud je tlak
zaznamenáván ručně, je vhodné tlak zapisovat minimálně každou minutu. Při vyhodnocení je nutné
sledovat průběh změny tlaku a do vyhodnocení zahrnout pouze přímkovou část záznamu.
4) Doba trvání testu spadku vakua se doporučuje minimálně 6 – 10 min.
5) Je-li test ukončen, je otevřena armatura v sání vývěvy.
6) Vyhodnocení:
Spadek vakua = (pt – p0) / t [Pa/min]
p0 …první čtení tlaku v testu na přímkové části průběhu tlaku [Pa]
pt …poslední čtení tlaku v testu na přímkové části průběhu tlaku [Pa]
t …doba měření/záznamu s přímkovým průběhem tlaku [min]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Tlak
v k
on
de
nzá
toru
[kP
a]
Čas [min]
Záznam z testu spadku vakua
Vyhodnocovaná část měření
Uzavření armatury na sání vývěv
Otevření armatury na sání vývěv
Spadek vakua (2)
Spadek vakua (3) 7) Srovnání s předpokládanou hodnotou spadku vakua:
Pa/min
V … objem vakuového objemu za provozu TG (kondenzátor + nástavba
kondenzátoru s mezikusem + průtočná část NT dílu turbíny, vakuové
NTO, EPK, převáděcí potrubí …) m3
rair … měrná plynová konstanta (pro suchý vzduch 287,1 J.kg-1.K-1)
tair … teplota vzduchu = teplota sytosti v kondenzátoru °C
… předpokládaný průtok vzduchu netěsnostmi např. dle HEI Standards
kg/h
Je-li naměřená hodnota spadku vakua výrazně horší, než předpokládaná hodnota, je
vhodné hledat netěsnosti na vakuovém systému, neboť se zvýšenou netěsností hrozí
omezení provozu kondenzátoru kapacitou vývěvy.
airairair m
V
trp
60
)15,273(
airm
Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (1) Důvody měření průtoku vzduchu:
1) Omezení dosažitelného vakua v kondenzátoru kapacitou vývěvy. Což znamená snížení
entalpického spádu na turbíně (= horší tepelná účinnost cyklu). Daný stav by se projevil
neúměrně vysokým teplotním koncovým rozdílem na kondenzátoru (rozdíl mezi teplotou sytosti
a výstupní teplotou chladicí vody).
2) Při extrémní netěsnosti vakuového systému dochází navíc ke zhoršení přestupu tepla
na vnější straně teplosměnných trubek v centrální oblasti trubkového svazku kondenzátoru.
Důvodem jsou jednak zhoršení sdílení tepla a jednak vliv Daltonova zákona, kdy se teplota
sytosti odpovídající parciálnímu tlaku páry v parovzdušné směsi přiblíží teplotě povrchu stěny
trubky a kondenzace pak již nemůže probíhat. Následné dopady jsou totožné s bodem 1.
3) Nadměrná netěsnost vakuového systému zpravidla vede na zvýšený obsah kyslíku
rozpuštěného v kondenzátu (často požadovaná hodnota obsahu O2 v kondenzátu činí 10 ppb*)
Způsoby měření průtoku vzduchu, který vniká do vakuového systému netěsnostmi, jsou:
1) Pomocí měření spadků vakua s postupným přidáváním řízené netěsnosti
2) Měření na výfuku z vývěv např. pomocí rotametru
* ppb = parts per billion = μg/kg, v praxi je často užívaná jednotka μg/l
Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (2)
Měření průtoků vzduchu netěsnostmi pomocí spadků vakua s postupně přidávanými
řízenými netěsnostmi se skládá z několika měření spadků vakua (min. dvou), přičemž
první měření může být provedeno jako standardní měření spadku a další měření spadku
se provádí po přidání dýzy na vakuový systém (dýza = řízená netěsnost). Dýzou se
do vakuového prostoru přisává vzduch. Jelikož víme, že s rostoucí netěsností se spadek
vakua zvyšuje lineárně, stačí změřené spadky vakua vynést do grafu a body proložit
přímkou.
Obr. Dýzy pro přidání řízené
netěsnosti se závitem M20x1,5
Jelikož je v kondenzátorech vakuum, je mezi okolní atmosférou a hlavním vakuovým
prostorem nadkritický tlakový spád. To tedy znamená, že dýzou je přisáván konstantní
průtok vzduchu z okolní atmosféry a dílčí změny tlaku ve vakuovém prostoru neovlivňují
průtok přisávaného vzduchu.
Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (3)
Průtok suchého vzduchu dýzami při kritickém a nadkritickém tlakovém spádu je možné
vypočítat dle vztahu:
…hmotnostní průtok suchého vzduchu dýzou [kg/s]
dO …průměr dýzy [m]
…účinnost dýzy [-]
…tlak okolního vzduchu [Pa]
…isoentropický exponent suchého vzduchu [-]
…měrná plynová konstanta vzduchu [J/kg/K]
…okolní teplota (přisávaného) vzduchu [°C]
115,273
2
1
2
4
1
12
air
air
airairair
airO
O
airtr
pd
mair
airm
98,095,0 ažO
airp402,1air
KkgJrair //06,287
airt
Měření průtoku vzduchu netěsnostmi (4)
Dýzy se aplikují přímo na kondenzátorech nebo na NT dílech turbín. Při použití metody
zjišťování průtoku vzduchu netěsnostmi pomocí spadků vakua s přidanými řízenými
netěsnostmi nemusí být znám objem vakuového prostoru a nemusí být k dispozici
pokročilá měřicí instrumentace.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-20 -10 0 10 20 30 40 50
Spad
ek v
aku
a [P
a/m
in]
Průtok vzduchu řízenými netěsnostmi (dýzami) [kg/h] Hledaná provozní netěsnost [kg/h]
Lokalizace netěsností vakuového systému Lokalizaci netěsností vakuového systému je možné provést:
1) Použitím héliového detektoru (čichače)
- tato metoda je dnes nejrozšířenější a nejsofistikovanější
2) Zaplněním některých částí vakuového prostoru vodou
- dobře realizovatelné u kondenzátoru pod turbínou (zaplnění parního prostoru kondenzátoru se
provádí vždy v rámci hydrostatické zkoušky)
- dojde-li k úniku vody z parního prostoru, je netěsnost nalezena
3) Natlakováním některých částí vakuového prostoru vzduchem
- potírání kritických míst “jarovou“ vodou, kdy se při úniku vzduchu v daném místě tvoří bublinky
4) Kontrolou rizikových (vytipovaných) míst se svíčkou
- tato metoda je dnes používaná pouze v rozvojových zemích (např. Indie)
- netěsnost je nalezena tehdy, je-li plamínek svíčky přisán k místu netěsnosti
5) Použití kouřové metody
- kolem vytipovaných míst je vytvářen kouř, přičemž je vizuálně sledován případný vnik kouře
do vakuového prostoru
6) Použitím detekce pomocí CO2
- je sledován nárůst vodivosti kondenzátu na výstupu z kondenzátoru
Použití héliového detektoru (čichače)
Nejčastějším způsobem lokalizace netěsnosti je použití héliového detektoru
(čichače).
Pomocí héliového detektoru je možné případnou netěsnost nejenom lokalizovat,
ale také kvantifikovat tzn. odhadnout její velikost. Před každým měřením je totiž
sledována odezva héliového detektoru na kontrolní (přesně danou) netěsnost.
Podmínky pro použití héliového detektoru:
Při použití héliového detektoru musí sledovaným vakuovým systémem proudit
pára, která hélium rychle dopraví do sání vývěv, kde je zapojen odběr
pro detektor hélia.
Pokud bychom sledovali vakuový systém bez proudící páry, měření by bylo
nerealizovatelné, neboť odezva měření by byla velmi dlouhá (pakliže by byla
vůbec nějaká). Hélium je navíc lehčí než vzduch, takže by se bez proudící páry
hromadilo v horních částech sledovaného prostoru.
Kondenzátor
Kondenzátní čerpadlo
Vývěva
Čerpadlo chladicí vody
Turbína
Evakuační zařízení Systém evakuace je tvořen:
- vývěvami
- tepelným výměníkem (chladič pracovní vody u vodokružných
vývěv nebo kondenzátor pro parovzdušnou směs
u paroproudých vývěv)
- potrubím
- armaturami
Vývěvy za provozu turbíny nevytváří vakuum v kondenzátoru! Vakuum v kondenzátoru je
dáno tepelnou bilancí a procesem kondenzace páry. Vývěvy pouze pomáhají udržet vakuum
odsáváním vzduchu, který je nekondenzující směsí plynů. Vzduch by se bez použití vývěv
ve vakuovém prostoru hromadil, čímž by sekundárně narůstal tlak ve vakuovém prostoru, což
by vedlo k vyššímu protitlaku za posledním stupněm turbíny a následně k odstavení turbíny
na ztrátu vakua.
Vakuový systém = kondenzátor + turbína + část systému regenerace
Při najíždění turbíny je třeba celý vakuový systém odvzdušnit neboli evakuovat pomocí vývěv.
Evakuační zařízení Typy vývěv běžně používaných v energetice:
Proudové vývěvy
– paroproudé
– vodoproudé
Mechanické vývěvy
– vodokružné vývěvy
Hybridní systém
– kombinace proudové vývěvy a vodokružné vývěvy
Dimenzování evakuačního zařízení je nutné kontrolovat ze dvou pohledů:
1) Z pohledu dosažení požadované doby počáteční evakuace
2) Z pohledu udržení vakua ve vakuovém systému během různých provozních stavů, kdy
musí zajištěna dostatečná kapacita vývěvy při různých tlacích v sání vývěvy (potažmo
v kondenzátoru)
Doba počáteční evakuace (1) Pojem “doba počáteční evakuace“ značí čas potřebný ke snížení tlaku ve vakuovém
prostoru (kondenzátor, NT díl turbíny atd.) na úroveň, kdy do turbíny může být puštěna
první pára a mohou být navyšovány otáčky rotoru.
Za předpokladu, že kapacita evakuačního zařízení je konstantní a vakuový systém je
absolutně těsný lze dobu počáteční evakuace spočítat následovně:
[h, min, s …]
V …evakuovaný objem [m3]
p1 …počáteční tlak ve vakuovém prostoru [Pa, kPa, bar …]
p2 …koncový tlak ve vakuovém prostoru [Pa, kPa, bar …]
…objemová kapacita vývěvy [m3/h, m3/s, m3/min …]
2
1
p
pln
vyvývěV
Vt
vyvývěV
Doba počáteční evakuace (2) Příklad:
Jaká je doba počáteční evakuace z tlaku 100 kPa(a), činí-li objem vakuového prostoru 480 m3,
koncový tlak bude 30 kPa(a) a objemová kapacita vývěvy činí 1800 m3/h? Předpokládejme
konstantní objemovou kapacitu vývěvy a absolutně těsný vakuový systém.
V = evakuovaný objem 480 m3
p1 = počáteční tlak ve vakuovém prostoru 100 kPa
p2 = koncový tlak ve vakuovém prostoru 30 kPa
= objemová kapacita vývěvy 1800 m3/h (= 0,5 m3/s)
Za zadaných podmínek bude evakuace ze 100 kPa na 30 kPa trvat 19 minut a 16 sekund.
ssV
Vt
vyvývě
16min19115630
100ln
5,0
480
p
pln
2
1
vyvývěV
Doba počáteční evakuace (3)
Ve skutečnosti je při výpočtu času počáteční evakuace brát v potaz:
1) charakteristiku vývěvy, která určuje sací kapacitu při různých tlacích v sání vývěvy
2) absolutně těsný vakuový systém v energetice neexistuje, tzn. v modelu počáteční
evakuace bychom měli uvažovat přítomnost netěsnosti
3) počáteční evakuace je zpravidla uskutečňována současným provozem více evakuačních
stanic, zvláště pokud se bavíme o evakuačních stanicích tvořených vodokružnými
vývěvami
Poznámka: Ukázka v MS Excel.
KKE
Poháněcím médiem paroproudých vývěv je pára z odběru turbíny nebo z ostré páry přes redukční stanici.
Poháněcí pára expanduje v Lavalově dýze, čímž je urychlována. Na výstupu z Lavalovy dýzy má pára
vysokou rychlost (řádově 1000 až 1400 m/s v závislosti na parametrech poháněcí páry). Urychlená
poháněcí pára pak ve směšovací komoře předává hybnost parovzdušní směsi odsávané z kondenzátoru.
Tlak parovzdušné směsi se průchodem vývěvou postupně zvyšuje (probíhá komprese) až na výstupní
atmosférický tlak snížením rychlosti v navazujícím difuzoru.
Paroproudé vývěvy se energetice v drtivé většině případů praktikují jako dvoustupňové vývěvy
s kondenzátorem parovzdušné směsi, přičemž návrh je proveden tak, aby kompresní práce byla
rovnoměrně rozdělena mezi oběma stupni vývěvy.
Jako jednostupňová vývěva se obyčejně navrhuje startovací ejektor sloužící k počáteční evakuaci
vakuového prostoru.
Paroproudé vývěvy (1)
KKE
Příklad: Určete výtokovou rychlost páry na výstupu z Lavalovy dýzy v 1. stupni paroproudých
vývěv, je-li tlak páry před dýzou 10,0 bar(a) a teplota 300°C, tlak za dýzou je 0,06 bar(a). Dále
určete průtok poháněcí páry do ejektoru 1. stupně, je-li kritický průměr Lavalovy dýzy 7,0 mm.
Řešení: entalpie páry na vstupu h1 = 3051,70 kJ/kg (z tlaku a teploty)
entalpie páry na výstupu h2 = 2194,17 kJ/kg (z tlaku a entropie)
Příklad – Výtoková rychlost z Lavalovy dýzy
1 22 0,97 2 3051700 2194170 1270,3 /w h h m s
𝑚 =𝜋 ⋅ 𝑑2
4⋅
2
𝜅 + 1
1+𝜅1−𝜅
⋅2
𝜅 − 1⋅
𝑝1𝑝0
2𝜅
−𝑝1𝑝0
𝜅+1𝜅
=
= 𝜋⋅0,0072
4⋅
2
1,33+1
1+1,33
1−1,33⋅
2
1,33−1⋅
6000
1000000
2
1,33−
6000
1000000
1,33+1
1,33= 0,049452 kg/s =
= 178 kg/h
Kondenzátory paroproudých vývěv řešené jako povrchový výměník:
Kondenzátory paroproudých vývěv řešené jako směšovací výměník:
Kondenzátor parovzdušné směsi umožňuje:
1) Částečně využít teplo z páry v cyklu proudící na výstupu z jednotlivých stupňů vývěv (platí jen
pro povrchový výměník).
2) Kondenzátor za prvním stupněm vývěvy umožní kondenzaci parní složky ve směsi jdoucí
z prvního stupně, čímž se snižují nároky na kompresní práci ve druhém stupni vývěvy, neboť
ten po té odsává méně parovzdušné směsi.
Paroproudé vývěvy (2)
Paroproudé vývěvy (3) Nejčastější provedení dvoustupňových
paroproudých vývěv je vidět na obrázku
vpravo.
Odsávaná směs spolu s poháněcí párou
po výstupu z difuzoru 1. stupně vstupuje
do mezikondenzátoru, kde podstatná část
parní složky obsažené ve směsi
zkondenzuje. Zbytek směsi je pak odsáván
druhým stupněm vývěvy. Odsávaná
parovzdušná směs spolu s poháněcí párou
druhého stupně vystupuje z difuzoru
do výstupního kondenzátoru směsi, kde
opět podstatná část páry obsažené
ve směsi zkondenzuje a vzniklý kondenzát
se vrací do cyklu, přičemž zbylá
parovzdušná směs odchází do atmosféry.
Výstup hlavního kondenzátu
Odřazovací armatury
Kondenzátor 2. stupně
Kondenzátor 1. stupně
Odřazovací armatury
Ventily pracovní páry
Přívod pracovní páry Filtr
Vstup vzduchu (sání vývěv 1 . stupně)
Odřazovací armatury Ventily pracovní páry
Ejektory 2. stupně
Vstup hlavního kondenzátu
Ejektory 1. stupně
Paroproudé vývěvy (4) Jedno z možných reálných provedení dvoustupňové vývěvy včetně základních armatur:
Zdroj: Shutte & Koerting
KKE
Při návrhu dvoustupňového ejektoru je důležitá prvotní volba tzv. dělicího tlaku, což je tlak
mezi stupni (= tlak v sání druhého stupně ejektoru). Z pohledu účinnosti evakuační stanice
je vhodné rozdělit kompresní práci mezi oba stupně rovnoměrně, proto ideálně platí:
V případě třístupňové vývěvy jsou dělicí tlaky počítány následovně:
Poznámka: Výše uvedené dělicí tlaky se v praxi nedodržují z důvodu limitace výkonu
vývěvy vlivem vysoké teploty chladicí vody pro mezikondenzátor, kdy by příliš nízkém
dělicím tlaku již nedocházelo ke kondenzaci parní složky směsi v mezikondenzátoru, čímž
by druhý stupeň ejektoru byl zatížen vyšším průtokem parovzdušné směsi s dopadem
do nižšího sacího výkonu vývěvy. Dělicí tlak se v praxi volí 30 až 35 kPa.
Příklad – Dělicí tlak vícestupňové parní vývěvy (1)
2. 1. 2.
2. 3 105 17,75
sání stupně sání stupně výfuk z stupně
sání stupně
p p p
p kPa
3.3.1.2 stupnězevýfukstupněsánístupněsání ppp
stupnězevýfukstupněsánístupněsání ppp .3.2.3
KKE
Kompresní poměr = pvýfuk / psání
V praxi se volí kompresní poměr u parních ejektorů
maximálně 10, nejběžněji vychází kompresní poměr 5 až
8.
Pokud bychom uvažovali rovnoměrné rozdělení kompresní
práce mezi stupni a kompresní poměr 8 na každý stupni,
pak by tlak v sání vycházel cca 1,6 kPa, což lze považovat
za praktický limit dvoustupňové paroproudé vývěvy
při zachování obstojné kapacity.
Pokud by byl požadován nižší tlak v sání než cca 1,6 kPa,
bylo by již na zvážení použití třístupňové vývěvy.
Příklad – Dělicí tlak vícestupňové parní vývěvy (2)
Paroproudé vývěvy (5)
Zkoušení paroproudých vývěv
Hlavním výsledkem zkoušky paroproudých vývěv je charakteristika vývěvy vyjadřující
závislost tlaku v sání vývěvy na odsávaném průtoku vzduchu. Zkouška probíhá tak, že
po najetí vývěvy jsou postupně měněny dýzy v sání, čímž je postupně měněno zatížení
vývěv přisávaným vzduchem. Pro každou úroveň průtoku přisávaného vzduchu je měřen
tlak v sání vývěvy 1. stupně a doplňkově též v sání 2. stupně.
Obr. Zkušební dýzy pro přisávání vzduchu
Běžné parametry poháněcí páry paroproudých vývěv se
v energetice pohybují:
Tlak: 5 – 15 bar(a)
Teplota: 180 – 400°C
Běžná konfigurace paroproudých vývěv:
2x 100% + startovací ejektor
Spotřeba pracovní páry obou stupňů vývěvy:
Ve většině případů do cca 0,5 t/h
Výhody:
- Jednoduchost (bez rotačních částí)
- Schopnost dosáhnout nízké hodnoty vakua (min. cca 1,6 kPa)
Nevýhody:
- Nutný zdroj poháněcí páry (z redukční stanice, z odběru turbíny,
z externího zdroje – dopad do účinnosti celého cyklu)
- Nutná tepelná izolace
- Nutný startovací ejektor pro zajištění počáteční evakuace
- Hluk (obzvlášť u startovacího ejektoru → nutný tlumič na výfuku
ejektoru)
Paroproudé vývěvy (6)
2. stupeň
1. stupeň
Sání 1. stupně
Sání 2. stupně
Kondenzátor 1. a 2. stupně integrovaný
v jednom plášti
Výstup vody
Vstup vody
Paroproudé vývěvy (6)
Zlom na charakteristice prvního stupně vývěvy je způsoben omezením sací schopnosti druhého stupně
vývěvy.
Na charakteristice paroproudé vývěvy je vidět, že objemová kapacita s rostoucím tlakem v sání rapidně
klesá, což je hlavní důvod, proč je nutné použití separátního startovacího ejektoru při počáteční
evakuaci vakuového systému.
KKE
Čerpadlo přivádí vodu o tlaku pv do vývěvy. Vodní paprsek
vystupuje velkou rychlostí z vodní dýzy (v závislosti
na velikosti tlakového spádu na dýze činí výstupní rychlost
paprsku vody 15 až 25 m/s) a strhává ve směšovací komoře
nasávaný vzduch resp. dochází k výměně hybnosti mezi
pracovní vodou a odsávanou parovzdušní směsí. Pohybová
energie směsi se dále mění v navazujícím difuzoru v tlakovou
energii (vzduch je stlačován na atmosférický tlak).
Vodoproudé vývěvy (vodní ejektory) je možné použít jak
při počáteční evakuaci před najetím turbíny, tak při trvalém
provozu turbíny.
Tlak ve směšovací komoře vývěvy bude vždy dán součtem
parciálního tlaku vzduchu a parciálního tlaku páry, který
odpovídá tlaku sytosti dle teploty pracovní vody.
Vodoproudové vývěvy (1)
psm
pv
pb
KKE
Příklad: Určete výtokovou rychlost vody z vodní dýzy, je-li tlak před dýzou 2,2 bar(a) a tlak
za dýzou 0,06 bar(a) a teplota vody je 20°C. Dále určete průtok vody dýzou při výše zadaných
podmínkách, je-li průměr dýzy 148 mm.
Příklad – Výtoková rychlost z vodní dýzy
2 220000 600020,97 20,1 /
998,13
pw m s
2 20,148
2 0,97 2 998,13 220000 6000 344,91 /4 4
1241,7 /
dm p kg s
t h
Běžné parametry pracovní vody vodoproudých vývěv se v energetice pohybují:
Tlak: 1 – 3 bar(g)
Teplota: dle zdroje chladicí vody
Běžná konfigurace vodoproudých vývěv:
2x 100%, 3x 50% (pro dva kondenzátory)
Spotřeba pracovní vody vodoproudé vývěvy:
Záleží na požadované sací kapacitě, řádově 500 – 1 500 t/h (např. JE Dukovany cca 1 200 t/h)
Pracovní voda se průchodem vývěvou ohřívá a je nutné dbát udržování dostatečně nízké teploty
pracovní vody, aby nedocházelo k omezení na dosažitelném tlaku v sání vývěvy, který by již znamenal
dopad do provozu turbíny.
Zdroje ohřátí pracovní vody ve vodoproudé vývěvě:
1) Teplo z komprese vzduchu
2) Teplo ze ztrát v čerpadle
3) Teplo z kondenzace páry obsažené v odsávané parovzdušné směsi
4) Teplo ze vzduchu obsaženého v odsávané parovzdušné směsi
Vodoproudové vývěvy (2)
Výhody:
- Jednoduchost samotné vývěvy
- Schopnost dosáhnout nízké hodnoty vakua (závisí na teplotě pracovní vody)
- Vysoká sací kapacita v širokém provozním rozsahu = není zapotřebí separátní startovací ejektor se
zvýšenou kapacitou jako v případě paroproudých vývěv
Nevýhody:
- Nutné čerpadlo pro dopravu pracovní vody. Je možné odebírat vodu přímo z okruhu chladicí vody a
využít přetlak vyvolaný čerpadlem chladicí vody, čímž potřeba čerpadla odpadá.
- Náročné z pohledu stavby. Je nutná jímka pracovní vody + samotná vývěva měří na výšku
2,5 až 5,5 m + nutná bezpečnostní výška evakuačního potrubí, viz dále.
- Omezení v dosažitelném vakuu v závislosti na teplotě pracovní vody. Z důvodu udržení nízké teploty
pracovní vody je nutné zajistit její průběžnou výměnu v jímce. Výměna vody v jímce odpadá, pokud
je použit tzv. otevřený okruh, kdy je pracovní voda odebírána rovnou z hlavní trasy chladicí vody a je
využíván přetlak daný čerpadlem chladicí vody.
Vodoproudové vývěvy (3)
Vodoproudové vývěvy (4)
Z charakteristik vodoproudé vývěvy je patrné, že kapacita vývěvy je i při vyšších tlacích v sání
vysoká, z čehož vyplývá, že pro zajištění rychlé počáteční evakuace vakuového prostoru není
zapotřebí žádné další speciální startovací vývěvy. Vodoproudá vývěva vykazuje vysokou sací
kapacitu v celém rozsahu tlaků v sání.
Vodoproudové vývěvy (5)
Charakteristiky vodoproudých vývěv p – mvzd se často
vyjadřují pro parciální tlak vzduchu, čímž je
charakteristika zobecněná pro různé teploty pracovní
vody. Pro určení tlaku v sání vývěvy, pak stačí
k parciálnímu tlaku vzduchu odečtenému z grafu
charakteristiky přičíst tlak sytosti odpovídající dané
teplotě pracovní vody.
Tělesa vodoproudých vývěv se dříve skládala
z odlitkových částí, viz obrázek vpravo.
Jelikož jsou dnes odlitky nákladné, vyrábějí se
vodoproudé vývěvy jako svařence ze zkroužených
plechů.
Patentované opatření Škoda proti kontaminaci kondenzátu
pracovní vodou vývěvy při výpadku čerpadla pracovní
vody.
Při případném výpadku čerpadla pracovní vody by okamžitě
došlo ke zpětnému nasátí vody z jímky skrz difuzor vývěvy až
do kondenzátoru. Přestože je u evakuačního potrubí počítáno
ve výšce s cca 10 m, což pokrývá “statický“ rozdíl tlaků mezi
atmosférou a kondenzátorem, je třeba si uvědomit, že
při výpadku čerpadla dojde při zpětném nasátí k počátečnímu
dynamickému urychlení vody, která by ochrannou výšku
snadno překročila, čímž by se dostala systémem evakuace až
do kondenzátoru, kde by kontaminovala čistý kondenzát
v oběhu pára-voda.
K uvedenému může též dojít v případě cíleného odstavení
čerpadla pracovní vody, přičemž armatura v sání vývěvy se
neuzavře nebo se armatura zadrhne.
Vodoproudové vývěvy (6)
Tento systém je možné spatřit
např. na JE Dukovany
Patent CZ 279 236 B6
Vodokružná vývěva je mechanickou vývěvou založenou na principu otáčení rotoru, který
unáší vodu. Voda vlivem odstředivé síly vytvoří po obvodu tělesa vývěvy kroužek, přičemž
rotor vývěvy je vůči tělesu uložen excentricky. Tím v prostoru mezi lopatkami rotoru a
těsnícím vodním kroužkem vzniká komora, která při rotaci rotoru mění svůj objem, viz
video.
V případě odsávané parovzdušné směsi je výhodou, že dochází k přímému styku
parovzdušné směsi s pracovní vodou vývěvy. Pára ze směsi tak může na pracovní vodě
přímo kondenzovat, čímž se snižuje kompresní práce resp. zvyšuje kapacita vývěvy.
Vodokružné vývěvy (1)
Vodokružná vývěva ke svému
provozu potřebuje tzv.
separátor, který plní funkce:
1) Separátoru
2) Nádrže pracovní vody
Do výfuku z pracovního
prostoru odchází vzduch
s vodní tříští. Voda je
od vzduchu odlučována
v separátoru. Vzduch odchází
výfukem ze separátoru
do volné atmosféry.
V separátoru je kontrolována
úroveň hladiny pracovní vody.
V případě, že hladina klesá je
pracovní voda doplněna
z okruhu demi-vody.
V případě, že hladina stoupá,
je separátor vybaven
přepadem.
Vodokružné vývěvy (2)
Zdroj: Sterling SIHI
Výhody:
- Kompaktní provedení na rámu
- Vysoká účinnost a tedy nižší energie vynaložená na kompresi směsi
- Počáteční evakuace při najetí TG se provádí současným chodem několika vodokružných vývěv
Nevýhody:
- Rotační mechanická vývěva s ucpávkami – tedy oproti proudovým vývěvám větší pravděpodobnost
poruchy
- Omezení v dosažitelném vakuu v závislosti na teplotě pracovní vody (u dvoustupňové vodokružné
vývěvy se obecně za minimální tlak v sání při trvalém provozování uvažuje tlak cca 3 kPa).
- Nutné zajistit chlazení a doplňování pracovní vody vývěv
Vodokružné vývěvy (3)
PID schéma evakuační stanice s vodokružnými vývěvami v základním provedení
Vodokružné vývěvy (4)
Zdroj: Sterling SIHI
Vodokružné vývěvy (5)
Uvedené charakteristiky dvoustupňové vodokružné vývěvy byly zjištěny pro teplotu pracovní vody 15°C a
teplotu odsávaného vzduchu 20°C.
Vodokružné vývěvy (6) Katalogové charakteristiky vodokružných vývěv jsou stanoveny pro podmínky:
- teplota suchého vzduchu 20°C
- teplota pracovní vody 15°C
Jelikož v reálném provozu bývají odlišné parametry, je třeba odečtenou kapacitu vývěvy z katalogové
charakteristiky korigovat, k čemuž slouží následující metodika:
Suchý vzduch v sání vývěvy: Parovzdušná směs v sání vývěvy:
…korigovaná kapacita vývěvy pro změněné podmínky [-]
…katalogová kapacita vývěvy pro teplotu pracovní vody 15°C a teplotu suchého vzduchu
v sání 20°C
λI …korekční součinitel na teplotu pracovní vody vývěvy [-]
λII …korekční součinitel vyjadřující vliv kondenzace páry v pracovní vodě z parovzdušné
směsi [-]
λIII …korekční součinitel na teplotu odsávaného vzduchu [-]
t3 …teplota pracovní vody vývěvy [°C]
t1 …teplota odsávaného vzduchu [°C]
p1 …tlak v sání vývěvy [mbar]
pD …tlak sytosti odpovídající teplotě pracovní vody [mbar]
pS …tlak sytosti odpovídající teplotě parovzdušné směsi v sání vývěvy [mbar]
IIIIK VV 0
IIIK VV 0
KV
0V
Vodokružné vývěvy (7)
Suchý vzduch v sání vývěvy: Parovzdušná směs v sání vývěvy:
Rozsah platnosti uvedených korekčních vztahů:
pD a pS 17 až 123 mbar d …průměr oběžného kola [mm]
p1 33 až 1013 mbar h …šířka oběžného kola v prvním stupni vývěvy [mm]
t1 20 až 200°C
t3 15 až 50°C
IIIIK VV 0
273
2066,01
3
1
t
tIII
04,171,0ln35,0
1,0ln35,0
11
112
pp
ppp DstupI
04,1705,10783,0ln27,0
05,10783,0ln27,0
11
111
pp
ppp DstupI
IIIK VV 0
04,1705,10783,0ln27,0
05,10783,0ln27,0
11
111
pp
ppp DstupI
04,171,0ln35,0
1,0ln35,0
11
112
pp
ppp DstupI
0369,0
11
11
04,17783,0082,0
75,02877,0ln75,0
2877,0ln75,0
D
S
E
E
II
p
d
hE
ppp
pp
Vodokružné vývěvy (8)
Příklad: Jaká je kapacita dvoustupňové vodokružné vývěvy při tlaku v sání 10 kPa, při teplotě pracovní vody
25°C a teplotě odsávaného suchého vzduchu 35°C? Vycházejte z katalogové charakteristiky uvedené
na předchozím slidu. Spočtěte též ideální výkon pro kompresi pro odsávaný průtok vzduchu. Tlak
na výstupu z vývěvy předpokládejte 101 kPa.
Poznámka: Katalogové charakteristiky vodokružných vývěv jsou stanoveny pro podmínky:
- teplota suchého vzduchu 20°C
- teplota pracovní vody 15°C
Dle charakteristiky vodokružných vývěv na předchozích slidech je při tlaku v sání 10 kPa kapacita
vývěvy 2620 m3/h. Kapacitu vývěvy je zapotřebí korigovat pro odchylné podmínky. Řešení proveďte
dvěma metodami a sice početně i graficky odečtem z grafů.
IIIIK VV 0
273
2066,01
3
1
t
tIII
04,171,0ln35,0
1,0ln35,0
11
112
pp
ppp DstupI
Vodokružné vývěvy (10)
89,0
04,171,0100ln35,0100
6,311,0100ln35,0100
04,171,0ln35,0
1,0ln35,0
11
112
pp
ppp DstupI
03,1
27320
203566,01
273
2066,01
3
1
t
tIII
Zdroj: Sterling SIHI
Dvěma způsoby bylo zjištěno:
Korigovaná objemová kapacita vývěvy:
03,1
89,0
III
I
hmVV IIIIK /240203,189,02620 3
0
Vodokružné vývěvy (11)
Wp
pVpP Kkomp 43015
00010
000101ln
3600
240200010ln
1
21.
Zdroj: Sterling SIHI
Ideální kompresní výkon (izotermická komprese):
Takto zjištěný příkon je pouze teoretickou hodnotou, kterou je možné chápat jako
minimální hodnotu příkonu. Při určování příkonu vodokružné vývěvy je třeba brát v potaz
průtok pracovní vody, který průběžně vývěvou neustále prochází, neboť vodokružná
vývěva z části pracuje jako vodní čerpadlo a je tedy nutné brát v potaz čerpací práci
odvedenou na cirkulaci pracovní vody a na ztrátách způsobených “rotací“ vody ve skříni
vodokružné vývěvy.
Vodokružné vývěvy – Kavitace (1)
Zdroj: Busch
Pokud se výstupní teplota pracovní vody přiblíží na 2°C k teplotě sytosti odpovídající tlaku
v sání vývěvy, je vývěva vystavena riziku kavitace.
Vodokružné vývěvy – Kavitace (2)
Zdroj: Busch
Kavitace se projevuje:
- na sníženém sacím výkonu vývěvy
- na zvýšeném chvění vývěvy
- na hluku vývěvy
- při dlouhodobém provozování v režimu kavitace dojde k totálnímu poškození oběžného
kola, viz foto níže
Hybridní vývěvy kombinují výhody vodokružné vývěvy a proudové vývěvy. Proudová vývěva a
vodokružná vývěva jsou řazeny v sérii, přičemž nejpodstatnější část komprese se odehrává
ve vodokružné vývěvě.
Hlavními účely hybridního řešení jsou:
1) Rozšíření pracovního rozsahu vodokružné vývěvy směrem k nižším tlakům v sání
2) Kavitační ochrana vodokružné vývěvy
Předřazený proudový stupeň může být realizován:
1) Vzduchovým ejektorem – Vzduch potřebný pro funkci ejektoru je přisáván z okolní atmosféry a
tedy nic “nestojí“. Je zde pouze nevýhoda, že vodokružná vývěva musí komprimovat mimo
odsávaný vzduch též vzduch přicházející ejektorem jako poháněcí médium, což v určitých
pracovních rozsazích vývěvy může být nevýhodné.
2) Paroproudým ejektorem – Za paroproudým stupněm se navíc zařazuje kondenzátor
parovzdušné směsi. Výhodou je, že samotná vodokružná vývěva vychází se značně nižším
příkonem a často o menší velikosti. Nevýhodou je, že pro funkci parního ejektoru je zapotřebí
poháněcí pára (alespoň o tlaku 3 bar(a) a teplotě cca 150°C). Je též třeba přivádět chladicí vodu
pro kondenzátor parovzdušné směsi. Z uvedeného plynou nároky na zdroj poháněcí páry,
na izolace potrubí, na další potrubí chladicí vody. Vznikají tak další dílčí náklady na projekt mimo
náklady na samotnou evakuační stanici.
Hybridní vývěvy (1)
Srovnání charakteristik klasické
vodokružné vývěvy s vývěvou
hybridní, kdy je u vodokružné
vývěvy na sání předřazen
vzduchový ejektor.
U hybridního řešení bývá ejektor
v praxi používán pouze
od určitého tlaku v sání vodokružné
vývěvy níže. Schopnost ejektoru by
při vyšších tlacích v sání omezovala
kapacitu samotné vodokružné
vývěvy, což je vidět na obrázku
vpravo.
Hybridní vývěvy (2)
Zdroj: Sterling SIHI
PID schéma hybridní evakuační stanice s vodokružnými vývěvami s parním ejektorem
Hybridní vývěvy (3)
Zdroj: Sterling SIHI
Výhody:
- Hybridní řešení přináší rozšíření pracovního
rozsahu vodokružných vývěv směrem k nižším
dosažitelným tlakům v sání
- Ejektor v sání vodokružné vývěvy funguje jako
kavitační ochrana vodokružné vývěvy
- V případě použití parního ejektoru vychází
vodokružná vývěva o menších rozměrech a
nižším příkonu pohonu z důvodu:
- menšího měrného objemu směsi
- parní složka směsi z části
zkondenzuje v kondenzátoru
- část kompresní práce je odvedena
v předřazeném ejektoru
Nevýhody:
- V případě použití vzduchového ejektoru musí
vývěva komprimovat větší hmotnostní průtok
vzduchu = větší vývěva = vyšší cena
- V případě použití parního ejektoru musí být
zajištěn zdroj páry, přívod páry potrubím a
chladicí voda pro kondenzátor zařazený
za ejektorem
Hybridní vývěvy (4)
Zdroj: Sterling SIHI
HEI – Performance Standard for Liquid Ring Vacuum Pumps 4th Edition (2011)
HEI – Standards for Steam Jet Vacuum Systems 5th Edition (2000)
VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and Operation of Vacuum Pumps for Steam
Turbine Condensers (1995)
ASME – Performance Test Codes 24 (1976) – Ejectors
Normy a doporučení z oblasti vývěv
Sokolov E.J., Zinger N.M. – Srujnye Apparaty, Energoatomizdat, Moskva 1989
HEI – Standards for Steam Surface Condenser 11th Edition, 2012
VGB-R 126 Le – Recommendations for the Design and Operation of Vacuum Pumps for Steam Turbine
Condensers (1995)
Milčák P., Škopek J. – Přednášky ZČU Plzeň
Byly použity materiály firem:
Sterling SIHI
Doosan Škoda Power s.r.o.
Shutte & Koerting
Zdroje a doporučená literatura