автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Выбор оптимальных режимов эксплуатации энергоблоков ПГУ при участии их в регулировании мощности энергосистемы

на правах рукописи

Сахаров Константин Валерьевич

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОБЛОКОВ ПГУ ПРИ УЧАСТИИ ИХ В РЕГУЛИРОВАНИИ МОЩНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Специальность

05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям: энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Москва-2013 г.

005538766

005538766

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском университете «МЭИ» на кафедре Автоматизированных систем управления тепловыми процессами.

Защита состоится «11 » декабря 2013г. в 16 час 00 мин. в аудитории На заседании диссертационного совета Д 212. 157.14 при ФГБОУ ВПО «Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., дом 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского университета «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан: «8» ноября 2013г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

кафедры Автоматизированных

систем управления тепловыми процессами

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», г.Москва

Аракелян Эдик Койрунович

доктор технических наук, генеральный

директор ЗАО "Тренажеры для

электростанций", г.Москва

Рубашкин Александр Самуилович

кандидат технических наук, заместитель

технического директора дирекции по

строительству ТЭЦ-12 ТЭК «Мосэнерго» ,

г. Москва -

Тарасов Дмитрий Викторович

ОАО «Фирма ОРГРЭС» г. Москва.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.14 к.т.н., доцент

Зверьков В.П.

оборудования, дополнительному пуску остановленных газовой турбины и котла-утилизатора при последующем увеличении нагрузки и, соответственно, к дополнительным потерям топлива.

Именно поэтому работы по исследованию и оптимизации эксплуатационных режимов 111 У при ее работе на пониженных нагрузках с целью расширения регулировочного диапазона и повышения надежности работы паровой турбины являются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.

Степень разработанности темы исследования.

Для выбранных при выполнении исследования условий и критериев оптимизации тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, исследования предлагаемого способа расширения регулировочного диапазона проведены применительно к мощным двухвальным ПГУ-450, широко внедряемым в отечественной энергетике. Исследование температурного состояния группы ступеней ЦВД на базе усовершенствованной модели при их работе в малопаровых режимах проведено для паровой турбины Т-150 указанной ПГУ, что позволило выбрать оптимальную схему подачи охлаждающего пара в турбину. Наличие нескольких возможностей реализации модернизации тепловой схемы ПГУ для осуществления предлагаемого режима работы ПГУ позволило поставить и решить задачи технической и экономической целесообразности их применения и предложить систему автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД при работе их в малопаровом режиме, что определяет глубину разработанности темы исследований.

Дели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме, разработка и оптимизация систем охлаждения и регулирования температуры части ступеней ЦВД, работающих в этом режиме.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- анализ работы ПГУ в режимах регулирования нагрузки и выявление основных ограничений регулировочного диапазона;

- моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме;

- выбор оптимальной схемы охлаждения ступеней части ЦВД при их работе в малопаровом режиме;

- разработка автоматической системы регулирования температурного состояния проточной части ЦВД паровой турбины при ее работе в малопаровом режиме;

- выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т при работе части высокого давления ЦВД паровой турбины в малопаровом режиме;

- оценка эффективности внедрения малопарового режима ЦВД на ПГУ-

450Т.

Для реализации задач исследования необходимо:

- проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему оптимального управления режимами работы ill У на пониженных нагрузках;

- разработка и обоснование технологии расширения регулировочного диапазона при работе ПГУ в режимах регулирования нагрузки;

- усовершенствование модели работы ступени и группы ступеней паровой турбины в малопаровых и беспаровых режимах;

- проведение исследований температурного состояния лопаток турбины в малопаровых режимах и разработка оптимальной схемы подачи охлаждающего пара в турбину;

- разработка системы автоматического регулирования температуры ступеней при работе их в малопаровых режимах;

- разработка оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ.

Научная новизна.

1.Предложен режим работы ПГУ-450Т с переводом части ступеней ЦВД паровой турбины Т-125/150 в малопаровой режим с прекращением подачи пара высокого давления в ЦВД со снижением общей нагрузки ПГУ и расширением регулировочного диапазона ПГУ.

2.У совершенствована модель ступени и группы ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровых режимах с целью исследования их температурного состояния с учетом конструктивных особенностей турбины Т-150.

3.Впервые получены данные по температурному состоянию ступеней ЦВД турбины Т-150, работающих в беспаровом и малопаровом режимах при прямоточной и противоточной схемах подачи охлаждающего пара, на основе которых выбрана оптимальная схема подачи и параметры охлаждающего пара.

4.Разработана система автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровом режиме, и управления ею с целью обеспечения требуемой температуры ступеней при выходе ЦВД из этого режима.

5.Проведен выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т с экономической и технологической точек зрения, разработана методика расчета изменения затрат на ПГУ в указанном режиме, определены границы расширения регулировочного диапазона и временной интервал экономической целесообразности применения предложенного режима.

Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволяет определить влияние расхода и параметров охлаждающего пара на температурное состояние лопаток ЦВД при их работе в малопаровом режиме и научно обосновать схему ее подачи в паровую турбину.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- подтверждена возможность использования малопарового режима части ЦВД паровой турбины как способа расширения регулировочного диапазона ПГУ;

- получены расчетные выражения для оценки температуры ступеней ЦВД при их работе в малопаровом режиме, с помощью которых впервые получены

Рисунок 1 - Расходные характеристики ПГУ-450Т

Во второй главе приведено описание паровой турбины Т-125/150-7,4 энергоблока ПГУ-450Т, которая представляет собой одновальный двухцилиндровый агрегат, состоящий из цилиндра высокого и низкого давлений (ЦВД и ЦНД). Из каждого контура котлов-утилизаторов пар поступает к двум блокам клапанов: стопорного (СК) и регулирующего (РК) в каждом блоке. ЦВД турбины выполнен двухпоточным, двухкорпусным с петлевой схемой течения пара и имеет 20 ступеней давления. Внутренний корпус объединяет 8 ступеней, диафрагмы остальных ступеней установлены в обоймах.

Отмечено, что работа группы ступеней в малопаровом режиме - глубоко нерасчетный режим, имеющий следующие особенности:

- из-за небольшого расхода пара и незначительного падения его давления отсутствует расширение пара в ступенях турбины и они находятся в режиме холостого вращения;

- неизбежные потери мощности при холостом вращении ступени на трение, вентиляцию и др. при отсутствии охлаждающего пара приводят к разогреву пара и металла ступени;

- потери тепла в окружающую среду через внешние поверхности корпуса турбины, как правило игнорируемые при расчетах ступеней турбины в расчетных режимах из-за их малости (по сравнению с количеством тепла потока пара через ступень), в малопаровых режимах сопоставимы с потерями тепла на трение и вентиляцию (особенно для ступеней ЦВД) и могут влиять на температурное состояние металла направляющих лопаток и корпуса.

На основе этих факторов проведено уточнение математических моделей ступени и группы ступеней, работающих в малопаровых режимах с целью исследования их температурного состояния с учетом следующих конструктивных особенностей рассматриваемой турбины Т-150 и схем организации подачи и удаления охлаждающего пара:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»_

на правах рукописи

04201365388

Сахаров Константин Валерьевич

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОБЛОКОВ ПГУ ПРИ УЧАСТИИ ИХ В РЕГУЛИРОВАНИИ

МОЩНОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Специальность

05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям: энергетика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, проф. АРАКЕЛЯН Э.К.

МОСКВА 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

Глава 1 Обзор технической литературы по проблеме управления режимами работы ПГУ большой мощности на пониженных нагрузках.....................12

1.1. Общие положения по современному состоянию внедрения ПГУ в российской энергетике...................................................................................12

1.2. Анализ режимов работы ПГУ в режимах регулирования нагрузки..........15

1.3. Выводы по главе..............................................................................................27

Глава 2 Исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой

турбины Т-125/150 ПГУ-450 при работе ее в малопаровом (моторном) режиме..............................................................................................................29

2.1. Общие положения...........................................................................................29

2.2. Описание объекта исследования...................................................................31

2.3. Математическая модель ступени и группы ступеней ЦВД паровой турбины Т-150 при их работе в малопаровом (моторном) режимах.........................35

2.4. Выводы по главе..............................................................................................48

Глава 3 Исследование температурного состояния ЦВД в малопаровых режимах

и выбор оптимальной схемы охлаждения....................................................49

3.1. Исследование температурного состояния при прямоточной схеме подачи охлаждающего пара........................................................................................49

3.2. Исследование температурного состояния при противоточной схеме подачи охлаждающего пара........................................................................................58

3.3. Выбор оптимальной схемы подачи и параметров охлаждающего пара... 72

3.4. Выводы по главе..............................................................................................74

Глава 4 Разработка автоматической системы регулирования и управления

температурным состоянием проточной части ЦВД турбины....................75

4.1. Разработка функциональной схемы АСР температурного состояния проточной части ЦВД турбины.....................................................................75

4.2. Разработка модели объекта управления.......................................................76

4.3. Выводы по главе..............................................................................................80

Глава 5 Выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т при работе части высокого давления ЦВД паровой турбины в малопаровом (моторном) режиме.........................................................................................81

5.1. Общие положения...........................................................................................81

5.2. Выбор технологической схемы организации малопарового режима и оптимальной схемы использования пара высокого давления....................82

5.2.1. Формирование тепловой схемы и исходных данных для расчета.............82

5.2.2. Составление экономико-математической модели паротурбинной установки 90

5.3. Оценка эффективности внедрения малопарового режима ЦВД на ПГУ- 450

Т 95

5.4. Выводы по главе..............................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................99

Список литературы.................................................................................................102

Приложение 1..........................................................................................................107

1.1. Построение границы области требуемого запаса устойчивости для системы с ПИ-регулятором по корневому показателю............................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется развитием высокоэффективных технологий на базе парогазовых установок (ПГУ) с КПД до 50-51 % в конденсационном цикле и до 75 — 78% в теплофикационном цикле.

Привлекательными особенностями ПГУ, помимо высоких КПД, являются умеренная удельная стоимость (в 1,5-2 раза ниже, чем у паровых энергоблоков близкой мощности), возможность сооружения за короткое (два года) время, вдвое меньшая потребность в охлаждающей воде, хорошая маневренность. С учетом всех достоинств ПГУ наиболее важной задачей для отечественной энергетики является перевод многочисленных паровых электростанций, работающих в основном на природном газе, в парогазовые.

При создании АСУ станций, в которых, помимо традиционных паротурбинных блоков, присутствуют ПГУ, необходимо разрабатывать новые методики оптимального управления режимами работы станции с точки зрения минимизации затрат на топливо при покрытии заданных, и как правило переменных, графиков электрической и тепловой нагрузки, которые бы учитывали особенности работы ПГУ. Необходимым условием при этом является выбор режимов работы оборудования самой ПГУ. Дело в том, что при работе ПГУ на пониженных нагрузках в пределах регулировочного диапазона электрической нагрузки ПГУ, как в теплофикационном, так и конденсационном режимах ее работы имеют место ограничения этого диапазона по газовой турбине, по котлу-утилизатору и паровой турбине. Кроме того, при пониженных нагрузках немаловажное значение при выборе оптимального режима играют и экономический, и экологический факторы.

Под техническим диапазоном понимается диапазон электрических нагрузок от максимального значения при полном составе основного оборудования до минимально допустимого значения электрической мощности блока по техническим возможностям минимального количества работающего основного оборудования. Технический диапазон электрических нагрузок ПГУ-450

составляет 0 - 100 %, т.е. от холостого хода одной ГТУ до номинальной нагрузки блока при текущих значениях температуры и давления атмосферного воздуха.

Под регулировочным диапазоном электрических нагрузок энергоблока ПГУ понимается диапазон нагрузок, который обеспечивается без изменения количества работающего основного оборудования. Регулировочный диапазон электрических нагрузок ПГУ-450 условно можно разбить на два поддиапазона — при работе двух ГТУ и при работе одной ГТУ. В обоих поддиапазонах регулировочные диапазоны нагрузок определяются допустимыми границами изменения параметров рабочих сред, вне которых эксплуатация оборудования не допускается. Отличительной особенностью ПГУ является то, что регулировочный диапазон электрической нагрузки - переменная величина, зависящая от температуры наружного воздуха и режима работы блока (конденсационный или теплофикационный).

Главным ограничением для регулировочного диапазона работы паровой турбины ПГУ-450 является температура пара высокого давления. По техническим условиям завода-изготовителя длительная эксплуатация паровой турбины Т-150 при температуре пара ниже 440°С не допускается. Это ограничение обусловлено тем, что уменьшение температуры пара ниже этой величины приводит к некоторому увеличению конечной влажности в зоне последних ступеней цилиндра низкого давления паровой турбины и, как следствие, к повышенному эрозионному износу рабочих лопаток и снижению надежности турбоустановки. Такая температура достигается при нагрузке ГТУ 30 - 40% в диапазоне изменения температуры наружного воздуха соответственно от +30 до -2°С и при 45%-ной -от-2 до -19°С [36].

В условиях эксплуатации во избежание работы паровой турбины в режиме с пониженной температурой приходится либо останавливать паровую турбину, что означает останов всего блока, либо переводить блок в режим работы с неполным составом оборудования, что приводит к простою технологического оборудования, дополнительному пуску остановленных газовой турбины и котла-утилизатора при последующем увеличении нагрузки и, соответственно, к дополнительным

потерям топлива. Кроме того, как видно из приведенных цифр, при разгружении блока с полным составом оборудования в интервале от 55 - 60% до 50% появляется недопустимая зона работы блока, что создает определенные сложности для диспетчерского управления и эксплуатационного персонала.

Именно поэтому работы по исследованию эксплуатационных режимов ПГУ при ее работе на пониженных нагрузках(от 60 % и ниже) с целью расширения регулировочного диапазона являются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.

Степень разработанности темы исследования.

Для выбранных при выполнении исследования условий и критериев оптимизации тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, исследования предлагаемого способа расширения регулировочного диапазона проведены применительно к мощным двухвальным ПГУ-450, широко внедряемым в отечественной энергетике. Исследование температурного состояния группы ступеней ЦВД на базе усовершенствованной модели при их работе в малопаровых режимах проведено для паровой турбины Т-150 указанной ПГУ, что позволило выбрать оптимальную схему подачи охлаждающего пара в турбину. Наличие нескольких возможностей реализации модернизации тепловой схемы ПГУ для осуществления предлагаемого режима работы ПГУ позволило поставить и решить задачи технической и экономической целесообразности их применения и предложить систему автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД при работе их в малопаровом режиме, что определяет глубину разработанности темы исследований.

Целн и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме, разработка и оптимизация систем охлаждения и регулирования температуры части ступеней ЦВД, работающих в этом режиме.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. анализ работы ПГУ в режимах регулирования нагрузки и выявление

основных ограничений регулировочного диапазона;

2. моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме;

3. выбор оптимальной схемы охлаждения ступеней части ЦВД при их работе в малопаровом режиме;

4. разработка автоматической системы регулирования температурного состояния проточной части ЦВД паровой турбины при ее работе в малопаровом режиме;

5. выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т при работе части высокого давления ЦВД паровой турбины в малопаровом режиме;

6. оценка эффективности внедрения малопарового режима ЦВД на ПГУ-

450Т.

Для реализации задач исследования необходимо:

— проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему оптимального управления режимами работы ПГУ на пониженных нагрузках;

— разработка и обоснование технологии расширения регулировочного диапазона при работе ПГУ в режимах регулирования нагрузки;

— усовершенствование модели работы ступени и группы ступеней паровой турбины в малопаровых и беспаровых режимах;

— проведение исследований температурного состояния лопаток турбины в малопаровых режимах и разработка оптимальной схемы подачи охлаждающего пара в турбину;

— разработка системы автоматического регулирования температуры ступеней при работе их в малопаровых режимах;

— разработка оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ. Научная новизна.

1.Предложен режим работы ПГУ-450Т с переводом части ступеней ЦВД паровой турбины Т-125/150 в малопаровой режим с прекращением подачи пара

высокого давления в ЦВД со снижением общей нагрузки ПГУ и расширением регулировочного диапазона ПГУ.

2.Усовершенствована модель ступени и группы ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровых режимах с целью исследования их температурного состояния с учетом конструктивных особенностей турбины Т-150.

3.Впервые получены данные по температурному состоянию ступеней ЦВД турбины Т-150, работающих в беспаровом и малопаровом режимах при прямоточной и противоточной схемах подачи охлаждающего пара, на основе которых выбрана оптимальная схема подачи и параметры охлаждающего пара.

4.Разработана система автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровом режиме, и управления ею с целью обеспечения требуемой температуры ступеней при выходе ЦВД из этого режима.

5.Проведен выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т с экономической и технологической точек зрения, разработана методика расчета изменения затрат на ПГУ в указанном режиме, определены границы расширения регулировочного диапазона и временной интервал экономической целесообразности применения предложенного режима.

Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволяет определить влияние расхода и параметров охлаждающего пара на температурное состояние лопаток ЦВД при их работе в малопаровом режиме и научно обосновать схему ее подачи в паровую турбину.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

— подтверждена возможность использования малопарового режима части

ЦВД паровой турбины как способа расширения регулировочного диапазона

ПГУ;

— получены расчетные выражения для оценки температуры ступеней ЦВД

при их работе в малопаровом режиме, с помощью которых впервые

получены данные о температурном состоянии ступеней ЦВД в указанном режиме при прямоточном и противоточном движении охлаждающего пара;

- разработаны для практического применения технологические схемы работы ПГУ в данном режиме, из их числа предложена оптимальная тепловая схема как с технологической, так и с экономической точек зрения, предложены методика их расчета и система автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД;

- показана экономическая целесообразность перевода части ЦВД в малопаровой режим - до 4 часов при использовании предложенной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ.

Методология и методы исследования.

При выполнении данного исследования применены общенаучные теоретические методы исследования. Теоретические методы, использованные в работе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ. Положения, выносимые на защиту:

- схема перевода части ступеней ЦВД паровой турбины в малопаровой режим с прекращением подачи пара высокого давления в ЦВД турбины;

- математическая модель работы ступени и группы ступеней паровой турбины в малопровых и беспаровых режимах;

- алгоритмы расчета температурного состояния ступени и группы ступеней ЦВД при их работе в малопаровом режимах;

- полученные при проведении исследования результаты температурного состояния ступеней ЦВД при их работе в малопаровых режимах при прямоточном и противоточном движении охлаждающего пара;

- алгоритмы регулирования и управления температурным состоянием проточной части ЦВД при работе части лопаток в малопаровом режиме. Апробация результатов.

Результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 16-й международной научно-технической студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Москва, 25 -

26 февраля 2010 года; на научном семинаре кафедры АСУТП НИУ «МЭИ» в мае 2013 года; на заседании кафедры АСУТП НИУ «МЭИ» в октябре 2013 года.

Степень достоверности результатов исследования подтверждена корректным использованием методов математического моделирования, применением современного программного комплекса для определения распределения температуры пара по ступеням турбины.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 3 научные работы, отражающие основные результаты работы, из них 2 публикации - в журнале из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 38 наименований. Работа содержит 28 рисунков и 17 таблиц. Общий объем диссертации - 106 страниц.

В главе 1 диссертации: приведены общие положения по современному состоянию внедрения ПТУ в российской энергетике, проведен анализ режимов работы ПТУ в режимах регулирования нагрузки, выявлена необходимость проведения работ по расширению регулировочного диапазона ПГУ-450Т.

В главе 2: приведено описание паровой турбины Т-125/150-7,4 энергоблока ПГУ-450Т, на основе предварительных исследований [30] проведено уточнение математической модели ступени и группы ступеней ЦВД, работающих в малопаровых режимах с учетом особенностей турбины с целью исследования их температурного состояния.

В главе 3: проведено исследование температурного состояния ступеней ЦВД, работающих в малопаровых режимах с подачей охлаждающего пара по схемам прямотока и противотока, и произ�