Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo
Aškerčeva 6 SI-1000 Ljubljana, Slovenija tel.: +386 1 4771200 fax: +386 1 2518567 www.fs.uni-lj.si e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si
Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
LABORATORIJSKA VAJA
OSNOVE MODELIRANJA S PROGRAMOM IpsePro: SIMULACIJA ENERGETSKIH PROCESOV
Avtor:
Boštjan Drobnič
Vsebina - Parni kotel in turbina - Odjemno kondenzacijska turbina - Parni krožni proces
Ljubljana, julij 2008
Program IPSEpro omogoča enostavne preračune energetskih sistemov in postrojenj. V programu grafično sestavimo sistem iz standardnih elementov (prenosnik toplote, turbina, črpalka, kondenzator, kotel...) in elemente ustrezno povežemo. V točkah, kjer jih poznamo, vnesemo vrednosti določenih parametrov (tlak, temperatura, masni tok...), nato pa program iz masnih in energijskih bilanc v posameznih elementih sestavi sistem enačb, ki jih numerično rešuje. Sistem enačb mora najprej ustrezati zahtevi, da je število neznank (računanih parametrov) enako številu enačb, zato moramo poskrbeti, da vnesemo ustrezno število znanih parametrov. V nasprotnem primeru nas program na to tudi opozori. Enako nas opozori v drugih primerih, ko sistem ni rešljiv zaradi neprimernih podatkov (npr. v prenosniku toplote temperatura hladne snovi presega temperaturo vroče snovi, tlak za turbino je višji kot pred turbino...). Če je sistem enačb rešljiv, program za vsako povezavo med elementi (tok delovne snovi) izračuna osnovne parametre (masni tok, tlak, temperaturo, entalpijo), za posamezne elemente pa še dodatne vrednosti (npr. toplotni tok v prenosniku toplote, moč turbine...). Delovno okolje programa IPSEpro je prikazano na spodnji sliki in je razdeljeno na - glavno okno – v tem polju grafično sestavimo obravnavani sistem, razvrstimo elemente sistema in jih ustrezno povežemo; po uspešnem izračunu se ob povezavah izpišejo parametri delovne snovi, pri posameznih elementih pa lahko preverimo tudi druge izračunane vrednosti; v primeru napake se v tem oknu odpre poročilo o izračunu, kjer so zabeležene tudi napake in opozorila - ikone razpoložljivih elementov za sestavljanje sistemov – sistem lahko sestavimo iz vrste elementov, za katere so že definirani modeli (sistemi enačb) - izbirna vrstica – preko menujev in ikon so dostopne dodatne funkcije, orodja in nastavitve - seznam uporabljenih objektov – za nekatere objekte, ki sestavljajo sistem, so nastavitve dostopne samo preko seznama
Primer 1: Parni kotel in turbina Sestavi sistem parnega kotla in parne turbine. V kotel vstopa voda s tlakom 150 bar in temperaturo 120 °C, sveža para ima temperaturo 520 °C, za turbino pa je tlak 0,06 bar. V kotlu je za 15 bar pretočnih uporov, njegov izkoristek pa je 87 %. Turbina ima notranji izkoristek 83 %, mehanskega pa 95 %. Masni tok sveže pare naj bo 18 kg/s. Določi potrebno toplotno moč goriva in moč turbine. Med elementi poišči naslednje: vir delovne snovi ponor delovne snovi parni kotel turbina (lahko parna ali plinska), izberi 'turbine' in ne 'turbine_end' generator Vsak element ima določene vstopne in izstopne točke, preko katerih jih povežemo v sistem: vstop delovne snovi izstop delovne snovi dovod mehanske moči odvod mehanske moči Izbrane elemente razvrsti po delovnem polju tako, da jih bo mogoče čim bolj pregledno povezati. Za vrtenje izbranega elementa uporabi tipko CTRL-R , za brisanje pa DELETE .
Elemente bomo povezali s 'cevovodom', v katerem bo tekla voda ali para. Zato najprej definirajmo delovno snov. Izberi ukaz Objects – New Global Object.
V oknu, ki se odpre določi delovno snov z določeno sestavo (composition) in mu izberi ime npr. 'voda'.
V seznamu objektov izberi pravkar definirano delovno snov in ji določi lastnosti s klikom na gumb desno od seznama.
Da bo sistem enačb v tem primeru rešljiv, je potrebno pustiti čim manj neznank. Zato sestavo delovne snovi definiramo tako, da določimo (set) deleže vseh sestavin zmesi, razen ene. Pri vseh sestavinah, razen pri WATER, izberi set in vpiši vrednost 0.
Potrdi nastavitve z OK.
Poveži med seboj elemente sistema. Vedno je možno povezovati samo prazen (izstop) in poln (vstop) simbol enake barve. Pri povezavah, ki predstavljajo delovno snov, lahko že sproti definiraš tudi delovno snov. Ko je povezava narejena in izbrana (debelejše označena), odpri njene lastnosti z dvojnim klikom na povezavo, ali z gumbom desno od seznama objektov, v katerem je prav tako izbrana povezava, npr. 'stream001 (stream)'.
Pri Composition izberi prej določeno delovno snov. Lahko tudi določiš drugo ime povezavi (Name), drugače je avtomatsko imenovana 'stream###'. Enako poveži tudi turbino in generator. Povezava med modrimi simboli je mehanska, zato je avtomatsko imenovana 'shaft###' in ji ni potrebno določiti delovne snovi. Napačno povezavo lahko pobrišeš z DELETE , lahko pa jo 'odrežeš' od elementa s tipko CTRL-F , ali Objects – Free Connection. Posamezne odseke povezave brišeš s tiko BACKSPACE ( ← ).
Ko so vsi elementi povezani, vnesemo vrednosti parametrov, ki so podani v navodilu naloge. Z dvojnim klikom na povezavo, kjer napajalna voda priteka v kotel, se odprejo lastnosti te povezave. Z izbiro set in vnosom vrednosti določi temperaturo, tlak in masni tok napajalne vode.
Pri kotlu določi njegov izkoristek in padec tlaka vode zaradi pretočnih uporov.
Pri turbini pomeni eta_s notranji izkoristek, eta_m pa mehanskega. Ker za generator ne poznamo niti mehanskega (eta_m) niti električnega (eta_el) izkoristka, za oba predpostavimo, da sta 1. S tem bo moč generatorja enaka moči turbine, ki jo želimo poiskati. Ko so vse vrednosti vnešene, poženemo izračun s tipko F5 , gumbom , ali z ukazom Calculation – Run. Če so vse nastavitve pravilne in je sistem rešljiv, se po končanem izračunu pokažejo rezultati na povezavah med elementi.
Pri kompleksnejših shemah lahko skriješ ali ponovno prikažeš podatke za izbrano povezavo s tipko CTRL-H , ali z Objects – Show Result Cross. Z desnim klikom na elemente sistema pa se pokažejo še dodatne izračunane in tudi podane vrednosti.
Ugotovimo torej, da je toplotna moč goriva 59410 kW, moč turbine (generatorja) pa 19713 kW. Izkoristek takšnega postrojenja je približno 33 %. S spreminjanjem znanih parametrov poskusi ugotoviti, kako vplivajo na izkoristek postrojenja. Za enostavnejše spremljanje spreminjanja izkoristka dodaj na shemo še izračun izkoristka. Izberi Object – New Data Frame.
'Data frame' bo tabela, ki ji v naslednjem okencu določimo število vrstic (Number of Rows) in stolpcev (Number of Columns), število vrstiv naj bo 1, število stolpcev pa 2. Nato na shemi določi še položaj tabele. Če še ni aktivna, izberi levo celico tabele in vanjo vpiši npr. 'izkoristek postrojenja'. Nato izberi desno celico in vanjo vpiši '=', nato pa klikni na generator in izberi 'power', vpiši znak za deljenje '/' in še s klikom na kotel izberi 'heat_input'.
Klikni na shemo nekje izven tabele in v desni celici se bo zapisala izračunana vrednost izkoristka. Ta se bo skupaj z vsemi izračunanimi vrednostmi spremenila vsakič, ko poženeš izračun.
Primer 2: Odjemno-kondenzacijska turbina V odjemno-kondenzacijsko turbino vstopa 7,5 kg/s pare s tlakom 90 bar in temperaturo 475 °C. Pri tlaku 20 bar in temperaturi 285 °C je odjem, kjer iz turbine odtekajo 3 kg/s pare, preostanek pa ekspandira do tlaka 0,05 bar in suhosti 0,85. Para iz nizkotlačnega dela turbine odteka v kondenzator, kjer kondenzira do stanja vrele vode. Določi moč turbine, notranja izkoristka visokotlačnega in nizkotlačnega dela turbine, skupni notranji izkoristek turbine in odveden toplotni tok v kondenzatorju. Med elementi, ki jih potrebujemo za to nalogo sta poleg že prej predstavljenih (razen parnega kotla) še razcep kondenzator Sestavi postrojenje, kot je prikazano na spodnji shemi:
Za delovno snov na enak način kot pri 1. vaji določi vodo. Vnesi podane parametre na ustrezne povezave in elemente. Razcep ne potrebuje dodatnih parametrov, za kondenzator pa nastavi temperaturo podhlajevanja kondenzata (dt_sub) na 0 °C in tudi padca tlaka na vroči in hladni strani (delta_p_hot in delta_p_cold) na 0 bar. Po uspešnem izračunu ugotoviš izkoristek posameznega dela turbine z levim klikom na turbino, s čimer se izpišejo - eta_s notranji izkoristek turbine - delta_hs entalpijski padec pri izentropni ekspanziji - eta_m mehanski izkoristek turbine Na podoben način pri kondenzatorju preveri odveden toplotni tok (q_trans). Lahko pa podatke tudi v tem primeru zapišeš v tabelo (Data Frame). Samostojno določi še notranji izkoristek celotne turbine. Preveri, kako na - moč turbine - odveden toplotni tok - skupni izkoristek turbine vplivata - tlak odjema - masni tok odjemne pare Rešitev: Notranji izkoristek celotne turbine znaša 0,833.
Primer 3: Parni krožni proces Parni krožni proces poteka med tlakom uparjanja 85 bar in tlakom kondenzacije 0,08 bar. Najvišja temperatura v procesu je 490 °C. Notranji izkoristek parne turbine je 0,88, napajalne črpalke 0,8, izkoristek parnega kotla pa 0,85. Masni tok pare je 22 kg/s. Stanje okolice je 22 °C in 1 bar. Določi energijski in eksergijski izkoristek procesa. Med elementi, ki jih potrebujemo za to nalogo sta poleg že prej predstavljenih še črpalka povezovalni element (connector) Sestavi postrojenje, kot je prikazano na spodnji shemi:
Povezovalni element je lahko postavljen kjerkoli v sistemu. Uporabiti ga je treba v zaprtih sistemih (brez vira in ponora delovne snovi) zaradi rešljivosti sistema enačb. Ne potrebuje dodatnih nastavitev, prav tako pa ne spreminja lastnosti delovne snovi, ki teče skozenj. Za črpalko je potrebno podati mehanski izkoristek (eta_m = 1). Opomba: Pri sestavljanju postrojenja sestavljaj postopoma (npr. source, boiler in sink, ter poženeš izračun; nato dodaš turbino itd.). Računalnik se tako opira na delne rezultate; prav tako tudi sam lažje odkriješ napako. Rešitev: Izkoristek krožnega procesa znaša 0,245 (izračunan le z entalpijskimi razlikami).