Koordynacja obciążenia kotła i turbiny bloku energetycznego. Układ z wiodącą turbiną. Cz. I

System elektroenergetyczny musi być regulowany. Regulację taką prowadzi się wpływając na pracę bloków energetycznych, uściślając: na pracę kotła i turbiny. Prezentujemy cykl publikacji dotyczący zagadnień koordynacji obciążenia kotła i turbiny bloku energetycznego pracującego w układzie z wiodącą turbiną. Na początek artykuł dotyczący wymagań jakościowych stawianych pracy bloku w regulacji systemu elektroenergetycznego.

Oddział Techniki Cieplnej w Łodzi Instytutu Energetyki od lat prowadzi prace naukowo-badawcze związane z wdrożeniem na blokach energetycznych elektrohydraulicznej regulacji mocy[1-5]. Ich efektem jest m.in. zainstalowanie na blokach energetycznych, biorących udział w regulacji systemu elektroenergetycznego, mikroprocesorowych, elektrohydraulicznych regulatorów mocy (MREH)[4]. W regulatorach tych powiązano układy regulacji mocy i ciśnienia pary w kotle, pomocniczymi sygnałami, których zadaniem jest niedopuszczenie do gwałtownych zmian ciśnienia pary podczas przesterowania zaworów regulacyjnych turbiny. Rozwiązanie wdrożono na blokach 120MW jednej z krajowych elektrowni. Bierze ona udział w regulacji pierwotnej, wtórnej i trójnej systemu elektroenergetycznego.

Wymagania jakościowe stawiane pracy bloku w regulacji systemu elektroenergetycznego

System regulacji częstotliwości i mocy systemu elektroenergetycznego jest systemem sterowania hierarchicznego o kilku poziomach regulacji [1,3](rys.1).

Rys.1 Poziomy regulacyjne w systemie elektroenergetycznym

Stopniem pierwszym, nazywanym regulacją pierwotną, są regulatory prędkości obrotowej turbin. Regulacja pierwotna jest zdecentralizowana, gdyż jest realizowana przez autonomicznie układy regulacji turbin w poszczególnych elektrowniach. Stopniem drugim jest regulacja częstotliwości i mocy wymiany, nazywana regulacją wtórną, oddziałująca na wartości zadane regulatorów turbozespołów. Trzecim stopniem, nazywanym regulacją trójną, jest regulacja ekonomicznego rozdziału obciążeń.

I. Regulacja pierwotna

Częstotliwość napięcia sieci elektroenergetycznej jest podstawowym parametrem decydującym o jakości systemu elektroenergetycznego. Jej wartość zależy od zbilansowania mocy pobieranej przez odbiory i mocy produkowanej przez bloki energetyczne. Zadaniem regulacji pierwotnej (regulacji częstotliwości) jest możliwie szybkie likwidowanie zakłóceń bilansu mocy czynnej w systemie elektroenergetycznym. Dla bloku zsynchronizowanego z systemem polega to na zmianie mocy czynnej w zależności od uchybu częstotliwości systemu, zgodnie z charakterystyką statyczną tej regulacji. Jest to więc regulacja autonomiczna, realizowana przez właściwy dla każdego bloku układ regulacji, reagujący na zmiany częstotliwości. Regulacja pierwotna jako regulacja proporcjonalna, nie ma możliwości całkowitej likwidacji odchyłki statycznej częstotliwości, lecz tylko ogranicza jej wartość. Proces pierwotnej regulacji częstotliwości rozpoczyna się w chwili wystąpienia odchyłki częstotliwości, spowodowanej zakłóceniem w systemie elektroenergetycznym, a kończy się po kilkunastu sekundach stabilizacją tej odchyłki na poziomie określonym statyczną charakterystyką regulacji pierwotnej. Likwidacja powstałej odchyłki częstotliwości w systemie elektroenergetycznym następuje poprzez działanie tzw. regulacji wtórnej, która nakłada się na proces pierwotnej regulacji mocy.

Wymaga się, aby jednostki wytwórcze elektrowni cieplnych były przystosowane do udziału w regulacji pierwotnej. Urządzenia do regulacji pierwotnej w jednostkach wytwórczych elektrowni cieplnych biorących udział w regulacji pierwotnej powinny spełniać następujące wymagania:

  1. Jednostki wytwórcze powinny być wyposażone w regulatory prędkości obrotowej turbin o szybkim działaniu. Zadziałanie regulacji pierwotnej jednostki wytwórczej w przypadku zmiany częstotliwości powinno mieć miejsce w czasie nie dłuższym od 30 sekund i osiągnąć cały zakres odpowiedzi, wynikający z ustawionego statyzmu regulatora oraz odchyłki częstotliwości z tolerancją ±1 % mocy znamionowej,
  2. Były zdolne do wyzwolenia bardzo szybkiej zmiany mocy regulacyjnej pierwotnej ΔP(Δf) = 0…±5% Pn, dostępnej w całym paśmie mocy regulacyjnej jednostki wytwórczej wraz z brzegowymi zapasami regulacji +2,5% na górnym brzegu oraz -2,5% na dolnym brzegu regulacji, z pełną odpowiedzią na skok mocy zadanej ΔPz(Δf) = 0 Γ+5%Pn osiąganą w czasie 30 sekund tj. ΔP(Δf) (t≤30 s) = ± 5% Pn, z dokładnością w stanie ustalonym po 30 sekundach ± 1% Pn.
  3. Nieczułość układów regulacji częstotliwości nie była większa niż Δfi = ± l0mHz.
  4. Korekcja częstotliwości w układzie regulacji mocy była możliwa do ustawienia w przedziale co najmniej ΔPz(Δf)=0 … ± 5% Pn przy zmianach statyzmu s = 2…8% i strefy martwej częstotliwości Δf0 = 0, ±10, ±20, ±50, ±100, ±200 i ±500 mHz.
  5. Struktura układów regulacji prędkości obrotowej i mocy z korekcją częstotliwości zapewniała stabilną pracę KSE przy występowaniu zakłóceń poprzez właściwe współdziałanie szybko reagującego regulatora obrotów turbiny z wolno reagującym regulatorem mocy, z uwzględnieniem optymalizacji nastaw stałych wzmocnienia, różniczkowania i całkowania.

II. Regulacja wtórna

Regulacja wtórna częstotliwości, będąca regulacją częstotliwości i mocy wymiany, jest nadrzędną regulacją systemową realizowaną przez centralne regulatory ARCM w poszczególnych systemach. Zadaniem regulacji wtórnej jest wypracowanie nowych wartości zadanych dla poszczególnych bloków energetycznych, w taki sposób, aby odchyłki częstotliwości i mocy wymiany od wartości zadanych dążyły do zera. W przypadku systemów połączonych oprócz uchybu częstotliwości do regulatora wtórnego doprowadzony jest również uchyb mocy wymiany. Kryterium działania regulatora centralnego ARCM określa wzór:

ε=ΔPw+λΔf

gdzie: ε – uchyb regulacji, ΔPw – odchylenie salda mocy wymiany od wartości zadanej [MW], λ – współczynnik regulatora systemowego [MW/Hz], Δf – odchylenie częstotliwości [Hz].

Regulacja wtórna jest realizowana przez wybrane jednostki wytwórcze elektrowni cieplnych odpowiadających na zmiany sygnału Y1 zadawane przez regulator centralny ARCM.

Rodzaje sygnałów regulacyjnych:

  1. Sygnał Y1 jest sygnałem cyfrowym, szybkozmiennym o zakresie zmian (-31..0..+31) bitów. Częstość zmian sygnału Y1 zależy od wartości wyliczonego uchybu regulacji systemu.
  2. Możliwa jest interwencyjna zmiana sygnału Y1 przez dyspozytora KDM. Polega ona na skokowej zmianie sygnału o wartość zadaną przez dyspozytora i jest przez niego wykorzystywana w przypadkach natychmiastowej potrzeby zmiany sumarycznej mocy generowanej w KSE, w czasie nie przekraczającym l minuty.

Wymaga się, aby układy regulacji wtórnej w jednostkach wytwórczych elektrowni cieplnych biorących udział w regulacji wtórnej spełniały następujące wymagania:

  1. Zdolność do wyzwolenia szybkiej zmiany mocy regulacyjnej wtórnej równomiernie nadążającej za zmianami mocy zadanej ΔPY1 (-31..0..+31) = (-5%..0.. +5%)Pn.
  2. Po interwencyjnym (Y1i) skoku sygnału wymagana jest pełna odpowiedź w czasie t<30 sekund, < ± 1% Pn w stanie ustalonym po upływie czasu t= 30s.
  3. Dostępność interwencyjnej zmiany sygnału Y1i w całym paśmie mocy regulacyjnej jednostki wytwórczej.
  4. Przy współpracy regulacji wtórnej z regulacją pierwotną, na tle zmian mocy P(t) podążających za zmianami sygnału ΔPY1 (-31..0..+31) muszą być spełnione wymagania określone dla regulacji pierwotnej.

III. Regulacja trójna

Przez regulację trójną rozumie się regulację opartą o sygnał mocy bazowej Y0 (ARCM) lub regulację opartą o sygnał mocy bazowej (BPP) zadawany w postaci mocy (SOWE).

Regulacja sygnałem Y0(i) jest realizowana przez wybrane jednostki wytwórcze elektrowni cieplnych, które odpowiadają na zmianę tego sygnału, przesyłanego przez regulator centralny ARCM.

Sygnał Y0 jest sygnałem cyfrowym, wolnozmiennym o zakresie zmian (0..+31) bitów. Częstość zmian sygnału Y0 zależy od wartości wyliczonego uchybu regulacji.

Przejmowany z regulatora centralnego sygnał BPP (Bieżący Punkt Pracy), zastępuje sygnał mocy bazowej ustawianej przez operatora bloku PNZ. Praca w systemie ARCM polega na tym, że sygnał Yl zmienia moc wokół sygnału BPP.

W kolejnej (II) części omówiona zostanie struktura układu regulacji obciążenia bloku oraz koordynacja pracy UAR mocy i ciśnienia pary świeżej bloku energetycznego. 

Autor: dr inż. Jacek Karczewski, Instytut Energetyki Oddział Techniki Cieplnej „ITC” w Łodzi

Rys.: zasoby własne autora

Fot.: sxc.hu

Literatura

  1. Karczewski J, Pawlak M: Układy regulacji turbin kondensacyjnych, a regulacja KSE. Energetyka Cieplna i Zawodowa, nr.7,8/2009., lipiec 2009, str.100-104
  2. Karczewski J, Pawlak M, Szuman P., Wąsik P: Availability assessment of power units participating in electrical power system control. Archives of energetic, 2010, nr 1-2, str.89-103
  3. Karczewski J, Pawlak M, Rękoś J: Poprawa jakości wytwarzania energii elektrycznej poprzez modernizację układów regulacji bloków energetycznych.” Wiadomości Elektrotechniczne, nr.11/2010, str..35
  4. Karczewski J, Pawlak M.: Elektrohydrauliczny regulator turbiny TK-120 XI Konferencja “ElektrowniE Cieplne. Eksploatacja – Modernizacje – Remonty”, Słok 2013
  5. Karczewski J: Optymalizacja układów regulacji: mocy i ciśnienia pary świeżej bloku energetycznego współspalającego biomasę. Cieplne maszyny przepływowe Turbomachinery nr 138. 2010
  6. Tymes E. , Wierzbicki Z.: Zrzuty do stanów pośrednich obciążenia i praca bloku w układzie wyspowym – na przykładzie doświadczeń El. Połaniec. „Energetyka” nr 3/1996