Динамические характеристики парогазовой установки ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ Санкт-Петербурга
Березинец П. А., Крашенинников В. Г., Костюк Р. И., кандидаты техн. наук, Писковацков И. Н.
Парогазовые установки бинарного типа представляют собой для отечественной энергетики новый тип энергетических установок, характеристики которых значительно отличаются от характеристик паросилового оборудования. Характерной их особенностью является активная роль ГТУ и пассивная роль паросиловой части при регулировании электрической и тепловой нагрузок ПГУ, а также скользящие параметры пара и отсутствие регулирования температуры пара перед паровой турбиной.
Рис. 1. Принципиальная схема котла ПГУ-450Т:
1 - пароперегреватель высокого давления; 2 - испаритель высокого давления; 3 - экономайзер высокого давления; 4 - пароперегреватель низкого давления; 5 - испаритель низкого давления; 6 - газовый подогреватель конденсата; ГПЗ - главная паровая задвижка; БРОУ БД - быстродействующая редукционно-охладительная установка высокого давления; РУ НД - редукционное устройство низкого давления; ПН БД и ПН НД - питательные насосы высокого и низкого давления соответственно; ЦН БД и ЦН НД - циркуляционные насосы высокого и низкого давления; РЦН - рециркуляционные насосы
Отсутствие отечественного опыта эксплуатации бинарных ПГУ при создании ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ г. Санкт-Петербурга потребовало выполнения широкого спектра работ для изучения ее характеристик с целью разработки оптимальной технологии эксплуатации во всем диапазоне нагрузок при всех возможных режимах работы [1, 2].
Для изучения динамических свойств ПГУ-450Т и отработки технологии изменения нагрузки, пусков и остановов, а также для изучения поведения ПГУ в аварийных режимах разработана управляемая математическая модель динамики блока, позволяющая в режиме реального времени изучать и фиксировать реакции элементов ПГУ на воздействия регулирующих и защитных органов управления. Математическая модель специально не оснащена системами автоматического управления, кроме тех, без которых невозможна ее работа (например, регулирование уровня воды в паровых барабанах котлов-утилизаторов). Это позволяет получать характеристики динамических свойств элементов, которые могут использоваться для разработки систем автоматического управления. Математические модели ПГУ (котлов-утилизаторов, паротурбинной установки) разработаны на базе методов, апробированных ВТИ при исследованиях динамики паросилового оборудования.
Сервисная оболочка математической модели позволяет проводить математические эксперименты в реальном масштабе времени с полным контролем изменения характерных параметров, фиксировать их изменение, вмешиваться в ход эксперимента, изменяя положение регулирующих и отключающих органов.
При исследованиях динамики главное внимание уделялось котлам-утилизаторам, которые, являясь связующими звеньями между ГТУ и паровой турбиной, определяют маневренные характеристики блока. Принципиальная схема котла-утилизатора представлена на рис. 1.
Рис. 2. Изменение основных параметров ПГУ-450Т при возмущении нагрузкой ГТУ (№ 1):
а - изменение параметров за котлом-утилизатором № 1; б - изменение расходов пара за котлом-утилизатором № 2; в - изменение параметров в паровой турбине; г - температура пара ВД перед турбиной и давление в барабанах котлов;
1 - расход газов перед котлом-утилизатором; 2 - температура газов перед котлом-утилизатором; 3 - температура пара ВД за котлом-утилизатором; 4 - расход пара ВД за котлом-утилизатором; 5 - расход пара НД за котлом-утилизатором; 6 - температура пара НД перед турбиной; 7 - мощность турбины, МВт; 8 - расход пара ВД перед турбиной, кг/с; 9 - давление пара ВД перед турбиной, МПа; 10 - расход пара НД перед турбиной, кг/с; 11 - давление пара НД перед турбиной, МПа; 12 - температура пара ВД перед турбиной; 13 - 14 - давление пара в барабанах ВД и НД соответственно
Регулирование нагрузки ПГУ. Штатное регулирование нагрузки ПГУ осуществляется посредством изменения нагрузки газотурбинных установок. Изменение мощности ГТУ типа V94.2 фирмы Сименс, которые входят в состав ПГУ-450Т, в диапазоне 100 - 60% номинальной при текущей температуре наружного воздуха осуществляется наиболее экономичным образом - изменением расхода воздуха с помощью входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора с соответствующим изменением расхода топлива, а в диапазоне 100 - 110% и ниже примерно 60% - только с помощью изменения расхода топлива.
При наличии в составе ПГУ двух ГТУ, как это имеет место в ПГУ-450Т, возможны две технологии изменения нагрузки ПГУ - посредством изменения нагрузки обеих ГТУ одновременно и посредством изменения нагрузки только одной ГТУ.
В диапазоне нагрузки ПГУ 100 - 40% номинальной более экономичной является первая технология, так как в большей части диапазона используются ВНА компрессоров ГТУ Если предполагается глубокая разгрузка ПГУ (ниже 40%), то более экономичным способом разгрузки является вторая технология разгрузки блока с отключением одной ГТУ [2].
Изменение параметров в паросиловой части блока в математическом эксперименте при скачкообразном возмущении одновременно на две ГТУ без использования пускосбросных устройств высокого и низкого давления (БРОУ ВД и БРУ НД) представлено на рис. 2.
Целью эксперимента являлось определение влияния разгружения и нагружения двух ГТУ на параметры пара перед паровой турбиной. Исходное состояние - номинальный режим ПГУ при работе двух ГТУ.
Цифрами в кружках обозначены режимы после возмущений: 0 - номинальный ; 1 - обе ГТУ разгружены до 99,1 МВт каждая закрытием входных направляющих аппаратов; 2 - обе ГТУ разгружены до 89,1 МВт каждая уменьшением подачи топлива; 3 - разгрузка каждой ГТУ до 50 МВт; 4 - разгрузка каждой ГТУ от 16,6 МВт; 5 - нагружение каждой ГТУ до 45,1 МВт восстановлением номинальной начальной температуры газов; 6 - нагружение каждой ГТУ до 166,1 МВт открытием входных направляющих аппаратов.
Рис. 3. Изменение основных параметров ПГУ-450Т при возмущении нагрузкой одной ГТУ (№ 1):
а - изменение параметров за котлом-утилизатором № 1; б - изменение расходов пара за котлом-утилизатором № 2; в - изменение параметров за котлом-утилизатором и перед турбиной; 1 - расход газов перед котлом-утилизатором; 2 - температура газов перед котлом-утилизатором; 3 - температура пара ВД за котлом-утилизатором; 4 - расход пара ВД за котлом-утилизатором, кг/с; 5 - расход пара НД за котлом-утилизатором, кг/с; 6 - температура пара НД перед турбиной, °С; 7 - мощность турбины, МВт; 8 - расход пара ВД перед турбиной, кг/с; 9 - давление пара ВД перед турбиной, МПа; 10 - расход пара НД перед турбиной, кг/с; 11 - давление пара НД перед турбиной, МПа; 12 - температура пара ВД перед турбиной, °С
После первого возмущения мощность паровой турбины снизилась с 163,5 до 117 МВт (рис. 2, в ), переходный процесс продолжался около 5 мин, максимальная скорость разгружения составила 9,9 МВт/мин, температура пара ВД и НД перед турбиной при этом изменилась незначительно: температура пара ВД увеличилась (рис. 2, г ), а пара НД снизилась (рис. 2, в ) на несколько градусов. Расход и давление пара ВД резко снизились (рис. 2, а, б, г ).
При дальнейшем разгружении, но уже за счет снижения начальной температуры газов (режимы 2, 3, 4) наблюдается снижение давления, расхода и температуры пара ВД (рис. 2, в, г ). Однако расход пара НД при этом увеличивается (рис. 2, б, в ). При нагрузке каждой ГТУ 16,6 МВт температура пара составила 300°С, мощность паровой турбины при этом составила 27,7 МВт, а максимальная скорость ее изменения из трех возмущений - 3,7 МВт/мин.
Скачкообразное восстановление температуры газов перед котлами (режим 5) привело к восстановлению температуры пара ВД (рис. 2, а, б), продолжительность переходного процесса не превышает 7 мин, однако для стабилизации расхода пара ВД требуется около 12 мин (рис. 2, а, б ).
Скачкообразное открытие входного направляющего аппарата (режим 6) оказывает более резкое воздействие, чем восстановление температуры пара: скорость изменения давления, расхода пара и мощности паровой турбины увеличиваются более чем вдвое - скорость нагружения паровой турбины составляет около 9,2 МВт/мин.
Рис. 4. Штатный пуск ГТУ. Подключение пускаемого котла к работающему:
1 - расход газов перед котлом-утилизатором; 2 - температура газов перед котлом-утилизатором; 3 - температура пара ВД за котлом-утилизатором; 4 - давление пара ВД за котлом 1; 5 - давление пара ВД за котлом 2; 6 - давление пара НД за котлом 1; 7 - давление пара НД за котлом 2
Из математического эксперимента следует, что в диапазоне действия ВНА температурное состояние паровой турбины, котлов-утилизаторов и паропроводов не изменяется, т.е. скорость разгрузки паровой турбины может быть максимальной и составлять 9-10 МВт/мин.
При скачкообразном изменении нагрузки ГТУ после полного прикрытия ВНА скорости изменения температуры и давления пара превышают значения, допустимые для паровой турбины. Это означает, что скорость разгрузки ПГУ будет определяться паровой турбиной. Следует также обратить внимание на тот факт, что одинаковое и одновременное воздействие на обе ГТУ не приводит к выбросу пара из испарителей в паровые барабаны, так как при этом снижается тепловая нагрузка испарителей.
На рис. 3 представлено изменение параметров при возмущении нагрузкой одной ГТУ. Целью математического эксперимента являлось определение влияния разгружения и останова одной ГТУ на параметры пара перед паровой турбиной. Как и в предыдущем случае, исходное состояние - номинальный режим ПГУ при работе обеих ГТУ.
Первое возмущение (I) было нанесено снижением нагрузки ГТУ-1 за счет полного прикрытия ВНА (рис. 3, а ), что привело к снижению расхода пара ВД котла с 67 до 49 кг/с (примерно на 65 т/ч) и расхода пара НД. Мощность паровой турбины при этом уменьшилась со 162,8 до 140 МВт (рис. 3, в ). Температура пара ВД после котла-1 и перед турбиной не изменилась, а давление снизилось (рис. 3, в ). Давление пара НД за котлом-1 и перед турбиной также снизилось (рис. 3, в ). На 2 - 3°С снизилась и температура пара НД.
Реакция котла-2 представлена на рис. 3, б. В результате снижения суммарного расхода пара на паровую турбину и снижения давления перед ней расход пара за котлом-2 увеличивается, причем после возмущения наблюдается выброс пара из барабанов ВД и НД.
Второе возмущение (II) было нанесено уменьшением расхода топлива на ГТУ-1. Температура газов перед котлом-1 была снижена до 330°С (нагрузка ГТУ около 10 МВт). После возмущения расход пара снизился до 15,3 кг/с (55 т/ч) - рис. 3, в, а мощность паровой турбины - до МВт (рис. 3, в ). Температура пара после паропровода котла-1 снизилась почти до 350°С, однако из-за значительного снижения расхода пара ВД после котла-1 средняя температура пара перед турбиной уменьшилась всего на 26°С - до 482°С (рис. 3, в ).
Как и в предыдущем случае, котел-2 на возмущение отреагировал выбросами пара ВД и НД (рис. 3, б ) из-за снижения давления.
Третьим возмущением (III) прекращена подача топлива и остановлена ГТУ-1 (рис. 3, а ). Это привело к прекращению генерации пара ВД и НД в котле-1 (рис. 3, в ), выбросу пара из котла-2 (рис. 3, в ) и повышению температуры пара ВД перед турбиной.
Четвертое возмущение (IV) - отключение котла-1 по пару ВД и НД - привело к восстановлению температуры пара перед турбиной (рис. 3, в ), снижению давления пара ВД перед турбиной (рис. 3, в ) и снижению температуры пара НД перед турбиной (рис. 3, в ). Мощность паровой турбины, в конечном счете, составила 77 МВт.
Рис. 5. Рекомендуемый график пуска ГТУ:
а - график пуска ГТУ; б - график пуска котла-утилизатора; в - график пуска ГТУ; 1 - расход газов перед котлом-утилизатором; 2 - температура газов перед котлом-утилизатором; 3 - температура пара ВД за котлом-утилизатором; 4 - температура пара НД за котлом; 5 - расход пара ВД за котлом-утилизатором; 6 - расход пара НД за котлом-утилизатором; 7 - уровень воды в барабане ВД; 8 - уровень воды в барабане НД; 9 - давление пара ВД за котлом № 1; 10 - давление пара НД за котлом № 1
Таким образом, при воздействии ВНА одной ГТУ изменения параметров пара в активном котле (котле, испытывающем это воздействие) и перед паровой турбиной не выходят за допустимые границы. Однако в пассивном котле при этом обнаруживаются нежелательные эффекты. При сбросе нагрузки ГТУ и снижении давления пара за активным котлом в пассивном котле наблюдается выброс пара из испарителей, при набросе нагрузки - аккумуляция пара. Хотя при этом температура пара не изменяется, большой выброс пара из испарителей может привести к забросу воды в перегреватели.
Постепенное разгружение и последующий останов одной ГТУ без отключения ее котла от паровой турбины и без открытия пуско-сбросных устройств, при условии идеального перемешивания пара обоих котлов, приводит к снижению средней температуры пара ВД перед турбиной примерно на 30°С и, хотя температура пара за разгруженным котлом снижается до 350°С, условия работы последних ступеней ЦНД не ухудшаются, так как при этом давление пара снижается до 5,3 МПа (рабочий процесс сдвигается вправо). Незначительное снижение средней температуры пара ВД перед паровой турбиной объясняется значительным снижением паропроизводительности разгружаемого котла.
Рис. 6. Влияние вентиляции котла-утилизатора на температуру пара ВД при пуске из неостывшего состояния:
а - штатный пуск; б - с предварительным сбросом пара в конденсатор; 1 - расход газов перед котлом-утилизатором; 2 - температура газов перед котлом-утилизатором; 3 - температура пара ВД за котлом-утилизатором; 4 - температура пара в котле паропровода .
