Leistungsüberwachung von Dampfstrahl- und Flüssigkeitsring-Vakuumsystemen

Großflächenkondensatoren werden in Kraftwerken eingesetzt, um Abdampf zu recyceln und das richtige Vakuum für einen optimalen Turbinenbetrieb aufrechtzuerhalten. Vakuumlecks im Kondensator erhöhen den Betriebsdruck (sogenannter Turbinengegendruck) und verringern dadurch die Turbinenleistung und den Wirkungsgrad.

Vakuumpumpensysteme werden verwendet, um die durch Lecks verursachte Ansammlung von Luft und nicht kondensierbaren Gasen im Kondensator zu entfernen (auch als Lufteinlass bezeichnet). Eine verminderte Kapazität des Kondensatorvakuumsystems hat die gleiche nachteilige Auswirkung auf die Kondensatorleistung wie übermäßige Luftleckage.

Beides führt zu einem erhöhten Kondensatordruck aufgrund einer regionalen Ansammlung von Luft und nicht kondensierbaren Gasen, die sich über den Luftentfernungsabschnitt hinaus erstreckt, der die Rohre umgibt, die das Kühlmittel transportieren, das zum Kondensieren des Dampfs aus der Turbine verwendet wird. Diese als Luftspeicherung bezeichnete Ansammlung verschlechtert die Wärmeübertragung innerhalb des Bereichs.

Typischerweise bestimmt die Auslegungsleistungskurve des Kondensators den Einlassdruck zum Vakuumsystem. Da es aufgrund einer hohen Luftleckage oder einer geringen Leistung des Vakuumpumpensystems zu einer Luftspeicherung kommt, bestimmt das Vakuumsystem den Kondensatordruck. Dies bedeutet, dass der Kondensator nicht mehr auf seiner Auslegungsleistungskurve arbeitet, was zu einer verringerten Betriebseffizienz der Anlage und damit zu einer geringeren Stromproduktion führen kann.

Dieser Zusammenhang unterstreicht die Bedeutung der Überwachung sowohl der Luftleckage als auch der Betriebskapazität des Vakuumsystems. Ein Multisensor-Instrument, das sich in der Luftabsaugleitung zwischen dem Kondensator und dem Vakuumsystemeinlass befindet, kann zwischen diesen beiden Zuständen unterscheiden, indem es eine direkte Messung der Lufteinlassleckage und der Betriebskapazität des Vakuumsystems ermöglicht. Die von diesem Instrument bereitgestellten Messungen können zur Durchführung einer Analyse der Leistung des Vakuumsystems verwendet werden.

Die beiden Hauptkomponenten zur Erzeugung des Vakuums im Vakuumsystem sind Dampfstrahl-Luftejektoren (SJAE) und Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen (LRVP). Die Leistung eines SJAE wird durch den Massenstrom im Verhältnis zum absoluten Druck am Saugeinlass definiert. Der Hersteller stellt eine Entwurfsleistungskurve zur Verfügung, die die erwartete Beziehung zwischen diesen beiden Parametern zeigt. Die tatsächliche Betriebsleistung wird durch die Auswertung des gemessenen Gesamtmassenstroms im Vergleich zum absoluten Druck über die Zeit ermittelt. LRVPs sind volumetrische Pumpen und ihre Leistung wird durch den Volumenstrom im Verhältnis zum absoluten Druck definiert. Die Beziehung zwischen diesen Parametern wird in der vom Hersteller bereitgestellten Design-Leistungskurve dargestellt. Die tatsächliche Betriebsleistung eines LRVP wird durch die Auswertung des tatsächlichen Volumenstroms im Vergleich zum absoluten Druck am Saugeinlass über die Zeit bestimmt.

Bild 1 zeigt die Leistungsbewertung eines Dampfstrahl-Ejektors. Diese Auswertung zeigt die gemessene Betriebskapazität eines SJAE als farbige Datenpunkte mit schwarz überlagerter Leistungskurve des Herstellers. Die gemessenen Datenpunkte werden auf der Grundlage einer Zeitskala eingefärbt, wodurch ein Einfluss saisonaler Temperaturschwankungen auf die Leistung deutlich wird. Die Leistung des Vakuumsystems bewegt sich entlang der Leistungskurve des Herstellers nach oben und unten, wenn sich der Kondensatordruck ändert. Die in diesem Beispiel gemessene SJAE-Kapazität stimmt weitgehend mit der Designkurve überein.

Vakuumpumpensysteme werden in der Regel als Satz mit 100 % Ersatzkapazität installiert, wobei einer der SJAEs oder LRVPs in Betrieb sein soll, während der andere als isolierter Standby-Ersatz außer Betrieb ist. Mit dieser Konfiguration kann eine schnelle und einfache Leistungsbewertung durch einen direkten Vergleich der Betriebskapazität erreicht werden, um eine defekte Pumpe zu identifizieren. Der Pumpenkapazitätsvergleichstest wird durchgeführt, indem jeweils eine Pumpe betrieben wird und dann die Kapazitäten miteinander und mit der Leistungskurve des Herstellers verglichen werden. Dies kann bei SJAEs-Jets durch Beobachtung des Massenstroms (Pfund pro Stunde [lbs/h]) gegenüber dem Druck und bei LRVPs durch Beobachtung des Volumenstroms (tatsächliche Kubikfuß pro Minute [ACFM]) gegenüber dem Druck erfolgen.

Während der Testdurchführung sollte die Last der Erzeugungseinheit für die Dauer des Tests konstant innerhalb von ±2 % liegen, sodass für den Test mindestens eine Stunde konstanter Last eingeplant werden kann. Stabile Bedingungen werden mindestens 30 Minuten lang aufrechterhalten, um ausreichend Zeit für die Stabilisierung der Prozessparameter zu lassen. Der tatsächliche Volumenstrom (oder Massenstrom bei Dampfstrahlen) und die Druckwerte für jede Pumpe werden miteinander und mit den Leistungskurven des Herstellers verglichen, um die Pumpenleistung zu ermitteln und zu beurteilen, ob sie nachlässt.

Bild 2 zeigt die tatsächlichen Betriebsdaten, die während eines direkten Vergleichs zweier LRVPs gemessen wurden. Die gemessenen Betriebsparameter werden für den Volumenstrom (ACFM) und den Pumpeneinlassdruck („Hga“) angezeigt. Beim Betrieb der verschiedenen Pumpen wurde ein Druckunterschied von 0,2 ”Hga festgestellt, was zu der Annahme führte, dass eine der Pumpen gewartet werden musste. Durch die Durchführung eines Vergleichstests der Pumpenkapazität und die Beobachtung der gemessenen Parameter ist sofort ersichtlich, dass Pumpe A weniger als ein Drittel des Volumenstroms (ACFM) von Pumpe B fördert.

Das Wasser-Luft-Massenverhältnis ist ein intrinsischer Parameter, der zur Überwachung der Kapazität einer Pumpe im Verhältnis zur Menge der einströmenden Luft verwendet werden kann. Der Wert des Massenverhältnisses wird ermittelt, indem die Masse des Wasserdampfstroms durch die Masse der einströmenden Luft dividiert wird. Ein niedriger Massenverhältniswert ergibt sich, wenn die Pumpenkapazität im Verhältnis zum Lufteinlass gering ist. Die Pumpenkapazität, gemessen als Massendurchfluss für SJAEs oder als Volumendurchfluss für LRVPs, hängt vom Einlassdruck der Pumpe ab. Daher führt ein niedrigerer Kondensatordruck zu einer geringeren Pumpenkapazität.

Aus diesem Grund kann ein bestimmtes Luftleck zu einer stärkeren Luftspeicherung und einer geringeren Kondensatorleistung unter Bedingungen mit niedrigem Absolutdruck führen, z. B. bei Niedriglastbetrieb oder im Winter, wenn die Kühlwassertemperaturen niedrig sind. Beispielsweise verursacht ein Leck von 20 Standardkubikfuß pro Minute (SCFM) möglicherweise keinen übermäßigen Gegendruck bei einer Wassereintrittstemperatur von 80 °F (80 °F), wohl aber bei 60 °F (60 °F). Mit anderen Worten: Das Wasser-Luft-Massenverhältnis verringert sich für einen bestimmten Zeitraum Luftmenge, die eindringt, wenn der Kondensatordruck aufgrund der geringeren Abluftkapazität in Zeiten niedriger zirkulierender Einlasswassertemperaturen abnimmt. Eine verminderte Vakuumpumpenkapazität führt auch zu einem niedrigen Wasser-Luft-Massenverhältnis.

Bild 3 zeigt Lufteinlass, Massenstrom und Wasser-Luft-Massenverhältnis für das zuvor besprochene Pumpenset, das im Kapazitätsvergleichstest verwendet wurde. Wenn die leistungsschwache Pumpe A in Betrieb ist, beträgt das Wasser-Luft-Massenverhältnis ~1. Wenn Pumpe B in Betrieb genommen wird, ändert sich die Luftleckage nicht, aber die erhöhte Pumpenkapazität führt zu einem höheren Wasserdampffluss.

Der erhöhte Wasserdampfmassenstrom führt zu einem höheren (dh verbesserten) Wert für das Wasser-Luft-Massenverhältnis. Diese Werte und damit die Leistung des Vakuumsystems können mithilfe der Daten des zuvor erwähnten Multisensor-Instruments in Echtzeit überwacht werden.

In der Vergangenheit erforderten SJAE- und LRVP-Kapazitätstests einen geplanten Test während eines Wartungsausfalls einer Einheit und Unterstützung durch einen Hersteller-Dienstleister mit speziell zusammengebauten Abgaseinlassstrukturen, wie z. B. Düsenbäumen, was kostspielig und zeitaufwändig sein kann. Die Möglichkeit, eine kontinuierliche Online-Bewertung der SJAE- und LRVP-Kapazität und -Leistung durchzuführen, bietet Vorteile in Form von Kosteneinsparungen und einer verbesserten Gesamtleistung der Anlage.

Mitchell R. Morrison ist Account Sales Manager bei Intek. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik von der University of Akron und einen MBA von der Otterbein University. Weitere Informationen finden Sie unter www.intekflow.com/kondensator-air-in-leak.