CC BY
20
© Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А., Карницкий Н.Б УДК 621.311.22:621.175
ПЕРСПЕКТИВЫ УСТАНОВКИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ НАСОСАХ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ТЭЦ
Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А., Карницкий Н.Б.
zenovich1963@gmail.com, tes@bntu.by
Филиал «Гомельская ТЭЦ-2» РУП «Гомельэнерго», г. Гомель, Республика Беларусь Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь
Резюме: ЦЕЛЬ. Исследовать целесообразность установки частотно-регулируемого электропривода циркуляционных насосов для повышения энергоэффективности системы технического водоснабжения ТЭЦ, что позволяет реализовывать наиболее экономичные режимы работы циркуляционных насосов, оптимизировать распределение расхода охлаждающей воды при параллельном водоснабжении нескольких турбин в зависимости от паровой нагрузки конденсаторов и температуры охлаждающей воды для обеспечения экономического вакуума в конденсаторах турбин. МЕТОДЫ. При проведении натурных экспериментов использовались поверенные контрольно-измерительные приборы с применением традиционных методов измерения расходов, температур, электрических сигналов. Расчет оптимального режима работы системы технического водоснабжения приводится с использованием методов математического моделирования и полученных и имеющихся математических моделей турбины и градирни. Оценка установки регулируемого электропривода на циркуляционных насосах системы технического водоснабжения проводилась посредством анализа работы насосных установок с учетом технических характеристик и режимов работы основного оборудования ТЭЦ. При решении поставленной задачи применялся метод управления, позволяющий с помощью ЧРЭП на циркуляционных насосах обеспечивать поддержание экономического вакуума в конденсаторах паротурбинных установок. Использован системный подход для достижения поставленной цели. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана структурная схема и предложена технологическая последовательность работы системы автоматического управления частотно-регулируемым электроприводом циркуляционного насоса, позволяющие автоматизировать технологический процесс при различных режимах работы турбин (теплофикационный, конденсационный и их сочетание) для достижения максимального экономического и технологического эффектов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Применение частотно-регулируемого электропривода на циркуляционном насосе приведет не только к экономии электроэнергии и топлива, но и позволит продлить ресурс оборудования, а также увеличит его межремонтные периоды. Целесообразно использование преобразователей частоты не только в качестве элементов системы управления конкретного агрегата, но и как составляющих комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса. Такие решения позволят получить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии. Реализация задачи поддержания экономического вакуума в конденсаторах турбин системы технического водоснабжения ТЭЦ возможна при применении частотного регулируемого электропривода на циркуляционном насосе и создании системы автоматического управления объектом, включая все ее элементы (конденсатор, градирня, циркуляционный насос). Ожидаемая экономия топлива от внедрения данного мероприятия составит 1291,3 т у. т. в год, а срок окупаемости — 1,9 года. Представленный в статье анализ и технические решения по установке частотно-регулируемого электропривода на циркуляционных насосах системы технического водоснабжения филиала «Гомельской ТЭЦ-2» РУП «Гомельэнерго» могут быть использованы при внедрении на аналогичных объектах электростанций Белорусской энергосистемы и ближнего зарубежья.
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод; система технического водоснабжения; система автоматического управления; математическая модель; циркуляционный насос; градирня, турбина; конденсатор; экономический вакуум.
PROSPECTS FOR FREQUENCY CONTROL INSTALLATION ELECTRIC DRIVE ON CIRCULATION PUMPS CHPP TECHNICAL WATER SUPPLY SYSTEMS
YuA. Zenovich-Leshkevich-Olpinsky, NB. Karnitsky
zenovich1963@gmail.com, tes@bntu.by
Branch «Gomel CHP-2» RUE «Gomelenergo», Gomel, Republic of Belarus Belarusian National Technical University, Minsk, Republic of Belarus
Abstract: THE PURPOSE. To investigate the feasibility of installing a frequency-controlled electric drive of circulating pumps to increase the energy efficiency of the technical water supply system of the CHPP, which makes it possible to implement the moist economical modes of operation of circulating pumps, to optimize the distribution of cooling water consumption in parallel water supply of several turbines, depending on the steam load of condensers and the temperature of the cooling water to ensure economic vacuum in turbine condensers. METHODS. When carrying out field experiments, verified control and measuring devices were used using traditional methods of measuring flow rates, temperatures, and electrical signals. The calculation of the optimal operating mode of the technical water supply system is given using the methods of mathematical modeling and the obtained and available mathematical models of the turbine and cooling tower. The assessment of the installation of a variable electric drive on the circulation pumps of the technical water supply system was carried out by analyzing the operation of the pumping units, taking into account the technical characteristics and operating modes of the main equipment of the CHPP. When solving the problem, a control method was used that allows using VRREP on circulation pumps to maintain an economic vacuum in the condensers of steam turbine units. A systematic approach was used to achieve this goal. RESULTS. A structural diagram has been developed and a technological sequence of operation of the automatic control system of a frequency-controlled electric drive of a circulation pump has been proposed, which allows automating the technological process under various operating modes of turbines (heating, condensing and their combination) to achieve maximum economic and technological effects. CONCLUSION. The use of a frequency-controlled electric drive on a circulation pump will not only lead to energy and fuel savings, but will also extend the life of the equipment, as well as increase its overhaul periods. It is advisable to use frequency converters not only as elements of the control system of a specific unit, but also as components of complex system solutions with the connection of a wide range of automation tools for the technological process. Such solutions will allow to obtain an additional effect, which is obviously greater than a simple saving of electrical energy. The implementation of the task of maintaining the economic vacuum in the condensers of the turbines of the technical water supply system of the CHPP is possible by using a variable frequency drive on the circulation pump and creating an automatic control system for the facility, including all its elements (condenser, cooling tower, circulation pump). The expected fuel economy from the implementation of this measure will amount to 1291.3 tons of fuel equivalent. tons per year, and the payback period is 1.9 years. The analysis and technical solutions presented in the article for the installation of a frequency-controlled electric drive on the circulation pumps of the technical water supply system of the Gomel CHP-2 branch of the RUE Gomelenergo can be used when introducing power plants of the Belarusian energy system and neighboring countries at similar facilities.
Keywords: frequency-controlled electric drive; technical water supply system; automatic control system; mathematical model; circulation pump; cooling tower; turbine; condenser; economic vacuum.
Введение и литературный обзор
В мировой практике частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) признан одной из наиболее эффективных энергосберегающих и ресурсосберегающих экологически чистых технологий. Высокая эффективность применения автоматизированного регулируемого электропривода для регулирования параметров и оптимизации работы различных технологических систем с механизмами, особенно с насосными и вентиляционными установками, работающими в переменных режимах, подтверждена многолетним мировым опытом [1, 2].
Энергосбережение в насосных системах является актуальной проблемой по двум причинам. Во-первых, согласно исследованиям 72 % электроэнергии потребляется электродвигателями, причем 63 % от этой величины используется в электроприводах насосов, вентиляторов и компрессоров. Во-вторых, за счет того, что центробежные насосы и вентиляторы, имеют квадратичную механическую характеристику: увеличение скорости вращения пропорционально квадрату момента нагрузки на валу двигателя. Поэтому мощность на валу двигателя имеет кубическую зависимость от скорости вращения. Следовательно, даже небольшое снижение скорости двигателя может дать значительный выигрыш в мощности, поэтому экономия электроэнергии является главным преимуществом использования ЧРЭП для центробежных насосов и вентиляторов [3, 4].
В трудах [5-7] рассмотрены особенности применения регулируемых электроприводов в собственных нуждах ТЭС. Применение ЧРЭП, как эффективного средства энергосбережения на тепловых электрических станциях (ТЭС), становится с каждым годом все более значимым в связи с возрастающими ценами на энергоносители и тарифами на электроэнергию. Работа того или иного технологического механизма собственных нужд в соответствии с режимом энергоблока обеспечивается дросселированием рабочего тела (воды, воздуха, дымовых газов) с помощью механических регуляторов (регулирующих клапанов, направляющих устройств), которые в открытом состоянии при работе частотно-регулируемого электропривода. Отмечена важная роль регулируемого электропривода в возможностях автоматизации параметров и режимов работы механизмов собственных нужд (насосов, тягодутьевых машин и автоматизации в целом самого технологического процесса), а также показана более высокая эффективность применения частотно-регулируемого электропривода по сравнению с гидромуфтами. Таким образом, имеется необходимость в проведении подобных исследований при реализации ЧРЭП в СТВ ТЭС.
В работах [8-10] авторами приведен расчет эффективности внедрения ЧРЭП в зависимости от режимов работы оборудования. По оценках производителей применение преобразователей частоты должно давать снижение электропотребления на 30-50 %. Однако в условиях реальных режимов работы расчетный эффект часто отличается от фактического. Оценка такого эффекта от внедрения ЧРЭП на примере основных электропотребителей теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) является важной, но не единственной задачей. Она должна рассматриваться в контексте общей технико- экономической эффективности, в комплексе с другими технологическими задачами. Очевидно, что для эффективного управления электроприводом необходима информация о состоянии объекта управления в целом.
Основной целью внедрения систем автоматического управления (САУ) ЧРЭП циркуляционного насоса (ЦН) системы технического водоснабжения (СТВ) является оптимизация расхода воды в СТВ и сокращение затрат электрической энергии на собственные нужды, что позволит также снизить нагрузку на насосные агрегаты и увеличить межремонтные периоды.
Использование оборотных систем водоснабжения, что само по себе способствует снижению водопотребления ТЭС более чем на 97 %, все же оставляет потенциал для его дальнейшей минимизации. Соответственно, разработка, обоснование реализации мероприятий, направленных на обеспечение рационального использования водных ресурсов в энергетике, в первую очередь за счет совершенствования технологических процессов, является также актуальной проблемой [11].
Экономический эффект достигается за счет снижения затрат электроэнергии на собственные нужды ТЭС и уменьшения количества потребляемой воды на СТВ.
Технологический эффект состоит в обеспечении более четкого соблюдения режимных карт работы основного оборудования. Реализация экспертных и диагностических систем, которые являются частью СТВ, позволит разрабатывать рекомендации для оптимизации текущих режимов работы оборудования и долгосрочные рекомендации по ремонту, реконструкции и модернизации оборудования. Кроме этого, внедрение ЧРЭП приведет к снижению затрат на сбор и обработку данных и увеличения периодичности технического обслуживания, а также сокращения сроков проведения ремонтных работ.
Материалы и методы
Теоретические исследования, опыт внедрения и эксплуатации энергосберегающих систем в насосных установках показали, что ЧРЭП является эффективным и надёжным средством управления режимами работы насосных установок различного назначения.
В процессе проектирования станций управления насосными агрегатами в первую очередь разрабатывается функциональная схема САУ, которая должна обеспечивать [12]:
- Плавное регулирование подачи насосной установки путем изменения частоты вращения регулируемых насосных агрегатов в сочетании с изменением количества работающих регулируемых и нерегулируемых агрегатов по выбранному параметру управления;
- Синхронное изменение частоты вращения регулируемых насосных агрегатов;
- Предотвращение работы регулируемых агрегатов в зоне перегрузок и зоне низких коэффициентов полезного действия (КПД);
- Возможность автоматического включения и отключения нерегулируемых насосов при достижении регулируемыми насосами граничных значений частоты вращения, при которых требуется изменение количества работающих насосных агрегатов;
- Обеспечения возможности формирования управляющих воздействий САУ к любому из работающих в данный момент времени регулируемых насосных агрегатов;
- Формирование сигнала управления частотой вращения на все регулируемые агрегаты;
- Ручное управление частотой вращения любого из регулируемых насосов;
- Изменение структурной схемы управления программным путем.
При создании комплектного электропривода ЦН для нужд электростанций необходимо решение ряда научно-технических задач, важнейшие из которых [13]:
Разработка систем технологической автоматизации электропривода ЦН для условий
ТЭС;
- Разработка алгоритмов и САУ электроприводом ЦН в различных режимах работы основного оборудования как единой технологической системы;
- Проведение всесторонних технико-экономических исследований по эффективности использования ЧРЭП на ЦН.
- ЧРЭП является многофункциональным электротехническим оборудованием и при комплексном внедрении в энергоблок позволяет:
- Автоматически регулировать технологические параметры в базовых и маневренных режимах;
- Экономить электроэнергию;
- Увеличить ресурс и надежность работы технологического оборудования;
- Диагностировать, контролировать и защищать электродвигатель насосного агрегата;
- Увеличить номинальную мощность генерации при пиках нагрузки.
Решение указанных задач позволит максимально использовать резервы повышения эффективности и надежности работы энергетического оборудования, экономии топлива и электроэнергии.
Следует иметь ввиду, что само по себе оснащение насосной установки ЧРЭП еще не гарантирует экономию электроэнергии. Чтобы эту экономию получить, необходимо, во-первых, убедиться в наличии её потенциала исходя из технологических, гидравлических и режимных характеристик объекта. Во-вторых, разработать рациональные технические решения и алгоритм управления, которые обеспечат реализацию указанного потенциала [13].
Решение обозначенных проблем требует системного подхода, когда насосная установка как объект анализа и управления рассматривается с точки зрения количественной определённости всех параметров взаимосвязанных характеристик работающих насосов, трубопроводной сети, режимов работы насосной установки и др.
Поэтому в рамках исследования создан метод управления, ориентированный не только на поддержание заданного давления, но и создание системы автоматического управления частотно-регулируемым приводом циркуляционных насосов системы технического водоснабжения, которая будет учитывать различные режимы работы оборудования и состав работающих циркуляционных насосов, с учетом влияния на давление в конденсаторе всех взаимосвязанных технических характеристик и режимных параметров работы градирен, турбин и циркуляционных насосов, позволяющая обеспечивать поддержание экономического вакуума в конденсаторах паротурбинных установок с целью получения максимальной экономии топлива по ТЭЦ.
Предпосылки к внедрению частотно-регулируемого электропривода циркуляционных насосов на Гомельской ТЭЦ-2
Внедрение регулируемого электропривода на одном из циркуляционных насосов СТВ ТЭЦ принципиально отличается от аналогичной задачи для сетевых, конденсатных и т.п. Определяя число регулируемых насосов, следует иметь в виду, что понижение скорости вращения одного из насосов может вызвать перегрузку нерегулируемых насосов, снизить
их КПД и в особо неблагоприятных условиях вызвать кавитацию. Если такая ситуация возможна, ЧРЭП должен устанавливаться на всех насосных агрегатах, а частота вращения насосов, работающих параллельно, должна изменяться синхронно, что обеспечивается управлением всех насосов общей системой автоматики.
Это можно рассмотреть на примере оборудования Гомельской ТЭЦ-2, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема системы Fig. 1. Schematic diagram of the technical water
технического водоснабжения 1- градирня, supply system 1- cooling tower, 2 - circulation pump,
2 - циркуляционный насос, 3 - advance chamber, 4 - condenser
3 - аванкамера, 4 - конденсатор
СТВ Гомельской ТЭЦ-2 - оборотная с двумя башенными градирнями площадью орошения по 3200 м2 каждая. Для подачи воды в конденсаторы турбин, на теплообменники вспомогательного оборудования и градирни, в объединенной насосной станции (ОНС) установлено пять циркуляционных насосов типа Д-12500-24 электрической мощностью 1000 кВт каждый. Изменение подачи насосов по существующей схеме осуществляется варьированием количества одновременно включенных циркуляционных насосов [14].
Циркуляционные насосные установки служат для подачи охлаждающей воды в конденсаторы и в другие теплообменники с целью отвода теплоты в окружающую среду [15]. Охлаждающая вода поступает по двум бетонным каналам в аванкамеру ОНС и затем из аванкамеры по пяти стальным трубопроводам к каждому циркуляционному насосу. Насосы подают воду на два напорные магистральные водоводы. Для выравнивания потоков воды между магистральными водоводами установлены перемычки. От магистральных напорных водоводов вода по напорным водоводам поступает в основной и встроенный пучки конденсаторов. После конденсаторов турбин вода по сливным магистральным водоводам поступает на градирни № 1 и № 2 для охлаждения.
Специфика данной задачи определяется технической сложностью объекта регулирования.
Во-первых, контур регулирования включает четыре взаимосвязанных объекта регулирования: конденсаторы турбоагрегатов Т-180/210-130 ст. №№ 1, 2, 3 и регулируемый привод циркуляционного насоса.
Во-вторых, циркуляционные насосы ЦН-1...ЦН-5 работают на общий коллектор и охлаждающая вода в зависимости от гидравлических сопротивлений трех контуров распределяется между конденсаторами турбин, т.е. одновременно необходимо добиться оптимальной работы трех конденсаторов, которые отличаются различными рабочими и техническими параметрами.
В- третьих, задача является оптимизационной, причем оптимум должен достигаться между объектами, имеющими различную технологическую структуру, в которую включены турбоагрегаты ТГ-1...ТГ-З и группа ЦН, которые обеспечивают расход воды через конденсаторы турбин.
Данные объекты регулирования связаны между собой следующим образом.
Уменьшение расхода воды через конденсатор турбины ведет к снижению вакуума в конденсаторе и, как следствие, к понижению КПД турбины. Например, изменение давления в конденсаторе (р2) на 1 кПа (~1% вакуума) приводит к изменению мощности турбины ТЭС с начальным давлением пара 13-24 МПа и перегревом пара примерно на 0,8-0,9% номинальной мощности. Уменьшение давления в конденсаторе при данной температуре
воды связано с увеличением пропуска циркуляционной воды и расхода энергии на привод циркуляционных насосов.
Увеличение же расхода охлаждающей воды через конденсатор всегда приводит к углублению вакуума и при исходном вакууме ниже предельного для данной турбины - к соответствующему увеличению развиваемой турбоустановкой мощности и, следовательно, к повышению ее экономичности брутто. В то же время, увеличение расхода циркуляционной воды через конденсатор выше оптимального значения приводит к увеличению расхода электроэнергии на циркуляционные насосы. При этом вакуум в конденсаторе снижается ниже расчетного значения, что может привести к переохлаждению конденсата и увеличению потерь пара с выходной скоростью, так как снижение вакуума вызывает увеличение объема пара при неизменном сечении. Переохлаждение конденсата вызывает дополнительный расход пара в подогреватель низкого давления (ПНД) № 1 для компенсации, излишне отведенной в конденсатор теплоты основного конденсата и, следовательно, недовыработку электроэнергии на участке проточной части турбины от последнего по ходу пара отбора до конденсатора. Понижение экономичности турбоагрегата при переохлаждении конденсата на 5°С составляет 0,1- 0,2 %.
Поскольку, увеличение расхода охлаждающей воды требует дополнительной затраты мощности на привод циркуляционных насосов, экономическая целесообразность увеличения расхода охлаждающей воды зависит от изменения мощности турбоустановки нетто, т.е. от соотношения между приростом мощности турбоагрегата в результате углубления вакуума и дополнительной затратой мощности на циркуляционные насосы. Увеличение расхода воды целесообразно только в том случае, если прирост мощности турбины больше увеличения затраты мощности на привод циркуляционных насосов. Расход охлаждающей воды, отвечающий наибольшему выигрышу мощности, является оптимальным для заданных значений паровой нагрузки конденсатора (электрической нагрузки турбоагрегата) и температуры охлаждающей воды [16].
Наиболее эффективным мероприятием, обеспечивающим оптимальный расход охлаждающей воды, и как следствие, оптимальный вакуум в конденсаторах турбин при различных режимах оборудования электростанций, является установка на ЦН электропривода с регулируемой частотой вращения с созданием САУ ЧРЭП для получения максимальной экономии топлива и электрической энергии.
Для обеспечения надежности работы Гомельской ТЭЦ-2 при разном количестве работающих энергоблоков в работе всегда находится два ЦН. В отопительный период года при работе энергоблоков по «тепловому графику» или близким режимам в зависимости от расхода перекачиваемой воды ЦН могут находиться вне рабочей части своей характеристики, что приводит к работе с пониженными энергетическими показателями (КПД), ускоренному износу рабочих колес и уменьшению межремонтных периодов. Турбины ТЭЦ при данных режимах работают с минимальным расходом пара в конденсаторы или расходах, близких к минимальным значениям - величина расхода охлаждающей воды в конденсаторы турбин не оказывает влияния на экономичность турбин и может быть минимально-возможной. При существующей схеме СТВ ТЭЦ отсутствует возможность регулирования расходов воды в конденсаторы турбин в отопительный период года.
В зависимости от состава работающего оборудования и его нагрузки суммарный расход воды за циркуляционными насосами может составлять до 62500 м3/ч.
Режимы работы турбоагрегатов ТЭЦ значительно отличаются от работы конденсационных энергоблоков ТЭС. Поэтому, при выполнении расчётов режима экономического вакуума для ТЭЦ должны учитываться режимы работы турбин в отопительный период года с отборами на отопление и горячее водоснабжение (ГВС), в неотопительный период - с отборами тепла на ГВС, а также в конденсационном режиме работы (без отборов тепла) при различных значениях электрической нагрузки энергоблоков.
Режимы работы оборудования СТВ Гомельской ТЭЦ-2 представлены в таблице 1.
Таблица 1
Режимы работы оборудования СТВ_
№ В работе: Режим работы турбины Т-180/210-130
п/п Т Т + К К
1 1 блок ш1н №цВ эконом. в эконом. в
2 2 (3) блока ш1н *эконом. в *эконом. в
Здесь, Т - режим теплового графика (малый расход пара в конденсатор);
Т + К - режим электрического графика;
К - конденсационный режим;
min ЖцВ - минимальный расход циркуляционной воды через конденсатор;
эконом. в - режим экономического вакуума.
*эконом. в - режим экономического вакуума при установке регулирующих затворов на трубопроводах циркуляционной воды в конденсатор.
При работе оборудования Гомельской ТЭЦ-2 экономичными режимами являются работа с минимальным расходом циркуляционной воды и режим поддержания экономического вакуума.
Система автоматического управления частотно-регулируемым приводом циркуляционных насосов
Для создания САУ ЧРЭП циркуляционного насоса СТВ преследуются следующие
цели:
- Обеспечение централизованного автоматического и непрерывного регулирования расхода воды на два напорные магистральные водоводы;
- Обеспечение распределения расхода воды между параллельно включенными конденсаторами турбин;
- Повышение эффективности работы энергетического оборудования за счет оптимизации рабочих режимов, модернизации и реконструкции оборудования, оперативности представления информации соответствующим службам, а также диагностирования состояния оборудования и усиления технологической и производственной дисциплины;
- Обеспечение контроля над работой подсистемы измерений и первичных преобразователей системы;
- Снижение затрат на сбор и обработку данных, а также повышение информированности пользователей системы;
- Увеличение периодичности технического обслуживания и сокращение длительности проведения ремонтных работ.
Критерием САУ ЧРЭП ЦН является условие, при котором прирост мощности турбоагрегатов с учетом потребляемой мощности на привод ЦН должен быть максимальным:
AN, - АЖЦН = АЛис, (1)
где АЛмакс - максимальный прирост мощности турбоагрегатов, МВт; ДЛэ - изменение электрической мощности турбин, МВт; АЛцн - изменение потребляемой электрической мощности на привод циркуляционных насосов, МВт.
Структурная схема разработанной САУ ЧРЭП циркуляционного насоса представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема САУ ЧРЭП Fig. 2. Block diagram of the ACS REP circulation циркуляционного насоса pump
САУ ЧРЭП циркуляционного насоса СТВ (см. рис. 2) имеет трехуровневую структуру - нижний, средний и верхний уровни.
К нижнему уровню системы автоматизации относятся:
- датчики и индикаторы технологических параметров,
- электродвигатели ЦН,
- частотные преобразователи электродвигателей ЦН,
- регулирующая и запорная арматура,
- панели местного управления арматурой (при необходимости),
- кабельная продукция.
Входными параметрами САУ ЧРЭП циркуляционного насоса СТВ являются:
- давление пара в конденсаторе турбин ТГ-1...ТГ-3,
- электрическая мощность турбин ТГ-1...ТГ-3 (поданным автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии),
- давление циркуляционной воды на всасе и на напоре циркуляционных насосов ЦН-1...ЦН-5,
- расход циркуляционной воды через циркуляционные насосы ЦН-1...ЦН-5 (определяется по данным микропроцессорного устройства),
- потребляемая электрическая мощность циркуляционных насосов ЦН-1...ЦН-5 (по данным автоматизированной системы технического учета электроэнергии),
- расход циркуляционной воды в конденсаторы турбин ТГ-1...ТГ-3,
- расход пара после редукционно-охладительной установки РОУ-26/13 турбин ТГ-1 ...ТГ-3,
- расход сетевой воды через подогреватели сетевой воды турбин ТГ-1...ТГ-З,
- температура сетевой воды на входе и на выходе из подогревателей сетевой воды ПСГ-1 турбин ТГ-1...ТГ-3,
- температура сетевой воды на выходе из подогревателей сетевой воды ПСГ-2 турбин ТГ-1...ТГ-3,
- теплофикационная нагрузка турбин ТГ-1...ТГ-3,
- температура циркуляционной воды на входе н на выходе из конденсаторов турбин ТГ-1...ТГ-3,
- температура циркуляционной воды на входе в градирни в циркуляционных водоводах № 1 ,2 и на выходе из градирен № 1, 2,
- метеофакторы: температура окружающего воздуха, относительная влажность воздуха, скорость ветра.
Средний уровень выполняет функции ввода/вывода информации контроля и управления, реализацию алгоритмов автоматического регулирования технологических параметров, реализацию алгоритмов технологических защит и блокировок, а также формирование предупредительной и аварийной сигнализации. Кроме этого на нижний уровень возлагаются функции диагностики основного и вспомогательного оборудования, включая неисправности датчиков и исполнительных механизмов.
Средний уровень строится на базе высокопроизводительного и надежного программируемого логического контроллера (ПЛК) с унифицированными модулями ввода/вывода аналоговой и дискретной информации [17]. При необходимости, дополнительно, могут использоваться шкафы удаленного ввода/вывода информации.
Верхний уровень системы автоматизации - автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора-технолога реализуется на базе персональных компьютеров.
Верхний уровень системы автоматизации обеспечивает:
- Представление оперативному персоналу информации о ходе технологического процесса технического водоснабжения в виде технологических видеокадров и мнемосхем;
- Отображение информации о состоянии исполнительных механизмов системы технического водоснабжения;
- Дистанционное управление исполнительными механизмами системы технического водоснабжения;
- Реализацию световой и звуковой технологической сигнализации;
- Функционирование моделей для расчета воздействий подсистемы автоматического регулирования;
- Непрерывную регистрацию и архивирование технологических параметров;
- Ввод, хранение нормативно-справочной и настроечной информации;
- Формирование видеокадров диагностики основного оборудования системы и программно-технического комплекса (ПТК);
- Формирование и отображение трендов изменения текущих и архивных
технологических параметров;
- Формирование необходимых отчетом и ведомостей.
Для получения информации о расходах циркуляционной воды через конденсаторы турбин необходимо предусмотреть замену расходомерных устройств. Взамен существующих сегментных диафрагм на трубопроводах DN 1600 необходимо предусмотреть установку измерительных средств (расходомеров) типа «Осредняющий крест».
Для измерения метеофакторов (температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра) необходимо предусмотреть установку автоматической метеорологической станции с интеграцией ее в САУ ЧРЭП циркуляционного насоса СТВ.
Для распределения охлаждающей воды через конденсаторы турбин необходимо предусмотреть замену запорной арматуры на запорно-регулирующую БМ 1400 на трубопроводе слива циркуляционной воды из конденсатора турбин ТГ-1, ТГ-2 и ТГ-3.
Предусматривается возможность работы ЧРЭП в двух режимах:
- автоматический режим, при котором частота вращения насоса определяется требуемым расходом воды через конденсаторы турбин,
- дистанционный режим, при котором задание на ЧРЭП выдает оперативный персонал с АРМ оператора блочного щита управления (БЩУ) №1.
Управление исполнительными механизмами с панелей местного управления может осуществляться при проведении наладочных работ и при нештатных ситуациях.
Для поддержания экономического вакуума в конденсаторах турбоагрегатов, анализа эффективности работы энергоблоков, а также для коррекции расходных характеристик энергоблока требуется определение расхода пара в конденсатор, который является основным параметром для определения необходимого расхода циркуляционной воды через конденсаторы турбин.
Расход пара в конденсатор будет определяться расчетным путем с применением существующей математической модели турбины, разработчиком которой является ЧАО «Техэнерго» г. Львов (Украина), которую необходимо доработать с учетом решения данной задачи. Система контроля и управления режимами работы технического водоснабжения обеспечит выполнение функций по управлению ЦН № 1.5, автоматическому регулированию расхода воды в напорные магистрали и перераспределение охлаждающей воды в конденсаторы турбин ст. № 1, 2, 3 посредством, устанавливаемых запорно-регулирующих задвижек на выходе охлаждающей воды из конденсаторов турбоагрегатов.
Расчет оптимального режима работы системы технического водоснабжения производится с помощью:
- математической модели системы технического водоснабжения (ММСТВ), включающей в себя математические модели турбин (ММТ) и градирен (ММГ),
- расчета режимов экономического вакуума.
Функции ММСТВ:
- получает входные параметры для расчетов,
- выполняет расчеты различных вариантов режима работы СТВ и ее элементов (насосы, градирни, сеть и т.д.),
- проверяет условия надежности работы оборудования (перегрузка по расходу, кавитация ЦН и т.д.),
- определяет экономичные варианты режима работы СТВ с учётом расходов пара в конденсаторы (конденсатор) турбины,
- готовит рекомендации по ведению режима работы СТВ.
Система контроля и управления режимами работы технического водоснабжения должна обеспечивать выполнение управляющих, информационных и вспомогательных функций.
Управляющие функции:
- автоматическое управление ЦН с ЧРЭП,
- автоматическое регулирование суммарного расхода воды по напорным циркуляционным водоводам № 1 и № 2 при помощи ЧРЭП одного из ЦН,
- автоматическое регулирование расхода воды на конденсаторы турбоагрегатов ТГ-1...ТГ-3,
- дистанционное управление ЦН с нерегулируемыми приводами,
- дистанционное управление ЧРЭП регулируемого ЦН,
- дистанционное управление регулирующей арматурой на сливе воды из конденсаторов турбоагрегатов ТГ-1...ТГ-3.
Информационные функции:
- расчет управляющих воздействий на регулирующую арматуру при помощи ММСТВ и ММТ для обеспечения поддержания экономического вакуума турбин,
- обеспечение автоматического получения результатов измерений,
- сбор и анализ и первичная обработка входной информации,
- представление информации персоналу Гомельской ТЭЦ-2 в виде фрагментов мнемосхем, гистограмм таблиц и графиков,
- предупредительная и аварийная технологическая сигнализация,
- регистрация информации и ведение непрерывных архивов,
- автоматическая регистрация отклонений каждого из технологических параметров от нормы с регистрацией времени отклонения от нормы, а также времени возврата параметра в нормальное значение,
- диагностика основного и вспомогательного технологического оборудования системы,
- формирование отчетов и графиков,
- анализ данных и выработка рекомендаций по оптимизации технологических процессов.
Вспомогательные функции:
- ведение базы данных фонда нормативно-справочной информации,
- хранение алгоритмического и программного обеспечения,
- обработка и хранение результатов метрологической аттестации и поверки каналов ввода/вывода аналоговой информации,
- обеспечение проведения испытаний по программе индивидуально-функционального опробования,
- диагностика элементов оборудования ПТК и тестирование программного обеспечения,
- настройка ПТК и наладка алгоритмов,
- организационно-технические мероприятия от несанкционированного доступа к информации ПТК.
Для визуализации информации о работе САУ с ЧРЭП ЦН предусматривается установка 2-х АРМ (АРМ оператора на щите БЩУ-1 и панельный АРМ на щите ОНС).
Связь контроллера с АРМ оператора БЩУ-1 будет осуществляться по технологии ОРС, для чего на АРМ устанавливается ОРС сервер, a SCADA система имеет в своем составе ОРС клиент. Программное обеспечение ММТ математической модели турбоагрегата и ММСТВ устанавливается на данный АРМ и должно иметь в своем составе ОРС клиент для связи с ОРС сервером. На панельный АРМ ОНС устанавливается программное обеспечение ПО клиент.
В САУ с ЧРЭП ЦН выполняется:
- сбор, анализ и первичная обработка входной информации,
- представление информации персоналу Гомельской ТЭЦ-2 в виде фрагментов мнемосхем, гистограмм таблиц и графиков,
- предупредительная и аварийная технологическая сигнализация,
- регистрация информации и ведение непрерывных архивов,
- диагностика основного и вспомогательного технологического оборудования системы,
- формирование отчетов и графиков,
- анализ данных и выработка рекомендаций по оптимизации технологических процессов.
Передача информации на АРМы должна осуществляться по сети Ethernet.
Информация о состоянии работы технологического оборудования и наиболее важные параметры отражаются на АРМ, что создает удобства для обслуживающего персонала при выработке решений по наиболее оптимальному и энергоэффективному управлению работой станции.
Авторами предлагается следующая технологическая последовательность работы САУ с ЧРЭП ЦН при различных режимах работы турбин:
1. После обработки технологических параметров ММСТВ рассчитывает необходимый расход воды в конденсатор каждой турбины.
2. Далее определяется суммарный расход циркуляционной воды, необходимый для подачи на конденсаторы турбин.
3. После определения необходимого суммарного расхода воды в конденсаторы турбин, ММСТВ рассчитывает оптимальное задание для регуляторов ЦН с ЧРЭП и определяет суммарную подачу воды циркуляционными насосами с учетом работы
градирен, замеренных метеофакторов и температур циркуляционной воды. Регуляторы вычисляют выходные воздействия и подают его на вход частотных преобразователей циркуляционных насосов. Программное обеспечение контроллера блокирует расхождение числа оборотов двигателей циркуляционных насосов выше наперед заданной величины.
4. Далее отрабатывают регуляторы каждой турбины по оптимальному распределению расхода циркуляционной воды на конденсатор каждой турбины.
5. В случае увеличения числа оборотов ЦН с ЧРЭП до заданных значений подается команда на отключение ЧРЭП и ММСТВ проводит расчёт по определению оптимальных расходов воды с определением количества параллельно работающих ЦН с номинальными числами оборотов.
При работе турбины или турбин в режимах Т и Т+К (в основном это режим параллельной работы двух ЦН) ММСТВ осуществляет соответствующие расчёты и подает сигнал на включение в работу ЧРЭП с выбором необходимого числа оборотов на двух или одном ЦН оснащенными ЧРЭП и сообщается информация о необходимости подачи воды для охлаждения в одной или двух градирнях.
При наличии двух ЦН оборудованных ЧРЭП, число оборотов каждого ЦН задается одинаковым.
Минимальное число оборотов ЦН определяется исходя из условий безкавитационного режима работы циркуляционных насосов с обеспечением максимально возможного КПД.
При изменении режимов работы турбин (режимы Т+К или на одной из турбин режим К) и выполнения соответствующих расчётов ММСТВ идет команда на отключение ЧРЭП и на БЩУ подается информация о необходимости включения в работу дополнительных (одного или двух ЦН) на номинальных оборотах с подачей воды на обе градирни, с соответствующим распределением воды между конденсаторами турбин.
Результаты и обсуждения
В статье описана актуальность темы, комплексно рассмотрены особенности установки ЧРЭП на циркуляционных насосах системы технического водоснабжения ТЭЦ для достижения максимального экономического эффекта. Результаты расчета ожидаемой эффективности внедрения ЧРЭП на ЦН СТВ Гомельской ТЭЦ-2, выполненные с использованием ММСТВ представлены в таблице 2.
Таблица 2
Ожидаемый эффект от внедрения ЧРЭП на ЦН СТВ Гомельской ТЭЦ-2_
Рассчитываемая величина Обозначение Размерность Значения
Годовая экономия топлива АВ т у. т. 1291,3
Стоимость оборудования ЧРЭП Соб USD 367 500
Суммарные капиталовложения Крэп USD 422 625
Стоимость сэкономленного топлива С ^топл USD 219 521
Срок окупаемости >$ок лет 1,9
Расчеты экономического обоснования показывают, что в результате внедрения ЧРЭП на ЦН СТВ будет получена экономия топлива 1291,3 т у. т. в год, а срок окупаемости составит 1,9 года [18].
Выводы
Применение частотно-регулируемого электропривода на циркуляционном насосе приведет не только к экономии электроэнергии и топлива, но и позволит продлить ресурс оборудования, а также увеличит его межремонтные периоды.
Целесообразно использование преобразователей частоты не только в качестве элементов системы управления конкретного агрегата, но и как составляющих комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса. Такие решения позволят получить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии.
Реализация задачи поддержания экономического вакуума в конденсаторах турбин системы технического водоснабжения ТЭЦ возможна при применении частотного регулируемого электропривода на циркуляционном насосе и создании системы автоматического управления объектом, включая все ее элементы (конденсатор, градирня, циркуляционный насос). Ожидаемая экономия топлива от внедрения данного мероприятия составит 1291,3 т у. т. в год, а срок окупаемости - 1,9 года
Представленный в статье анализ и технические решения по установке частотно-регулируемого электропривода на циркуляционных насосах системы технического
водоснабжения филиала «Гомельской ТЭЦ-2» РУП «Гомельэнерго» могут быть использованы при внедрении на аналогичных объектах электростанций Белорусской энергосистемы и ближнего зарубежья.
Литература
1. Сахарнов Ю.В. Регулируемый электропривод - эффективное энергосберегающее оборудование [Электронный ресурс]. Доступно по: http://www.cyberleninka.ru. Ссылка активна на: 16.11.2021.
2. Кузин С.Ю. Применение регулируемого электропривода. Электро. 2009. № 6. С. 49-50.
3. Иванова В.Р., Киселев И.Н. Частотно-регулируемый электропривод для энергосбережения и оптимизации технологических процессов в электротехнических комплексах // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. № 21 (5). С. 59-70. [Электронный ресурс]. Доступно по: https://energyret.ru/our/articlr/view/1105. Ссылка активна на: 16.11.2021.
4. Ivanova VR. The analysis of Measurements of Indicators of Quality of the Electric Power and Calculation of Economic Efficiency After Installation of the Booster Transformer OA. International multi-conference on industrial engineering and modern technologies, Fareastcon 2018. Vladivostok, 03-04 Okt. 2018.
5. Аглямова Р.А. Разработка комплекса мероприятий по оптимизации потребления электроэнергии на собственные нужды станции // Материалы докладов 20 аспирантско-магистерского семинара, посвященного Дню энергетика / под общ. ред. ректора КГЭУ Э.Ю. Абдуллазянова / 6-7 декабря 2016. Казань: КГЭУ. 2017. Т. 1. С. 3-4.
6. Khrustalev V.A., Garievskii M.V., Lazarev G.B. On the efficiency of variable frequency drives of the main circulating pumps of nuclear power plants with water-cooled (VVER) and fast neutron reactors (BN) // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2018. Т. 1111. №. 1. С. 012028.
7. Лазарев Г.Б. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок вентиляторных установок - эффективная технология энерго- и ресурсосбережения на тепловых электростанциях. Силовая электроника. 2007. № 3. С. 4148.
8. Кириллов М.В., Сафронов П.Г. Метод расчета эффективности преобразователей частоты вращения двигателей центробежных насосов ТЭС // Промышленная энергетика. 2013. № 1. С. 17-20.
9. Медведев В.Н., и др. Технологическая востребованность и оценка эффективности внедрения регулируемых электроприводов на объектах тепловой электростанции // Вестник ИГЭУ. Иваново: ФГБОУ ВПО «ИГЭУ», 2012. № 6. С. 109-114.
10. Каширских В.Г., Нестеровский А.В., Носков А.П. Структура информационно-вычислительного комплекса для асинхронных электроприводов // Вестник КузГТУ. 2012. № 4. C. 139-141.
11. Treshcheva M. et al. The potential for reducing TPP water consumption through the use of heat pumps // E3S Web of Conferences. EDP Sciences, 2019. V. 140. p. 11001.
12. Методические рекомендации по разработке САУ режимом работы насосных станций [Электронный ресурс] / Доступно по: http://www.keb-privod.ru. Ссылка активна на: 16.11.2021.
13. Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. М.: Машиностроение, 2013. 176 с.
14. Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А., Осипов Ю.С., Телюк Е.Л. и др. Применение регулируемого электропривода на циркуляционном насосе для повышения эффективности систем технического водоснабжения тепловых электростанций // Энергия и менеджмент. 2017. № 4 (97) . С.11-19.
15. Канюк Г.И., Мезеря А.Ю. и др. Энергосберегающее управление и повышение технико-экономической эффективности насосных установок тепловых и атомных электростанций. Восточно-европейский журнал передовых технологий, 2012. № 3/8 (57). С. 58-62.
16. Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А. Внедрение регулируемого электропривода на циркуляционном насосе для повышения эффективности систем технического водоснабжения тепловых электростанций // Сборник материалов 3 Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика и энергосбережение: теория и практика», 13-15 декабря 2017. Кемерово: КузГТУ, 2017. Секция 1. Теплоэнергетика. 128-1.
17. Panasetsky D. Simplified variable frequency induction-motor drive model for power
system stability studies and control // IFAC-Papersonline. 2016. V. 49. № 47. P. 451-456.
18. Зенович-Лешкевич-Ольпинский Ю.А., Осипов Ю.С., Телюк Е.Л. Эффективность применения регулируемого электропривода на циркуляционном насосе при различных режимах работы оборудования ТЭЦ // Энергия и менеджмент. 2017. № 5 (98). С. 21-25.
Авторы публикации
Зенович-Лешкевич-Ольпинский Юрий Аркадьевич - директор филиала «Гомельская ТЭЦ-2» РУП «Гомельэнерго».
Карницкий Николай Борисович - д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Белорусский национальный технический университет.
References
1. Sakharnov YuV. Adjustable electric drive - effective energy-saving equipment [Electronic resource]. Available at: http://www.cyberleninka.ru. Accessed to: 11.16.2021.
2. Kuzin SYu. The use of an adjustable electric drive. Electro. 2009:6:49-50.
3. Ivanova VR, Kiselev IN. Frequency-controlled electric drive for energy saving and optimization of technological processes in electrotechnical complexes. News of higher educational institutions. Energy problems. 2019;21(5):59-70.[Electronic resource]. Available at: https://energyret.ru/our/articlr/view/1105. Accessed to:11/16/2021.
4. Ivanova VR. The analysis of Measurements of Indicators of Quality of the Electric Power and Calculation of Economic Efficiency After Installation of the Booster Transformer OA. International multi-conference on industrial engineering and modern technologies, Fareastcon 2018. Vladivostok, 03-04 Okt. 2018.
5. Aglyamova RA. Development of a set of measures to optimize electricity consumption for the station's own needs. Proceedings of the 20th postgraduate-master's seminar dedicated to the Power Engineer Day, under total. ed. Rector of KSPEU E.Yu. Abdullazyanova. December 6-7,
2016. Kazan: KSPEU, 2017;1:3-4.
6. Khrustalev VA, Garievskii MV, Lazarev GB On the efficiency of variable frequency drives of the main circulating pumps of nuclear power plants with water-cooled (VVER) and fast neutron reactors (BN). Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2018;1111(1):012028.
7. Lazarev GB. Frequency-controlled electric drive of pumping and ventilating installations of ventilating installations is an effective technology of energy and resource saving at thermal power plants. Power electronics. 2007;3:41-48.
8. Kirillov MV, Safronov PG. Method for calculating the efficiency of converters of frequency of rotation of motors of centrifugal pumps of TPP. Industrial energy. 2013;1:17-20.
9. Medvedev VN. Technological relevance and assessment of the effectiveness of the introduction of controlled electric drives at the facilities of a thermal power plant. Bulletin of ISEU. Ivanovo: FSBEI HPE «ISEU». 2012;6:109-114.
10. Kashirskikh VG, Nesterovsky AV, Noskov AP. The structure of the information and computing complex for asynchronous electric drives. Bulletin of KuzGTU. 2012;4:139-141.
11. Treshcheva M. et al. The potential for reducing TPP water consumption through the use of heatpumps.E3S Web of Conferences. EDP Sciences.2019;140:11001.
12. Methodical recommendations for the development of ACS by the operating mode of pumping stations. Access mode:http://www.keb-privod.ru. Date of access:11.16.2021.
13. Leznov BS. Frequency-controlled electric drive of pumping units.M.: Mashinostroenie, 2013. 176 p.
14. Zenovich-Leshkevich-Olpinsky YuA, Osipov YuS, Telyuk EL. The use of an adjustable electric drive on a circulation pump to improve the efficiency of technical water supply systems for thermal power plants. Energy and Management. 2017;4 (97):11-19.
15. Kanyuk GI, Mezerya AYu. and others. Energy-saving management and improving the technical and economic efficiency of pumping units of thermal and nuclear power plants. East European Journal of Advanced Technologies. 2012;3/8 (57):58-62.
16. Zenovich-Leshkevich-OlpinskyYuA. Introduction of an adjustable electric drive on a circulation pump to improve the efficiency of technical water supply systems for thermal power plants. YuA. Zenovich-Leshkevich-Olpinsky. Collection of materials of the III All-Russian scientific-practical conference «Energy and energy saving: theory and practice», December 13-15,
2017. Kemerovo: KuzGTU, 2017. Section 1. Heat power engineering. 128-1.
17. Panasetsky D. Simplified variable frequency induction-motor drive model for power
system stability studies and control. IFAC-Papersonline. 2016;49(47):451-456.
18. Zenovich-Leshkevich-Olpinsky YuA, Osipov YuS, Telyuk EL. Efficiency of using a controlled electric drive on a circulation pump under various operating modes of the CHPP equipment. Energy and Management. 2017;5 (98):21-25.
Authors of the publication
Yuri A. Zenovich-Leshkevich-Olpinsky - Gomel CHP-2 branch of the RUE Gomelenergo. Nikolay B. Karnitskiy - Belarusian National Technical University.
Получено 07.12.2021 г.
Отредактировано 21.12.2021 г.
Принято 10.01.2022 г.
