Model kondensacyjnej siłowni parowej – przykład 1

Cel ćwiczenia
Zapoznanie ze środowiskiem programu Ebsilon®Professional i opracowanie modelu kondensacyjnej siłowni parowej pozwalającego na wykonanie obliczeń i wyznaczanie podstawowych parametrów obiegu Rankine’a dla zdefiniowanych danych wejściowych.

Opis zadań do wykonania
W celu wykonania ćwiczenia należy przygotować model kondensacyjnej siłowni arowej zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku. Model powinien zawierać następujące elementy: kocioł, zawór regulacyjny, turbina parowa, skraplacz, pompa, silnik elektryczny oraz generator. Dane wejściowe zebrano w tabeli 1.

Tabela 1. Dane wejściowe do modeli siłowni kondensacyjnej

Uwaga: W wersji Ebsilon®Professional 15 lub wyższej, aby uniknąć błędów „Brakująca częstotliwość/Missing Frequency” należy zmienić opcję raportowania błędów: W Extras → Model Options → w zakładce Iteration → Wybrać Nie (:0) dla Report errors in the system of equations also for shafts and electric lines.

Instrukcja wykonania ćwiczenia

1. Otworzyć program Ebsilon®Professional, zapisać plik jako Silownia_Parowa_model.ebs.

2. Wybrać i umieścić na obszarze pracy następujące komponenty:
   – kocioł (Steam generator – Comp 5),
   – zawór regulacyjny (Control valve – Comp 14),
   – turbina (Steam turbine – Comp 6),
   – skraplacz (Condenser – Comp 7),
   – pompa (Pump – Comp 8),
   – silnik elektryczny (Motor – Comp 29),
   – generator (Generator – Comp 11).
3. Połączyć w odpowiedniej kolejności wybrane komponenty, zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 1.
4. Uzupełnić model o elementy pozwalające na wprowadzanie danych wejściowych:
   a) Komponent Measuring point (Comp 46) umieścić na linii pary wylotowej z kotła. Wewnątrz komponentu, w polu Type of MEASM (FTYP) wybrać opcję Mass
   flow : 4, a następnie w polu Measured or start value (MEASM) wprowadzić wartość 650 t/h (rys. 2).

b) Wykorzystując komponent Measuring point (Comp 46), ustawić wartość ciśnienia wylotowego z turbiny na linii Steam outlet. Wprowadzić wartość ciśnienia równą 4,2 kPa.
c) Dodatkowo na linii Extraction 1 z turbiny parowej umieścić komponent General input value / start value (Comp 33). W polu Mass flow wprowadzić wartość
0,0 kg/s (rys. 3).

d) W celu wprowadzenia danych wejściowych dotyczących parametrów wody chłodzącej na wlocie do skraplacza wybrać komponent Boundary value (Comp 1) i połączyć go z linią Cooling medium inlet w komponencie skraplacza. Wprowadzić w pole Pressure wartość 2,0 bar, natomiast w pole Temperature wartość 15,0°C (rys. 4).
e) Uzupełnić model o wartości temperatury (Live steam temperature) i ciśnienia pary świeżej (Live steam pressure) w komponencie kotła (rys. 5) zgodnie z danymi przedstawionymi w tabeli 2. Dodatkowo należy upewnić się, że w polu Specification oraz Handling of spray and blow down flows aktywne są opcje określone indeksem 0.

5. Pozostałe dane wejściowe do modelu należy zdefiniować, wykorzystując komponenty oraz sposoby przedstawione w punkcie 4, zgodnie z zestawieniem w tabeli 1. W ostatniej kolumnie tabeli znajdują się nazwy komponentów, w których należy wprowadzić wskazane wartości. Na rysunku 6 przedstawiono model z uwzględnieniem elementów pozwalających na wprowadzanie i zmianę danych wejściowych.
6. W komponencie turbiny należy określić sposób przeprowadzania obliczeń – w polu Inlet pressure handling wybrać opcję P1 calculated from P1NSET (by Stodola equation) : 0 (rys. 7). Dodatkowo w polu Inlet pressure (nominal) należy wprowadzić wartość ciśnienia pary świeżej za zaworem regulacyjnym do turbiny zgodnie z tabelą 1.

7. W komponencie skraplacza w polu Design specification for vapor pressure wybrać opcję Design vapor pressure given externally (in off-design as start value) : –1 zgodnie z opisem na rysunku 8.

8. Zapisać plik z opracowanym modelem (Silownia_Parowa_model.ebs).

9. Uzupełnić model o elementy pozwalające na wizualizację i prezentację wybranych parametrów w charakterystycznych punktach obiegu modelu. W tym celu wybrać opcję Insert value-cross z paska narzędzi i następnie wskazać linię, dla której zostaną wyświetlone wartości parametrów. Domyślnie wyświetlane są wartości ciśnienia, temperatury, entalpi właściwej oraz przepływu masowego. Zmiany zakresu prezentowanych parametrów można dokonać, klikając dwukrotnie na tabelę z danymi, następnie należy przejść do zakładki Values. W obszarze zaznaczonym na rysunku 9 możliwe jest dodawanie nowych lub zmienianie zakresu obecnych parametrów danej linii, które prezentowane są w modelu. Parametry można wybierać z listy, która rozwija się po kliknięciu w kolumnie Name. Dodatkowo można wybrać jednostkę, jaka powinna być wyświetlana dla danego parametru, rozwijając listę w kolumnie Unit, a także należy uaktywnić opcję Unit w obszarze Show. Wykorzystując opcję Insert value-cross, należy zaznaczyć parametry temperatury, ciśnienia, entalpii właściwej oraz przepływu masowego w charakterystycznych punktach obiegu, zgodnie ze schematem na rysunku 10 (uwaga: wartości wyświetlą się dopiero po przeprowadzeniu pierwszych obliczeń – patrz punkt 10). Wyświetlić wartości parametrów wraz z odpowiednimi jednostkami (np. MPa, kJ/kg, °C, kg/s).

10. Przeprowadzić obliczenia, uruchamiając symulację przyciskiem Simulation lub klawiszem F9 oraz zweryfikować uzyskane wyniki z wartościami przedstawionymi na rysunku 10. Dla analizowanego przypadku pojawi się komunikat informujący o nadmiarze informacji o przepływie masowym w obiegu – Overdetermination in mass flow. W celu eliminacji tego błędu należy wprowadzić do modelu dodatkowy komponent Separator (logical) – Comp 80 i umieścić go na linii wody zasilającej przed komponentem kotła (rys. 10). Wewnątrz komponentu separatora należy wybrać w polu Type of separation (FSPEC) opcję Mass flow : 4 (rys. 11). Szczegóły dotyczące pojawiających się błędów w modelu można sprawdzić, wybierając na pasku narzędzi zakładkę Calculations, a następnie Error Analysis.

11. Zapisać plik z modelem i wynikami obliczeń (Silownia_Parowa_wyniki.ebs).
12. Wyświetlić moc na zaciskach generatora, moc pompy oraz użyteczną moc cieplną kotła z wykorzystaniem opcji Insert Value-Cross.
    UWAGA: w celu wprowadzenia na daną linię znacznika Insert Value-Cross konieczne jest jej przedłużenie. W programie moc oznaczona jest literą Q. Dodatkowo w zakładce Valuefield properties należy wybrać żółte tło – zaznaczyć opcję Fill i następnie wybrać kolor. Porównać uzyskane rezultaty z wynikami przedstawionymi na rysunku 10.
13. Utworzyć nowe profile obliczeniowe do przeprowadzenia symulacji pracy siłowni kondensacyjnej w trybie off-design, który reprezentuje pracę układu w warunkach obciążenia innego niż znamionowe. W tym celu na pasku narzędzi należy wybrać opcję Edit profiles, następnie New subprofile i po dwukrotnym kliknięciu na nowo utworzony profil zmienić jego nazwę na LOAD_90 (rys. 12). Czynności te powtórzyć i utworzyć dodatkowe dwa profile LOAD_80 i LOAD_70. W profilach off-desing należy zdefiniować ilość przepływającej pary na poziomie 90 (LOAD_90), 80 (LOAD_80) i 70 (LOAD_70) nominalnej wydajności kotła równej 650 t/h. Wartość przepływu pary świeżej wprowadzić w komponencie 46 na linii pary świeżej z kotła (patrz pkt 4a).

14. Przeprowadzić obliczenia dla wszystkich zdefiniowanych profili obliczeniowych (Design, LOAD_90, LOAD_80 oraz LOAD_70), a wyniki dla poszczególnych wariantów eksportować z wykorzystaniem funkcji EBShtml (File → Export → EBShtml).
15. Zapisać końcową wersję pliku (Silownia_Parowa_wyniki.ebs).

Zadanie dodatkowe

1. Obliczyć sprawność energetyczną obiegu dla wszystkich analizowanych profili pracy siłowni kondensacyjnej. Do tego celu należy wykorzystać komponent Cycle efficiency meter (Comp 32), umieścić go w profilu Design i odpowiednio skonfigurować. Należy zwrócić szczególną uwagę na odpowiedni sposób połączenia portów tego komponentu – port 1 Useful power połączyć z linią mocy elektrycznej z generatora, natomiast port 2 Expenditure (Sensible heat) połączyć z linią logiczną zawierającą moc użyteczną przekazywaną w kotle. W pozostałych profilach off-desing komponent ten zostanie automatycznie wprowadzony. W komponencie 32 wybrać jako jednostkę sprawności procent. Porównać rezultaty z wynikami przedstawionymi na rysunku 13. Wyniki eksportować z wykorzystaniem funkcji EBShtml.
2. Przedstawić wyniki na wykresie temperatura–entropia (rys. 14). W tym celu należy wybrać na pasku narzędzi zakładkę Extras, następnie Diagrams oraz T, s Diagram i opcję Complete. W polu Profiles zaznaczyć wszystkie utworzone profile obliczeniowe.
3. Wyniki eksportować z wykorzystaniem funkcji EBShtml. Zapisać plik pod nazwą Silownia_Parowa_zadanie_dodatkowe.ebs.

Podsumowanie
Realizacja zadania miała na celu zapoznanie użytkownika ze środowiskiem programu Ebsilon®Professional i opracowanie pierwszego modelu symulacyjnego kondensacyjnej siłowni parowej. Użytkownik ma opanowany sposób identyfikacji komponentów, ich prawidłowe łączenie, budowanie pełnej struktury modelu symulacyjnego oraz wprowadzanie danych wejściowych wraz z graficzną prezentacją wybranych wyników obliczeń.

Poniżej znajdują się rozwiązania dla przedstawionego w przykładzie 1 modelu kondensacyjnej siłowni parowej, opracowane na podstawie podręcznika:

Madejski P., Żymełka P., Wprowadzenie do komputerowych obliczeń i symulacji pracy systemów energetycznych w programie STEAG Ebsilon®Professional (Introduction to computations and simulations of energy systems operation using STEAG Ebsilon® Professional software]). Wydawnictwa AGH, Kraków 2020