ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Είναι γνωστό ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας µέσω του κύκλου του ατµού αποτελεί σήµερα την επικρατέστερη µέθοδο παγκοσµίως. Είναι δε ιδιαιτέρως σηµαντικό, ότι το 70% περίπου της παγκόσµιας παραγωγής ενέργειας γίνεται µε παραγωγή και χρήση ατµού σε µεγάλους θερµοηλεκτρικούς σταθµούς µε καύση συµβατικών ή πυρηνικών καυσίµων. Το γεγονός αυτό χαρακτηρίζει και την σπουδαιότητα του µαθήµατος των Ατµολεβήτων-Ατµοστροβίλων για τον Μηχανολόγο Μηχανικό. Οι απόφοιτοι που θα απασχοληθούν στις µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της ∆ΕΗ, ή σε επιχειρήσεις που διαθέτουν ατµολέβητες για παραγωγή ατµού µε ή χωρίς ηλεκτροπαραγωγή, είναι σίγουρο ότι θα ωφεληθούν τα µέγιστα από την µελέτη των εν λόγω Ασκήσεων και θα αποκτήσουν την εξειδίκευση, αλλά και την αυτοπεποίθηση, που είναι αναγκαίες για να φέρουν εις πέρας το δύσκολο έργο κατά την ενασχόλησή τους σε σχετικούς τοµείς της επιστήµης. Ο αναγνώστης θα διαπιστώσει ότι το παρόν τεύχος αποτελεί µια συλλογή λυµένων Ασκήσεων (Case Studies) οι οποίες δηµιουργήθηκαν ειδικά για τους σπουδαστές των Τµηµάτων Μηχανολογίας των Ανωτάτων Εκπαιδευτικών Ιδρυµάτων, µε σκοπό να τους προσφέρουν γνώσεις και δεξιότητες απαραίτητες για να αντιµετωπίσουν τα προβλήµατα που θα συναντήσουν κατά την άσκηση του επαγγέλµατός τους. Για τον λόγο αυτόν, σε όλες τις Ασκήσεις εφαρµόζεται παραµετρική εξαγωγή των δεδοµένων, ώστε να διαφοροποιούνται οι υπολογισµοί για κάθε σπουδαστή. Με τον τρόπο αυτόν κάθε σπουδαστής δουλεύει µόνος του ακολουθώντας το υπόδειγµα των λύσεων και παροτρύνεται να εµπλουτίζει την λύση που πραγµατοποιεί µε δικό του λεξιλόγιο και συνοπτική αναφορά στην θεωρία που σχετίζεται µε κάθε Άσκηση. Η καινοτόµος αυτή µέθοδος πιστεύουµε ότι δηµιουργεί ισχυρά θεµέλια πάνω στα οποία ο σπουδαστής χτίζει τις γνώσεις του και δεν χάνεται σε άγνωστα πεδία τα οποία τον απογοητεύουν µε επακόλουθο να εγκαταλείπει κάθε προσπάθεια. Η επιλογή των θεµάτων και ο τρόπος παρουσίασης της λύσης των Ασκήσεων κατά βήµατα, µε ξεκάθαρη σκέψη και µε τις απαραίτητες επεξηγήσεις και σχόλια που συνοδεύουν κάθε βήµα της λύσης, πιστεύουµε ότι πρωτοπορούν σε σχέση µε την επικρατούσα κατάσταση. Οι σπουδαστές που θα αντιληφθούν την αξία αυτών των Ασκήσεων και θα αφιερώσουν κόπο και χρόνο για την µελέτη τους, είναι σίγουρο ότι θα διαπιστώσουν στο τέλος την χρησιµότητά τους και τον βαθµό που αυτοί
8
ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ (Ο∆ΗΓΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΠΡΑΞΗΣ)
ωφελήθηκαν, ικανοποιούµενοι όχι µόνο από την θεωρητική και πρακτική γνώση αλλά και από την ευρύτητα της σκέψης που θα αποκτήσουν. Είναι ευκόλως αντιληπτό, ότι οι εν λόγω Ασκήσεις είναι αλληλο-συµπληρωµατικές και καλύπτουν το µεγαλύτερο µέρος της ύλης του µαθήµατος. Για τον λόγο αυτόν είναι απαραίτητη η µελέτη όλων αυτών των Ασκήσεων από τους σπουδαστές προκειµένου να αποκτήσουν ολοκληρωµένη γνώση επί του συγκεκριµένου µαθήµατος. Επίσης, θεωρούµε ότι είναι πολύ χρήσιµες αναµφισβήτητα και σε οποιονδήποτε ενδιαφερόµενο τεχνικό ή µηχανικό που ασχολείται µε σχεδιασµό, κατασκευές, επισκευές ή διαµορφώσεις µηχανολογικών συστηµάτων µε συναφές περιεχόµενο.
Πάτρα 2011 Ανδρέας Γιαννόπουλος ρ ∆ Μηχανολόγος Μηχανικός Αναπληρωτής Καθηγητής
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ .............................................................................................................. 11 ΑΣΚΗΣΗ 1 Ενεργειακό ισοζύγιο ατµοηλεκτρικού σταθµού....................................................... 15 ΑΣΚΗΣΗ 2 Θερµοδυναµικά µεγέθη ατµού-νερού σε κύκλο Rankine........................................ 24 ΑΣΚΗΣΗ 3 Βαθµός απόδοσης ατµολέβητα .............................................................................. 45 ΑΣΚΗΣΗ 4 Υπολογισµός εστίας ατµολέβητα............................................................................ 58 ΑΣΚΗΣΗ 5 Καύση στερεού καυσίµου σε σκόνη. Ελκυσµός καπνοδόχου ................................ 75 ΑΣΚΗΣΗ 6 Θερµοτεχνικός υπολογισµός εσωτερικών στοιχείων ατµολέβητα .......................... 87 ΑΣΚΗΣΗ 7 Μονάδα ηλεκτροπαραγωγής και Εγκαταστάσεις τροφοδοσίας νερού.................. 113 ΑΣΚΗΣΗ 8 Θερµικός εναλλάκτης νερού-νερού ...................................................................... 141
10
ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ (Ο∆ΗΓΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΠΡΑΞΗΣ)
ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΡΟΣ ΛΥΣΗ ΑΣΚΗΣΗ 9 Έλεγχος καύσης σε ατµολέβητα επιχείρησης επεξεργασίας γουναρικών ............ 161 ΑΣΚΗΣΗ 10 Θερµοηλεκτρικός Σταθµός επιχείρησης παραγωγής χρωµάτων.......................... 166 ΑΣΚΗΣΗ 11 Ιδιοπαραγωγή ρεύµατος σε εργοστάσιο παραγωγής µπύρας ............................. 169 ΑΣΚΗΣΗ 12 Νέα ατµοηλεκτρική µονάδα της ∆ΕΗ µε καύση λιγνίτη......................................... 174 ΑΣΚΗΣΗ 13 Παραγωγή ατµού σε εργοστάσιο παστερίωσης γάλακτος.................................... 178 ΑΣΚΗΣΗ 14 Επίσκεψη σε Ατµοηλεκτρικό Σταθµό της ∆ΕΗ ..................................................... 182 ΑΣΚΗΣΗ 15 Ατµοηλεκτρικός Σταθµός ιδιωτικής επιχείρησης µε καύση Φυσικού Αερίου......... 186 ΑΣΚΗΣΗ 16 Παραγωγή θερµικής και ηλεκτρικής ενέργειας σε νέο-ιδρυθείσα Φαρµακοβιοµηχανία............................................................................................. 189 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ .................................................................................................... 193 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Πίνακες χαλυβδοσωλήνων ................................................................................... 197 Πίνακες θερµοδυναµικών ιδιοτήτων νερού και ατµού........................................... 199
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η µελέτη των Ατµοηλεκτρικών Σταθµών αποτελεί αντικείµενο υψίστης σηµασίας για τον Μηχανολόγο Μηχανικό, ο οποίος ειδικεύεται στον τοµέα παραγωγής ενέργειας. Είναι γεγονός ότι οι εγκαταστάσεις των Ατµοηλεκτρικών Σταθµών εµφανίζουν πολυπλοκότητα, αφενός λόγω των πολλών µηχανηµάτων που χρησιµοποιούν και αφετέρου λόγω της τεχνολογίας, των αυτοµάτων συστηµάτων, του µεγέθους και της σοβαρότητας των εγκαταστάσεων για την τήρηση των κανόνων ασφαλείας. Τα κυριότερα µηχανήµατα ενός Ατµοηλεκτρικού Σταθµού είναι ο ατµολέβητας και ο ατµοστρόβιλος. Ο ατµολέβητας µαζί µε τις βοηθητικές εγκαταστάσεις του αποτελεί την καρδιά του Σταθµού. Οι σπουδαιότερες από τις βοηθητικές εγκαταστάσεις του ατµολέβητα είναι οι εξής:
− − − − − − − −
Αποθήκευση, προετοιµασία και τροφοδοσία καυσίµου. Άντληση νερού, επεξεργασία, απαερίωση και τροφοδοσία νερού. Απαγωγή καπναερίων, καθαρισµός, συστήµατα για την προστασία περιβάλλοντος, καπνοδόχοι. Προθέρµανση καυσίµου και προθέρµανση αέρα καύσης όπου απαιτείται. Προθέρµανση τροφοδοτικού νερού. Συλλογή συµπυκνωµάτων, επεξεργασία, επαναχρησιµοποίηση. Εκβορβόρωση (στρατσώνα), ανάκτηση θερµότητας. Συστήµατα αυτοµατισµών και συστήµατα ασφαλείας.
Παράλληλα οι ατµοστρόβιλοι συνοδεύονται από:
− − − −
Συµπυκνωτές ατµού. Πύργους ψύξεως Συστήµατα ρυθµίσεως στροφών Συστήµατα λιπάνσεως και ψύξεως λαδιών.
Τέλος ο Σταθµός περιλαµβάνει τις γεννήτριες παραγωγής ρεύµατος, συστήµατα ψύξης αυτών και τους υποσταθµούς ρεύµατος. Οι Ατµοηλεκτρικοί Σταθµοί περιλαµβάνουν τεχνολογίες αιχµής, τόσο ως προς τα υλικά που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή τους, τα οποία πρέπει να είναι ανθεκτικά στις υψηλές πιέσεις και θερµοκρασίες, όσο και ως προς τα συστήµατα που εφαρµόζονται για την επίτευξη ασφαλούς και µακροχρόνιας λειτουργίας.
ΑΤΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ (Ο∆ΗΓΟΣ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΠΡΑΞΗΣ)
12
Με τις Ασκήσεις του παρόντος Συγγράµµατος καλύπτονται κατά το δυνατόν τα περισσότερα µέρη των παραπάνω εγκαταστάσεων και γίνονται υπολογισµοί για ολοκληρωµένα τµήµατα αυτών, ώστε ο αναγνώστης να αποκτά σαφή εικόνα και γνώση των θεµάτων που εξετάζονται. Συνιστάται η προσεκτική µελέτη των Ασκήσεων σε συνδυασµό µε αντίστοιχα Βιβλία θεωρίας, ώστε να εξαλείφονται τα κενά που τυχόν υπάρχουν στο γνωστικό πεδίο του αναγνώστη και να προχωρεί προς το επιθυµητό αποτέλεσµα αντιλαµβανόµενος πλήρως κάθε τι που περιέχεται στις Ασκήσεις. Κατ’ αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται σε υψηλό βαθµό η κατανόηση της λειτουργίας των Ατµοηλεκτρικών Σταθµών, καθώς και των διαδικασιών και µεθόδων υπολογισµού που σχετίζονται µε αυτούς. Πέραν των λυµένων Ασκήσεων έχει παρατεθεί στο τέλος του Βιβλίου µια σειρά οκτώ επιλεγµένων Ασκήσεων, των οποίων το περιεχόµενο έχει ληφθεί από πρακτικά ακριβώς θέµατα. Γι’ αυτές δεν δίνεται η επίλυση, αλλά επειδή στηρίζεται στην εκτενέστερη ανάλυση των προηγουµένων Ασκήσεων, αφίεται στον αναγνώστη. Για διευκόλυνση όµως έχουν γραφεί τα απαιτούµενα Βήµατα και τα αποτελέσµατα κάθε Βήµατος ή ερωτήµατος. Επιχειρώντας ο αναγνώστης να επιλύσει αυτές τις Ασκήσεις µπορεί να διαπιστώσει την ικανότητά του και τις γνώσεις που έχει αποκτήσει. Με στόχο να αποτελέσει το Βιβλίο αυτό ένα πλήρες εγχειρίδιο για την επίλυση ποικίλων θεµάτων σχετικών µε τους Ατµοηλεκτρικούς Σταθµούς, θεωρήσαµε απαραίτητο να προσθέσουµε στο τέλος του Συγγράµµατος αναλυτικούς πίνακες µε τα θερµοδυναµικά χαρακτηριστικά του νερού και ατµού. Με την βοήθεια αυτών των πινάκων µπορεί ο αναγνώστης να επιλύσει όχι µόνον τις άλυτες Ασκήσεις του Βιβλίου, αλλά και οποιοδήποτε άλλο πρόβληµα που θα συναντήσει. Πιστεύουµε ότι το παρόν Σύγγραµµα αποτελεί χρήσιµο βοήθηµα όχι µόνο για τους σπουδαστές, αλλά και για οποιονδήποτε άλλον τεχνικό ή επιστήµονα, ασχολούµενο µε την παραγωγή ενέργειας σε Ατµοηλεκτρικούς Σταθµούς, ή σε συναφείς εγκαταστάσεις διαφόρων επιχειρήσεων. Για την καλύτερη κατανόηση του κειµένου από τον αναγνώστη τηρούµε ορισµένους κανόνες στην γραφή διαφόρων µεγεθών, τους οποίους παραθέτουµε κατωτέρω: 1. Προκειµένου να αποφύγουµε την σύγχυση στην γραφή των πιέσεων χρησιµοποιούµε σε όλο το περιεχόµενο αυτού του Βιβλίου τα εξής σύµβολα: atü = για τις σχετικές πιέσεις bar = για τις απόλυτες πιέσεις 2. Για την κατανόηση και αποµνηµόνευση ορισµένων µεγεθών χρησιµοποιούµε σύµβολα και δείκτες ως εξής:
−
Σχετική πίεση atü: Το σύµβολο ü είναι από την γερµανική λέξη über= υπεράνω.
−
Θερµοκρασία καπναερίων ΤR: ο δείκτης R είναι από την γερµανική λέξη Rauchgas= καπναέρια.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
13
− − −
Ατµοπαραγωγή (παροχή ατµού) D: από την γερµανική λέξη Dampf=ατµός.
−
Θερµοκρασία αέρα περιβάλλοντος Tℓ: ο δείκτης ℓ είναι από την γερµανική λέξη luft= αέρας.
Κατανάλωση καυσίµου Β: από την γερµανική λέξη Brennstoff=καύσιµο. Ποσότητα ξηρών καπναερίων Vtr: ο δείκτης tr είναι από την γερµανική λέξη trocken= ξηρός.
3. Κατά την λύση των Ασκήσεων και την εκτέλεση των πράξεων συνηθίζουµε να τοποθετούµε τις µονάδες των διαφόρων µεγεθών πάνω στους τύπους που χρησιµοποιούµε. Όµως, για να διατηρείται η ευκρίνεια των τύπων και να είναι ευανάγνωστοι, τοποθετούµε τις µονάδες αυτές µε µικρότερο µέγεθος γραµµάτων και λίγο υψηλότερα στην θέση του εκθέτη. 4. Οι τιµές των θερµοδυναµικών µεγεθών που χρησιµοποιούνται στους υπολογισµούς λαµβάνονται κυρίως από τους πίνακες του Παραρτήµατος που έχουν παρατεθεί στο τέλος του παρόντος Συγγράµµατος. Σηµειούται ότι οι τιµές των πινάκων εµφανίζουν γενικά µικρές διαφορές σε σχέση µε άλλους πίνακες της Βιβλιογραφίας.