Тепловая электрическая станция как объект управления

ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

10.1. НАЗНАЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ АВТОМАТИКИ НА ТЭС

Современные тепловые электрические станции, рабо­тающие на природном (органическом) топливе, используют для выработки электроэнергии промежуточный теплоно­ситель— перегретый водяной пар.

Особенность технологического процесса на ТЭС (рис. 10.1) состоит в невозможности складирования гото­вой продукции — электроэнергии при весьма ограниченной тепловой аккумулирующей способности основных источни­ков теплоты — паровых котлов.

топливо

1 теплота 2 мех. энергия 3 электроэнергия

Рис. 10.1. Система регулирования мощности ТЭС:

1 — паровой котел; 2—турбина; 3 — электрический генератор; р — давление пара на выходе котла; п — частота вращения ротора; и — напряжение; I — частота переменного тока электрической сети; Nг — электрическая мощность генератора

Поэтому количество пара, выработанного паровым котлом, мощность, развиваемая турбогенератором, и электрическая нагрузка, задаваемая потребителем, должны строго соответствовать между собой во времени.

Исходя из необходимости непрерывного поддержания баланса по расходу пара, вырабатываемого котлом и по­требляемого турбиной, регулирование его расхода ведется по наиболее простому с точки зрения измерения косвенному показателю этого баланса — давлению перед турбиной р. Стабилизация р осуществляется автоматической системой регулирования парового котла (АСРПК).

Баланс теплоты и механической мощности турбины так­же контролируется простым косвенным показателем — ча­стотой вращения ротора п и поддерживается автоматиче­ской системой регулирования мощности турбины (АСРТ).

Качество конечной продукции ТЭС — электроэнергии должно отвечать требованиям основных сетей. Допустимые отклонения колебаний промышленной частоты f составляют ±0,2 Гц (0,4 %), а по напряжению на шинах генератора Uг ±5 %. Для поддержания этих показателей важная роль принадлежит автоматической системе регулирования элек­трического генератора (АСРГ).

Кроме основных объектов управления — паровых кот­лов, турбин и генераторов, на ТЭС имеется значительное количество вспомогательных теплоэнергетических устано­вок, также оснащенных автоматическими устройствами ре­гулирования и защиты.

Чтобы уяснить роль тепловой автоматики в работе ТЭС, рассмот­рим принципиальную тепловую схему станции (рис. 10.2).

Паровой котел снабжается питательной водой от насоса 14 через регулирую­щий клапан 16. В топку котла с помощью топливоприготовительных устройств 3 подается топливо Вт (каменноугольная (сланцевая) пыль, горючий газ, мазут или смесь разных видов топлива). Вентилятором 4 нагне­тается воздух Qв и дымососом 5 отсасываются продукты сгорания — дымовые газы QГ.

Требуемая подача топливоприготовительных устройств, вентиля­торов, дымососов и питательных насосов устанавливается автомати­чески или дистанционно в зависимости от паропроизводительности Dп. п и давления перегретого пара рп. п.

Насыщенный водяной пар, выработанный в испарительной части 1 парового котла, перегревается до требуемой температуры в пароперегревателе 2; при этом темпера­тура перегрева tп. п поддерживается вблизи заданного значения авто­матическим регулятором.

Далее перегретый пар через регулирующие клапаны 6 поступает в проточную часть турбины 7, где происходит превращение тепловой энергии теплоносителя — перегретого водяно­го пара — в механическую энергию вращения ротора турбины и генератора 8. Для обеспечения постоянства частоты генерируемого тока ротор должен вращаться с постоянной скоростью независимо от электрической нагрузки генератора. Поддержание постоянства частоты вращения п осуществляется АСРТ.

Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор 9, где он охлаждается и конденсируется на поверхности трубной системы, в которой циркулирует охлаждающая вода, поступающая от насоса 10. Уровень конденсата в конденсаторе Нк должен поддерживаться постоянным независимо от количества конденсируемого в нем пара. Эту задачу выполняет автоматический регулятор уровня в конденса­торе, воздействующий на подачу конденсатных насосов 11.

Далее кон­денсат турбины прокачивается насосами 11 через систему подогрева­телей низкого давления (ПНД) 12 и поступает в смешивающий по­догреватель — деаэратор 13. В деаэраторе конденсат смешивается с химически очищенной водой Dх. о.в, подаваемой для восполнения по­терь, и доводится до температуры насыщения (кипения), при которой происходит удаление растворенного в воде кислорода О2.

Нормальный режим работы деаэратора и установленного за ним питательного насоса 14 возможен лишь при постоянстве давления пара в деаэраторной головке рД и уровня воды НД в аккумуляторном баке. Это обеспечивается автоматическими регуляторами давления и уровня в деаэраторе, воздействующими соответственно на расход греющего пара и химически очищенной воды, поступающих в деаэратор.

Вода из деаэратора перекачивается питательными насосами 14 через систе­му подогревателей высокого давления (ПВД) 15 и поступает в экономайзерную и испарительную части парового котла. Расход воды регулируется автоматическим регулятором питания. На этом техно­логический цикл превращения теплоты в электрическую энергию замыкается, и описанный выше процесс повторяется.

Тепловые электростанции, вырабатывающие, помимо электрической энергии, и тепловую (ТЭЦ), оборудуются редукционно-охладительными установками (РОУ) 17, пред­назначенными для резервирования теплофикационных и промышленных отборов пара турбин. Поддержание постоян­ства давления рр. п и температуры tр.п редуцированного пара обеспечивается автоматическими регуляторами давления и температуры, воздействующими соответственно на измене­ние расхода редуцированного пара и охлаждающей воды Dр. п и D о. в.

10.2. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Регулирующим органом называется устройство, позво­ляющее изменять расход (направление потока) энергии или вещества в соответствии с требованиями технологического процесса. Регулирующие органы разделяют на три группы.

Регулирующие органы дроссельного типа, изменяющие расход среды за счет изменения скорости и площади живого сечения потока при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого явля­ется переменной величиной (клапаны, заслонки и шиберы).

Массовый расход вещества, кг/с, через дроссельный регу­лирующий орган определяется по формуле

G = μкл F √2∆p ∙ρ (10.1а)

Объемный расход, м3/с,

Q = μкл F √2∆p /ρ (10.1б)

где μкл — коэффициент расхода, под которым понимают отношение действительного измеренного расхода среды к расчетному; F — площадь открытия регулирующего ор­гана, м2; ∆р — гидравлическое сопротивление дроссельного устройства, Па (Н/м2); ρ — плотность вещества, кг/м3.

Регулирующие органы объемного типа, изменяющие расход среды за счет изменения ее объема (например, ленточные питатели сырого угля). Уравнение расхода, м3/с, в этом случае имеет вид

Q = F∙v, (10.1в)

где F — регулируемая площадь потока, m2; v — скорость потока, m/с.

Регулирующие органы скоростного типа, изменяющие подачу транспортирующего устройства за счет скорости его вращения. К регулирующим органам этого типа относятся устройства регулирования частоты вращения первичных двигателей (паровых или электрических насосов, вентиля­торов, дымососов и др.). Требуемое изменение расхода в этом случае определяется уравнением

Q1 / Q2 = n1/n2 (10.2)

Действие регулирующего органа определяется статиче­скими характеристиками: 1. диапазоном регулирования и 2. ра­бочей расходной характеристикой.

Диапазон регулирования R — отношение максималь­ного расхода среды к минимальному, соответствующее:

- пе­ремещению регулирующего органа из одного крайнего по­ложения хминр. о в другое хмакср. о для регулирующих органов для дроссельного и объемного типов

R= Qмакс/Qмин или R= (Gмакс/ Gмин);

- изменению частоты вращения рабочего колеса вращающе­гося механизма от максимума до минимума для регули­рующих органов скоростного типа

В = nмакс/nмин.

Рабочая расходная характеристика — зависимость рас­хода среды (Q, G) от положения регулирующего органа:

Q = f ( xр. о) ; G = f ( xр. о)

При разработке, выборе и отладке регулирующих орга­нов стремятся получить достаточный диапазон регулиро­вания для обеспечения возможности управления процессом при всех режимах и нагрузках агрегата и стабильную ра­бочую характеристику в пределах этого диапазона. Отла­женные и надежные регулирующие органы со стабильными рабочими характеристиками и достаточным диапазоном ре­гулирования во многом обеспечивают безотказную и эффек­тивную работу АСР.

10.3. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ РАСХОДА ПАРА, ГАЗА И ЖИДКОСТЕЙ

Для изменения расхода жидкости, пара или газа, тран­спортируемых по трубопроводам, служат регулирующие клапаны, шиберы и заслонки.

Рис.10.3 Регулирующие клапаны: а — игольчатый; б — тарельчатый; в — золотниковый; г — плунжерный двухседельный: д — шиберный; 1 — шибер; 2 — патрубок с седлом; 3 — наплавка

Дроссельные регулирующие клапаны.

Существует не­сколько конструктивных разновидностей клапанов, разли­чающихся формами плунжера и седла (рис. 10.3). Поверхность, по которой соприкасаются плунжер (золотник) и седло, называется опорной поверхностью, площадь щели между ними — проходным сечением F, внутренний диаметр, поперечного се­чения— в месте присоединения клапана к трубопроводу (по флан­цу)— условным диаметром прохода клапана Dу. Значения Dу уста­навливаются стандартами.

Базовые конструкции для жидкостей и газов определяются стандартами.

Каж­дая конструкция имеет особую конструктивную характери­стику— зависимость площади проходного сечения клапана от положения плунжера h.

Конструктивные характеристики клапанов, изображен­ных на рис. 10.3, имеют следующий вид:

игольчатый

F = πh sin σ/2 ( D – h sin σ/2 cos σ/2 ), ( 10.3a)

при σ = 150

F = 0,41h (D – 0,13), ( hмакс = 3,78D);

тарельчатый

F = πDh (hмакс = 0,25D) (10.3б)

золотниковый с прямоугольным сечением окон

F = nbh (10.3в)

где п — число окон; b — ширина окна.

F = n (bмакс/ 2hмакс ) h2 (10.3г)

где bмакс — ширина основания треугольника.

Примеры конструктивных характеристик различных ти­пов клапанов приведены на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Конструктивные характе ристики клапанов:

а — тарельчатый; б — тарельчатый с ко­нической опорной поверхностью; в — игольчатый (σ = 30°); г — золотниковый с прямоугольными окнами; д — золотнико­вый с треугольными окнами; е — золот­никовый с комбинированными окнами

F - проходное сечение, h - положение плунжера

Расчет регулирующих органов разделяется на конструк­тивный и поверочный.

http://kyte. /xxDocxx/34.html

Регулирующие вентили

http://kyte. /PCMPDF/VB00C602_MCVleaflet. pdf

Тепловая автоматика

http://www. /Russia/Products/Categories/Literature/HE/Radyatorhye-termoreguiatory-y-kapahy/Radyatorhye-kapahy/Kapahy-dia-odhotrubhoy-systemy-otopehyia-RA/9266c6ce-4485-493c-bf69-c39c903ce87d. html

Плотность воды

http://www. chemport. ru/data/data35.shtml

http://www. /projects/proektirovanie-sistem-avtomatizacii-dispetcherizacii-monitoringa-i-sistem-bms-zdanijj. html

При конструктивном расчете по заданной пропускной способности и условиям работы (параметрам среды) вы­бирается клапан из имеющихся типоразмеров серийной (стандартной) регулирующей арматуры.

Приближенный конструктивный расчет производится с учетом следующего ограничения:

отношение площади про­хода клапана F макс определенного из формул

(10.1а G = μкл F √2∆p ∙ρ)

и (10.1б Q = μкл F √2∆p /ρ ),

к площади условного прохода Fу = πDу2/4 должно быть не более 0,6—0,7 (F макс / Fу ≤ 0,6 - 0,7). Несоблюдение данного ограничения ведет к неэффективной работе клапа­на как регулирующего органа.

Цель поверочного расчета состоит в оценке максимальной пропускной способности клапана для определения ди­апазона регулирования и пост­роения его рабочей расходной характеристики по заданному типоразмеру и известным ус­ловиям работы.

Поверочный расчет проводится по исход­ным формулам расхода:

G = μкл F √2∆p ∙ρ (10.1а)

Q = μкл F √2∆p /ρ (10.1б)

Максимальный расход для несжимаемой жидкости оп­ределяется по (10.1а) для Fмакс, при этом коэффициент расхода μкл зависит от кон­струкции клапана и степени его открытия (рис. 10.5 ).

Для F, см2, расход воды, т/ч,

G = 5,09 ∙10-4 μкл F√∆p∙ρ (10.4)

Для ∆р, кгс/см2, и F, см2, расход воды, кг/с,

G = 0,044 μкл F√∆p∙ρ (10.5)

Для газа или пара расчет ведется с учетом поправки на расширение потока ε по формуле, кг/с,

G = μкл Fε√∆p∙ρ (10.6)

Для ∆р, кг/см2, и F, см2, расход газа или пара, кг/с,

G = 0,044 μкл Fε√∆p∙ρ (10.7)

Значения ε подсчитываются по следующим формулам:

для ∆р/рн ≤ 0,5

ε = 1 - β∆p/ рн (10.8)

для ∆р/рн ≥ 0,5

ε = 0,95 – (β – 0,1) ∆p/ рн (10.9)

где рн — абсолютное давление газа или пара перед кла­паном. Для насыщенного водяного пара β — 0,5; пере­гретого пара и трехатомных газов — 0,47; воздуха и двух­атомных газов — 0,45.

Дроссельные поворотные заслонки.

Поворотные заслон­ки разделяются по форме поперечного сечения на круглые (рис. 10.6) и прямоугольные (рис. 10.7,а — в).

Круглые заслонки устанавливаются на трубопроводах и служат для регулирования расходов воды, пара, газа и воздуха при сравнительно малых перепадах давлений на регулирующем органе.

Заслонки прямоугольной формы могут быть однолопастными (рис. 10.7,а), двухлопастными с разделительной перегородкой, используемой для разделения потоков (рис. 10.7,6), и многолопастными (рис. 10.7,в). Последние чаще всего устанавливаются на газовых и воздушных ко­робах большого сечения при невысоких температурах по­тока. При регулировании расходов дымовых газов приме­няют многоосные литые чугунные заслонки.

Рис. 10.6. Поворотная заслонка круглая

Рис. 10.7 а — прямоугольная проходная; б — двух­лопастная с разделительной перегород­кой; в — многолопастная

Конструктив­ные характеристики круглых заслонок определяются уравнением

F = 0,78 Dу2 (1 – cos φ) ( 10.10)

где Dу — диаметр условного прохода круглой или равной по площади прямоугольной заслонки, численно равный внутреннему диаметру круглой заслонки; φ — угол поворота заслонки (рис. 10.7,а), изменяющийся в пределах от 0 до 900

φмакс = arc cos dc /Dу ( 10.11)

где dс — диаметр ступицы заслонки.

Максимальный расход, кг/с, через заслонку подсчитывается по формуле расхода для газа и пара

Gмакс = 0,044 μкл Fмаксε√∆p∙ρ ,

где Fмакc — максимальное открытие, соответствующее углу поворота φ = φмакс

Коэффициенты расхода (комплексная величина — μклFi/Fмакс) для заслонок показаны на рис. 10.8. ( L12 joonis 10.8)

Минимальный расход при полном закрытии можно оп­ределить по формуле (10.5)

G = 0,044 μкл F√∆p∙ρ,

приняв μкл= 2 - 3;

F — равным площади зазора между лопастью заслонки и внутренним диаметром трубопровода. Обычно кольцевой зазор прини­мают равным (0,002—0,005) Dу;

∆р — при полном закры­тии берут максимальным.

10.4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ ТЯГОДУТЬЕВЫХ МАШИН И НАСОСОВ

Регулирование подачи дымососов и вентиляторов осу­ществляется следующими способами:

1)  изменением частоты вращения машины посредством изменения частоты вращения электропривода — скоростное регулирование в соответствии с выражением Q1/Q2 = n1/n2

2) дросселированием и одновременным изменением на­правления потока с помощью направляющих аппаратов — смешанное регулирование.

Схематическое изображение направляющего аппарата в двух проекциях приведено на рис. 10.9. В положениях, близких к полному закрытию, изменение расхода газа или воздуха осуществляется в основном за счет дросселирова­ния. В дальнейшем по мере открытия и увеличения угла поворота лопаток изменение подачи достигается частично дросселированием, а также изменением направления по­тока по отношению к лопастям рабочего колеса дымососа или вентилятора.

Рис. 10.9. Регулирование подачи дымососов и вентиляторов с помощью направляющего аппарата, где 1 — кольцевой приводной рычаг; 2— поворотные лопатки; 3— опора; 4 — при­водные промежуточные рычаги; 5 — крыльчатка дымососа или вентилятора

При сравнении различных способов регулирования по­дачи дымососов и вентиляторов следует учитывать такие факторы, как экономичность, надежность и простоту конструкции.

С точки зрения затрат электроэнергии на привод при одинаковой подаче наиболее экономичным является скоростное регулирование, наименее экономичным — дрос­сельное, осуществляемое с поворотными заслонками и ши­берами. Последние, однако, наиболее надежны и просты по конструкции.

При регулировании подачи мощных тягодутьевых ма­шин широко используются направляющие аппараты, пре­восходящие поворотные заслонки по экономичности, но не­сколько уступающие им по надежности, в особенности при высоких температурах потока.

10.5. РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

Регулирование расхода жидкого или газообразного топ­лива, поступающего в топку парового котла, осуществля­ется клапанами или поворотными заслонками.

При сжигании твердого топлива (каменный уголь, торф или сланец) для регулирования его подачи в топку и из­менения расхода применяются специальные питатели топлива.

Питатели твердого топлива.

Они используются в качест­ве топливоподающих устройств барабанных или молотко­вых мельниц.

Питатели пылевидного топлива.

Для регулирования по­дачи пыли в топку парового котла применяются пылепитатели.

Шнековый питатель действует по принципу «винта». Винт, называемый шнеком, остается на месте, а перемещается сыпучая среда, в которой он вращается.

Подача питателя такой конструкции регулируется частотой вращения шнека.

Пелетная горелка шведской фирмы EcoTec со шнековой подачей

1 - труба шнека, опускаемая в бункер

2 - электромотор внешнего шнека

3 - легкоплавкий шланг*

4 - шнек внутреннего бункера

5 - внутренний бункер горелки (дозатор)

6 - лепестковый клапан*

7 - стенки котла с теплоносителем

8 - воздуховод

9 - шнек подачи пеллет в зону горения

10 - нагнетатель воздуха

11 - зона горения пеллет

Образцом пеллетной горелки объёмного горения может являтся пеллетная горелка шведской фирмы EcoTec.

Запуск «холодной» пеллетной горелки

Режим нормальной работы пеллетной горелки

После розжига, горелка переходит в режим нормальной работы. Предварительно установив требуюмую мощность горелки ( например, Вы приобрели горелку мощностью 25 кВт для отопления 150 кв. метров, в этом случае оптимальным будет уменьшение мощности горелки до 10-15 кВт) устанавливается температурный диапазон работы горелки, например, нижняя граница 70 С, а верхняя 85 С. Алгоритм следующий – при достижении температуры теплоносителя верхней границы котел останавливается и переходит в режим stand-by, после чего температура начинает опускаться, затем, при переходе нижней границы, котёл автоматически запускается. Информация об изменении температуры поступает с внешнего датчика температуры, установленного в систему отопления (батареи) или внутреннего датчика котла. Соответственно, чем больше это диапазон, тем более длительные перерывы могу быть между включением/выключение пеллетного котла.

Запуск из режим stand-by

Запуск из режима stand-by происходит при пересечении нижней установленной температурной границы. Основное отличие от процедуры холодного запуска котла, заключается в том, что в этом случае первоначально включается вентилятор, который разжигает тлеющие пеллеты. В отдельных случая возможно включение внутреннего шнека, с целью подачи новых пеллет взамен прогоревших. Система автоподжига может включаться после нескольких попыток неудачного запуска (хотя это говорит пожалуй о том, что со времени остановки котла прошёл значительный период времени и запуск может считаться «холодным»).

Динамическое изменение мощности работы горелки

Под динамическим изменением мощности мы подразумеваем следующую ситуацию, допустим, как в примере выше, Ваша горелка работает в режиме 75% от возможной мощности, т. е. этого достаточно для нормального функционирования системы отопления и обеспечения требуемого комфорта. В случае, например, зимой, понижения температуры окружающей среды, горелка будет длительней достигать верхней границы и быстрей опускаться до нижней, однако настроенной мощности будет хватать для отопления Вашего дома.

Теперь представьте ситуацию, у Вас установлен бойлер для горячей воды, и Вы решили в самую холодную ночь года принять душ одновременно все, в этом случае, падение температуры теплоносителя может быть достаточно резким, и через некоторое время Вы может почувствовать на собственной коже, что Ваш котёл не «вытягивает» нагрузку, несмотря на то, что трудится в пиковом режиме. Вот именно для подобных случаев и применяется система динамического изменения мощности горелки. В этом случае, горелка автоматически увеличит рабочую мощность до 100%, а при достижении требуемой температуры вернётся обратно.

Остановка горелки в штатном режиме

После поступления команды от пульта управления или внешнего выключателя ( например GSM modem) отключается внешняя система подачи пеллет, а внутренний шнек подает оставшиеся пеллеты в зону горения, одновременно вентилятор начинает подавать воздум с максимальной скоростью, для скорейшего прогорания оставшихся пеллет. После прохождения заданного периода времени и поступления сигнала об отсутствие пламени пульт управления отключает горелку. Стоит отметить, что при выключении горелки возможно продолжение мониторинга (температуры и пламени для предотвращения возникновения обратного огня) в течение некоторого времени.

Тонкая настройка пеллетной горелки

При наличии дополнительных датчиков пеллетной горелки возможна тонкая настройка её работы. 
В качестве регулируемых параметров изменяется скорость подачи пеллет и объём подаваемого воздуха. 
В качестве индикаторов используются температурные датчики, лямбда зонд, датчики температуры дымовых газов, датчики давления и т. д.
Оптимальные параметры работы пеллетной горелки определяются исходя из требований клиентов, но, как правило, это наименьший расход топлива.