Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

12. Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

1.55 II.1. Elemente de teorie a sistemelor de reglare automată din termoenergetică

1.1.89 II.1.1. Introducere Echipamentele termomecanice din centralele termoelectrice (CTE) sunt proiectate pentru să funcționarea în regimul nominal, caracterizat de stabilitatea în timp a principalilor parametri de funcționare. Există însă situații când acești parametrii variază în timp. Este vorba de procesele tranzitorii care descriu regimurile de „porniri-opriri” (care sunt regimuri normale de exploatare), dar și de variații de sarcină, comandate sau întâmplătoare, mai mult sau mai puțin bruște. în aceste regimuri de exploatare, starea inițială este o stare de echilibru, (starea de repaus sau o sarcină staționară inițială), iar starea finală este tot o stare de echilibru (o sarcină staționară finală prestabilită, sau starea de repaus în cazul opririi). Pentru a obține valorile dorite pentru parametrii de exploatare și a păstra echipamentul în condiții acceptabile în ceea ce privește siguranța în funcționare și fiabilitatea, aceste procese dinamice de dezechilibru sunt controlate (guvernate) de către propriul sistem de reglare.

Figura 2.1 Figura II.1.1 Circuitul termic al CTE cu sistemele de reglare ale echipamentelor componente

Astfel, în fig. II.1.1. se pot observa echipamentele principale din componența CTE: ■ Generatorul de abur (GA), care transformă apa de alimentare pompată de către pompa de alimentare (PA) din degazor (D) cu ajutorul căldurii degajate de arderea debitului de combustibil (B) în prezența debitului de aer comburant (A), este controlat de către regulatorul RGA- Acesta primește ca semnale mărimile măsurate ale presiunii și temperaturii aburului viu, elaborând comenzi de modificare pentru debitul de combustibil, de aer și de apă de alimentare. ■ Turbina cu abur (TA), transformă energia potențială a aburului în energie mecanică, care este apoi convertită în energie electrică în generatorul electric antrenat (GE). Regulatorul turbinei (RTA)

210

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

comandă încărcarea mașinii prin acționarea ventilelor de reglare (VR), pe baza informațiilor primite de la senzorii de turație și putere. ■ Regulatorul degazorului (RD) menține constant nivelul apei prin acționarea motorului de antrenare a pompei de alimentare (PA). Există sisteme de reglare și pentru fiecare preîncălzitor de joasă (PJP) sau înaltă (PIP) presiune, ca și pentru partea rece a ciclului (condensator, pompe de circulație și turn de răcire). Funcțiile acestor sisteme de reglare se interconectează, potrivit relațiilor funcționale dintre echipamente, iar sistemele de reglare ale echipamentelor sunt subordonate sistemului de reglare al grupului energetic, care este condus în schemele modeme de un calculator de proces. De regulă, sistemul de reglare al blocului energetic din centralele termoelectrice prelucrează 3500...5000 semnale, pe când grupurile energetice ale centralelor nuclearoelectrice sunt guvernate de calculatoare de proces (cu rezervă de exploatare 100 %) capabile să mențină sub control până la 100000 mărimi reprezentative de exploatare.

1.56 II.2. Reglarea generatoarelor de abur

1.1.91 II.2.1. Influența schemei termice a centralei în centralele termoelectrice cu abur se utilizează de regulă două scheme de conexiune a echipamentelor principale [1]: 1. Schema cu bare colectoare, prezentată în fig. 11.2.1, care este destinată centralelor electrice de termoficare (CET) în care există livrări de căldură sub formă de abur industrial. Aici numărul de generatoare de abur (GA) este mai mare cu o unitate decât numărul turbinelor cu abur (TA), în scopul creșterii disponibilității centralei, atât pentru sarcina electrică, cât și pentru cea termică. în centrală există mai multe bare colectoare (de ajutor), atât pe partea de apă de alimentare a generatoarelor de abur, cât și pe parte de abur viu sau abur extras la prizele reglabile ale turbinelor la diverse presiuni. în acest fel, o turbină poate funcționa cu abur de la alte generatoare decât cel propriu, iar un consumator de căldură poate fi alimentat din prizele mai multor turbine.

Figura 2.3 Figura II.2.1 Schema cu bare colectoare

2. Schema bloc, caracteristică grupurilor energetice de medie și mare putere destinate producției de electricitate (CTE) sau grupurilor de termoficare urbană, prezentată în figura II.2.2 folosește un singur circuit termic în care apa se transformă în abur în GA, acesta se destinde în TA producând lucru mecanic, iar în condensatorul turbinei aburul se transformă din nou în condensat (apă de alimentare).

211

Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

Figura 2.4 Figura II.2.2 Schema bloc

Instalația de reglare automată a grupului energetic GA-TA-G trebuie să asigure realizarea următoarelor funcții [1]: a) Preluarea variațiilor de sarcină electrică și termică, prin încărcarea corectă a grupului turbogenerator, în funcție de cererea de energie a consumatorilor. În acest scop, fiecare turboagregat este prevăzut cu un regulator (RTi); b) Asigurarea debitelor de abur necesare alimentării turbinelor. Egalitatea dintre debitele produse de GA și cele consumate de TA este monitorizată prin măsurarea continuă a presiunii aburului pe conducta GA-TA; c) Asigurarea calității aburului viu. Fiecare GA are un regulator propriu Roi, care reglează, printre altele presiunea și temperatura aburului viu; d) Repartizarea corectă a debitului de abur între GA (fig. II.2.1) este apanajul regulatorului general RQ. e) Asigurarea combustiei corecte, prin regulatorul RGi. f) Asigurarea calității energiei electrice (frecvență, tensiune) și a celei termice (presiune), care se face prin acțiunea regulatorului RTi; în schema bloc există aceleași elemente ca și în schema cu bare colectoare, cu excepția regulatorului general al generatoarelor de abur, care aici nu-și mai are rostul. în cazul blocului energetic, presiunea aburului viu se menține constantă prin reglarea debitului de combustibil B, sau a poziției ventilului de reglare yVR. A doua mărime reglată este puterea (sau turația) grupului, prin acțiunea asupra debitului de abur, sau direct asupra debitului de combustibil.

1.1.92 II.2.2. Stabilirea circuitelor care intervin la reglarea automată a generatorului de abur Se consideră un generator de abur cu circulație naturală, a cărui alcătuire funcțională este prezentată în figura II.2.3. în figură sunt reliefate principalele fluxuri de masă și energie de la nivelul generatorului de abur.

212

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

Figura 2.5 Figura 11.23. Schema funcțională a generatorului de abur

Elementele componente ale schemei sunt următoarele:

• SV- sistemul vaporizator; • SI - supraîncălzitorul de abur; • ECO - economizorul; • PA - preîncălzitorul de aer; • B - debitul de combustibil; • A - debitul de aer necesar arderii; • G - debitul de gaze de ardere; • w - debitul de apă de alimentare; • wp - debitul de puijă; • winj - debitul de apă de injecție; • D - debitul de abur. În regim staționar este necesară satisfacerea următoarelor condiții tehnice: 1. Egalitatea dintre debitul de abur produs D și cel consumat de turbină Dt. D = Dt (II.2.1) Mărimea reglată prin această condiție este presiunea aburului viu la ieșirea din generatorul de abur. 2. Menținerea constantă a parametrilor aburului la ieșirea din generatorul de abur. p = ct.; t = ct. (II.2.2) Pentru restabilirea presiunii se acționează asupra D și Dt iar pentru restabilirea temperaturii se acționează asupra debitului de apă de injecție winj 3. Egalitatea dintre căldura preluată de agentul apă-abur în sistemul vaporizator și căldura dezvoltată prin ardere în focar. Q1 = K1 B - Qpierderi (II.2.3)

Cum Q1 ≈ D, se poate scrie D ≅ K2 B. Cu alte cuvinte, prin acțiunea asupra debitului de combustibil B, se obține variația debitului de abur D. Dar, variind debitul D, în condiția D, = const., presiunea aburului variază și ea, rezultând că este suficient a se acționa asupra debitului de combustibil B pentru a se păstra egalitatea de mai sus. Deci, p → B. 4. Asigurarea unei combustii cât mai bune se realizează prin menținerea unui raport corect „aer-combustibil”. A = K3 B (II.2.4)

Acest lucru se realizează prin acțiunea B → A, dar B a fost deja comandat de către p, ceea ce implică p → A. 5. Egalitatea dintre debitul de gaze de ardere produse în focar prin arderea combustibilului și cel evacuat din cazan G. G = K4 A (II.2.5)

în acest caz, mărimea reglată este depresiunea din focar h → G, iar variația acesteia se obține prin acționarea asupra ventilatorului de gaze. 6. Egalitatea dintre debitul de apă de alimentare și suma debitelor de abur și de purjă w = D + wp (II.2.6) cu păstrarea nivelului în tambur (H = const.). în acest scop se adoptă următoarea schemă de reglare: D → w; H → w sau D + H → w.

213

Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

7. Păstrarea salinității apei de cazan în limita admisă Sal = const. (II.2.7)

prin acționarea debitului de purjă continuă (Sal → wp). Dar cum salinitatea depinde de D și w, se poate recurge la schema complexă D + Sal → wp. în concluzie:

p sau B → A; h → G; D + H → w; t → winj ; D + Sal → wp.

Aceste relații reprezintă baza pentru circuitele de reglare ale generatorului de abur. în figura II.2.4 sunt reprezentate buclele de reglare ale unui generator de abur cu circulație naturală.

Figura 2.6 Figura 11.2,4 Sistemul de reglare a sarcinii a unui cazan cu circulație naturală

1.1.93 II.2.3. Reglarea debitului de abur viu După cum am subliniat în paragraful următor, debitul de abur produs de cazan este proporțional cu debitul de combustibil ars, potrivit ecuației de bilanț:

(II.2.8)

unde: ηga - randamentul generatorului de abur; Qii - puterea calorifică inferioară a combustibilului; h0,hal - entalpia aburului viu, respectiv a apei de alimentare. Rezultă că, acționând asupra debitului de combustibil B, se obține variația debitului de abur D. Această corelație depinde mărimea de numită în continuare puterea de foc (QF): QF = B Qii (II.2.9) În figura II.2.5 este reprezentat răspunsul tranzitoriu al QF la un impuls treaptă al intensității focului xF. Se remarcă prezența unui timp mort zm determinat de inerția sistemului de preparare a combustibilului și a instalației de ardere

214

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

Figura 2.7 Figura IL2.S. Dependența puterii de foc de semnalul intensității focului

1.1.94 II.2.3.1. Scheme de reglare a intensității focului Vom prezenta în continuare câteva scheme uzuale utilizate în reglarea intensității focului. a) Scheme de reglare pentru varianta „cu bară colectoare”

În figura II.2.6 este prezentată schema de reglare a intensității focului primară. Regulatorul principal primește ca mărime reglată presiunea p din bara colectoare de abur viu, pe care o compară cu mărimea de referință (consemn) p0.

Figura 2.8 Figura II. 2.6. Schema de reglare a intensității focului primară

Pe baza acestor mărimi, regulatorul elaborează semnalul intensității focului xF, care este transmis regulatoarelor proporționale ale generatoarelor de abur. Repartiția debitelor pe cazane se face în raport cu mărimea de referință D0 a fiecărui cazan în parte. Dacă intervine o perturbație a presiunii aburului viu, sistemul de reglare restabilește echilibrul pe ansamblu, dar nu revine cu parametrii de funcționare la situația inițială.

Figura 2.9 Figura II.2.7. Schema de reglare a intensității focului cu reacție

La schema perfecționată, apare în plus reacția D + dpT/dr, care realizează repartiția corectă a sarcinii între cazane, independent de perturbațiile externe. în plus, aceasta crește performanțele dinamice ale schemei (efect anticipativ), prin aplicarea ca semnal corectiv a derivatei presiunii din tambur pF. Schema este prezentată în fig. II.2.7. b) Scheme de reglare pentru varianta „bloc”

La schemele de tip bloc, atunci când se funcționează după schema „cazanul conduce turbina”, regulatorul turbinei nu acționează asupra ventilelor de reglare, menținând constantă cursa acestora (yVR), iar mărimea reglată este debitul de abur D produs de cazan. În acest caz, reglarea puterii de foc se realizează după schemele din figura II.2.8.

215

Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

Figura 2.10 Figura II.2.8. Reglarea intensității focului pentru scheme bloc în cazul „ cazanul conduce turbina

”

Astfel, în schema a), regulatorul, care poate fi de tip proporțional, proporțional-integral sau proporțional-integral-derivativ, comandă intensitatea focului prin elaborarea semnalului xF și asigură menținerea constantă a presiunii aburului viu p prin compararea cu mărimea de referință p0. Puterea de foc necesară menținerii în limitele dorite a presiunii aburului este determinată de perechea (B, A), respectiv cuplul debitelor de combustibil și aer. În schema b) apar în plus reacțiile D, dpT / dr, care măresc performanțele dinamice ale blocului energetic. În schema bloc cu reglarea intensității focului în raport cu puterea electrică P („turbina conduce cazanul”), presiunea aburului în amonte de turbină se menține constantă cu regulatorul turbinei, iar intensitatea focului este comandată de către regulatorul generatorului de abur care primește ca semnal mărimea puterii electrice și reacția debitului de combustibil, așa cum se vede în figura II.2.9.

Figura 2.11 Figura II.2.9. Reglarea intensității focului pentru scheme bloc în cazul „ turbina conduce

cazanul”

1.1.95 II.2.4. Scheme de reglare a combustiei Ca element reglat, focarul generatorului de abur primește ca mărime de intrare semnalul intensității focului xF, iar ca mărime de ieșire mărimea intensității focului QF și calitatea reglării.

1.1.95.1 II.2.4.I. Reglarea aerului necesar arderii

Pentru a se obține o combustie corectă, atât din punct de vedere cantitativ (Qf), cât și din punct de vedere calitativ (randamente, noxe, etc.), este obligatorie menținerea în anumite limite a raportului între debitul de combustibil și cel de aer. Debitul de aer teoretic (stoichiometric) necesar arderii depinde de tipul combustibilului, puterea calorifică, caracteristicile arzătoarelor și a focarului. Există însă și corelații statistice, ca în relația următoare: At = B (a Qii + b) sau At = B a' Qii (II.2.10) Pentru a se asigura o ardere completă în condiţii reale de exploatare, deci un contact intim între carburant şi comburant, se introduce în focar aer în exces (λ - coeficientul de exces de aer).

A = λ A1 (II.2.11)

216

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

Există două metode pentru controlul aerului de ardere: A) Controlul indirect al arderii (menținerea constantă a raportului aer-combustibil).

În această schemă, prin eliminarea produsului B Qii din relațiile (II.2.8) și (II.2.10) cu înlocuirea în relația (II.2.11) se obține expresia excesului de aer:

(II.2.12) Se constată faptul că, păstrând constant raportul A/D, excesul de aer rămâne și el constant, numai dacă se îndeplinesc condițiile (h0 - hal - const.; ηga = const.).

De regulă, la sarcini parțiale diferite cu mult de cea nominală, nici una din aceste condiții nu se mai respectă, ceea ce înseamnă că păstrarea constantă a raportului A/D nu asigură aerul necesar arderii. Schemele de reglare utilizate în acest caz sunt prezentate în fig. II.2.10...2.12.

Figura 2.12 Figura II.2.10. Scheme simple de reglare indirectă a aerului „ în serie

Figura 2.13 Figura II.2.11. Schemă simplă de reglare indirectă a aerului „ în paralel

Figura 2.14 Figura II.2.12. Schemă complexă de reglare indirectă a aerului

Astfel, în schemele din figura II.2.10, regulatoarele de aer, respectiv de combustibil sunt așezate în serie, primul dintre ele primind semnalul intensității focului și propria reacție, iar următorul primind semnalul celuilalt regulator și propria reacție. în schema paralelă din fig. II.2.11, ambele regulatoare sunt la același nivel, primind concomitent semnalul intensității focului și propria reacție. Schema complexă, prezentată în figura II.2.12 se caracterizează prin prezența unui regulator de raport A/D, care aduce un „feed-back” suplimentar din proces despre influența acestui raport asupra excesului de aer. B) Controlul direct al arderii urmărește calitatea combustiei prin măsurarea directă a concentrației de oxigen din gazele de ardere în schema directă de reglare din figura II.2.13 se remarcă un regulator de ardere care primește mărimea măsurată a conținutului de oxigen din gazele de ardere, o compară cu valoarea de

217

Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

referință O20, și intervine ca o perturbație în intrarea regulatorului de aer. În acest mod, debitul de aer necesar arderii este reglat mult mai aproape de cerințele reale ale procesului de combustie.

Figura 2.15 Figura II.2.13. Schemă de reglare directă a aerului necesar arderii

1.1.95.2 II.2.4.1. Reglarea debitului gazelor de ardere

Ca și în cazul debitului de aer necesar arderii, debitul de gaze de ardere este legat de puterea calorifică a combustibilului: Gl = B (c Qii + d) (II.2.13)

G = Gl + (λ - 1) At (II.2.14) Reglarea debitului de gaze de ardere impune realizarea a două condiții tehnologice: • Evacuarea debitului de gaze de ardere produse; • Păstrarea unei mici depresiuni în focar (3...5 mm coloană apă). Schemele de reglare a debitului de gaze de ardere și a depresiunii din focar sunt prezentate în figura II.2.14.

Figura 2.16 Figura II.2.14. Schemă de reglare debitului gazelor de ardere

În prima schemă (a), se utilizează numai mărimea de comandă a depresiunii în focar h, care se compară cu o mărime de referință h0, rezultând debitul de gaze de ardere G. În cea de-a doua schemă (b), pe lângă semnalele referitoare la depresiune se introduc și derivatele în raport cu timpul ale debitului de aer, respectiv celui de combustibil, îmbunătățindu-se astfel performanțele dinamice ale schemei. Caracteristica ultimei scheme (c) este prezența a două regulatoare, în care debitul de gaze de ardere este reglat în funcție de debitul de aer măsurat A și de un semnal dat de regulatorul depresiunii din focar.

218

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

1.1.96 II.2.5. Scheme de reglare a debitului de apă de alimentare Pentru a se asigura în mod continuu apa necesară vaporizării, a evita lipsa apei din țevile sistemului fierbător sau intrarea apei în supraîncălzitor, este necesară reglarea debitului de apă de alimentare w, cu menținerea nivelului de lichid în tambur în limitele ±0,1 m. În figura II.2.15 este prezentată structura nodului de alimentare a generatorului de abur.

Figura 2.17 Figura II.2.15. Alcătuirea nodului de alimentare

Apa de alimentare este vehiculată de o pompă de alimentare cu turație variabilă (antrenată de o turbină cu abur sau de un motor electric cu cuplă hidraulică), printr-o serie de 2 ventile de reglare, unul principal și celălalt auxiliar. Se pot utiliza trei scheme de reglare, prezentate în figura II.2.16.

a) b) c)

Figura 2.18 Figura IL2.16. Scheme de reglare a debitului apei de alimentare

în varianta a), pompa este de turație constantă, iar variația debitului are loc prin variația secțiunii de trecere prin ventilul V. Pentru a se obține o pierdere de presiune constantă pe nodul de alimentare Apv, se reglează un ventil auxiliar montat în amonte de cel principal (b), sau se variază turația pompei (schema c)), caz în care se poate micșora și consumul de energie al pompei.

1.1.97 II.2.6. Reglarea temperaturii aburului viu Menținerea constantă a temperaturii aburului viu și supraîncălzit intermediar este foarte importantă în exploatarea generatoarelor de abur. Creșterea temperaturii aburului produs de cazan accentuează fenomene nedorite în materialul țevilor supraîncălzitorului, a conductelor de abur spre turbină a conductelor de reglare și a zonei de admisie a turbinei, cum ar fi fluajul sau arderea metalului. Scăderea temperaturii aburului viu poate produce condensarea timpurie a aburului în turbină, respectiv creșterea eroziunii paletajului acesteia. în plus, variația în timp a temperaturii aburului crește solicitările termice la care simt supuse componentele cazanului și a turbinei. Actualmente, se utilizează un set de metode de reglare a temperaturii aburului generat. a) Metode directe

219

Reglarea proceselor termice din centralele termoelectrice

• Cu injecție de apă de alimentare sau condensat; • Cu injecție de condensat din tambur, fără pompare, doar prin diferență de presiune; • Cu răcitoare de abur de suprafață montate în tamburul generatorului de abur; b) Metode indirecte

• Cu clapete de reglare a debitului gazelor de ardere; • Cu arzătoare cu unghi variabil; • Cu ventilatoare de recirculare a gazelor de ardere.

Vom detalia în continuare schema cu injecție de condensat din tambur, numită și schema Dolezal, prezentată în fig. II.2.17.

Figura 2.19 Figura II.2.17. Schema de reglare a temperaturii aburului viu cu injecție de condensat (schema

Dolezal) 1. răcitor de condensat; 2. tambur; 3. conductă abur saturat; 4. vas de presiune; 5. conductă de preaplin; 6.

conductă de condensat; 7. supraîncălzitorul 1; 8. supraîncălzitorul 2; 9. punct de injecție; 10. ventil de reglare a debitului de condensat.

În schema Dolezal, o parte din debitul de apă de alimentare trece prin răcitorul 1 și condensează aburul saturat venit din tambur. Condensatul rezultat se colectează în vasul de presiune 4, cu nivel menținut prin preaplinul 5. Condiția de funcționare a schemei este ca pierderea de presiune pe traseul 2-3-1-4-6-10-8 să fie mai mică decât cea pe traseul 2-7-8. în continuare vom analiza câteva modalități de punere în practică a schemei Dolezal, după cum rezultă din figura II.2.18.

• în schema de reglare a) se prelevează doar semnalul temperaturii aburului la ieșirea din supraîncălzitorul 2, care determină debitul de condensat reglat de ventilul 10.

• Superioară din punct de vedere dinamic este schema b), care conține în plus si perturbațiile mărimii D și t în amonte de supraîncălzitorul 2, care poartă informații asupra cantității de căldură transportată de abur.

• Varianta c) introduce componenta derivativă dt/dτ, tot din amonte de supraîncălzitorul 2, în timp ce

• varianta d) are în plus și derivata poziției elementului de execuție dx/dτ, ceea ce îmbunătățește comportarea dinamică a schemei, mai ales prin efectul anticipativ și reducerea timpilor morți.

220

II.2. Reglarea generatoarelor de abur

Figura 2.20 Figura II.2.18. Modalități de realizare a schemei de reglare Dolezal

1.1.98 II.2.7. Reglarea purjei Purja trebuie să elimine din tambur apa acumulată la partea inferioară, unde concentrația de săruri depășește limita admisă. în figura II.2.19 sunt prezentate două scheme uzuale de reglare. Varianta a) dă rezultate slabe în regim dinamic, datorită timpului de întârziere al măsurării salinității apei din tambur. Rezultate mai bune sunt obținute în varianta b), când debitul de purjă este reglat proporțional cu debitul de abur și cu propria-i reacție.

Figura 2.21 Figura 11.2.19.Reglarea debitului de purjă

221