i X NSTTUTONEN FÖR VÄRME- OCH KRAFTTEKNK TEKNSKA HÖGSKOLAN LUND DMENSONERNGSUNDERLAG FÖR NYA KYLVATTENPUMPAR PÅ BARSEBÄCK Max Åhman SRN LUTMDN/TMVK-523--5E DEPARTMENT OF HEAT AND POWER ENGNEERNG LUND NSTTUTE OF TECHNOLOGY BOX 8, S-2200 LUND SWEDEN
nstitutionen för värme- och kraftteknik Tekniska Högskolan i Lund DMENSONERNGSUNDERLAG FÖR NYA KYLVATTENPUMPAR PÅ BARSEBÄCK Max Åhman SRN/LUTMDN/TMVK-523-$E Handledare: Proffesor Tord Torisson, Värme- och kraftteknik Civilingenjör Gordon Vrgoc, Sydkraft Civilingenjör Dan Gustavsson, Sydkraft SSN02S2-990 SRN LUTMDN/TMVK--523--SE
t Ookumentutgivare Dokumentnamn Dokumentbeteckning LU/LTH Examensarbete SRN LUTMDN/TMVK 523U-SE Handläggare Utgivningsdatum Ar endabe täckning Författare Max Ähman Dokumenttitel och undertitel Dimensioneringsunderlag för nya kylvattenpumpar på Barsebäck Referat (Mrnmandrag) Rapporten behandlar effekterna av ett ökat kylvattenflöde i Barsebäck. Ett ökat flöde sänker kondenseringstemperaturen. Detta leder till ett ökat entalpifall över LT-turbinen Det leder också till ökade avloppsförluster. Det finns alltså ett verkningsgradsmaximuni som beror på kondenseringstemperaturen. Uträkningar visade att den låg vid en kondenseringstemperatur på 27 C. Vid normal drift ligger Barsebäcksverkets kondenseringstemperatur mellan 28 till 45 C vilket betyder att det finns utrymme för en ökning av kylvattenflödet Rapporten kom fram till att en ökning av kylvattenflödet till 26 m^/s från nuvarande 23,4 n 3 /s ger en ökad elproduktion på 2300 MWh/år och en intäktsökning på 30 000 kr/år om revisionen ligger i september och 250 000 kr/år om revisionen ligger i Juni/Juli. Referat»krivet av Författaren Fo rilag till ytterligare r, Kianifikationtfvitem oc ndextermer (ange kalla)»lora <latt(er) JJ Ornffnq Ovnge bidliografitka uppgiftet u) di S 'Svenska a 0 SekretCMuppgifter SSN 0282-990 m J Dokumentei kan errtlllat frän Mottagarant uppgifter < nst för Värme- och kraftteknik, LTH 5 Box 8 22 00 Lund Prit O D Blankett LU :25 976-07 S8N
nnehållsförteckning Sammanfattning Symbollista. Bakgrund 2. Syfte 3. Metod 4. Allmänt om Barsebäcksverket 5. Kondensorn 5. Allmänt om kondensorn 5.2 Teori för värmeövergång 5.3 Beräkning av värmeövergångs tal 5.4 Teori för kondenseringstemperaturen 6. Verkningsgraden 6. Verkningsgraden för T k >30 C 6.2 Verkningsgraden för T k <30 C 6.2. Avloppsförlusten 6.2.2 Beräkning av avloppsförlusten 6.3 Verkningsgradskurvan 7. Kylvattensystemet 7. Allmänt om kylvattensystemet 7.. nloppet 7..2 Kondensorn 7..3 Utlopp 7.2 Tryckmätning 7.3 Beräkning av tryckförlusterna 8 Pumpeffekten 8. Pumparna 8.2 Affinitetslagarna
2(24) 9. Ekonomisk utvärdering 9. Elproduktionen 9.2 Elpriset 9.2. Spotgränser 9.2.2 Reglering 0. Slutsatser Referenser 9.3 Ekonomiskt utfall
Sammanfattning Arbetet initierades av behovet att veta vad som händer om kylvattenflödet genom kondensorn ökas. Möjligheter till att öka kylvattenflödet har givits tack vare att man har bytt till Titanrör i kondensorn. Flödet kan ökas antingen genom att byta till större pumpar eller genom att minska strömningsmotståndet i kylvattensystemet. En hel del frågor restes om en kylvattenökning överhuvudtaget skulle ge någon effekt. Kondensorn undersöktes och en matematisk modell byggdes upp. Huvudmålet var att koppla sambandet mellan kylvattenflödet och kondenseringstemperaturen för att sedan i nästa steg hitta sambandet mellan flödet och uteffekten. En sänkning av kondenseringstemperaturen ger ett större entalpifall över turbinen men samtidigt ökar avloppsförlusterna. Det finns alltså ett effektmaximum vid någon kondenseringstemperatur. Undersökningen gav att störst effekt fås vid en kondenseringstemperatur på ca: 27 C. dag varierar kondenseringstemperaturen under normal drift mellan 28 "till 45 C. Det borde alltså finnas utrymme för att öka kylvattenflödet för att få ner T^. Man måste även räkna med att vid ett större flöde förbrukar pumparna mer energi. den ekonomiska bedömningen måste man också räkna på att elpriserna varierar över året och att verket är avställt för revision. rapporten finns fem viktiga diagram som visar effekten och intäkten si.a kylvattenflödet. Dom visar att vid en ökning av flödet till 26 m 3 /s får vi en elproduktionsökning på 2300 MWh/år och en intäktsökning på 250 000 kr/år om vi har revisionen i juni/juli och 30 000 kr/år om revisionen ligger i september. Slutsatsen är att det är motiverat för en högre elproduktion att öka kylvattenflödet från nuvarande 23,4 m 3 /s till ungefär 26 m 3 /s men knappast för större intäkter. 3(24)
Symbollista a å =Värmeövergångstal mellan ånga och kondensorrör a v =Värmeövergångstal mellan kylvatten och kondensorrör Xf =Kondensatfilmens värmeledningsförmåga K^Kondensorrörets värmegenomgångstal K^Kondensorns totala värmegenomgångstal v k =Kondensatets volymitet p f =Densitet för vätsksfilm Cp=Specifik värmekapacitet r=frigjord energi under kondensation m^kylvattenflöde m k =Kondensatflöde k w =Avloppsförlust Ah=Verklig entalpidifferens över LT-turbinen ho=ngångsentalpi till LT-turbinen h, =Utloppsentalpi T in =Kylvattnets inloppstemperatur T k =Kondenseringstemperatur P c =Kondensoreffekt? R =Reaktoreffekt P e =Eleffekt Re=Reynoldstal Pr=Prandtl-tal P=Tryck W=Hastighet Z=Läge A=Kondensorns kylyta [ W/m 2 K ] [ W/m 2 K ] [W/m] [ W/m 2 K ] [W/m 2 K] [mvkg] [kg/m 3 ] [kj/kgk] [ kj/kg ] [mvs] [mvs] [ kj/kg ] [kj/kg] [kj/kg] [kj/kg] [ C] r o c i L ^* J [MV/] [MW] [MW] [-] [-] [Bar] [m/s] [m] [m*] 4(24)
-. Bakgrund Examensarbetets titel är "Dimensioneringsunderlag för nya kylvattenpumpar på Barsebäck". Orsaken till att detta undersöks är två skäl. Det första är att pumparna är gamla och kommer, inom en inte allt för avlägsen framtid, att behövas bytas ut. Det andra skälet är att man har bytt till Titan-tuber i kondensorn. Med Titan-tuber har den övre gränsen för strömningshastigheten i kondensortuberna flyttats uppåt. Detta har rest frågan om man inte kunde öka kylvattenflödet bi.a genom att förbättra kylvattenkanalerna eller skaffa större kylvattenpumpar. Oavsett vilket behöver man underlag för vad som kan tänkas hända vid en ändring av kylvattenflödet. 2. Syfte Syftet med rapporten är att se om ett byte till större kylvattenpumpar är ekonomiskt lönsamt. En ökning av kylvattenflödet skulle ge en bättre avkylning och därmed ett större entalpifall över turbinen som i sin tur betyder en bättre verkningsgrad. Problemet är att vid för låg kondenseringstemperatur ökar avloppsförlusterna kraftigt Den ökade energi åtgången för pumparbetet sänker också verkningsgraden. Man måste undersöka vid vilket kylvattenflöde som Barsebäck drivs optimalt och vilka pumpar som krävs för att uppnå detta. 3. Metod Det faller sig naturligt att utgå ifrån kondensorn och försöka skapa en hållbar matematisk modell för denna. Utifrån kondensorn kan man sedan titta på kondenseringstemperaturen, tillståndet efter sista turbinsteget och verkningsgraden i nämnd ordning. Upplägningen av rapporten följer i stort sett detta mönster med undantag av verkningsgraden som finns med i beräkningarna nästan hela tiden. Skälet till detta är att nästan alla driftvärden på Barsebäck räknas ut med hjälp av värmebalanser som grundar sig på verkningsgraden. Verkningsgraden kräver ett eget kapitel då den är given av driftdata ner till kondenseringstemperaturen 30 C. För lägre temperaturer får vi göra en matematisk modell. 5(24)
Arbetet har utförts på Barsebäcksverket och grundar sig på aktuella driftdata. Eftersom de två blocken skiljer sig åt i driftdata har jag endast räknat på Bvt. Värdena gäller i absoluta tal således endast Bvt. 4. Allmänt om Barsebäck [] Barsebäcks kärnkraftverk ägs av Sydkraft AB. Verket byggdes i två etapper. Barsebäck (Bvt ) blev klart den Juli 975 och Bvt 2 i början av juni 977. Barsebäck är en kokarreaktor (BWR) och förbrukar 8 ton uran om året. Reaktoranläggningen levererades av ASEA-ATOM och turbinerna av STAL-LAVAL. Sammanlagt ger Bvtl och Bvt2 ca: 200MW och har en nettoverkningsgrad på 34%. Figur l:schema för Barsebäck (nästa sida) 5. Kondensorn 5. Allmänt om kondensorn Kondensorns uppgift är att kondensera ånga från lågtrycks-turbinen till vatten. Vid kondensering frigörs värme som måste transporteras bort och detta sker med hjälp av kylvatten. Barsebäck tas kylvattnet från havet. nne i kondensorn leds kylvattnet in i 3200 små kondenscrrör som är 9 m långa och har en ytterdiameter på 24 mm [3]. Ångan får sedan strömma tvärs rören och kondenserar på rörytorna. Ånga l&'i*tf';%;*:*'*v*i':*j j;j':*i"!*!*i& fig. 2:kondensatflödet. * * * 6(24)
- Vid högre kylvattenflöde leds mer värme bort och således kan man sänka kondenseringstemperaturen (=kondensatets temperatur). Sänkt kondenseringstemperarur leder även till ett sänkt kondenseringstryck. Lägre tryck och temperatur betyder att man får ett större entalpifall över LT-turbinen vilket ger en bättre verkningsgrad. Detta skall dock vägas mot större avloppsförluster och ett högre tryckfall i kylvattenkanalen. Ett annat problem som kan uppstå är att driftejektorerna inte orkar med. Driftejektorernas uppgift är att säkerställa att kondensorrören alltid är vattenfyllda genom att suga ut gaser och luft ur utrymmet framför kondensorn. Är rören inte vattenfyllda finns risk för överhettning. Tubsatserna är ordnade i 6 st tubsatser med vardera 950 tuber. Tuberna är tillverkade i Titan och har en y ttterdiameter på 24 mm och är 7 mm tjocka. Tuberna i varje sats är ordnade i s.k. "kyrkfönster" [3]. Stagrör och lårstårkningsplåt Aviuftningsledni Luflkytardel SiödpliL fig 3:kyrkfönster [4]. Kondensatorerna är dimensionerade för att vid normal drift hålla ett tryck på 0,04 bar. Kylvattnet värms upp 2 "C i kondensorn oavsett inloppstemperatur. 5.2 Teori för värmeövergång Vi är intresserade av att bestämma sambandet mellan kylvattenflödet och kondenseringstrycket. För att detta ska vara möjligt måste vi först ha formler för värmeövergången i kondensorn. Ångan strömmar tvärs mot rören som är horisontella. Detta ger upphov till filmkondensering. 7(24)
fig 4:filmkondensation på horisontella tuber [0]. Vi har tre olika värmetal att beräkna. Först måste värmeövergången mellan ångan och röret beaktas. Sedan skall värmeledningen i rörväggen räknas ut. Till sist har vi en värmeövergång mellan röret och kylvattnet. fig 5:Värmegenomgång i olika lager Enligt [2] gäller följande formler för filmkondensation. a i =0.77K/(ATd) /4 K=4/3-(Vr-g-p/(4-v))' /4 AT=T k -T f \ f =värmeledningsförmåga för kondensatfilmen 8(24)
Värmeledningen i rörväggen beror på väggens tjocklek och dess värmeledningsförmåga [2]. L=tjocklek ( 7 mm i kondensorrören) X=vännedningsförmåga (0,05 för Titan ) På vattensidan gäller för turbulent strömmning (Re=3800O) Dittus-Boetlers formel [2]. Nu=0.0023Re"Pr" Nu=a v D/X, Det sammanlagda värmeövergångstalet fäs på följande sätt [2]. 5.3 Beräkning av värmeövergångstal. Alla material- och ång-konstanter tas vid filmtemperaturen, T (. Fihntemperaturen är omöjlig att veta exakt i varje punkt. Därför använder jag ett medelvärde längs hela rörsträckan. Medelvärdet är satt till T f =T jn +6 d.v.s medelvärdet på kylvattnet. Vid tex. inloppstemperaturer på 0 C till 20 "C får man värdena enligt tabell 2 som är tagna från [5] efter att ha omvandlats till polynom för databeräkning. T in0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 20 T, 6 8 0 2 4 6 8 20 22 24 26 P f 000,00 999,93 999,80 999,6 999,36 999,06 998,70 998,30 997,86 997,37 996,85 Tabell : Ångkons tanter m 480,04 392,92 33,07 239,88 72,76,7 054,6 002,60 954,72 90,56 869,76 0,58 0,58 0,58 0,59 0,59 0,60 0,60 0,60 0,6 0,6 0,6 Pr, 0,80 0,08 9,44 8,85 8,3 7,82 7,37 6,97 6,59 6,25 5,94 9(24)
- Med hjälp av formlerna på sidan 7 och värdena i tabell kan jag räkna ut värmeövergångstalen för alla tänkbara inloppstemperaturer. T in 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 20 6060 623 640 657 6737 690 7062 729 7374 7535 7728 a v 5704 5865 6026 686 6346 6504 666 687 697 723 7274 tabell 2: värmegenomgångs tal K«2584 2648 27 2774 2835 2896 2955 303 3070 327 389 5.4 Teori för kondenseringstemperaturen När vi visat sambanden mellan K^-värdet och T in i tabell 2 måste vi utvidga det och få fram ett förhållande mellan K tot -värdet och kondenseringstemperaturen, T k. Enligt NTU-metoden [6] för beräkning av T k : T k =T ln +(P c AnyCpjya-e-N ) [Ekv. ] A=kondensorns kylyta HLT ser man att T k beror av flera parametrar bl.a kondensoreffekten, P c. Kondensoreffekten räknas ut som P c =P R -l,006p e där P R är reaktoreffekten och P e är generatoreffekten..006 är en förlustfaktor [6]. Reaktoreffekten är konstant 800 MW. Generatoreffekten kan man räkna ut som T^-PR. Den totala verkningsgraden, r^,finns som funktion av T k i kurvform. Eftersom NTU är en funktion av T k får vi en iterativ ekvation där vi först måste bestämma det matematiska sambandet mellan P e och T k. 0 (24)
5 it n -i. r ' s» V
6. Verkningsgraden 6. Verkningsgraden T k >30 C Generatoreffekten är den effekt som uppmäts vid generatorklämmorna. Effekten mäts och utifrån denna beräknas sedan en totalverkningsgradskurva där "H^är en funktion av T k. denna verkningsgrad ingår alla förluster och delverkningsgrader vilket gör att den är beroende av ett flertal olika parametrar som t.ex. ångflödet. Jag har antagit alla parametrar utom T k att vara konstanta. Detta är sant under ideala förhållanden då hela systemet är i jämvikt Kurvan i diagram är uppmätt och beräknad på Barsebäcksverket. För att kunna applicera i ett program gör jag om kurvan till ett polynom med hjälp av värdena i tabell 3. Diagram l:(nästa sida) Uppmätt verkningsgradskurva på Barsebäck. T k C 34.25 32 34.3 34 33.97 36 33.67 38 Tabell 3: r\ M och T k enligt diagram Observera att polynomet bara är giltigt ner till T k =30 C. För lägre temperaturer får vi göra på ett annat sätt. För T k >30 C är d L nu bara att sätta in i polynomet i ekvation () på föregående sida och iterera fram rätt kondenseringstemperatur. Uträknat med en dator får man med m kv =23,4 m 3 /s (driftstandard idag) nedanstående tabell. T ln C T k 'C O 28, 2 29,62 4 3,8 6 32,75 8 34,38 0 36,03 2 37,72 4 39,44 6 4,8 8 42,92 20 44,65 Tabell 4 :Kondenserings tempera turen s.f.a inloppstemperaturen (24)
Värdena i tabell 4 kan jämföras med driftdata och överensstämmelsen är god [7]. 6.2 Verkningsgraden för T k <30 C För att kunna räkna på ett större kylvattenflöde måste vi veta hur verkningsgradskurvan ser ut i den nedre regionen (T k <30 C). Vi kan inte chansa på att den följer polynomet givet för 30 C< T k < 45 C. Vad påverkar verkningsgraden? intervallet 30 C< T k < 45 C ändras r\ M relativt lite. En förändring sker dock och detta i huvudsak på grund av den sänkta kondenseringstemperaturen. Desto lägre kondenseringstemperatur desto större entalpifall över turbinen och följaktigen högre verkningsgrad. Men vid T k =30 C börjar kurvan att plana ut. Orsaken till detta är att vid lägre kondenseringstemperatur och tryck ökar volymiteten drastiskt. En stor volymitet ger ett stort volyrnflöde (m 3 /s). Med ett stort volymflöde följer naturligt också en hög utgångshastighet vilket betyder stora avloppsförluster. Den ökande avloppsförlusten äter upp det ökade entalpifallet vid sänkt kondenseringstemperatur. Allt tyder på att det finns ett verkninggradsmaximum för kondenseringstemperaturen. Vid fortsatta räkningar antager jag att det bara är avloppsförlusterna och entalpidifferensen som påverkar verkningsgraden. 6.2. Avloppsförlusten Om man antar lite förenklat att ångan i det sista steget har axiell riktning kan man skriva utloppsförlusten enligt följande [4]. M där c=nyv k /A c=utgångshastighet 6.2.2 Beräkning av avloppsförlusten För att kunna beräkna följderna av en sänkt kondenseringstemperatur måste vi först anta att den fortsatta expansionen sker efter samma expansionslinje. Detta är ett rimligt antagande. När väl expansionslinjen fastställts är det bara att hämta ett kondenseringstryck från den antagna expansionslinjen och räkna ut volymitet, utgångshastighet och avloppsförlust. Efter att ha fastställt expansionslinjen enligt figur 6 gjorde jag två polynom h k s.f.a P k och v k s.f.a P k så att ^ och Ah^ kan räknas ut i dator. Expansionslinjen bestämdes genom att ta ut två kända driftpunkter. Övre punkten, h 0/ är ingångspunkten i lågtrycksturbinen och den lägre punkten h, är avloppstillståndet vid normal drift. 2 (24)
7.0 Entropie s 75
Enligt fig () är h o =2500 kj/kg och h,=2323.6 kj/kg. Expansionslinjen drogs sedan mellan hg och h steg där h steg =h, 4^, vid normal drift. figur 6 (nästa sida): heldragen linje visar antagen expansionslinje, sträckad visar den verkliga 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 20 v k 3,569 28,922 26,4495 24,959 22,0972 20,636 8^89 6,7656 5,2865 3,9479 2,752 Pk 0,03802 0,0449 0,04537 0,0496 0,0543 0,0595 0,06526 0,0758 0,0785 0,08603 0,094 2260,37 2270,42 2280,98 229,9 2303,38 235,07 2326,47 233734 2349,4 237,08 2426,97 K 53,589 45,659 37,9337 3,8896 26,739 22^827 8,7305 5,6743 3,266,055 9,28602 Ah 85,742 84,7 80,784 75,94 69,593 62,248 54,495 46,689 37,7 7,609 63,4428 tabell 5 :P k,v k och h steg si.a T in. Baserat på den antagna expansionslinjen. Efter att ha räknat ut P k, v k, h 8teg och l^så får jag det verkliga entalpifallet över turbinen genom följande ekvation. Figur 6, den sträckade linjen, visar hur avloppsförlusterna äter upp det teoretiskt ökade entalpifallet vid sänkt kondenseringstryck. figuren kan vi uppskatta maximum till att vara ungefär 0.035 bar vilket motsvarar en kondenseringstemperatur på 27 C. 6.3 Verkningsgradskurvan Med den uträknade avloppsförlusten kan vi sedan räkna ut verkningsgraden i intervallet 20 C C< T k <30 "C. Antagandena är än så länge att endast avloppsförlusten och entalpifallet påverkar verkningsgraden. Längre fram i rapporten kommer jag att även räkna med den ökade energiåtgången för pumparna. Med t (32 C) som känd punkt kan jag sätta allt utom det verkliga entalpifallet som konstant och räkna ut detta. 3 (24)
Lös ut X TU32)=0.3425 [Diagram ] ny=53.8 mvs [driftdata ] Ah.^78.3 kj/kg [fig 4] 0.3425=(53.878.3000+X)/800-0 6 X=5.268820 8 Detta ger Ti(Ah tot,m k )=(m k -Ah ttt +5.26882-0 8 )/800-0«där AhJJJ. Detta resulterar i en verkningsgradkurva som kombinerat med intervallet T k >32 C ser ut på följande sätt. T 0,346 j 0,344 0,342-0,34 ' 0,338-0,336 0,334 0^32-0,33 0,328 22,00 27,00 Diagram 2: r\ m för m kv =23.4 m 3 /s 32,00 37,00 42,00 47,00 52,00 Kondenseringstemperatur [ C] Med denna verkningsgrad som tar hänsyn till avloppsförlusterna kan vi räkna på vilka effekter en lägre kondenseringstemperatur får. Observera att för ett kylvattenflöde skilt ifrån 23.4 m 3 /s måste vi räkna med förändringen i erfoderlig pumpeffekt. Verkningsgradskurvan gäller således enbart för 0^=23.4 mvs. 4 (24)
7 Kylvattensystemet 7. Allmänt om kylvattensystemet _ g _ Kylvattensystemet är intressant att titta på för att förstå pumparnas arbetssätt bättre och för att kunna räkna på den högre pumpeffekten som krävs vid ett ökat flöde p.g.a det ökade strömningsmotståndet. Vid normal drift idag försörjer kylvattensystemet kondensorn med 23,4 m 3 /s havsvatten. Mängden kylvatten är konstant men temperaturen varierar med årstiderna. Normalt ligger temperaturen mellan 2 "C till 5 "C. Skillnaden mellan inlopps- och utloppstemperatur är konstant 2 C. 7.. nloppet Vid inloppet rensas havsvattnet från grövre och finare fasta föroreningar i tre olika stationer. / Grovgaller-Tar bort de allra grövsta föroreningar i.x stockar och dunkar. 2/ Fingaller-Tar bort mindre partiklar än grovgallret. 3/ Korgbandsilar-Silar av finmaskigt nät som vattnet får rinna igenom. Rensverket har till uppgift att rensa gallren när dessa blivit igensatta. Efter rening samlas vattnet i ett schakt varifrån det pumpas upp till kondensorn. Kondensorn ligger ca: 5 m ovanför uppsamlngsschaktet men tack vare häverteffekten påverkar detta inte pumparna som är dimensionerade enbart till att hålla vattnet strömmande igenom kanalerna d.v.s övervinna strömningsmotståndet. 7..2 Kondensorn För att säkerställa att kondensorn alltid är vattenfylld har driftejektorerna till uppgift B - att suga ur alla gaser och luft från kylvattenkanalen före kondensorn. Efter kondensorn störtar kylvattnet ner i utloppskanalen varpå nytt vatten sugs upp i kondensorn från inloppssidan p.g.a hävert. 7..3 Utlopp Utloppskanalen ligger på havsvatten nivå hela vägen från kondensorn till havet och är alltid helt vattenfylld.
7.2 Tryckmätning 6 (24) Tryckmätning sker endast före och efter rensverken i inloppet för att kontrollera att dessa inte blir igensatta. Resten av kylvattensystemet mäts inte. Detta gör tyvärr att " beräkningar inte kan kontrolleras. Den totala förlusten kan vi säkrast få genom att titta på vilken uppfodringshöjd pumparna ger eftersom dessa enbart arbetar mot strömningsmotståndet. «7.3 Beräkning av tryckförlusterna dealt sett gäller alltid Bernoullis ekvation. Vid strömmning med förluster måste ekvationen kompletteras med en förlustterm. Ekvationen får då följande utseende: [2] P /p+w,/2+g-z =P 2 /p+w 2 /2+g-Z 2 +B där B benämns förlustterm " B=(P,-P 2 )/p=ap/p M AF benämns tryckförlust Vid strömmning i rör och kanaler har tryckförlusten följande utseende: AP=fpW 2 L/d där f är en empirisk förlustfaktor. Man kan också ha engångsförluster i form av bojar, knän och hinder. AP= pw 2 /2 där benämns motståndstal För ett strömningssystem består den totala tryckförlusten av de summerade förlusterna. APtot=summa( (f-p-w 2 -L/d)+( p-w 2 /2)) För att beräkna tryckförlusterna måste vi lita på empiriska data och uttryck angående bl.a ytråhet. Detta gör beräkningarna osäkra. Vi kan få oss en uppfattning - om hur tryckförlusterna är fördelade och vilken roll olika geometrier spelar.
J. Beräkningarna får följande resultat. Tryckförluster i -nloppet -Kondensorn -Utloppet Bvtl, 2,7 2,4 Sammanlagt:AP(Bvt )=5.85 mvp AP(Bvt 2 )=5.75 mvp Bvt2. 2,7 2,04 [mvpl [mvp] [mvp] Totalt sätt får vi alltså en tryckförlust på ca: 5,8 mvp. Skillnaden mellan verken är för liten att bry sig om med dessa osäkra räkningar.den uträknade tryckförlusten skall jämföras med de 6 mvp som vi vet att den totala förlusten är via pumpkurvorna. Pumparnas uppfodringshöjd är större. Detta kan bero på flera orsaker bl.a att jag kan ha valt för låga motståndskoefficienter eller det faktum att jag inte tagit med alla små hinder. Det största hindret som jag inte tagit med i ovanstående beräkningar är den betongklack som sitter i utloppet på Bvt2. Med samma beräkningar ger den ett tryckfall på ca: 0.09 mvp. Med betongklacken medräknad blir tryckförlusterna nästan samma för de båda blocken. Skillnaden är dock inte viktig. Beräkningarna visar oss var i systemet förlusterna finns. Kondensorn står för ca: 45 %, inloppet för 20% och själva utloppskanalen för 35%. 8. Pumpeffekten 8. Pumparna Kylvattensystemets flöde upprätthålls av fyra paralellkopplade pumpar som vardera ger vid normal drift (m kv =23,4 m 3 /s) en uppfodringshöjd på 6 mvp. Då vattnet pumpas in på havsvattennivå och släpps ut på samma nivå behöver inte pumparna lyfta vattnet upp till kondensorn utan det sköts av häverteffekten. Pumparna jobbar således endast mot strömningsmotståndet. Vid sådan strömmning är förlusterna en funktion av flödet i kvadrat [2]. Vid ett högre flöde behövs en högre uppfodringshöjd av pumparna för att klara av det ökade motståndet i kanaler och kondensor. En ökad uppfodringshöjd betyder även ett ökat effektbehov för pumparna. För att kunna räkna på den högre energiförbrukningen för pumparna behöver vi de s.k affinitetslagarna. Figur 2: Pumpkurva för kylvattenpumpar (nästa sida) 7 (24)
KAtCHiNf nratftik ÄGQtDBDira Kennlinie der Pumpentype: 220 Xannwort: BARSEBÄCK Drahz.ri&$ un*. Fabr. Nr.: K 3558/ ^r. mm D. Nr.: APU.25.039" Eimat Oaprim Datum 20X960 Nam* Stodober i i i i i
8.2 Affinitetslagama [8] Likformighetslagarna gäller för pumpar som arbetar med likformiga hasighetstrianglar. Man kan via Eulers turbinekvation och antagandet att hastighetstrianglarna är likformiga härleda att: Q,/Q 2 =n /n 2 -D 3 /D 2 3 Om man räknar på en och samma maskin där D,=D 2 får man de s.k affinitetslagarna: Q=f(n) P=f(n 3 ) () (2) (3) Härifrån kan vi härleda (5) och (4) via () + (2) och (3) +(2) att: P=f(Q 3 ) (4) (3) Den ökade effekten kommer alltså att vara proportionell mot flödesökningen i kubik. Då får man dessutom en ökning av uppf odringshöjden som är propotionell mot flödet i kvadrat. Detta är precis den ökning i uppfodringshöjd vi anser oss behöva för att möta det ökade strömningsmotståndet. Enligt pumpkurvorna förbrukar pumparna 400kW vardera vid normal drift. Här ges exempel på hur mycket större elförbrukning som blir resultatet av ett större flöde. m kv m 3 pump /s MW 23.52 23.4.60 24.73 25.95 26 2.20 27 2.46 28 2.74 29 3.05 30 3.37 tabell 6: Pumpeffekten s.f.a kylvattenflödet. 8 (24)
9. Ekonomisk utvärdering 9. Elproduktion Hitintills har vi räknat på olika inloppstemperaturer från 0 C till 20 "C. För att kunna dra några slutsatser om driften och ekonomin måste vi mata in alla dygnsmedeltemperaturer och sedan räkna på den sammanlagda effekten över ett normal år. Temperaturen varierar normalt enligt diagram 3 över ett år. Vi kan tex. se att kurvan aldrig går riktigt ner till 0 C. nloppstemperatur C C) 8,00 T 50 00 50 200 Dagar Diagram 3: Årsvariationen på inloppstemperaturen 250 300 350 400 Man måste även ta med i beräkningarna att verket är avstängt för revision antingen under 5 juni till 23 juli eller under september månad. En månad före revisionen sänks effekten med ca:2,5 MW om dagen i en s.k. coast down. Beräkningarna grundar sig helt på den verkningsgradskurva som vi konstruerade förut. Under dessa beräkningar blir tabellerna väldigt långa och därför redovisas enbart det ihopräknade resultatet här. För normalt kylvattenflöde får vi en sammanlagd oreglerad energimängd på 448632 MWh med revision i juni/juli. Nästa steg blir att göra samma beräkningar för ett större flöde. Här får vi korrigera generatoreffekten med att räkna bort den extra energi som pumparna kräver jämfört med normal fallet. Jag har gjort beräkningar för kylvattenflödena 23-35 mvs.diagram 4 visar resultatet. Allting redovisas normerat mot normalfallet. 9 (24)
Energimängd/å> (normerat),00,0005 0,999 0,9995 0,9985 0,998 0,9975 / jm B. i 0,9,,2 U /4 Diagram 4: Normerad effekt s.f.a normerat flöde \ \ \ Kylvattenflöde (normerat) Enligt diagrammet skulle vi alltså kunna få ut mer energi ur verket genom att öka kylvattenflödet. 9.2 Elpriset Men det är inte bara havsvattentemperaturen som kan variera utan även elpriset. Elpriset är högst på vintern och lägst på sommaren. Varje dag är också elpriset uppdelat i hög- och låglastpriser. 9.2. Spotgränser Sydkraft betalar bara dessa priser upp till en viss avtalad energimängd. Overskottelen betalar Sydkraft endast 75 kr/gwh för med s.k. spotpriser. 9.2.2 Reglering Sydkraft går även in och reglerar Barsebäck om man inte kan sälja elen. Regleringen är svår att räkna på då den aldrig är samma från år till år. beräkningarna har jag räknat med en lagom reglering med 45 MW januari-juli och 0 MW augustidecember. Priset på el varierar enligt följande tabell [9] (nästa sida). \ \ 20 (24)
nov-mars HL 23.9 öre/kwh LL 7.2 apr,sep-okt HL 7,2 LL 3 maj-aug HL 3 LL 0.8 Tabell 6: elpriserna Tabellen innehåller låglast och höglast priser varje dag. Höglast varar från kl. 6-22 och låglast från kl. 22-6. Om vi lägger in pristariffen med alla varianter (revision,coast down och avtalade spotgränser) i programmet kan vi enkelt få en ekonomisk bedömning av ett ökat kylvattenflöde. Diagram 5,6,7,8 visar de totala intäkterna sätt mot kylvattenflödet. alla diagrammen räknar vi med revision,spotgränser och coast down. Diagram 6 och 8 visar också hur regleringen kan påverka intäkterna. Av diagrammen framgår det att det går att öka intäkterna lite genom att öka kylvattenflödet. ntäkt {milj kr) 733 732,5 732 73,5 73 RA under juni/juli =- - " 2 22 23 * 24 25 26 27 28 29 30 3 Diagram 5: ntäkterna s.f.a kylvattenflödet med revision i juni/juli. Kylvattenflöde [m»/»l 2 (24)
ntäkt [milj kr] 732-733 - 73 - i / y f i RA under juni/juli med reglering 2 22 23 73A 24 25 26 27 28 29 30 3 Kylvattenflöde [m»/»j Diagram 6: ntäkter s.f.a kylvattenflödet med revision i juni/juli och reglering. ntäkt [milj kr] 7,5 7 70,5 70 T RA under september i ", 2 22 23 23,4 '* 24 25 26 27 28 29 30 3 Kylvattenflöde i Diagram 7:ntäkterna s.f.a kylvattenflödet med revision i september. \ \ \ 22 (24)
ntäkt [milj kr] 7,5 7 70,5 70 RA under september reglerat _-- " 2 22 23 * 24 25 26 27 28 29 30 3 \ Kylvattenflöde [mv»l Diagram 8: ntäkterna s.f.a kylvattenflödet med revision i september och reglering Vinsten skiljer sig beroende på när man lägger revisionen och på hur stor regleringen är. Med revision i juni/juli blir vinsten ca: 250 000 kr/år. Regleringen påverkar lite. Med revision i september blir vinsten bara ca: 30 000 kr/år. Även här påverkar regleringen lite. 0. Slutsatser Slutsatsen är att elproduktionsmässigt är det motiverat att byta befintliga pumparna till fyra stycken som klarar ett större flöde (ca:26 m/s). Ekonomiskt sätt är det inte motiverat att byta pumparna förrän de är utslitna. Då ökningen av flödet enbart bör vara 5 % får man inga problem med driftejektorer, hållfasthet m.m. Vinsten man kan göra genom att öka kylvattenflödet blir ca: 2300 MWh/år motsvarande 250 000 kr/år med revision i juni/juli och 30 000 kr/år med revision i september. \ 23 (24)
REFERENSER 24 (24) []: Sydkraft;Barsebäcksverket-Teknisk information [2]: Ekroth ngvar,granryd Eric; Tillämpad termodynamik;kth m [3]: ntern material Barsebäck ;Utbildningsmaterial;993 [4]: Borglin Stig; Kondenseringsturbinens kalla ände; Kompendium LTH [5]: ÅngtabeU; nst. för mekaniskvärmeteori med strömmningslära LTH [6]: PM PTH 85-50; Asea-Stal 985 [7]: ntern material Barsebäck; Driftdata;993 [8J: Kompendium i strömmningsmaskinteknik, nst. för strömmningsmaskinteknik CTH - [9]: ntern material Sydkraft; Elpriser; Sydkraft 993 J [0]: Collier G John; Convective boiling and condensation; McGRAW-HLL / 972