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

W poprzednich częściach dowiedzieliśmy się jakie są wymagania jakościowe dotyczące pracy bloku w regulacji systemu elektroenergetycznego, jak wygląda struktura układu regulacji obciążenia bloku oraz koordynacja pracy układu automatycznej regulacji mocy i ciśnienia pary świeżej. W trzeciej, zarazem ostatniej części artykułu, omówiony zostanie  wpływ sygnału pomocniczego na pracę UAR mocy i ciśnienia pary świeżej oraz zostaną zaprezentowane badania na przykładzie konkretnych obiektów (wybranych bloków 120MW).

Sygnał uchybu mocy zadanej i sygnału przetworzonego w ograniczniku szybkości obciążania (OSO) regulatora mocy formowany jest zgodnie ze wzorem: wzór 1 cz. 3gdzie: k1 – wzmocnienie, NZ1 – moc zadana mierzona przed ogranicznikiem szybkości obciążania OSO, NZ2 – sygnał mocy zadanej mierzonej za OSO (rys. 1)

Rys. 1 Kształtowanie sygnału pomocniczego YNZ, V1 V2 V3 prędkości zadawania mocy, k2 współczynnik wzmocnienia.

Rys. 1 Kształtowanie sygnału pomocniczego YNZ: V1 V2 V3 – prędkości zadawania mocy, k2 współczynnik wzmocnienia.

Sygnał YNZ w stanach ustalonych ma charakter zanikający i dlatego po wyłączeniu regulatora nie ma potrzeby zastępowania go innym sygnałem. Sygnał YNZ wyprzedza sygnał od strumienia masy pary i przy odpowiednim doborze współczynnika k1 może zastąpić pochodną ciśnienia w walczaku. Wartość tego sygnału zależy od wartości zmian mocy oraz od wzmocnienia k1. Natomiast czas trwania zależny jest od prędkości zadawania mocy (dla większej prędkości – krótszy czas trwania).

Badania wpływu sygnału YNZ przeprowadzono na bloku 120MW dla różnych warunków pracy, przy zmiennych parametrach sygnału sprzęgającego YNZ oraz dla trzech prędkości obciążania turbozespołu. Rejestrowano zmiany ciśnienia, które były odpowiedzią na skokowe i piłokształtne zmiany mocy zadanej. Przykładowo na rys. 2 przedstawiono porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla układu bez wprowadzania sygnałów pomocniczych i dla układu wykorzystującego sygnał YNZ z optymalnie dobranym wzmocnieniem. Widać wyraźnie zmniejszenie amplitudy zmian odchyłki ciśnienia przy sprzęgnięciu obu rozpatrywanych UAR.

Rys. 2a Porównanie przebiegów odchyłki cinienia

Rys. 2a Porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla niesprzęgniętych UAR ciśnienia pary i mocy (Δp1.) oraz układów z wprowadzonym sygnałem YNZ (Δp2) przy wymuszeniu zmianą mocy zadawaną z szybkością Vśr.

Rys. 2b Porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla niesprzęgniętych UAR ciśnienia pary i mocy (Δp1.) oraz układów z wprowadzonym sygnałem YNZ (Δp2) przy wymuszeniu zmianą mocy zadawaną z szybkością Vmax.

Rys. 2b Porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla niesprzęgniętych UAR ciśnienia pary i mocy (Δp1.) oraz układów z wprowadzonym sygnałem YNZ (Δp2) przy wymuszeniu zmianą mocy zadawaną z szybkością Vmax.

Rys. 2c Porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla niesprzęgniętych UAR ciśnienia pary i mocy (Δp1.) oraz układów z wprowadzonym sygnałem YNZ (Δp2) przy wymuszeniu zmianą mocy zadawaną z szybkością Vmin.

Rys. 2c Porównanie przebiegów odchyłki ciśnienia dla niesprzęgniętych UAR ciśnienia pary i mocy (Δp1.) oraz układów z wprowadzonym sygnałem YNZ (Δp2) przy wymuszeniu zmianą mocy zadawaną z szybkością Vmin.

Badania wykazały, że sprzęgnięcie UAR: kotła i turbiny sygnałem YNZ poprawia przebiegi dynamiczne ciśnienia w stosunku do układów niesprzęgniętych. Przy optymalnym wzmocnieniu tych sygnałów uzyskano, przy zakłóceniach mocą, zmniejszenie (w porównaniu z układem bez sygnałów pomocniczych) odchyłki ciśnienia odpowiednio: od 40 do 75% w zależności od prędkości zmian mocy (por. rys. 2).

Badania obiektowe

W celu oceny wpływu sygnałów pomocniczych na pracę bloku energetycznego wykonano badania na wybranych blokach 120MW[2]. Bloki te – współspalające biomasę – biorą udział w regulacji Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (regulacja wtórna i pierwotna). Badania te miały na celu:

  • Sprawdzenie poprawnej pracy nowego regulatora mocy konstrukcji „ITC”,
  • Ocenę wpływu sygnałów pomocniczych generowanych w UAR mocy na stabilizację ciśnienia pary świeżej bloku współspalającego biomasę.

Badania polegały na rejestrowaniu odpowiedzi obwodu ciśnienia na zakłócenia po stronie mocy, przy braku sygnałów pomocniczych oraz po sprzęgnięciu obu UAR. Zakłócenia dokonywane były z różnymi wielkościami i prędkościami zmian mocy. Przykładowo – na rys. 3 przedstawiono porównanie wybranych przebiegów w przypadku jednakowych zmian mocy dla układu niesprzęgniętego oraz z wprowadzonym sygnałem pomocniczym YNZ. W przypadku braku sygnałów pomocniczych maksymalna amplituda zmian ciśnienia wynosi 0,43MPa. Po wprowadzeniu sygnału YNZ zmniejsza się do 0,24MPa. Wprowadzenie sygnału korekcyjnego, generowanego w regulatorze REH powoduje więc zmniejszenie wahań ciśnienia o ok. 45%. Stanowi to dowód słuszności zaproponowanego rozwiązania.

Rys. 3 Porównanie przebiegu ciśnienia pary świeżej po zakłóceniu w obwodzie mocy dla układów niesprzęgniętych i po wprowadzeniu sygnału korekcyjnego Ynz.

Rys. 3 Porównanie przebiegu ciśnienia pary świeżej po zakłóceniu w obwodzie mocy dla układów niesprzęgniętych i po wprowadzeniu sygnału korekcyjnego YNZ.

Przykładowe przebiegi zarejestrowane podczas badań odbiorczych nowego regulatora REH przedstawiono na rys. 4. Analizując przebiegi przedstawione na rys. 4, można zauważyć, że moc nadążała płynnie za zmianami wywołanymi regulacją wtórną. W przypadku regulacji wtórnej „powiązano” UAR: kotła i turbiny sygnałem YNZ (regulacja pierwotna dokonywana była bez sprzęgnięcia obu układów regulacji). Zmiana mocy wywołana regulacją pierwotną również przebiegała prawidłowo (spełniony warunek dot. dynamiki zmian mocy). Widoczny jest wyraźny wpływ sygnału pomocniczego YNZ na stabilizację ciśnienia pary świeżej przy zakłóceniu wywołanym regulacją wtórną (w przypadku regulacji pierwotnej, gdy sygnał ten nie jest generowany – ciśnienie waha się). Dowodzi to korzystnego wpływu sygnałów pomocniczych, generowanych w regulatorze mocy na pracę UAR ciśnienia pary świeżej.

↓ Kliknij w wykres, aby powiększyć ↓

Rys. 4 Badania regulatora REH na bl.120MW (zmiana mocy wywołana regulacją wtórną i pierwotną w zakresie 109-93 MW).

Rys. 4 Badania regulatora REH na bloku 120MW (zmiana mocy wywołana regulacją wtórną i pierwotną w zakresie 109-93 MW).

Oznaczenia: PG [MW] – moc rzeczywista, SUM [MW] – sumaryczna moc zadana wynikająca z regulacji pierwotnej i wtórnej (mierzona za OSO), Yh [ % ] – sygnał nastawczy regulatora mocy, pi [Bar x10] – ciśnienie oleju impulsowego urządzenia wykonawczego UW, f [Hz] – częstotliwość, pT [MPa] – ciśnienie pary świeżej z kotła, YNZ [%] – sygnał pomocniczy generowany w regulatorze mocy wprowadzany do UAR kotła.

Podsumowanie

Przedstawione rozważania i wyniki badań dowodzą wagi problemu, jakim jest koordynacja obciążenia kocioł-turbina bloków energetycznych. Niejednokrotnie dobór odpowiednich parametrów układów regulacji: mocy i ciśnienia pary świeżej jest utrudniony. Celowe jest sprzęgnięcie w.wym. układów sygnałami pomocniczymi, które powodują stabilizację ciśnienia pary świeżej podczas zmian mocy bloku. Sygnały te powinny uwzględniać charakter zmian mocy wynikający z różnych rodzajów regulacji Jednostek Wytwórczych Centralnie Dysponowanych (JWCD) takich jak np. regulacja pierwotna i wtórna systemu elektroenergetycznego. Charakter i wzmocnienie sygnałów sprzęgających powinny być uzależnione od parametrów zmian mocy i ciśnienia pary świeżej (np. szybkość i wielkość zmian mocy, tendencja zmian ciśnienia w czasie występowania zakłócenia itp.). Istotną sprawą jest również uwzględnienie zjawisk związanych z utrudnieniami eksploatacyjnymi wynikającymi z jednoczesnego spalania mieszaniny węgla i biomasy. Wyznaczenie wzmocnień sygnałów pomocniczych musi uwzględniać wartość opałową takiej mieszanki. Ponieważ jest to trudne, do generacji sygnałów sprzęgających mogłaby być wykorzystana technika rozmyta („fuzzy logic”). W Oddziale Techniki Cieplnej Instytutu Energetyki takie prace będą prowadzone. Ich efektem będzie zwiększenie dyspozycyjności i poprawa warunków pracy bloków energetycznych biorących udział w regulacji systemu elektroenergetycznego.

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

Rys.: zasoby własne autora Fot.: sxc.hu Czytaj także: 

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