Howden ČKD Compressors

Transkript

Stand pro vývoj kompresorových stupňů firmy
Jindra Kosprdová, Josef Kaplický, Ondřej Luňáček
© Howden Group 2013
Stand pro vývoj kompresorových stupňů
Dodávka zařízení dle požadavků zákazníka
Radiální turbokompresory:
•
Horizontálně dělené kompresory
•
Vertikálně dělené kompresory
•
Převodové kompresory
Další zařízení:
•
Pístové kompresory
•
Elektromotory, generátory
2
Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka
•
Typ 5 RMX 99
•
Sání z atmosféry
•
pv = 0.739 MPa; n = 6360 1/min; QN = 90 000
Nm3/hod; P = 12.5 MW
3
Dodávka radiálních turbokompresorů dle požadavků zákazníka
•
Typ 4 RVA 88
•
Třítělesový kompresor pro stlačování pyrolýzního plynu
•
pv = 0.2526 MPa; n = 5885 1/min; m = 170 000 kg/hod;
Psoustrojí = 26.8 MW
4
Stupeň radiálního turbokompresoru
•
Oběžné kolo – difuzor – vratný kanál (výtlačná spirála)
•
Oběžná kola v rozsahu D2 = (120 – 1350) mm
Oběžné
kolo
Difuzor
Vratný
kanál
5
Vývoj nové řady stupňů radiálních turbokompresorů
•
Pokrytí rozsahu průtokových čísel FI0 = (0.0075 – 0.15)
•
Maximalizace účinnosti stupně
•
Maximalizace tlakového čísla
•
Dodržení požadavků na regulační rozsah
𝜙0 =
4𝑄0
𝜋𝐷22 𝑢2
𝜒𝑠 =
𝛥ℎ𝑠
𝑢22
6
Postup vývoje nové řady
•
1D návrh – základní geometrické parametry (vstupní/výstupní úhel, výstupní šířka, vstupní
průměry atd.), předpokládané charakteristiky
•
3D návrh – tvar lopatek oběžného kola i vratného kanálu, tvar krycí a nosné stěny,
numerické simulace (CFD, FEM)
•
Experimentální ověření – výroba vzorku, projekt měření a návrh sond, osazení měřicí
technikou, vyhodnocení měření
•
Na řešení spolupracuje mnoho útvarů HCKD (EZK, KKO, TPO, TRZ, VPR, …) i externích
partnerů
7
FEM simulace namáhání oběžného kola
•
FEM simulace v prostředí ANSYS Mechanical
•
Určení kritických míst a úprava návrhu pro snížení namáhání
8
CFD simulace průtočné části
•
Simulace proudění média v průtočné části
•
Určení parametrů stupně v prostředí ANSYS CFX
9
Historie zkušebny ČKD
•
70. a 80. léta 20. stol. – největší zkušebna ve střední Evropě
•
Stupně vyvíjeny ve spolupráci s SVÚSS Běchovice – DARINA
10
Historie zkušebny ČKD
•
Přelom 20. a 21. stol. – zkušebna v areálu ČKD ve Vysočanech
11
Zkušebna pro vývoj kompresorových stupňů
•
V roce 2013 dokončeno nové zkušební pracoviště pro vývoj stupňů
•
Areál Vědeckotechnického parku Plzeň – Borská pole
•
Spolupráce s výzkumným centrem Nové Technologie při ZČU
12
Zkušebna – návrh pracoviště
•
Návrh zkušebního pracoviště byl řešen především s ohledem na:
 Hlučnost zkušebního standu
 Manipulační možnosti jeřábové dráhy
 Dispozici sací a výtlačné měřicí trati
13
•
Možnosti jeřábu:
 Max. výška háku nad zemí 2.6 m
 Nosnost 5 tun
 Jedno zdvihací zařízení
14
•
Hlučnost zkušebního dmychadla byla uvažována až 110 dB
•
Hmotnost tlumičů hluku na sání a na výtlaku 3.5 t
•
Demontovatelný akustický kryt
15
•
Trať pro měření průtoku na sání a výtlaku kompresoru dle ČSN EN ISO 5167
•
Rozsah průtoku řady vyvíjených stupňů V = (0.1 - 10) m3/s
•
Potrubí na sání DN450, na výtlaku DN400
•
Ve vertikální části výtlačného potrubí je umístěna regulační armatura
16
Zkušebna – vertikální řez
17
Zkušebna – dispozice
18
19
Zkušebna – provedení
20
Zkušební stand – základní parametry
•
Universální zkušební dmychadlo s výměnnou vnitřní zástavbou průtočné části radiálního
stupně s letmo uchyceným oběžným kolem o průměru 440 mm
•
Elektromotor s maximálním příkonem 1 200 kW, 400 V, jmenovité otáčky 3 600 ot/min, při
jmenovité frekvenci 60 Hz, s kapalinovým chlazením
•
Frekvenční měnič v kombinaci s převodovkou, rozsah otáček testovaného stupně v rozmezí
4 500 – 16 500 ot/min
21
Zkušební dmychadlo – základní parametry
•
•
Výměnná průtočná část pro různá provedení radiálního stupně v provedení s bezlopatkovým
i lopatkovým difuzorem, uvažováno se začleněním regulačních lopatek v sání a v difuzoru
Stlačované médium vzduch, sání z atmosféry, maximální výtlačný tlak 300 kPa abs
22
Zkušební dmychadlo – dynamika rotoru
•
Provoz dmychadla v širokém rozsahu otáček
•
Konstrukční úpravy pro zlepšení dynamiky rotoru
23
Zkušební dmychadlo – průtočná část
•
Výměnná průtočná část se skládá ze sání dmychadla, oběžného kola a statorových částí
•
Statorové části – nosná, krycí a sací mezistěna, nosič ucpávek
•
Labyrintové ucpávky oběžného kola, hřídelová ucpávka
24
Elektromotor typ 5N 181-02HW
•
1200 kW, 400 V, jmenovité otáčky 3 588 ot/min, při jmenovité frekvenci 60 Hz, jmenovitý
proud 2029,3 A; cos f 0,89; IP 55
•
Kapalinové chlazení
25
Frekvenční měnič ACS800-37-1430-3
•
Výrobce ABB
•
V kombinaci s převodovkou zajišťuje požadovaný rozsah testovacích otáček zkušebního
stupně v rozmezí 4450 – 16 500 ot/min
•
Maximální příkon P = 1 200 kW, maximální proud I = 2 814 A
•
Provedení Low harmonic drives, jemná kompenzace jalového proudu
•
Vzduchové chlazení (56 kW, 10 240 m3/hod)
26
Převodovka
•
Výrobce WIKOV Gear - rychloběžná převodovka RUB 396 s čelními šikmými ozubenými
koly
•
Příkon 1 200 kW; otáčky 4 450 – 16 500 1/min; převodový poměr 5.0344
•
Ložiska segmentová Waukesha
•
Z dispozičních důvodů šikmá dělící rovina
27
Olejové hospodářství
•
Olejový blok umístěn mimo rám soustrojí
•
Obsahuje:
– Olejovou nádrž
– Provozní čerpadlo
– Záložní zdroj
– Chladič olej-chladicí kapalina
– Olejový filtr
– Odvětrávací jednotka včetně filtru
– Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur
– Měření průtoku a teploty oleje ložisek dmychadla
•
Zajišťuje potřebu oleje pro ložiska zkušebního tělesa, převodovky a elektromotoru
•
Olej turbínový VG 46 dle ISO, náplň 1 600 l
28
Pomocná zařízení
•
Aparatura pro měření vibrací výrobce AURA Milevsko
•
Snímače absolutních a relativních vibrací hřídele dmychadla
•
Kompresor pro zafukování vnějších ucpávek Kaeser
•
UPS a frekvenční měnič pro pohon olejového čerpadla
29
Chladicí systém
•
Chladicí okruh obsahující blok s ventilátorovým chladičem vzduch – chladicí kapalina
umístěný na střeše budovy a druhý blok v hale – dodavatel ČKD PRAHA DIZ
•
Obsahuje:
– Čerpadlo
– Expanzní nádrž
– Potrubní propojení včetně regulačních a manipulačních armatur
•
Chladicí kapalina – nemrznoucí ekologická směs Friterm, uzavřený přetlakový systém
•
Okruh je dimenzován pro chlazení elektromotoru a mazacího oleje, náplň 1000 l
30
Řídicí systém
•
•
Řídicí systém Schneider electric řady TWIDO – 36 digitálních vstupů, 18 analogových
výstupů
Zdroj 24 V DC pro napájení PLC a sběr dat, napájení z UPS
•
Ovládání z rozvaděče ve strojovně ze 7,5“ barevného dotykového panelu, komunikace
prostřednictvím Ethernetu Magelis GTO
•
Technologie ovládána prostřednictvím webového prohlížeče pro připojení k panelu Magelis
GTO
• Operátorské stanoviště je umístěno ve velínu s prosklenou stěnou
31
Řídicí systém
• Ovládání všech technologických zařízení zkušebního soustrojí
• Provozní signalizace o stavu soustrojí včetně pomocných pohonů
• Blokování startu, varovací signalizace a havarijní odstavení při výskytu nežádoucích
stavů zkušebního soustrojí
32
Řídicí systém
• Moduly Olej, Teploty, Vibrace, Chlazení
33
Provozní měření a signalizace
Provozní měření:
• Na rozdíl od experimentálního měření je zajištěno standardním vybavením pro provoz
kompresorových zařízení
• Zajišťuje ucelený přehled o stavu a provozu zařízení:
- Soubor měření všech důležitých tlaků (média, oleje, chladicí směsi)
- Soubor měření všech důležitých teplot (média, oleje, chladicí směsi, ložisek, vinutí
elektromotoru atd.
Provozní signalizace:
• Zajišťuje signalizaci chodu pomocných pohonů:
- Ventilátorů chlazení
- Pohonů olejového a vodního čerpadla
- Pohonu odsávaní olejových par z olejové nádrže
• Polohy škrtící klapky na výtlaku v %
34
Protihlukový kryt
• Výrobce Greif-akustika
• Rozměry 9 705 x 6 405 x 2 190 mm
• Celková plocha 133 m²
• Hmotnost 6.9 tuny
• Vstupní parametry:
- hladina hluku soustrojí 110 dB
- vyzařované teplo 30 kW
• Akustické parametry:
- hladina hluku 1 m od krytu 65 dB až 80 dB
- neprůzvučnost Rw = 30 dB
35
Tlumič hluku sání DN 600/PN 6
• Rozměry 2 450 x 1 250 – 6 465 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg
• Teplota vzduchu -20˚C až 32˚C
• Filtrační komora pro 8 vložek FILTR KS PAK 25HF G3
• Tlaková ztráta 200 až 450 Pa
• Hladina akustického tlaku LAeq 50 dB(A) 3 m od sání
36
Tlumič hluku výtlaku DN 600/PN 6
• Rozměry 2 450 x 1 250 – 6 208 / 4 000 mm, hmotnost 3 500 kg
• Průtok 37 116 kg/h, vzduch max 130˚C
• Tlaková ztráta cca 1 000 Pa
• Hladina akustického tlaku LAeq 50 dB(A) 3 m od výdechu
37
Experimentální měření – provozní veličiny
• Soubor dat vnějšího měření (frekvence z měniče, svorkový příkon elektromotoru, kroutící
moment, otáčky dmychadla, tlaky a teploty na sání a výtlaku, diference na clonách, atd. - 21
veličin
• Soubor virtuálních veličin (průtočné množství, garantované tlaky a teploty v sání, relativní
vlhkost plynu v sání, stlačení, příkon z dynamometru atd. (zadávané jako konstanty, nebo
získané výpočtem z jiných veličin - 8 veličin
38
Experimentální měření – vnitřní měření
• Soubor vnitřního měření stupně v 5 měřicích rovinách – celkem 122 tlaků a 46 teplot
• 28 převodníků tlaku s rozsahem 5-120 kPa (a), přesnost 0.1%
• 94 převodníků s rozsahem 80-270 kPa (a), přesnost 0.1%
• 46 termočlánků typu K dodaných firmou AHT Energetika
4
5
m
0
7
39
Projekt měření
• Projekt měření dle návrhu AHT Energetika
40
Funkční vzorek stupně
• Oběžné kolo průměr D2 = 440 mm, 13 až 15 lopatek, materiál X5CrNi
• Výroba frézováním z jednoho kusu (3D stupně) nebo pájením (2D stupně)
• Bezlopatkový difuzor, vratný kanál s 28 lopatkami
41
Měřicí sondy
• Násobné sondy pro měření celkového tlaku a teploty v
sání a na výtlaku stupně
• Jednoduché sondy pro měření celkového tlaku a teploty
v jednotlivých částech
• Sondy pro měření statického tlaku
• Víceotvorové sondy pro určení směru proudění
• Sondy s rychlými snímači pro měření nestacionarit
42
Montáž sond
• Osazení jednotlivých mezistěn
• Sestavení paketu
• Připojení vývodů
• Založení paketu mezistěn a nosiče ucpávek do
tělesa
43
Schéma experimentálního měření
• Výsledné schéma měření
44
Systém pro zpracování měřených dat
• Výrobce Peekel Instruments
• Měřicí ústředna AUTOLOG 3000 pro přenos a registraci dat – 322 vstupů, rychlost měření
200 kanálů/sekundu, přesnost: 0.1% z rozsahu v celém rozsahu pracovních teplot
• Snímače tlaku JSP, Rosemount, Kulite
• Přenos a zpracování dat na PC s grafickými výstupy
45
Dynamometr
•
Výrobce Torquemeters
•
Součástí rychloběžné spojky John Crane pro měření krouticího momentu hřídele dmychadla
•
Dvě torzní tyčky – do 170 Nm a do 740 Nm
•
Součástí je čidlo pro měření otáček
46
Přístroje pro experimentální měření
•
Rychlé snímače tlaku XTL- 123 M, rychlost snímání 175 kHz, přesnost 0.1 %, výrobce Kulite
•
Snímače tlaku D 2610, přesnost 0.1 %, výrobce JSP Industrial Controls
•
Absolutní a diferenční snímače tlaku, přesnost 0.025%, výrobce Rosemount
•
Vlhkoměr H8D, výrobce AHLBORN
•
Průtokoměr, přesnost 0.1 l/min, max. průtok 300 l/min, výrobce IFM Eletronic
47
Instalované sondy
48
Instalované sondy
49
Konečná montáž průtočné části
50
Konečná montáž, vývody měření
51
Sledování průběhu měření
52
Přestavba zkušebního zařízení pro měření
•
Přestavba
zkušebního
dmychadla:
– Odpojení měření
– Demontáž
výtlačného potrubí
– Demontáž sací části
– Rozpůlení tělesa
– Otočení vrchní části
skříně
– Vyjmutí a rozebrání
mezistěn
– Demontáž sond
53
Vyhodnocení výsledků měření
•
Vyhodnocení klíčových parametrů stupně – stlačení, vnitřní příkon, účinnost apod.
54
Zpracování výsledků měření
•
Vytvoření podkladů pro návrh kompresoru na základě fyzikální podobnosti
•
Interní návrhový SW Návrh RTK
55
Publikace výsledků
•
Konference Turbostroje a Experimental Fluid Mechanics
•
Setkání uživatelů výpočetních SW ANSYS a NUMECA
•
Tematický časopis společnosti Howden CFD Newsletter
 Syka, T., Luňáček, O.: Numerical simulation of radial compressor stage; Mezinárodní
konference Experimental Fluid Mechanics 2012, Hradec Králové, ISBN 978-80-7372-912-7,
4s
 Syka, T., Luňáček, O.: Vliv geometrických úprav na účinnost lopatkového stroje; Konference
Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 6s
 Luňáček, O.: Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů; Konference
Turbostroje 2013, Praha, ISBN 978-80-905040-3-5, 10s
 Luňáček, O.: Compressor Stages Family Development; CFD Newsletter, Issue 03, 2s
56
Náklady na řešení projektu
•
Celkové náklady na projekt vývoje nové řady stupňů přesahují 100 mil. Kč
•
Zkušební zařízení bylo vybudováno v rámci programu „Posílení kapacity společnosti ČKD
NOVÉ ENERGO, a.s. pro vývoj a testování odstředivých kompresorů“, programu Potenciál
vládní agentury pro podporu podnikání a investic Czechinvest
•
Vývoj nové řady stupňů je podporován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR v programu
TIP, projekt „Optimalizace parametrů radiálních kompresorových stupňů“ je řešen v období
2011-2015
57
Contact Information
Howden ČKD Compressors s. r. o.
Klečákova 347
190 00 Prague 9
Czech Republic
Tel.: + 420 226 543 103
Fax: + 420 284 812 148
E-mail: [email protected]
www.howden.com
58
Thank You

Howden ČKD Compressors

Transkript

Podobné dokumenty

146703... - Burzaspravcu.cz

ZPRACOVÁNÍ DLOUHODOBÝCH EEG ZÁZNAMŮ

ČKD Magazín 1

3 MB - Transformační technologie

Časový program konference - Fakulta strojní - VŠB

Ročenka 2012

Popis laboratoří (cz)