KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA

Transcript

1 KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA Porivne brodske turbine redovito se sastoje od dva odvojena kućišta (visokotlačno i niskotlačno). Kućište turbine je izuzetno zahtjevni dio turbine. Ulazna para zbog visokog tlaka od 6 MPa do 12 MPa i temperature od 520 do C zahtijeva debljine stijenke kućišta i do 100 mm. Veće debljine stijenke sporije se zagrijavaju i hlade od rotora turbine, što predstavlja poteškoću kod zaustavljanja i upućivanja u rad parne turbine. Trajanje upućivanja u rad turbine prilagođeno je jednolikom zagrijavanju kućišta i rotora turbine. Skraćivanje trajanja upućivanja u rad turbine dovelo bi do nejednolikog istezanja i pojave puknuća kućišta. Kućište turbine sastavljeno je iz dva dijela a odvajaju se po osi rotora. Spajanje kućišta izvodi se vijcima sa prednaprezanjem kako bi i kod radnih temperatura još uvjek pritezali kućišta potrebnim silama. Na donjoj polovici kućišta spajaju se svi spojni parovodi kako se pri pregledu rotora ne bi morali demontirati. Na slici 29. prikazan je izgled visokotlačnog kućišta brodske turbine a na slici 30. presjek duž osi rotora tog istog kućišta s rotorom. 1E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

2 KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA Slika 29. izgled brodskog visokotlačnog kućišta Slika30. uždužni presjek visokotlačnog kućišta s rotorom 2E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

3 KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA Slika 32. Kućište i rotor niskotlačnog kućišta turbine za vožnju krmom (Curtis turbina) Slika 31. uždužni presjek niskotlačnog kućišta s rotorom i turbinom za vožnju krmom 3E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

4 KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA Najveću poteškoću u radu parne turbine mogu izazvati istezanja koja nastaju zbog velikih temparaturnih razlika od hladnog stanja do radne temperature (555 0 C C). Zbog toga je donji dio kućišta na jednoj strani čvrsto pričvršćen za temeljnu ploču, a na drugoj ima kliznu stopu radi istezanja s promjenom temperatura. U toku upućivanja turbine u rad (od hladnog stanja do radne temperature) dolazi do znatnog istezanja rotora L r i kučišta turbine L s prikazanih na slici 33. Poznato je da se čelik isteže približno 1,2 mm pri porastu temperature za C na dužini 1 m. Zbog istezanja kućišta i rotora, i do 10 mm, mora se omogućiti nesmetano istezanje rotora i kučišta turbine te istodobno osigurati stalan razmak između lopatica i sapnica Δ L koji ne smije iznositi manje od 0,2 mm. Stalan razmak između lopatica i sapnica Δ L tijekom upućivanja u rad turbine postiže se održavanjem dozvoljenog prirasta temperature u jedinici vremena. To i je razlog zbog čega se parne turbine upućuju u rad u trajanju od 1 do 2 sata. Uzdužno produljenje kućišta 6 omogućeno od fiksne točke kućišta 1 preko fleksibilnog nosača kućišta 2 (na stacionarnim turbinama ugrađuje se klizna ploča), kućište se pri istezanju vodi preko više uzdužnih vodilica. Rotor 5 se isteže od kliznoodrivnog ležaja 3 kao fiksne točke preko lijevog nosivog ležaja 4. Prebrzim zagrijavanjem pri upućivanju u rad turbine izaziva se brže zagrijavanje rotora (zbog nekoliko puta manje mase od kućišta) i naglo produljenje rotora L r. U tom se slučaju smanjuje razmak između sapnica i lopatica, u promatranom slučaju L što u krajnosti dovodi do doticanja i uništenja. Nasuprot tome, pri prebrzom hlađenju, nakon prestanka rada turbine, dešava se obrnuto. Rotor turbine prebrzo se hladi i naglo se smanjuje dužina L r, što u krajnjem slučaju dovodi do doticanja lopatice i sapnice istog promatranog Slika 33. Prikaz istezanja rotora i kućišta turbine stupnja. 4E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

5 KUĆIŠTE PARNE TURBINE SA SAPNICAMA Prvi slog statorskih sapnica ne mora biti po cijelom opsegu i ovisi o veličini i snazi turbine. Naredni slogovi statorskih sapnica uvijek su ugrađene po cijelom opsegu. Sapnice su strujni kanal smješten u kućištu turbine, a služe da bi se toplinska energija pare pretvorila u kinetičku energiju pare. Sapnice akcijske turbine pretvore svu toplinsku energiju pare u kinetičku energiju pare. Sapnice reakcijske turbine pretvore dio toplinske energije pare u kinetičku energiju pare. Preostali dio toplinske energije pretvori se u kinetičku energiju pare u lopaticama turbine. Često se naziv statorskih sapnica definira s namjenom, pa se: -sapnice ugrađene između akcijskih stupnjeva nazivaju se dijafragme sa sapnicama -sapnice ugrađene između reakcijskih stupnjeva nazivaju se privodne sapnice -sapnice ugrađene između Curtis stupnjeva nazivaju se skretne sapnice. Na slici 34. i slici 35. prikazana je dijafragma sa sapnicama. 5E. Tireli; brodske toplinske turbine, Slika 35. Izgled donjeg dijela dijafragmi sa sapnicama

6 KONDENZATOR PARNE TURBINE Kondenzator je zapravo izmjenjivač topline u kojem vodena para predaje toplinu rashladnoj morskoj vodi. Morska voda uvijek struji kroz cijevi a vodena para opstrujava cijevi u kondenzatoru sa vanjske strane. Kondenzator u parnom procesu stoga ima ulogu da se u njemu vlažna para ukaplji. U kondenzatoru se održava tlak vlažne vodene pare do veličine koja odgovara temperaturi zasićenja. Nakon izlaska iz zadnjeg stupnja turbine vodena para s brzinom c iz ulazi u kondenzator (slika 36.). Tlak u kondenzatoru ovisi o ulaznoj temperaturi morske vode koja ovisi o području plovidbe. Morska voda smije se prolazom kroz kondenzator zagrijati t w2 t w1 od 2 do 6 0 C. Razlika između temperature vlažne pare na ulazu u kondenzator i izlazne temperature morske vode t 2 t w2 iz kondenzatora najćešće najčešće iznosi 5 0 C. 6E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

7 KONDENZATOR PARNE TURBINE U kondenzatoru se između vlažne vodene pare i morske vode izmjenjuje količina topline Q. Količina topline oduzeta vlažnoj pari Količina topline predana morskoj vodi Za morsku vodu c w = 3,980 kj/kgk Dijeljenjem dviju gornjih jednadžbi dobiva se Q = M w (h 2 h 3 ) Q = M w c w (t w2 t w1 ) M w D = (h 2 h 3 ) c w (t w2 t w1 ) Uvrsti li se za protok mase vlažne pare kroz kondenzator D = 1 kg/s, proizlazi da za ukapljenje 1 kg/s vodene pare treba 60 kg/s morske vode. U kondenzator se ugrađuje uobičajno do komada cijevi (promjera 20 do 25 mm, debljine stijenke 0,7 do 1,5 mm i dužine 4 do5 m. Brzina strujanja morske vode u cijevima iznosi obično 2 m/s. U praksi može biti poznata ukupna površina cijevi u kondenzatoru A, a traži se izmjenjena topli Q i temperature fluida ili obrnuto. Ukupno izmjenjena toplina Q može se izračunati i iz jednadžbe Q = k 0 A 0 t m Koeficijent prolaza topline k 0 obično iznosi od do W/m 2 K Logaritamska srednja vrijednost razlika temperatura izračunava se iz jednadžbe t m = (t 2 t w1 ) (t 2 t w2 ) ln (t 2 t w1 ) (t 2 t w2 ) Pri upućivanju u rad parnoturbinskog postrojenja iz hladnog stanja u kondenzatoru se vakuum do 0,4 bara postizava vakuum pumpama. Pojavom prve pare vakuum se povećava korištenjem parnih ejektora. U kondenzator ne smije dolaziti pregrijana para. U slučajevima kada postoji takva mogućnost ona se mora hladiti raspršenom vodom prije ulaza u kondenzator. 7E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

8 KONDENZATOR PARNE TURBINE Primjer: U kondenzator ustrujava vlažna para s vlažnođću 12%, dakle x=0,88. (12 0 C). Temperatura morske vode na ulazu u kondenzator iznosi 21 0 C. Tlak u kondenzatoru iznosi 5,00 kpa (0,050 bara) ili 95 %-tni vakuum. Porast temperature morske vode iznosi 9 0 C. Toplinski kapacitet ili specifična toplina morske vode iznosi 3,98 kj/kg w K. Izračunati: Količinu morske vode za zkapljenje 1 kg vodene pare. Rješenje: Tlaku u kondenzatoru od 0,050 bara odgovara temperatura zasićenja vlažne pare u kondenzatoru od 33 0 C. Iz tablica ili iz h,s dijagrama za vodenu paru očitava se: Jedinični volumen pare pri tom stanju iznosi Entalpija vlažne pare na ulazu u kondenzator Entalpija ukapljene pare (temperatura kondenzata 33 0 C) Oduzeta toplina pari pri ukapljenju u kondenzatoru Preuzeta toplina morskom vodom: M w 1kg p = 60 kg w kg p 33,6 m 3 /kg kj/kg 137,7 kj/kg Q=2.270,0-137,7=2.132,3 kj/kg p Q w = Q o = M w 1kg p c w t w2 t w1 = M w 1kg p 3, = 2.132,3 kj/kg p 8E. Tireli; brodske toplinske turbine, Dakle, za ukapljivanje 1 kg vodene pare u kondenzatoru treba 60 kg morske vode.

9 KONDENZATOR PARNE TURBINE Slika 39. Izgled kondezatora turbine u spoju s turbinom Slika 38. Izgled kondezatora turbine Pri radu sa smanjenom snagom višak proizvedene pare mora se obilazno voditi u kondenzator preko sustava koji smanjuje tlak pari (obično na 2,5 bara) i dodatno se hladi raspršenim mlazom vode kako se ne bi narušio tlak u kondenzatoru (vidi sliku 19. oznake w i z, te sliku 39.). 9E. Tireli; brodske toplinske turbine, 2013.

10 KONDENZATOR PARNE TURBINE E. Tireli; brodske toplinske turbine, Brzina morske vode kroz cijevi kondenzatora je ograničena, ovisno o materijalu cijevi, zbog opasnosti od erozije. Brzine strujanja morske vode u cijevima kondenzatora kreću od 1,5 m/s do 3,0 m/s. U pogonu postoji stalna opasnost od nepotrebnog povećanog hlađenja kondenzata u kondenzatoru koje se naziva pothlađenje kondenzata. Podhlađenje kondenzata predstavlja direktni gubitak topline i o tome se strogo vodi računa u eksploataciji postrojenja. Podhlađenje kondenzata za 5 0 C odgovara oko 1% povećane potrošnje goriva. Naprimjer, ako je tlak u kondenzatoru 0,042 bara, temperatura zasićenja pare iznosi 30 0 C, što znači da se kondezat nesmije hladiti morskom vodom ispod 30 0 C. Ako se nepažnjom hladi kondenzat na 25 0 C, a ne na potrebnih 30 0 C, izazvali bi povećanje potrošnje goriva na kotlu za 1 %. Regulacija temperature hlađenja kondenzata izvodi se promjenom protoka mase morske vode kroz kondenzator. U kondenzator s parom dolazi i stanovita količina zraka djelomično apsorbirana u napojnoj vodi a djelomično propuštanjem labirintnih brtvi. Iskustveno je utvrđeno da se mora isisavati oko 0,5 kg zraka na svakih kg vodene pare odnosno kondenzata. Izmjena topline u kondenzatoru zahtjeva: 1m 2 cijevi kondenzatora ukapljuje približno 100 kg/h vodene pare 10 1kg/h vodene pare ukapljuje se s približno 60 kg/h morske vode