Автоматическое управление подогревателем низкого давления системы регенерации тепловой электростанции

Автор: Илюк И. Б., Федюн Р. В.
Источник: Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых. Сборник научных трудов ХVII научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке – Донецк, ДонНТУ, 2020.

Регенеративный подогрев питательной воды и основного конденсата является важнейшим методом повышения эффективности и экономичности современных тепловых электрических станций (ТЭС). При этом основной конденсат - это поток конденсата рабочего пара от конденсатора до деаэратора, а питательная вода - поток от деаэратора до котла (парогенератора) [1].

Для регенеративного подогрева используется греющий пар, отработавший в турбине. В зависимости от начальных параметров острого пара и количества его отборов на регенерацию, повышение КПД турбины за счет регенеративного подогрева конденсата (питательной воды) может составлять от 10 до 15%. Таким образом, регенеративный подогрев воды уменьшает потери тепловой энергии с отработавшим паром в конденсаторе турбоустановки [1,2].

Система регенеративного подогрева питательной воды тепловой электростанции (ТЭС), как правило, включает не менее 8-10 ступеней подогрева: 3 подогревателя высокого давления (ПВД-6,7,8), деаэратор (Д), 4 подогревателя низкого давления (ПНД-1,2,3,4) и теплообменник пара сальниковых уплотнений, утилизирующего теплоту пара из сальниковых уплотнений турбины на подогрев питательной воды.

Отвод дренажа (конденсата) от подогревателей высокого давления каскадный с окончательным сливом дренажа в деаэратор. Отвод дренажа (конденсата) из подогревателей низкого давления комбинированный: каскадный со сливным насосом в главную линию конденсата от ПНД-2.

Таким образом, основным технологическим элементом системы регенерации турбины является подогреватель питательной воды. В данной работе в качестве объекта управления рассматривается подогреватель низкого давления ПНД-2 (например, ПН-400-26-7-II) схема которого приведена на рисунке 1.

Несмотря на принятое разделение, что основной конденсат - это поток конденсата рабочего пара от конденсатора до деаэратора, а питательная вода - поток конденсата рабочего пара от деаэратора до котла, в дальнейшем для упрощения изложения оба этих потока будут называться питательной водой.

Согласно типовой тепловой схемы турбины ТЭС, в подогреватель низкого давления ПНД-2 подается: питательная вода от предыдущего подогревателя ПНД-1, греющий пар от турбины и внешний конденсат от следующего подогревателя ПНД-3 (рис.1). Из рассматриваемого подогревателя низкого давления ПНД-2 (рис.1) отводится нагретая до заданной температуры питательная вода (направляется в следующий подогреватель ПНД-3) и конденсат, который при помощи сливного насоса СН подается на вход подачи питательной воды следующего подогревателя низкого давления ПНД-3 (рис.1).

Для изменения величины (расхода) технологических потоков используются регулирующие клапаны – регулирующий клапан греющего пара РКП и регулирующий клапан конденсата РКК (рис.1). Для возможности подачи питательной воды в обход рассматриваемого подогревателя ПНД-2 существует обводная линия, включение и отключение которой осуществляется клапаном питательной воды КПВ (рис.1).

Управление расходом конденсата, отводимого из данного подогревателя ПНД-2, возможно как за счет изменения положения регулирующего клапана РКК, так и за счет изменения подачи сливного насоса СН (рис.1).

Рассмотренные выше особенности подогревателя низкого давления ПНД-2, а также анализ его технических параметров и характеристик позволили сформировать схему его материальных потоков, которая приведена на рис.2, а также схему информационных переменных, которая приведена на рис.3.

Рисунок 1 – Укрупненная технологическая схема подогревателя низкого давления ПНД-2 системы регенерации турбины ТЭС

Рисунок 2 – Схема материальных потоков подогревателя низкого давления ТЭС

Рисунок 3 – Схема информационных переменных подогревателя низкого давления ТЭС

Основными управляемыми переменными подогревателя низкого давления ПНД-2 ТЭС, которые полностью характеризуют процесс подогрева питательной воды, являются (рис.3):
– температура питательной воды на выходе подогревателя t_ПВ;
– уровень конденсата в подогревателе h_К.

Для достижения, поддержания или необходимого изменения управляемых переменных в разрабатываемой САУ подогревателем низкого давления ТЭС, согласно рис.3, применяются следующие управляющие воздействия:
– расход греющего пара, подаваемого в подогреватель G_П;
– расход конденсата, отводимого из подогревателя G_К.

Требуемое изменение перечисленных управляющих воздействий достигается за счет использования исполнительных механизмов с регулирующими органами – управляемых клапанов РКП и РКК, которые установлены на соответствующих подающих трубопроводах (рис.1). Для изменения расхода конденсата, отводимого из подогревателя, может применяться регулирующий клапан РКК или сливной насос СН (рис.1).

Основным возмущающим воздействием, которое оказывает существенное влияние на температуру питательной воды на выходе подогревателя t_ПВ является расход питательной воды G_ПВ, который может изменяться, в достаточно широких пределах, в зависимости от текущей нагрузки на турбину. Кроме этого возмущения, на процесс подогрева питательной воды и ее температуру t_ПВ оказывают влияние следующие возмущения: температура питательной воды на входе в подогреватель t_ПВВ; температура греющего пара t_П. Эти возмущения не оказывают существенного влияния на рассматриваемую управляемую переменную t_ПВ, так как они изменяются в достаточно узком диапазоне за счет их стабилизации другими САУ.

Основными возмущающими воздействиями, которые оказывают существенное влияние на уровень конденсата в подогревателе h_К являются расход подводимого внешнего конденсата G_КВ, расход греющего пара, подаваемого в подогреватель G_П и расход питательной воды G_ПВ, которые изменяются в достаточно широких пределах, в зависимости от текущей нагрузки на турбину. Кроме этих возмущений, на уровень конденсата в подогревателе h_К оказывают влияние следующие возмущения: температура питательной воды на входе в подогреватель t_ПВВ; температура греющего пара t_П, температура конденсата в подогревателе t_К. Эти возмущения не оказывают существенного влияния на управляемую переменную – уровень конденсата h_К, так как они изменяются в достаточно узком диапазоне.

Из выполненного выше анализа подогревателя низкого давления как объекта управления следует, что для получения требуемого качества управления необходима следующая реализация САУ данным объектом:
- для САУ температурой питательной воды t_ПВ выбрана каскадная двухконтурная структура САУ, с внутренним контуром управления расходом греющего пара G_П и внешним контуром управления температурой питательной воды t_ПВ;
- для САУ уровнем конденсата h_К выбрана каскадная двухконтурная структура САУ, с внутренним контуром управления расходом конденсата, отводимого из подогревателя G_К и внешним контуром управления уровнем конденсата h_К.

Таким образом, с учетом проведенного выше анализа, предложена укрупненная структурная схема концепции построения САУ подогревателем низкого давления системы регенерации ТЭС, которая приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Укрупненная структурная схема концепции построения САУ

К стабильности температуры питательной воды на выходе подогревателя низкого давления ПНД-2 предъявляются достаточно жесткие требования – от этого зависит эффективность дальнейших этапов регенеративного подогрева питательной воды и всей системы регенерации ТЭС в целом. Поэтому САУ температурой питательной воды t_ПВ реализована по каскадной двухконтурной схеме стабилизации выходной температуры воды при влиянии основного возмущения – расхода питательной воды G_ПВ (рис.4). Внутренний контур управления расходом греющего пара G_П (рис.4) необходим для повышения точности процесса управления. Алгоритм управления в САУ температурой питательной воды t_ПВ реализуется двумя регуляторами – внешним регулятором температуры питательной воды РТ и внутренним регулятором расхода греющего пара РРП (рис.4).

САУ уровнем конденсата h_К также реализована по каскадной двухконтурной схеме стабилизации уровня конденсата h_К при влиянии основных возмущений – расхода греющего пара G_П, расхода подводимого внешнего конденсата G_КВ, расхода питательной воды G_ПВ (рис.4). Внутренний контур управления расходом конденсата G_К (рис.4) необходим для повышения точности и уменьшения инерционности процесса управления. Алгоритм управления в рассматриваемой САУ уровнем конденсата h_К реализуется двумя регуляторами – внешним регулятором уровня конденсата РУ и внутренним регулятором расхода конденсата РРК (рис.4).

Таким образом, в статье предложена, обоснована и разработана концепция системы автоматического управления подогревателем низкого давления системы регенерации турбины ТЭС. На основании выполненного анализа существующих принципов построения систем автоматического регулирования, их особенностей, достоинств и недостатков было принято решение об использовании каскадной структуры САУ, как наиболее подходящей для решения поставленной задачи автоматизации рассматриваемого подогревателя системы регенерации по основным каналам управления.

Перечень ссылок

1. Елизаров, Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций / Д.П. Елизаров. - М.: Энергоиздат, 1982. –264 с.

2. Назмеев, Ю.Г. Теплообменные аппараты ТЭС / Ю.Г. Назмеев, В.М. Лавыгин. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 260с.