Modellkísérlet szivattyús tározós erőmű hatásfokának meghatározására

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézet Hallgatói laboratóriumi gyakorlat Modellkísérlet szivattyús tározós erőmű hatásfokának meghatározására Készítette: Kovács Arnold Konzulens: Szabó Bálint Felelős oktató: Dr. Aszódi Attila Budapest, július 1

2 Bevezetés Napjainkban a fejlett országokban a villamosenergiatermelést alapvetően nagy erőművekkel oldják meg. A megújuló energiaforrások hasznosítása az utóbbi időben egyre inkább előtérbe került, melynek fontos rendszertechnikai vonatkozása is van. A megújuló energiaforrások hasznosításának egyik legnagyobb hátrányaként az időszakos rendelkezésre állást szokták említeni. Ez ellátásbiztonsági szempontból fontos tényező, ugyanis a jelenlegi villamosenergiarendszer alapvető feladata a fogyasztói igények folyamatos és maradéktalan kielégítése. A megújuló energiaforrások (különösen a nap és a szélenergia) rendelkezésre állása azonban nagyon bizonytalan: nem akkor van lehetőség nagy mennyiségű energia termelésére, amikor arra szükség van, hanem akkor, amikor az rendelkezésre áll, vagyis amikor süt a nap, vagy fúj a szél. A villamos energia önmagában nem vagy csak nehezen tárolható, vagyis gyakorlatilag a megtermelés pillanatában készen kell állni egy fogyasztónak, amely az energiát elhasználja. Az energia tárolásának közvetett módszereit dolgozzák ki, aminek eredményeképpen mind a fogyasztói oldalról jelentkező villamosenergiaigény, mind a termelői oldalon a nagy mennyiségű megújulóenergiatermelőt tartalmazó rendszerben jelentkező ingadozás csillapítható. A villamos energiát többek között helyzeti energiaként lehet tárolni, ennek egyik leggazdaságosabb módszere a szivattyústározós erőművek alkalmazása. Az ilyen berendezés működési elve egyszerű: adott két, egymástól viszonylag nagy szintkülönbséggel elválasztott víztömeg, amely lehet folyó, tó vagy tenger is. Az éjszakai, jellemzően túltermeléses (alacsony fogyasztású) ún. völgyidőszakban az olcsó villamos energiát felhasználva az alacsonyabban elhelyezkedő víztömeget a felső tározóba szivattyúzzuk, így megnöveljük a helyzeti energiáját. A csúcsfogyasztási időszakban, amikor a fogyasztói energiaigény megnövekszik, a magasan tárolt vízmennyiséget turbinákon keresztül az alsó tárolóba engedjük, ezzel villamos energiát állítunk elő. A villamos energia ilyen formában történő tárolásának hatásfoka modern erőművek esetén 7580% körül alakul, ami jónak számít. 2

3 1. A mérési feladat A hallgatók feladata a mérés során a laboratóriumban megtalálható berendezésekből egy szivattyús tározós erőmű kisminta modelljének elkészítése, annak használatba vétele, valamint az energiatárolás hatásfokának kiszámítása egy önállóan elvégzett mérés eredményeit felhasználva. 2. A mérőberendezés felépítéséhez rendelkezésre álló alkatrészek 2 db, egyenként 16 liter víz tárolására alkalmas tartály 1 db WILO Stratos ECO 25/15 BMS ivóvíz szivattyú 4 db kétállású mágnesszelep 1 db Belimo TR24 24Vos motorosan szabályozható szelep 2 db GMR átfolyásmérő 1 db vezérlőpanel, melynek segítségével a rendszerelemek üzemeltethetők (a mellékletben található egy kapcsolás, a működtetés módja a mérés elején kerül ismertetésre) tápegységek 1 db vezérlő számítógép a rendszerelemek működtetéséhez szükséges kábelek kb. 10 méter hosszúságú csővezeték, előre feldarabolva csatlakozók, tömítések A mellékletben megtalálhatók az egyes rendszerelemek sémaképi rajzai valamint fényképek a laboratóriumban rendelkezésre álló alkatrészekről. 3

4 3. A berendezés elvi felépítése. ábra: A szivattyústározós berendezés kapcsolási vázlata 4. A mérési feladat részletes ismertetése 4.1. A modell felépítése A hallgatók a rendelkezésre álló elvi kapcsolás segítségével a rendszerelemek felhasználásával felépítenek egy modellt, amely alkalmas a következőkben ismertetett mérés elvégzésére A víz betárolása Az alsó tartályból adott időtartam alatt, ismert szivattyú teljesítményszint mellett vizet pumpálunk a felső tartályba. A szivattyúzás megkezdése előtti és befejezése utáni vízszinteket fel kell jegyezni a későbbi felhasználás érdekében. A szivattyúzás megkezdése előtti vízszintet a felső tartály esetében h0, f nek, az alsó tartály esetében 4 h0, a nak nevezzük.

5 Meg kell mérni a két tartály alja közötti távolságot, ami a mérés során állandó marad, és h0 nak nevezzük. A mérés során több vízszintet is fel kell jegyezni, ezért célszerű a mérésleírás által javasolt indexelést használni az átláthatóság érdekében. A vízszintek a 2. ábrán kerülnek bemutatásra.. ábra: A mérés során felhasznált vízszintek A felszivattyúzás közben a szivattyú teljesítményének egy előre megadott menetrendet kell követni, ami az adott időszakban a villamosenergiarendszerben jelentkező túltermelést jelképezi. A betárolás közben a motoros szelepet elzárjuk, hogy az alsó tartályba történő visszaáramlást megakadályozzuk. A szivattyú teljesítményét a szivattyú fordulatszámának változtatásával állíthatjuk be. Ehhez szükséges a szivattyú felvett teljesítményfordulatszám jelleggörbéjének ismerete, ami a 3. ábrán látható.. ábra: A szivattyú teljesítményének fordulatszám függvénye A víz betárolása közben alkalmazandó szivattyú teljesítményidő diagramot a mérést vezető oktató határozza meg, néhány lehetséges példa látható a 4. ábrán.. ábra: Néhány lehetséges teljesítményidő diagram Az egyes szivattyú teljesítményszintekhez a jelleggörbe segítségével fordulatszám értékeket rendelhetünk, így a szabályozás sokkal egyszerűbb lesz. A megadott teljesítményidő diagram ismeretében a szivattyú által a betárolás közben elhasznált energia számítható: t2 n E befektetett = P(t )dt= P i (t i +1 t i ) t1 i=0 5

6 A számítás elvégzése után leolvassuk és feljegyezzük a tartályokban található víz magasságát a tartályok oldalára ragasztott milliméter beosztású skála segítségével. A felső tartály vízszintjét nevezzük 4.3. h1, f nek, az alsó tartályét h1,a nak (2. ábra). A tartályok vízszintmagasságtérfogat függvényének meghatározása A befektetett munka természetesen nem a víz helyzeti energiájának megnövelésére fordítódik teljes egészében, nagyon jelentősek a termikus és szivattyúzási veszteségek is. A víz helyzeti energiájának megnövelésére felhasznált energia számítható az E h=m g h=v ρ g h egyenlet segítségével. Itt V a szivattyúzás során megemelt víz térfogata, sűrűsége (szobahőmérsékleten kb 1000 kg/m3), =9,81 m/s2), h g ρ a víz a nehézségi gyorsulás nagysága ( g pedig a vízmennyiség tömegközéppontjának emelkedése a folyamat során. A szivattyúzás során valóban betárolt energia mennyiségének meghatározásához mérni kell a felső tartályban a víz térfogatának növekményét, valamint ennek a térfogategységnek a súlypontemelkedését. A tartályok oldalán milliméterpapír került elhelyezésre az éppen aktuális vízszint leolvasását megkönnyítendő. Emellett egy literenkénti beosztású skála is rendelkezésre áll az adott vízszintre jellemző térfogat meghatározásához. A betárolt energia mennyiségének meghatározásához szükség van egy olyan összefüggésre, mely a finom beosztású vízszintmagasság értékeihez pontos térfogatértékeket rendel, ez a térfogatvízszint függvény ( V (h) függvény ). A függvényre a mérés további szakasziban is szükség van. A függvény meghatározásának menete a következő: az egyes, a skála alapján jól meghatározható térfogatértékekhez tartozó vízszint magasságértékeket leolvassuk, ezeket táblázatkezelő segítségével ábrázoljuk, majd a görbére másodfokú polinomot illesztünk. Az így kapott egyenlet segítségével meghatározható a tartályokban található víz térfogata bármilyen vízszintérték esetén ( V ( h ) függvény). Szükségünk van továbbá a függvényre is, ez ugyanazokból az adatokból számítható, mint a V (h) függvény. A függvények ismeretében a felső tartályba betárolt víz térfogata számítható a 6 h(v )

7 V =V ( h1, f ) V (h0, f ) képlet segítségével. Ha a megemelt víztömeget téglatest formájúnak feltételezzük, akkor a súlypontjának emelkedése leírható a h= h0 + h1, f + h0, f h0, a +h1, a 2 2 összefüggéssel, melynek tagjait az 5. ábra mutatja be.. ábra A tagok ismeretében az Eh helyzeti energia számítható: E h=m g h=v ρ g h 4.4. A felső tartály leürítése A felső tartály megtöltése után a motoros szelepen keresztül a vizet egy térfogatáram mérőn (átfolyásmérő) keresztül leeresztjük az alsó tartályba (itt a műszer az erőművekben megtalálható turbinát jelképezi), eközben a térfogatáram mérő segítségével (adott időintervallumonként, például 5 másodpercenként) mérjük az átfolyt víz mennyiségét. A mintavételezés számítógép segítségével történik, az impulzusok száma a lefolyás teljes időtartama alatt mentésre kerül minden egyes időintervallumban. A teljes vízmennyiség leeresztését követően ismét feljegyezzük a tartályok vízszintjét. Most a felső tartály vízszintjét h2, f nek, míg az alsóét 7 h2, a nak nevezzük (2. ábra). Ezen

8 vízszinteknek meg kell egyezni a víz felszivattyúzásának megkezdése előtt feljegyzett vízszintértékekkel, vagyis a h0, a vízszinttel az alsó és h0, f vízszinttel a felső tartály esetében. Ennek oka, hogy az alsó tartályból a víz felszivattyúzása stacioner állapotból indult, valamint a gravitációs elven történő leürítés is ugyanebbe a stabil állapotba vezet Az impulzusállandó meghatározása A térfogatáram mérő a forgalmat impulzusokban adja meg, azonban a mérés során nekünk térfogatáramokra van szükségünk. Ehhez a műszer impulzusállandójának meghatározására van szükség. Az impulzusállandó a gyakorlatban azt jelenti, hogy az átfolyásmérőben elhelyezkedő forgórész egy fordulat alatt mekkora térfogatú vízcsomagot ereszt át (6. ábra).. ábra: Az átfolyásmérő működését bemutató séma A felső tartály leürítése során az összes impulzusszám ismert lesz, ha az adott (például 5 másodperces) időintervallumokban érzékelhető impulzusokat összegezzük a lefolyás teljes időtartamára. Vagyis n I ö sszes = I k k =1 ahol n az adott hosszúságú időintervallumok száma, Ik impulzusok impulzusállandóját száma. Az átfolyásmérő vízszintmagasságtérfogat függvényei, és az I összes pedig a k. intervallumban rögzített a tartályok segítségével számíthatjuk. A betárolás után és a leeresztés után feljegyzett vízszintmagasságok értékéből az edényekben tárolt víz 8

9 térfogata számítható a vízszintmagasságtérfogat függvények segítségével, így számítható, az I összes impulzust mennyi (liter, cm3) víz lefolyása okozta. Ezzel az impulzusállandó: c imp = 4.6. V ( h 1, f ) V (h2, f ) V ( h2,a ) V ( h1, a) V cm 3 = = [ ] I ö sszes I ö sszes I ö ssze s impulzus A leeresztés során kinyert energia számítása A térfogatáram mérőn időegység alatt (a k. időintervallumban) átfolyt víz a c imp állandóval már számítható: V k =I k cimp Ezzel az adott időintervallumra vonatkozó parciális energianyereség a turbinaként felhasznált átfolyásmérőn: E k =V k ρ g h k ahol a hk a k. időintervallumban a tartályok vízszintje közötti magasságkülönbség. Ennek értékét szintén minden egyes időintervallumban a vízszintmagasságtérfogat függvények segítségével számíthatjuk. k ( ) ( k ) hk =h V ( h 1, f ) V i h V ( h1, a ) + V i + h0 ahol h0 i=1 i =1 a két tartály alja közötti távolság, víz betárolása után, V ( h 1,a ) =V 1,a V ( h 1, f ) =V 1, f a felső tartály vízszintje a az alsó tartály vízszintje a víz betárolása után. Az víz leeresztéséből összesen kinyerhető energia az egyes parciális energianyereségek összegéből számítható, vagyis n E hasznos = E k k =1 ahol n az adott hosszúságú időintervallumok száma, amíg az átfolyásmérőn impulzusokat regisztráltunk Hatásfokok számítása 9

10 Az energiatárolás hatásfokát az alábbi egyenlettel számíthatjuk: η= E hasznos E befektetett Ezen egyenlet tartalmazza a szivattyú rossz hatásfokát, ezért célszerű a betárolt energiára vonatkoztatott hatásfokot is kiszámítani: η0 = E hasznos Eh Ebből meghatározható a szivattyú hatásfoka, ha feltesszük, hogy az η=η0 ηsz egyenlet igaz a rendszerre. Ebből: η sz = η η0 10

11 5. A jegyzőkönyv tartalma Fényképek az összeállításról. A felső tartályba történő betárolás teljesítményidő diagramja. h h 0,a A betárolás előtti vízszintek értékei. ( 0, f és ) h0 Az edények alja közötti távolság. ( A betárolás során elhasznált energia számításának módja és eredménye. ( A betárolás után mérhető vízszintmagasság értékek mindkét tartály esetében. ( és h1,a ) E befektetett ) h1, f ) A tartályok V (h) és h(v ) függvénye egyenletként és diagramban is. A valóságosan betárolt energia mennyisége. ( A lefolyás impulzusidő függvénye (az elmentett txt fájl alapján). c A imp számításának menete és értéke. A leeresztés utáni tartálybeli vízszintek. ( A leeresztés során kinyert energia mennyisége. ( A Az energiatárolás hatásfoka. A hatásfok értékelése. (Mit gondol a mérést végzője, mi magyarázza a kapott hatásfokot?) A jegyzőkönyvhöz mellékelni kell a leeresztés során parciálisan kinyerhető energiák ( Ek Eh h2, f ) és h2, a E hasznos ) ) ) értékeit, és a számításokat tartalmazó Excel táblázatot is. Az Excel táblázatot célszerű előre elkészíteni (és elhozni a mérésre) a mérésleírásban megadott összefüggések felhasználásával. A kompatibilitási problémák elkerülése érdekében a hallgatóknak érdemes mérőcsoportonként 1 db laptopot magukkal hozni. 11

12 Melléklet Rendszerelem Sémarajz Fénykép a laborban megtalálható berendezésről Tartály Szivattyú Mágnesszelep 12

13 Motoros szelep Kézi szelep Átfolyásmérő Hőforrás 13

14 Vezérlőpanel Tápegységek Számítógép Csővezeték 14

15 Csatlakozók 15

16 16