Szivattyú indítási folyamatok problémája több betáplálású távhőhálózatokban

Átírás

1 Szivattyú indítási folyamatok problémája több betáplálású távhőhálózatokban Dr. Halász Gábor 1 Dr. Hős Csaba 2 1 Egyetemi tanár, halasz@hds.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék (HDS Tsz.) 2 Egyetemi adjunktus, csaba.hos@hds.bme.hu BME, HDS Tsz. 21. Távhő Vándorgyűlés, Szeged, 2008

2 Áttekintés 1 Bevezetés, motiváció 2 Állandósult (stacionárius) állapot számítása Célkitűzés Modellezés Alkalmazási példa 3 Átmeneti (tranziens) állapot számítása Célkitűzés A számítási módszer dióhéjban Alkalmazási példák 4 Összefoglalás és kitekintés

3 Bevezetés, motiváció

4 Bevezetés, motiváció Cél: Adott hálózat hidraulikai és kalorikus jellemzőinek meghatározása. A számítás lehet időben állandósult (stacionárius) vagy időben változó (tranziens).

5 Bevezetés, motiváció Cél: Adott hálózat hidraulikai és kalorikus jellemzőinek meghatározása. A számítás lehet időben állandósult (stacionárius) vagy időben változó (tranziens). Ismeretlenek: Csomóponti nyomások, p [bar] Ágáramok, ṁ [kg/s] Hőmérsékletek ágak elején és végén, T [ o C]

6 Stacionárius állapot számítása Feltételezés: A hálózat működése egyenletes, nincsenek időfüggő jelenségek, mennyiségek.

7 Stacionárius állapot számítása Feltételezés: A hálózat működése egyenletes, nincsenek időfüggő jelenségek, mennyiségek. Tipikus feladatok: Hálózat hidraulikai/kalorikus vizsgálata (nyomások, tömegáramok, hőmérsékletek). Bővítések, átalakítások hatása. Szivattyú választás. Ivóvízhálózatok esetén vízminőségi kérdések (pl. tartózkodási idő, klórkoncentráció eloszlása). Optimálizálás (legalacsonyabb költségű üzemvitel).

8 Matematikai modell Építőelemek: Az ágak működésük szerint lehetnek hidraulikus vagy kalorikus ágak.

9 Matematikai modell Építőelemek: Az ágak működésük szerint lehetnek hidraulikus vagy kalorikus ágak. Hidraulikus ágak: távvezeték csövei, keringető szivattyúk, fojtások, stb. Működésüket a hidraulikus ágegyenlet írja le: p e p v = f (ṁ), de T e = T v.

10 Matematikai modell Építőelemek: Az ágak működésük szerint lehetnek hidraulikus vagy kalorikus ágak. Hidraulikus ágak: távvezeték csövei, keringető szivattyúk, fojtások, stb. Működésüket a hidraulikus ágegyenlet írja le: p e p v = f (ṁ), de T e = T v. Kalorikus ágak: a melegvíz-termelők (pl. kazánok) és a hőközpontok hőcserélői (fogyasztók). Az ág működését hidraulikus (ld. fent) és kalorikus ágegyenlet írja le (utóbbi alakja P kal. = f (ṁ, T e, T v)).

11 Matematikai modell Építőelemek: Az ágak működésük szerint lehetnek hidraulikus vagy kalorikus ágak. Hidraulikus ágak: távvezeték csövei, keringető szivattyúk, fojtások, stb. Működésüket a hidraulikus ágegyenlet írja le: p e p v = f (ṁ), de T e = T v. Kalorikus ágak: a melegvíz-termelők (pl. kazánok) és a hőközpontok hőcserélői (fogyasztók). Az ág működését hidraulikus (ld. fent) és kalorikus ágegyenlet írja le (utóbbi alakja P kal. = f (ṁ, T e, T v)). Csomópontok: tömegmegmaradás és kalorikus egyensúly

12 Matematikai modell Építőelemek: Az ágak működésük szerint lehetnek hidraulikus vagy kalorikus ágak. Hidraulikus ágak: távvezeték csövei, keringető szivattyúk, fojtások, stb. Működésüket a hidraulikus ágegyenlet írja le: p e p v = f (ṁ), de T e = T v. Kalorikus ágak: a melegvíz-termelők (pl. kazánok) és a hőközpontok hőcserélői (fogyasztók). Az ág működését hidraulikus (ld. fent) és kalorikus ágegyenlet írja le (utóbbi alakja P kal. = f (ṁ, T e, T v)). Csomópontok: tömegmegmaradás és kalorikus egyensúly Megoldás: Egyenletek száma = Ismeretlenek száma Az egyenletek nemlineárisak, megoldásuk iteratív módon történik. Pl. egy nagyváros távhőszolgáltató hálózatának leírására felállított modell adatai: 175 csomópont; 275 ág (ebből 85 kalorikus és 190 hidraulikus). Az ismeretlenek száma 808.

13 Példa Kazán Nyugat Kelet Belváros

14 Példa Adatok: D, L, λ, szivattyú jelleggörbe, ellenállástényezők, kalorikus teljesítmények 64.1MW Kazán 153.5MW 70.3MW 19.1MW Nyugat Kelet Belváros

15 Példa Adatok: D, L, λ, szivattyú jelleggörbe, ellenállástényezők, kalorikus teljesítmények Eredmények: tömegáramok 123kg/s 324kg/s 356kg/s 64.1MW Kazán 153.5MW 70.3MW 19.1MW Nyugat Kelet Belváros 803kg/s

16 Példa Adatok: D, L, λ, szivattyú jelleggörbe, ellenállástényezők, kalorikus teljesítmények Eredmények: tömegáramok Eredmények: hőmérsékletek 324kg/s 110.5C 123kg/s 110.5C 356kg/s 110.5C 64.1MW Kazán 153.5MW 70.3MW 19.1MW Nyugat Kelet Belváros 803kg/s 63.5C 65.0C 63.5C 73.5C

17 Példa Adatok: D, L, λ, szivattyú jelleggörbe, ellenállástényezők, kalorikus teljesítmények Eredmények: tömegáramok Eredmények: hőmérsékletek Eredmények: nyomások 324kg/s 110.5C 123kg/s 110.5C 356kg/s 110.5C 5.52bar 64.1MW Nyugat 5.6bar 153.5MW 5.38bar 5.42bar 70.3MW 19.1MW Kazán 15bar Kelet Belváros 65.0C 63.5C 73.5C 63.5C 5bar 803kg/s

18 Tranziens állapot számítása Cél: Időben változó jellemzők számítása, tipikusan veszélyes nyomáscsúcsok előrejelzése.

19 Tranziens állapot számítása Cél: Időben változó jellemzők számítása, tipikusan veszélyes nyomáscsúcsok előrejelzése. Jellemző feladatok: Szivattyú indítás (direkt vagy frekvenciaváltó) Szivattyú kiesés Csőtörés Lengésvédelmi berendezések (légüst, légbeszívó szelep) méretezése

20 Rugalmas csövek és merev alrendszerek L=556 m, T=0.46 s L=1191 m, T=1 m/s L=272 m, T=0.23 s Kazán Nyugat Kelet Belváros A hullámterjedés sebessége vízben m/s

21 Rugalmas csövek és merev alrendszerek L=556 m, T=0.46 s L=1191 m, T=1 m/s L=272 m, T=0.23 s Kazán Nyugat Kelet Belváros A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak.

22 Rugalmas csövek és merev alrendszerek L=556 m, T=0.46 s L=1191 m, T=1 m/s L=272 m, T=0.23 s Kazán Nyugat Kelet Belváros A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak. A hosszú csöveken (távvezetékek) esetén ez az időtartam már néhány másodperc is lehet.

23 Rugalmas csövek és merev alrendszerek L=556 m, T=0.46 s L=1191 m, T=1 m/s L=272 m, T=0.23 s Kazán Nyugat Kelet Belváros A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak. A hosszú csöveken (távvezetékek) esetén ez az időtartam már néhány másodperc is lehet. A rendszert felosztjuk merev alrendszerekre és rugalmas csövekre.

24 Rugalmas csövek és merev alrendszerek A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak. A hosszú csöveken (távvezetékek) esetén ez az időtartam már néhány másodperc is lehet. A rendszert felosztjuk merev alrendszerekre és rugalmas csövekre. Merev alrendszerek: az elemeket dinamikusan, de koncentrált paraméterekkel modellezzük (KDE). Példa: szivattyú θ m.+sz. d(2πn sz) dt = M motor (n m) Psz 2πn sz

25 Rugalmas csövek és merev alrendszerek A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak. A hosszú csöveken (távvezetékek) esetén ez az időtartam már néhány másodperc is lehet. A rendszert felosztjuk merev alrendszerekre és rugalmas csövekre. Merev alrendszerek: az elemeket dinamikusan, de koncentrált paraméterekkel modellezzük (KDE). Példa: szivattyú θ m.+sz. d(2πn sz) dt = M motor (n m) Psz 2πn sz Rugalmas csövek: elosztott paraméterű modellek (PDE)

26 Rugalmas csövek és merev alrendszerek A hullámterjedés sebessége vízben m/s A nyomáshullámok a gépházakon elhanyagolható idő alatt végigvonulnak. A hosszú csöveken (távvezetékek) esetén ez az időtartam már néhány másodperc is lehet. A rendszert felosztjuk merev alrendszerekre és rugalmas csövekre. Merev alrendszerek: az elemeket dinamikusan, de koncentrált paraméterekkel modellezzük (KDE). Példa: szivattyú θ m.+sz. d(2πn sz) dt = M motor (n m) Psz 2πn sz Rugalmas csövek: elosztott paraméterű modellek (PDE) A kalorikus tranzienseket elhanyagoljuk, ezek lényegesen lassabban mennek végbe.

27 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt 130/70C, 42MW 130/70C, 228MW 130/70C, 42MW <= 77 kg/s <= 453 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 243 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 243 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s <= 77 kg/s

28 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt és kifutás után 130/70C, 42MW 82 kg/s => <= 77 kg/s 130/70C, 228MW 0 kg/s <= 453 kg/s 0 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 130/70C, 42MW 86 kg/s => 243 kg/s => 168 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 168 kg/s => 243 kg/s => 86 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s 0 kg/s 0 kg/s <= 77 kg/s 82 kg/s =>

29 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt és kifutás után 130/70C, 42MW 82 kg/s => <= 77 kg/s 130/70C, 228MW 0 kg/s <= 453 kg/s 0 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 130/70C, 42MW 86 kg/s => 243 kg/s => 168 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 168 kg/s => 243 kg/s => 86 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s 0 kg/s 0 kg/s <= 77 kg/s 82 kg/s => További kérdések:

30 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt és kifutás után 130/70C, 42MW 82 kg/s => <= 77 kg/s 130/70C, 228MW 0 kg/s <= 453 kg/s 0 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 130/70C, 42MW 86 kg/s => 243 kg/s => 168 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 168 kg/s => 243 kg/s => 86 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s 0 kg/s 0 kg/s <= 77 kg/s 82 kg/s => További kérdések: Mennyi idő alatt áll meg a szivattyú és mennyi idő kell a tranziens csillapodásához (az új stacionárius állapot beálltához)?

31 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt és kifutás után 130/70C, 42MW 82 kg/s => <= 77 kg/s 130/70C, 228MW 0 kg/s <= 453 kg/s 0 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 130/70C, 42MW 86 kg/s => 243 kg/s => 168 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 168 kg/s => 243 kg/s => 86 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s 0 kg/s 0 kg/s <= 77 kg/s 82 kg/s => További kérdések: Mennyi idő alatt áll meg a szivattyú és mennyi idő kell a tranziens csillapodásához (az új stacionárius állapot beálltához)? Mekkorák lesznek a maximális nyomáscsúcsok?

32 Szivattyú kiesés áramszünet miatt Állandósult állapot kifutás előtt és kifutás után 130/70C, 42MW 82 kg/s => <= 77 kg/s 130/70C, 228MW 0 kg/s <= 453 kg/s 0 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 130/70C, 42MW 86 kg/s => 243 kg/s => 168 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 168 kg/s => 243 kg/s => 86 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s 0 kg/s 0 kg/s <= 77 kg/s 82 kg/s => További kérdések: Mennyi idő alatt áll meg a szivattyú és mennyi idő kell a tranziens csillapodásához (az új stacionárius állapot beálltához)? Mekkorák lesznek a maximális nyomáscsúcsok? Elszakad-e a folyadékszál (minimális nyomás eléri-e a telített gőznyomást)?

33 Szivattyú fordulatszám 1500 A ghkks31 szivattyu fordulatszama (KGephaz merev alrendszer) 1000 n [1/perc] t [s]

34 Szivattyú tömegáram 500 Tömegáram a KGephaz merev alrendszer ghkks31 ágában m [kg/s] t [s]

35 Nyomás a kazán után 6 Nyomás a KGephaz merev alrendszer ghkki csomópontjában p [bar] t [s]

36 Szivattyú indítása működő rendszerre Frekvenciaváltó: 5mp. alatt 1470/perc-re. 130/70C, 42MW 130/70C, 228MW 130/70C, 42MW <= 77 kg/s <= 453 kg/s 453 kg/s => 77 kg/s => 243 kg/s => 166 kg/s => <= 376 kg/s <= 376 kg/s 166 kg/s => 243 kg/s => 77 kg/s => 453 kg/s => <= 453 kg/s <= 77 kg/s

37 Szivattyú tömegáram 200 Tömegáram a BGephaz merev alrendszer ghbks3 ágában m [kg/s] t [s]

38 Nyomás a szivattyú nyomócsonkján 7.5 Nyomás a BGephaz merev alrendszer ghbki csomópontjában p [bar] t [s]

39 Összefoglalás és kitekintés Összefoglalás: A bemutatott módszer segítségével állandósult állapotban a hidraulikus és kalorikus jellemzők egyszerre számíthatók. Hidraulikus tranziensek esetén (pl. szivattyú kifutás, indítás, stb.) a veszélyes állapotok (nyomáscsúcsok, kigőzölgés) előrejelezhetők és a lengésvédelem méretezhető. Mindkét programrendszer saját fejlesztésű, elemkönyvtára tartalmazza a gyakorlatban előforduló legfontosabb elemeket és könnyen bővíthető.