Материал: Оценка эффективности работы на частичных нагрузках турбоустановки Т-180/210-130 энергоблока со скользящим давлением

В патенте № 2164605 в пиковых режимах тепловой нагрузки осуществляют дополнительный нагрев сетевой воды за счет использования тепловой мощности пиковых водогрейных котлов.

В патенте № 99102513 для повышения надежности, точности и упрощения процесса управления питательными насосами перед пуском каждого насоса закрывают задвижки на их выходе идущим к общему коллектору и на деаэратор, включают электродвигатель привода насоса и постепенно открывают задвижку на трубопроводе идущим к деаэратору, в реальном масштабе времени измеряют перепад давления на насосе, измеряют мощность потребляемую электродвигателем привода насоса из сети и вычисляют мощность действующую на валу насоса, вычисляют расходный коэффициент, вычисляют производительность насосной установки и когда эта производительность будет равна заданной открывают задвижку идущую на общий коллектор и закрывают задвижку на линии идущей к деаэратору.

Также интересен опыт маневрирования мощности энергоблока ядерного энергоблока № 2308103 путем регулирования работы реактора в соответствии с изменениями только в нагрузке двигателя. Способ маневра мощностью ядерного энергоблока с газотурбинным энергопреобразователем включает согласованное изменение мощности ядерного реактора и наполнения второго контура газом при неизменных температурах в ядерном реакторе и сохранении экономичности ядерного энергоблока в диапазоне нагрузок.

Анализ проведенного патентного поиска показал целесообразность разработки в настоящей выпускной квалификационной работе следующих способов повышения экономичности режимов работы энергоблока ТЭС-180 путем частичной нагрузки энергоблока:

- изменение мощности способом изменения нагрузки деаэратора в тепловой схеме;

- повышение эффективности использования резервных питательных насосов на частичных режимах работы энергоблоков;

совершенствование способов регулирования подачи питательных насосов и систем автоматического управления ими на частичных нагрузках.

1.2. Анализ применения технологии частичных нагрузок

Как показывает опыт эксплуатации магистральных газопроводов, режимы их работы, несмотря на наличие в целом ряде станций подземного хранения газа и буферных его потребителей, как правило, характеризуется неравномерностью подачи газа в течение года и из года в год. В зимнее время газопроводы, как правило, работают в режиме максимальной подачи газа, а в летнее время, когда потребление газа несколько снижается, снижается и загрузка компрессорных станций и отдельных ГПА на КС. Эта особенность режимов работы магистральных газопроводов и, как следствие, компрессорных станций в той или иной степени характерна для всей газотранспортной системы страны[18].

В связи с этим, оборудование и обвязка компрессорных станций приспособлены к обеспечению переменного режима работы газопроводов. Сезонные колебания в подаче газа через компрессорную станцию обычно регулируются включением и отключением работающих агрегатов, в ряде случаев отключением и самих компрессорных станций. Колебания газа в пределах суток или дней недели обычно регулируются изменением частоты вращения силовой турбины при использовании газотурбинных установок.

Изменение мощности и КПД газотурбинной установки в процессе изменения внешней нагрузки является следствием сложного взаимодействия осевого компрессора, газовой турбины, камеры сгорания и центробежного нагнетателя природных газов. Как и во всех тепловых двигателях, регулирование мощности и экономичности газотурбинных установок на частичных нагрузках может быть осуществлено тремя основными путями: количественно – путем изменения расхода рабочего тела,  качественно – путем изменения термодинамических параметров цикла ГТУ и, наконец, смешанным путем, сочетающим в себе элементы количественного и качественного регулирования [24,c.311].

При эксплуатации оборудования (энергоблоков) на частичных нагрузках, особую роль в выборе технологии режима играет конструктивное решение системы парораспределения турбины.

В настоящее время в теплоэнергетике на современных турбинах используется либо сопловое парораспределение, либо дроссельное.

При использовании соплового парораспределения могут быть реализованы следующие технологические способы (режимы) регулирования (рис. 1.1).

Рис. 1. 1. - Технологические способы регулирования [27]

При использовании указанных способов регулирования можно рассматривать их эффективность с нескольких точек зрения:

- тепловая экономичность режима;

- надежность длительной эксплуатации;

-  простота и удобство реализации.

Использование скользящего давления возможно при блочной компоновке оборудования. В этом случае начальное давление понижается за счет уменьшения расхода питательной воды и регулирования его насосом. При этом начальная температура остается постоянной, а регулирующие клапаны остаются в открытом положении.

Процесс расширения пара в регулирующей ступени и регулировании при постоянном и скользящем давлении представлен (дроссельное парораспределение) на рис. 1.2. При этом процесс расширения при Р₀= const идет по линии hо, а при Р₀=var по линии tо=const.

При Р₀=var начальная энтальпия даже возрастает, температурное состояние регулирующей ступени, всей проточной части и температура пара на выходе из ЦВД остается более высокой так как отсутствует процесс дросселирования.

Рис. 1.2 - Процесс расширения пара при скользящих параметрах[15]

Из рис. 1.2. видно, что температурное состояние регулирующей ступени практически не меняется во всем диапазоне изменения нагрузки, поэтому надежность этого режима для турбоагрегата выше.

Работа на частичных нагрузках при постоянном давлении может быть использована как для дроссельного так и для соплового парораспределения.

Недостатком такой работы, как говорилось выше, является существенное снижение экономичности при дросселировании в регулирующих клапанах, а также захолаживания проточной части турбины в районе регулирующей ступени в ЦВД вследствие дросселирования и сопровождающего этот процесс снижения температуры пара (рис.1.3).

Рис. 1.3. - Циклы ПТУ для различных режимов при постоянном и скользящем начальном давлении пара [26]

При скользящем давлении с изменением режима меняется также цикл ПТУ (рис.1.3). При номинальном режиме на Ts-диаграмме он изображается контуром a₀b₀c₀d₀e₀, а при частичном – a₀bcde. Удаление параметров цикла от оптимальных по мере снижения нагрузки определяет понижение термического к.п.д. цикла h_t при скользящем давлении. Однако это понижение оказывается менее интенсивным, чем для установки с дроссельным парораспределением при постоянном давлении. Это объясняется тем, что процесс дросселирования пара в регулирующих в регулирующих клапанах турбины d₀d₁ сопровождается понижением температуры пара перед турбиной. Поскольку с термодинамической точки зрения эффективность цикла определяется достигаемыми перед турбиной параметрами пара и не зависит от линии подвода теплоты, полученный цикл a₀b₀c₀d₁e₁ эквивалентен циклу a₀bcd₁e₁ Последний же практически совпадает с циклом скользящего давления по давлению перед турбиной, но отличается от него меньшей температурой. Вследствие отмеченного скользящее давление по термическому к.п.д. цикла при частичных нагрузках превосходит постоянное, сочетаемое с дроссельным парораспределением.

Заметим, что этот термодинамический выигрыш, определяемый параметрами пара перед турбиной и в конденсаторе, не зависит от того, каким путем достигается скользящее давление: изменением угловой скорости питательного насоса или дросселированием рабочей среды в питательных клапанах котла либо в специальных задвижках, встроенных в пароводяной тракт. Из этого следует, что термодинамический выигрыш от применения скользящего давления вместо дроссельного парораспределения при постоянном давлении обусловлен не самим по себе устранением дросселирования рабочего тела, а непостоянством удельной теплоемкости пара C_p, вследствие чего при дросселировании свежего пара понижается его температура.

При использовании водяного пара этот выигрыш тем больше, чем круче изотермы на is-диаграмме, т. е. возрастает с повышением номинального давления свежего пара.

На энергоблоках с промперегревом это приводит к тому, что более высокая температура пара остается за ЦВД в целом, что позволяет легче регулировать температуру пара промперегрева. При работе котла на сниженной нагрузке и скользящих параметрах происходит смещение зоны начала парообразования. В результате чего она может сместиться из конвективной зоны в нижнюю радиационную часть топочной камеры, что неблагоприятно сказывается на надежности работы поверхностей нагрева.

Значительный выигрыш в эффективности использования скользящего давления даст и снижение собственных нужд питательного насоса.

На рис. 1.4. приведена зависимость изменения мощности потребляемой питательным насосом блока мощностью 300 МВт при изменении нагрузки и работой с различными способами регулирования.

Рис. 1.4. - Зависимость мощности турбопривода питательного насоса от мощности турбогенератора [28]

Пояснения: 1 – располагаемая мощность турбопривода при питании деаэратора от IV отбора турбины; 2 – то же при питании деаэратора от III отбора турбины; 3 – то же при питании деаэратора от постороннего источника пара; 4 – требуемая мощность турбопривода при работе блока на двух корпусах котла при номинальном давлении свежего пара; 5 – то же при скользящем давлении свежего пара.

Как видно из рисунка использование скользящего давления позволяет снизить мощность привода питательного насоса при разгружении до 50% более чем на один МВт.

КПД паротурбинной установки h_б, ли обратная ему величина – удельный расход теплоты q_б не учитывают затрат энергии на собственные нужды установки. С учетом этих затрат КПД установки нетто h и удельный расход теплоты нетто q могут быть определены по формуле:

,                                (1.1)

где    Q – количество теплоты, подводимой к рабочему телу в котле для получения пара, идущего как на выработку электрической энергии, так и на обеспечение собственных нужд установки;

N_э – полезная мощность, отдаваемая в электрическую сеть.

Существенная часть затрат энергии на собственные нужды ПТУ приходится на привод питательного насоса. С ростом начального давления пара удельная мощность питательного насоса возрастает и для мощных энергоблоков на сверхкритические параметры пара превышает 4%. В таких условиях выбор той или иной подпрограммы регулирования питательного насоса может оказать заметное влияние на тепловую экономичность всего блока, особенно при его работе со скользящим давлением.

Мощность, развиваемую насосом можно определить из выражения:

,                         (1.2)

Как отмечалось выше, реализация скользящего давления возможна как изменением угловой скорости питательного насоса при отсутствии дросселирования по всему пароводяному тракту, так и дросселированием рабочего тела в питательном клапане или в специальных клапанах, встроенных в тракт котла при нерегулируемом насосе. Удельный расход теплоты брутто во всех этих случаях практически одинаков. Однако возможность сокращения затрат мощности на привод питательного насоса делает наиболее эффективной первую из указанных подпрограмм.

Это связано с изменением характеристик сети, на которую работает насос.

Давление, которое должен при любом режиме работы блока обеспечить питательный насос, p_н=р₀+Dр+Dр_кл, где р₀ – давление пара перед стопорными клапанами турбины, определяемое программой регулирования блока; Dр – гидравлическое сопротивление пароводяного тракта, содержащего, кроме котла, также подогреватели высокого давления и главный паропровод; Dр_кл – потери давления в регулирующих питательных клапанах (РПК) котла, определяемые степенью их открытия. Она устанавливается регулятором питания котла.

Гидравлическое сопротивление каждого участка пароводяного тракта пропорционально rv², где v – скорость рабочего тела; r– плотность. При постоянном давлении, когда плотности воды и пара изменяются незначительно, гидравлические потери Dр можно считать пропорциональными квадрату расхода пара.

Характеристика сети определяется кривой 1 на рис. 1.5. При скользящем давлении гидравлическое сопротивление водяной части тракта меняется в зависимости от режима примерно также. Сопротивление же парового тракта при равных расходах оказывается большим, чем при постоянном давлении, ввиду больших скоростей пара. Таким образом, суммарное гидравлическое сопротивление пароводяного тракта при скользящем давлении больше, чем при постоянном. Однако понижение давления перед турбиной , во много раз превосходящее прирост гидравлического сопротивления, определяет общее уменьшение требуемого давления за насосом при скользящем давлении (кривая 2) и возможность сокращения в следствие этого затрат мощности на привод питательного насоса.

Поскольку рабочая точка насоса определяется пересечением его характеристики 3 с характеристикой сети (точка А при номинальном расходе G₀), для перехода к частичному расходу G требуется смещение характеристики насоса при постоянном и скользящем давлении соответственно в положения 4 и 5 с тем, чтобы они пересекались с характеристиками сети 1 и 2 в точках С и С₁. Такое смещение характеристики насоса, достигаемое понижением его угловой скорости, позволяет точно реализовать закон изменения р_н за насосом, определяемый характеристикой сети. При скользящем давлении требуется большой диапазон изменения угловой скорости, что должно учитываться при проектировании насоса и его привода.

Рис. 1.5. - Характеристики питательного насоса и сети [24]

Пояснения: 1 – характеристика сети при постоянном давлении; 2 – то же при скользящем давлении; 3 – характеристика нерегулируемого питательного насоса; 4, 5 – характеристики насоса при различных угловых скоростях; 6 – характеристика одного нерегулируемого насоса при параллельной работе двух насосов.

Недостатком использования скользящего давления является снижение мобильности блока. В этом случае мобильность блока целиком определяется мобильностью котла, инерция которого весьма значительна и измеряется минутами. Поэтому энергоблоки, которые эксплуатируются на скользящем давлении не могут участвовать в регулировании частоты сети, когда изменение мощности требуется в течение нескольких секунд.

1.3. Описание оборудования энергоблока рассматриваемой ТЭС

По виду генерируемой и отпускаемой энергии тепловые электростанции разделяют на два основных типа:конденсационные электрические станции (КЭС или ГРЭС — государственные районные электрические станции), предназначенные только для производства электроэ­нергии и теплофикационные электрические станции, или тепло­электроцентрали (ТЭЦ), предназначенные для ком­бинированной выработки электроэнергии и теплоты в виде пара и горячей воды для производства и отопле­ния.