CC BY
112
УДК 621.311
Эффективность работы энергоблоков при отклонении параметров свежего пара
П. А. Щинников,
Новосибирский государственный технический университет, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», доктор технических наук, профессор
Г. В. Ноздренко,
Новосибирский государственный технический университет, доктор технических наук, профессор
А. И. Дворцевой,
Новосибирский государственный технический университет, инженер, ассистент кафедры
«Тепловые электрические станции»
В статье рассмотрены возможности повышения эффективности энергоблоков при регулировании параметров. Представлены способ оценки перерасхода топлива на ТЭЦ, способ разделения затрат топлива по видам производимой продукции (на тепло и электроэнергию), а также методика оценки влияния параметров регулирования энергоблоков на перерасход топлива, которая заключается в определении удельных перерасходов топлива при отклонении термодинамических параметров от номинальных значений.
Ключевые слова: перерасход топлива, регулируемые параметры, отпуск теплоэнергии и электроэнергии.
Для энергоблоков отклонение параметра от номинального значения означает работу с перерасходом топлива. Перерасход обусловлен, с одной стороны, выходом за границы оптимальных термодинамических параметров и периодом затухания колебаний параметров регулирования - с другой. Отклонение (изменение) термодинамического параметра приведёт к изменению удельного расхода топлива.
При отклонении на Ах от нормативного значения параметра х (например, параметров пара, температуры промперегрева и т. п.) перерасход условного топлива при производстве теплоты и электроэнергии будет определяться как:
(1)
где-
дг5 де дх ' дх
турбины (ЧСНД), электрической части, системы отпуска теплоты, соответственно.
Суммарный перерасход топлива на отпуск тепло-и электроэнергии при совокупном отклонении параметров будет определяться следующим образом [2]:
Ц АЬТ = X
Ах
1Дй¥ =1
дК
дх„
Ах
(2)
где п - количество учитываемых параметров (например, давления х1 и температуры х2 острого пара, температуры пара промежуточного перегрева х3, питательной воды х4 и т. д.).
Относительный перерасход топлива при отклонении регулируемого параметра на отпуск электроэнергии и теплоты определяется следующим образом:
(3)
частные производные каждого влияющего фактора; г=1...5- функциональные элементы энергоблока (рис. 1); е5, ем - коэффициенты структуры технологических связей (0<б5<1 ) и внут-рициклового возврата турбогенераторных потерь (бм>1 ) [1];
П1, П2, П3, П4, П5, - КПД котельной части (включающей парогенерирующее оборудование с котельными техническими системами), часть высокого давления турбины (ЧВД), часть среднего и низкого давления
В В
где B - расход топлива при работе энергоблока без отклонения параметров, на установленной нагрузке.
Разработанный подход является сочетанием эксергетического метода анализа перерасхода топлива энергоблоков с методами регулирования параметров при их отклонении от номинальных значений.
При этом метод анализа перерасхода топлива использует эксергетическую функцию, позволяет определять удельные расходы на производство продукции в любом сечении исследуемого энергоблока (например, «за котлом», «перед пароперегревателем», «за турбиной», «за любой ступенью турбины» и
= 16
Энергобезопасность и энергосбережение
т. д.), сохраняя тождественность энергетических потоков. Следует отметить, что данный подход не противопоставляет эксергетический метод другим известным методам разнесения затрат на топливо при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии, а используется в качестве инструмента исследования.
Эффективность работы на отпуск теплоты и электроэнергии определяется по соответствующим КПД:
Л, =,П,Л2Л3Л4Л5е5е«, Л» = ЛЛЪЛЛ^Б«
(4)
При таком подходе удельные расходы условного топлива (кг у.т./кВт • ч) на производство (отпуск) эксергии могут быть определены в каждом сечении технологической схемы теплофикационного энергоблока.
Таким образом, для энергоблока в целом расход топлива можно определить по следующим формулам:
Ьг =
0,123
К =
0,123
(5)
Лг Л«
На рис. 1 представлена связь системы топливопо-дачи (расхода топлива) с параметром регулирова ния - давление острого пара (Р0). Измеренное значение давления пара за котлом поступает на вход регулятора, которое сравнивается с заданным.
1/\1 КОТЕЛ
I
1 Ро
ЧВД ЧВД
5 □
Д
Г
-в)
4
К
ПН
КН
Рис. 1. Связь регулируемого параметра с перерасходом топлива:
В — расход топлива; О — тепловосприятие топочной камеры, D — количество генерируемого пара; Рб — давление в барабане; Р0 — давление пара за котлом;
1 — котельная часть; 2 — часть высокого давления турбины 3 — часть среднего и низкого давления турбины;
4 — электрогенерирующая часть; 5 — теплообменная часть
Удержание значений параметров регулирования в гостируемом диапазоне может быть обеспечено как без использования системы регулирования (ручное управление), так и при помощи средств автоматизации, для которых могут применяться разные законы регулирования [3].
На сегодняшний день наиболее распространёнными законами регулирования теплоэнергетических процессов являются пропорционально-интегральный закон (ПИ-закон) и пропорционально-интегрально-дифференциальный закон (ПИД-закон).
Для связи параметров регулирования с перерасходом топлива теплофикационных энергоблоков выбраны параметры свежего пара на выходе котла. Рассматриваются системы автоматического регулирования именно для этих параметров (по регулированию давления Р0 и температуры t0).
Интегральная оценка перерасхода топлива за время регулирования ^ ) для переходных процессов при одновременном отклонении регулируемых параметров определяется по выражению
,\В. « |д Ь„(г)Ж, А Я, я |а ЬтЦ)Л, (6)
где АВТ, АВМ - суммарный перерасход топлива при отпуске теплоты и электроэнергии за время ликвидации отклонения регулируемого параметра.
Сочетание эксергетического метода энергобалансов с методами регулирования параметров при определении эффективности работы ТЭС в условиях отклонения параметров от номинальных (оптимальных) значений позволяет вести количественную оценку перерасходов (экономии) топлива.
Такая оценка сегодня часто не ведётся ввиду отсутствия надёжного методического инструмента. Точные количественные оценки между регулированием отклонения параметров и расходом (экономией, перерасходом) топлива «в граммах» в энергетической практике сегодня отсутствуют. Это, в свою очередь, является сдерживающим фактором по внедрению автоматизированных систем.
По предложенной методике произведён анализ влияния величины отклонения параметров регулирования на перерасход топлива для энергоблоков стандартных типоразмеров.
Для турбины Т-110 был произведён расчётный эксперимент [4], в котором оценивался перерасход топлива при одновременном отклонении параметров и Р0) и при индивидуальном отклонении Р0 от нормативного значения. Из эксперимента можно видеть (рис. 2), что перерасход топлива в обоих случаях различается несущественно. Из этого следует, что требования к качеству регулирования давления острого пара должны быть выше, чем к регулированию температуры. При этом относительный перерасход топлива на отпуск теплоты несколько выше, чем на отпуск электрической энергии при эксергетичес-ком методе разнесения затрат на топливо в среднем на 20 %.
Работа турбины в режиме пониженной нагрузки неэкономична, и требования к регулированию параметров свежего пара должны возрастать.
На рис. 3 приведены обобщённые результаты исследования разных турбин.
Для производства теплоты в условиях регулирования начальных параметров пара при их отклонении от номинальных значений наименьшие перерасходы топлива у турбин Т и ПТ при нагрузках 85-100 % от номинала, а для турбин типа Р требования к параметрам регулирования
Р
б
о
2
Р
О
В
вяэмипиии
АЬ-,-, АЬН кг у.т./с
5ЬТ, 5ЬЫ,% 40
30
20
10
60 90 130 150 175 200 _ ..„ а и, мВт
АЬТ, АЬЫ кг у.т./с
5Ь-, 5ЬЫ,%
40
30
20
10
б
60
90
130
150
175
200
и, мВт
Рис. 2. Перерасход топлива при: а — одновременном отклонении регулируемых параметров свежего пара (давления и температуры); б — отклонении давления свежего пара: ■ ,▼ — перерасход условного топлива по отпуску теплоты (АЬТ), электроэнергии (АЬ) — перерасход условного топлива, отнесённьй к расходу топлива при отпуске теплоты (5ЬТ), электроэнергии (5ЬЫ)
должны быть наиболее жёсткими, так как отклонение регулируемых параметров приводит к существенному перерасходу топлива. При разгрузке турбин типа ПТ и Т перерасход топлива увеличивается, а следовательно, возрастает стоимость теплоты.
Обобщив результаты, можно увидеть, что относительный перерасход топлива на блок в целом при снижении параметров составляет для конденсационных энергоблоков 3-4 %, а для теплофикационных 2-3 % (рис. 4). Меньшие значения перерасходов для энергоблоков меньших мощностей, что очевидно и вытекает из термодинамических особенностей рассматриваемого оборудования. Для мощных энергоблоков с высокими начальными параметрами 5 %-ное снижение температуры ведёт к большему снижению средней температуры подвода теплоты к циклу по сравнению с блоками меньших мощностей и меньших параметров. Это ведёт к большему относительному перерасходу топлива.
В то же время работа теплофикационных турбин на тепловом потреблении обусловливает меньшие потери топлива по сравнению с конденсационными турбинами при снижении начальных параметров пара.
Для турбин типа К в достаточно большом диапазоне мощностей (300-800 МВт) перерасход топлива постоянен, а с ростом мощности теплофикационной турбины от 25 до 250-300 МВт требования к качеству регулирования должны возрастать. Это означает переход на более совершенные законы регулирования и более совершенную элементную базу систем автоматизации. 5В,% 4
3
2 1
0
40
5В,% 12
10 8 6
4 2 0
б
Рис. 3. Относительный удельный перерасход топлива при отклонении Она 5 % для различных типов турбин на различных нагрузках на производство: а — электроэнергии; б — теплоты (6В1 — относительный удельный перерасход топлива, / — тип турбины: Т — теплофикационная, К — конденсационная, Р — с противодавлением, ПТ — с производственным отбором)
5В,% 5Г
ЧДл 1 К-турбин ы
И -
V Для Т-ту рбины
200
400
600
800
1000
1200 N. МВт
Рис. 4. Относительный перерасход топлива при отклонении Она 5 % от стандартных значений для конденсационных и теплофикационных энергоблоков на номинальных режимах работы
Приведены результаты исследования эффективности различных законов регулирования (рис. 5).
0
0
= 18
Энергобезопасность и энергосбережение
80
60
40
20
ПИД-зак он
ПИ-закон
100
200
300
400
Ы, МВт
ПИД- закон
< |
г ■— /
/ ПИ-закон
200
400
600
800
1000
1200 Ы, МВт
среднем перерасход составляет 90 г у.т./с, а при автоматическом регулировании - 40 г у.т./с. Достоверность полученных результатов составляет ±5...10 г у.т./с, то есть автоматика позволяет экономить около 55 % относительно его перерасхода. Можно видеть, что перерасходы топлива, полученные в результате эксперимента, проведённого на Новосибирской ТЭЦ-2, полностью подтверждают результаты расчётов по разработанной методике (рис. 5 а).
На рис. 6 представлена зависимость перерасхода топлива от величины отклонения параметра.
В,кг у. т/с 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02
у ►
г Ч
- *с
0
10 12 5х,%
Рис. 5. Относительная экономия топлива при использовании разный законов регулирования по сравнению с ручным управлением (отсутствием автоматического регулирования): а — для теплофикационный энергоблоков; б — для конденсационный энергоблоков
Экономия топлива в случае применения автоматической системы регулирования показана на рис. 5. Можно видеть, что применение пропор-ционально-интегрально-дифференциаль-ного закона регулирования обеспечивает 60-70 % экономии, а пропорционально-интегрального -лишь 30-50 % (меньшие значения для блоков меньших мощностей) относительно ручного регулирования.
Для апробирования вычислительного эксперимента был проведён натурный эксперимент на Новосибирской ТЭЦ-2. Суть эксперимента заключается в следующем: на котле ТП-87 (ст. № 8) сняты показания Р0, Ы) при работе указанного котла в течение суток при ручном регулировании и при автоматическом регулировании на том же интервале времени. Автоматическое регулирование обеспечивается по температуре и давлению (Р0) острого пара.
Нагрузка котла в эксперименте составила 70 % от номинала. При автоматическом регулировании реализован ПИ-закон на традиционных технических средствах АКЭСР (агрегативный комплекс электронных средств) в составе стандартного оборудования.
При ручном регулировании при отклонении регулируемого параметра от номинального значения в
Рис. 6. Зависимость перерасхода топлива от величиныI отклонения параметра
Из рис. 6 видно, что при отклонении давления на 4 % перерасход топлива составляет 0,13 кг у.т./с. При таком же отклонении температуры пара (4 %) перерасход топлива составляет 0,04 кг у.т./с, что подтверждает ранее сделанный вывод о том, что влияние отклонения давления на перерасход более существенно, чем отклонение температуры.
Однако практика эксплуатации показывает, что процессы изменения температуры более инерционны и процесс ликвидации отклонения температуры от «номинала» более сложен по сравнению с ликвидацией отклонения давления. Поэтому для оценки перерасходов топлива следует учитывать совокупность отклонения обоих параметров, а требования к системам регулирования обоих параметров должны быть равноценными.
Таким образом, результаты расчётов показывают, что работа теплофикационных энергоблоков на нагрузках 80-100 % от номинала позволит иметь минимальные перерасходы топлива при регулировании параметров (рис. 3). То есть в этом случае к системам АСУ ТП могут предъявляться не самые жёсткие требования. В реальных условиях хозяйствования на максимальных нагрузках работает новое (наиболее экономичное) оборудование -это обусловлено необходимостью скорейшего возврата вложенных в него средств. Менее эффективные установки работают в переменной части графика нагрузок, в то же время такая работа предъявляет более жёсткие требования к системам автоматизации.
0
а
0
б
вяэмвииии
Выводы
Во время оценки перерасходов топлива при отклонении параметров острого пара в равной степени следует учитывать давление и температуру: первое - в силу термодинамических особенностей, вторую - в силу инерционности процессов регулирования.
Относительный перерасход топлива для теплофикационных энергоблоков при нагрузках, близких к номиналу (80-100 %), составляет около 2 % и при снижении нагрузки до 40 % растёт до 3-5,5 %.
При реализации систем автоматического регулирования параметров применение ПИ-закона позволяет экономить до 40-65 % топлива от его перерасхода, а при реализации ПИД-закона - до 60-80 % по сравнению с ручным регулированием отклоняющихся параметров. Меньшие значения характерны для теплофикационных блоков меньших единичных мощностей. Следует отметить, что эффективность применения ПИД-закона регулирования параметров возрастает по отношению к ПИ-закону при разуплотнении графиков нагрузок теплофикационных блоков.
Литература
1. Щинников П. А., Ноздренко Г. В., Григорьева О. К. и др. Комплексный анализ парогазовых ТЭЦ // Проблемы энергетики. - 2010. - № 3-4. - С. 15-20.
2. Щинников П. А., Новиков С. И., Дворцевой А. И. Эксергетический анализ влияния параметров регулирования пылеугольных теплофикационных энергоблоков на перерасход топлива // Научный вестник НГТУ. - 2009. - № 4 (37). - С. 163-169.
3. РД 34.11.321-96. Нормы погрешности измерений технологических параметров тепловых электростанций и подстанций. - М.: Ротапринт ВТИ, 1997. - С. 20.
4. Ноздренко Г. В., Щинников П. А. Использование вычислительного комплекса ОРТЭС для технико-экономических исследований ТЭС // Научный вестник НГТУ. - 2005. - № 1 (19). - С. 51-62.
The effectiveness of the units at a deviation of parameters of steam
P. A. Schinnikov,
D.T.S., professor, Novosibirsk State Technical University
G. V. Nozdrenko,
D.T.S., professor, Novosibirsk State Technical University
A. I. Dvortsevoj,
engineer, assistant, Novosibirsk State Technical University
This article examines the opportunities for improving of efficiency of power blocks in regulating of power settings. The way for assessing excessive fuel consumption at the power station, the method of separation of fuel consumption by type of products (heat and electricity), the technique of assessing the impact of power control parameters on fuel consumption, which is to identify the specific fuel consumption at a deviation of the thermodynamic parameters of the nominal values.
Keywords: fuel consumption, adjustable parameters, tempering heat and electricity.
