Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL Instytut Badawczy Boguchwała

Transkrypt

1 Warszawa, ul. Nowogrodzka 47a W III kwartale 2015 r. przedstawiciele NCBR odwiedzili wybrane instalacje powstałe, rozbudowane lub użytkowane w Oddziale Ceramiki Instytutu Energetyki CEREL w podrzeszowskiej Boguchwale i w Politechnice Krakowskiej, w ramach zadań badawczych strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych Zaawansowane technologie pozyskiwania energii. Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL Instytut Badawczy Boguchwała W dniu 2 lipca 2015 r. instalacje w podrzeszowskiej Boguchwale odwiedzili: Prof. Janusz Terpiłowski Członek KS, Pan Gerard Lipiński Koordynator ww. Programu Strategicznego. Delegaci omawiali wykonane prace z prowadzącą je dr inż. Magdaleną Gromadą i z Dyrektorem Ryszardem Nowakiem, kierującym Oddziałem IEn CEREL. Nazwa instalacji Najważniejsze parametry Lokalizacja Instalacja do Temperatura pracy instalacji do 900 wytwarzania o C, strumień objętości roztworu około 33 ml/min, proszków strumień objętości powietrza około 3,6 m ceramicznych 3 /min, wydajność instalacji do kilkudziesięciu gramów proszku metodą Spray na godzinę. Pyrolysis Laboratoryjna instalacja do separacji tlenu z powietrza Temperatura pracy instalacji do 950 o C, wydajność instalacji: 37 m 3 tlenu na dobę o czystości powyżej 99,9%, komora reaktora złożona ze 100 membran rurowych o wymiarach Ø10/Ø8 x 660 mm z materiału perowskitowego Ba 0,5Sr 0,5Co 0,8Fe 0,2O 3-δ, strumień zasilający instalację: powietrze atmosferyczne, Produkt uboczny: azot, Wymiary instalacji (długość x szerokość x wysokość): 802 x 802 x 1510 mm. Instytut Energetyki Oddział Ceramiki CEREL Instytut Badawczy, Boguchwała

2 Rys. 1. Instalacja do wytwarzania proszków ceramicznych metodą Spray Pyrolysis. Instalacja do syntezy proszków ceramicznych metodą spray pyrolysis pozwala uzyskać proszki jednofazowe bez zanieczyszczeń o założonym składzie chemicznym. Dodatkowymi zaletami tej metody jest łatwość przeprowadzenia procesu, kontrola kształtu i średnicy zastępczej cząstek proszku od skali nano do mikro. Za pomocą pompy perystaltycznej wodny roztwór azotanów (chlorków lub szczawianów) zostaje podany do wnętrza komory rurowej pieca i rozpylony przy użyciu dyszy. Wentylator wdmuchuje powietrze do zewnętrznej komory pieca, w której powietrze ulega podgrzaniu na skutek przepływu pomiędzy elementami grzejnymi. Podgrzane powietrze unosi rozpylone krople roztworu. Na skutek wysokiej temperatury w komorze pieca zachodzi reakcja syntezy proszku, w wyniku której powstają cząstki proszku w kształcie sfery składające się z połączonych ze sobą krystalitów. Drugi wentylator znajdujący się powyżej komory pieca wdmuchuje powietrze o temperaturze pokojowej aby obniżyć temperaturę powietrza z proszkiem wpływającego do elektrofiltru. Elektrofiltr wychwytuje cząstki proszku ceramicznego. Strona 2 z 12

3 Rys. 2. Laboratoryjna instalacja do separacji tlenu z powietrza. Laboratoryjna instalacja do separacji tlenu z powietrza pozwala uzyskać 37 m 3 tlenu na dobę o czystości powyżej 99,9% za pomocą perowskitowych membran rurowych wykazujących mieszane przewodnictwo jonowo-elektronowe. Laboratoryjna instalacja do separacji tlenu z powietrza pozwala uzyskać 37 m3 tlenu na dobę o czystości powyżej 99,9% za pomocą perowskitowych membran rurowych wykazujących mieszane przewodnictwo jonowo-elektronowe. Za pomocą wentylatora powietrze wdmuchiwane jest do kolektora skąd przepływa pomiędzy komorami i wymiennikami ciepła. Nagrzane w wymiennikach ciepła powietrze wpływa do komory ze spiralami grzejnymi, gdzie osiąga temperaturę około 950ºC, w której zachodzi proces separacji tlenu. Ogrzane powietrze wpływa do reaktora, w którym tlen zawarty w powietrzu na skutek różnicy ciśnień parcjalnych przemieszcza się w postaci jonów przez ścianki rur perowskitowych do ich wnętrza i następnie przepływa przez wymiennik ciepła, ulegając schładzaniu i dalej do kolektora tlenu, skąd odciągany jest za pomocą pompy próżniowej i przekazywany do zbiornika. Pozostały po separacji gorący azot i resztki tlenu przepływają z komory reaktora do wymiennika ciepła i po schłodzeniu wpływają do kolektora azotu, skąd usuwane są do zbiornika. Podsumowanie wizyty w CEREL: obie prezentowane i działające instalacje osiągnęły planowane parametry techniczne; wydaje się że rozwijany w Oddziale IE w Boguchwale kierunek badań nad separacją tlenu jest szczególnie perspektywiczny. Wprawdzie działająca instalacja laboratoryjna nie ma jeszcze dużej wydajności (37 m 3 /dobę), ale podjęty kierunek wydaje się być właściwy; metoda i elementy ceramiczne (rury) wytwarzane w Boguchwale zostały, między innymi, wykorzystane przy realizacji procesu oksy-spalania w zadaniu badawczym nr 2. Strona 3 z 12

4 POLITECHNIKA KRAKOWSKA W dniu 29 września 2015 r, odbyła się wizyta delegacji w składzie: Dr inż. Wojciech Jaworski Przewodniczący KS, Prof. Janusz Terpiłowski Członek KS, Prof. Tomasz Dobski Członek KS, Pan Gerard Lipiński Koordynator Programu, w celu bezpośredniego zapoznania się z instalacją doświadczalną używaną do badań przewidzianych w programie strategicznym Zaawansowane technologie pozyskiwania energii, w zadaniu badawczym nr 1: Opracowanie technologii dla wysokosprawnych zeroemisyjnych bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin (lider konsorcjum Politechnika Śląska). Instalacja doświadczalna znajduje się na Wydziale Mechanicznym, w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Krakowskiej. W zadaniu badawczym prowadzone były prace dotyczące m.in. monitorowania nieustalonych rozkładów temperatury i naprężeń w grubościennych elementach ciśnieniowych oraz opracowania metod do wyznaczania przebiegów temperatury czynnika (pary wodnej) przy zmiennym w czasie strumieniu masy. Prowadzone prace umożliwią bezpieczne i szybkie przeprowadzanie rozruchu i wyłączania z ruchu kotłów parowych, czego efektem będzie ograniczenie strat rozruchowych przy zachowaniu wysokiej trwałości elementów ciśnieniowych kotłów. W trybie on-line wyznaczana jest trwałość resztkowa monitorowanych elementów. Umożliwia to podjęcie we właściwym czasie decyzji o wycofaniu z eksploatacji monitorowanych elementów ciśnieniowych lub całego bloku energetycznego. Kontrola temperatury pary przegrzanej za pomocą przemysłowych czujników temperatury nowych konstrukcji, o krótkich stałych czasowych, pozwoliła na poprawę szybkości działania układów regulacji temperatury pary i ograniczenie zużycia paliwa. Przyczyni się to do zwiększenia konkurencyjności polskich elektrowni w stosunku do zagranicznych producentów energii elektrycznej. INSTALACJA DO BADAŃ KOMPUTEROWYCH UKŁADÓW DO CIĄGŁEGO NADZORU EKSPLOATACJI ENERGETYCZNYCH KOTŁÓW PAROWYCH Do testowania i udoskonalania opracowanych metod oraz programów do monitorowania nieustalonych rozkładów temperatury i naprężeń w grubościennych elementach ciśnieniowych, a także metod wyznaczania rzeczywistych przebiegów temperatury czynnika, jakim jest para wodna wykorzystywane było stanowisko doświadczalne pod nazwą Instalacja do badań komputerowych układów do ciągłego nadzoru eksploatacji energetycznych kotłów parowych rys. 3. Podczas prac badawczych na stanowisku szczególny nacisk położono na zapewnienie warunków zbliżonych do tych, jakie mogą panować w kotłach parowych zainstalowanych w elektrowniach. Ponadto do gromadzenia danych eksperymentalnych (zmiany temperatury czynnika roboczego, ciśnienia, jego strumień masy lub objętości itp.) wykorzystywane są przetworniki i czujniki najwyższej klasy. Stanowisko tworzą następujące elementy: a) kocioł parowy o mocy cieplnej 460 kw i wydajności (para nasycona o ciśnieniu 10 bar) 700 kg/h, trójstopniowy palnik olejowy, którego moc nominalna jest z przedziału kw i zabudowanym na wylocie spalin z kotła wymiennikiem ECO rys. 3; Strona 4 z 12

5 Rys. 3. Układ generacji pary nasyconej suchej. b) instalacja przygotowania wody zasilającej kocioł składająca się z wymienników jonitowych EPURO 91/50 DF i stacji odwróconej osmozy (rys. 4); Rys. 4. Instalacja uzdatniania wody. c) rozprężacza pary, odgazowywacza termicznego i zbiornika wody zasilającej; Strona 5 z 12

6 d) stacji redukcyjnej 10/4/2 bary; Rys. 5. Instalacja redukcji ciśnienia pary świeżej 10/4/2 bary. e) automatyki kotłowej umożliwiającej bezobsługową pracę kotła; f) kolektora parowego wykonanego ze stali martenzytycznej P91. Przy testowaniu opracowanych algorytmów i programów służących do monitorowania nieustalonych rozkładów temperatury i naprężeń w grubościennych elementach ciśnieniowych oraz wyznaczania rzeczywistych przebiegów temperatury czynnika wykorzystywane były dane pomiarowe uzyskane na grubościennym, cylindrycznym kolektorze parowym. Kolektor zbudowano z grubościennej rury o długości L = 3765 mm, średnicy zewnętrznej dz = 355 mm i grubości ścianki g = 50 mm ze stali martenzytycznej P91 (rys. 6) przez dospawanie na jej końcach dennic wraz z króćcami służącymi do podłączenia urządzenia do instalacji kotłowej. Rys. 6. Schemat kolektora parowego; A, B, C miejsca zamontowania czujników temperatury w obudowach przemysłowych, przekrój D-D pomiar temperatury zewnętrznej powierzchni kolektora na połowie obwodu za pomocą 13 termopar NiCr-NiAl, przekrój E-E pomiar temperatury na grubości ścianki na 4 różnych głębokościach. Kolektor został opomiarowany w następujący sposób. W odległości 2150 mm od wlotu pary, Strona 6 z 12

7 na połowie obwodu co 15, zamocowano 13 czujników termoelektrycznych NiCr-NiAl (rys. 7). Realizowany z ich pomocą pomiar temperatury na zewnętrznej powierzchni kolektora wykorzystywany jest do wyznaczania rozkładu temperatury na grubości ścianki urządzenia oraz rozkładu naprężeń na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej kolektora poprzez rozwiązanie odwrotnego zagadnienia przewodzenia ciepła. Rys. 7. Schemat rozmieszczenia termopar na obwodzie zewnętrznym kolektora. Rozkład temperatury w przekroju poprzecznym ścianki kolektora parowego otrzymany z obliczeń bazujących na metodach odwrotnych przewodzenia ciepła weryfikowany jest przez pomiar temperatury na grubości ścianki wykonywany na czterech różnych głębokościach δ1 = dz 0,25g, δ2 = dz 0,50g, δ3 = dz 0,75g i δ3 = dw + 6 mm (rys. 8), za pomocą termopar płaszczowych NiCr-NiAl o średnicy 3 mm rozmieszczonych na obwodzie kolektora parowego co 90 w odległości 2200 mm mierzonej od jego początku. Rys. 8. Rozmieszczenie otworów do pomiaru temperatury na grubości ścianki kolektora parowego. Na górnej tworzącej kolektora, w odległości 600 mm (punkt A ), 2100 mm (punkt B ), i 3125 mm (punkt C ) rys. 7, zostały wywiercone i nagwintowane 3 przelotowe otwory, w których umieszczono termometry o małych stałych czasowych. Realizowany przy ich pomocy pomiar temperatury pary nasyconej o ciśnieniu p = 4 bary, wykorzystany był do opracowania metody pomiaru temperatury czynnika przepływającego z dużą prędkością, która pozwala na określenie rzeczywistej temperatury czynnika, na wartość której nie wpływa bezwładność wywołana tradycyjną, masywną osłona ciśnieniową termoelementu. Wielkości fizyczne mierzone na stanowisku są przesyłane do koncentratorów sygnałów, skąd Strona 7 z 12

8 następnie przez port RS-485 protokołem transmisji MODBUS RTU trafiają do stacji roboczej i przedstawiane są na monitorze komputera. Cały system kontrolno-pomiarowy pracuje pod kontrolą aplikacji typu SCADA InTouch., dzięki czemu możliwe są: prezentacja danych pomiarowych na monitorze komputera w trybie on-line: linie trendu i synoptyki, archiwizacja danych pomiarowych co 1 sekundę, dostęp do danych archiwalnych w postaci trendów, praca non stop. Rys. 9. Ekran aplikacji SCADA przedstawiający pomiary realizowane w kolektorze parowym. ZASTOSOWANIE 1. Monitorowanie nieustalonych rozkładów temperatury i naprężeń w ciśnieniowym elemencie grubościennym. Wykorzystywany jest tutaj pomiar temperatury na zewnętrznej, łatwo dostępnej powierzchni. Na podstawie uzyskanych przebiegów temperatury wyznaczany jest z rozwiązania zagadnienia odwrotnego rozkład temperatury na całej grubości elementu. W następnej kolejności oblicza się rozkład naprężeń cieplnych i pochodzących od ciśnienia. Wyniki obliczeń prezentują rys Rys. 10. Podział przekroju poprzecznego kolektora na objętości skończone. a) Rys. 11. Przebiegi temperatury: a) zmierzonej na powierzchni zewnętrznej, b) obliczonej na powierzchni wewnętrznej. b) Strona 8 z 12

9 a) b) Rys. 12. Naprężenia obwodowe w funkcji czasu: a) na wewnętrznej powierzchni, b) na zewnętrznej powierzchni a) b) Rys. 13. Naprężenia osiowe w funkcji czasu na powierzchni: a) wewnętrznej, b) zewnętrznej. Opracowana metoda identyfikacji pola nieustalonej temperatury w elemencie cylindrycznym bazuje na przebiegach temperatury mierzonych na zewnętrznej łatwo dostępnej powierzchni elementu ciśnieniowego. Nie jest wymagana znajomość temperatury płynu i współczynnika wnikania ciepła na wewnętrznej powierzchni elementu, ponieważ rozkład temperatury w przekroju poprzecznym jest określony za pomocą opracowanej metody bazującej na rozwiązaniu odwrotnego zagadnienia przewodzenia ciepła. Metoda ta może zostać wykorzystana do wyznaczania naprężeń w układach monitorujących, służących do oceny trwałości resztkowej elementów ciśnieniowych w elektrowniach konwencjonalnych i jądrowych. 2. Wyznaczania nieustalonej temperatury czynnika na podstawie wskazań termometru W stanie ustalonym, gdy temperatura jest stała oraz nie występuje zjawisko tłumienia i opóźnienia zmian temperatury czynnika przez termometr, pomiary temperatury mogą być dokonane z dużą dokładnością. W stanach nieustalonych, jak np. podczas rozruchu, gdy temperatura czynnika ulega gwałtownym zmianom, z uwagi na bezwładność masywnej osłony termoelementu występują znaczne różnice pomiędzy temperaturą rzeczywistą, a zmierzoną. W celu dokładnego określenia nieustalonej temperatury czynnika w opracowana została Strona 9 z 12

10 metoda bazujące na rozwiązaniu zagadnienia odwrotnego. Polega ona na wyznaczaniu temperatury czynnika na podstawie pomiaru temperatury termometrem przemysłowym o małej bezwładności (rys. 14). b) a) Rys. 14. Konstrukcja termometru o małej bezwładności: a) widok, b) schemat. Rys. 15. Wyniki obliczeń dla skoku temperatury czynnika od 20 do 100 C dla termoelementu o średnicy zewnętrznej 7 mm. Rys. 16. Wyniki obliczeń dla wzrostu liniowego temperatury czynnika od 0 do 170 C dla termoelementu o średnicy zewnętrznej 7 mm. Strona 10 z 12

11 Rys. 17. Korekcja temperatury zmierzonej termometrem o średnicy zewnętrznej dz = 7 mm. Porównanie rys pokazuje dużą dokładność metody odwrotnej kroczącej w określaniu temperatury czynnika na podstawie pomiarów wykonanych przez termoelement w masywnej osłonie. Bardzo szybko uzyskana zostaje rzeczywista temperatura czynnika. Metoda ta pozwala na przeprowadzanie korekcji mierzonej temperatury w trybie on-line. Podsumowanie wizyty delegacji Komitetu Sterującego w PK: zapoznano się z teorią i praktyką określania i monitorowania nieustalonych rozkładów temperatury i naprężeń w grubościennych elementach ciśnieniowych kotłów parowych w zależności od zmian parametrów pary przez nie przepływającej, tj. tematem realizowanym przez Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych PK w ramach Zadania nr 1; w szczególności zapoznano się z opracowaną i wykonaną w Instytucie dużą instalacją do eksperymentalnej weryfikacji opracowanych założeń i programów obliczeniowych oraz czujników do pomiaru i monitorowania zmian temperatury czynnika roboczego i pola temperatury w badanych elementach grubościennych kotłów parowych przy szybko zmiennych strumieniach przepływu pary; nowoopracowane czujniki temperatury, o małej wartości stałych czasowych zaimplementowane w kotłach parowych pozwolą na optymalne sterowanie ich pracą poprzez asymptotyczne dochodzenie do stanu równowagi; Strona 11 z 12

12 zwrócono uwagę na konieczność gromadzenia danych dotyczących temperaturowych charakterystyk ciepła właściwego oraz przewodności i dyfuzyjności cieplnej materiałów aktualnie stosowanych, a także perspektywicznie, do budowy wysoko obciążonych cieplnie, grubościennych elementów ciśnieniowych kotłów parowych. Dane te będą niezbędne jeśli wyznaczanie temperatury wewnętrznej powierzchni elementu będzie realizowane przez pomiar czujnikami temperatury zainstalowanymi na zewnątrz i rozwiązanie zagadnienia odwrotnego; nie stwierdzono pod względem merytorycznym rozbieżności między przewidzianym harmonogramem, a stanem faktycznym realizacji tematu przez PK w ramach Zadania nr 1. Strona 12 z 12