СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ТЕПЛОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С КОРРЕКТИРУЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА КЛАПАНЫ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ОТБОРА ПАРА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована на тепловых электростанциях (ТЭС) с различными теплосиловыми установками, в частности, с котлопаротурбинными (КПТУ) и парогазовыми установками (ПГУ), для повышения их маневренности.
В последние годы возросла острота проблемы привлечения к участию в регулировании частоты и перетоков мощности в энергосистемах не только специальных малоэкономичных пиковых энергоагрегатов, например, газотурбинных установок (ГТУ), но и высокоэкономичных мощных энергоблоков, предназначенных, в основном, для работы в базовом режиме. Следует отметить, что существуют два режима регулирования мощности и частоты энергосистемы: первичное и вторичное. Первичное регулирование предполагает быстрое (до ~30 с), а вторичное - медленное (до ~15 мин.) достижение заданных параметров. Привлечение для вторичного регулирования мощных энергоустановок вполне возможно и применяется без особых потерь в экономичности, так как оно осуществляется путем изменения подачи топлива, воздуха и воды в котел КПТУ или топлива и воздуха в камеру сгорания ПГУ и воды в котел-утилизатор ПГУ (регулирование котлом) при полностью открытых регулирующих клапанах паровой турбины (РКПТ). Поскольку при этом давление пара перед РКПТ не остается постоянным, такое регулирование мощности энергоустановки получило название «регулирование способом скользящего давления» [1]. Первичное регулирование может осуществляться только путем воздействия на органы парораспределения (РКПТ). Наиболее целесообразно привлечение мощных энергоблоков к первичному регулированию мощности путем временного прикрытия РКПТ при снижении нагрузки с соответствующим временным снижением экономичности энергоблока, но возможны и еще менее экономичные варианты с длительным поддержанием РКПТ в промежуточном состоянии с осуществлением первичного регулирования как при уменьшении, так и при увеличении мощности [2].
Известна система автоматического регулирования мощности (САРМ) теплосиловой установки, включающей паровую турбину, паропровод острого пара с регулирующими клапанами (РКПТ) на входе в турбину и паропроводы регенеративных отборов с регулирующими клапанами (РКО) на каждом из них, а также парогенерирующий агрегат в виде топливосжигающего парового котла или по меньшей мере одной газовой турбины с котлом-утилизатором (КУ), причем паровой котел или каждая из газовых турбин и каждый КУ оборудованы соответствующими регулирующими клапанами, содержащая формирователь задания по мощности теплосиловой установки (ФЗМ), определители текущих значений мощностей всех турбин, котельный или газотурбинный, а также паротурбинный и отборный регуляторы мощности (соответственно КРМ, ГТРМ, ПТРМ и ОРМ) [3] - ближайший аналог. Согласно [3] регулирующие клапаны устанавливаются не только на подаче пара в турбину, но и на паровых регенерационных отборах, которые ранее выполнялись нерегулируемыми. При этом вторичное регулирование предполагается осуществлять с помощью КРМ или ГТРМ при полностью открытых РКПТ, а первичное регулирование, в основном, с помощью ОРМ и только в исключительных случаях - с помощью РКПТ, работающих на закрытие. В [3] изложен, в основном, способ регулирования мощности без раскрытия ряда существенных признаков, обеспечивающих эффективную работу соответствующей САРМ.
Достигаемым результатом полезной модели является создание эффективной системы первичного и вторичного регулирования мощности теплосиловой установки при использовании регулирующих клапанов на регенерационных паровых отборах.
Это обеспечивается тем, что в САРМ теплосиловой установки, включающей паровую турбину, паропровод острого пара с РКПТ на входе в турбину и паропроводы на паровых регенеративных отборах с регулирующими клапанами (РКО) на каждом из них, а также парогенерирующий агрегат в виде топливосжигающего парового котла или по меньшей мере одной газовой турбины с КУ, причем паровой котел или каждая из газовых турбин и каждый КУ оборудованы соответствующими регулирующими клапанами, содержащей ФЗМ теплосиловой установки, определители текущих значений мощностей всех турбин, КРМ или ГТРМ, а также ПТРМ и ОРМ, согласно полезной модели ФЗМ теплосиловой установки содержит задатчики конечных значений плановой и неплановой мощности (соответственно ЗПМ и ЗНПМ), а также скорости их изменения во времени; последовательно соединенные формирователь сигнала частотного небаланса, нелинейный элемент задания зоны нечувствительности по частоте и элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по частоте в соответствующий сигнал небаланса по мощности, а также последовательно соединенные сумматор сигналов всех заданий по мощности и формирователь сигнала небаланса между заданным и текущим значениями мощности теплосиловой установки; КРМ или ГТРМ содержит формирователь исчезающего форсирующего сигнала заданной мощности теплосиловой установки, дифференциатор для формирования исчезающего сигнала по давлению пара перед паровой турбиной, последовательно соединенные нелинейный элемент задания характера изменения давления пара перед паровой турбиной, демпфер для сглаживания сигнала по давлению на выходе указанного нелинейного элемента, формирователь сигнала небаланса между заданным и текущим значениями давления пара перед паровой турбиной и элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности, а также сумматор сигналов небаланса по мощности, форсированного сигнала задания по мощности, опережающего сигнала по давлению пара перед турбиной и сигнала небаланса с выхода элемента задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности и ПИ-регулятор, вход которого подключен к выходу указанного сумматора, а выход - к котельному или газотурбинному регулирующему клапану; ПТРМ содержит формирователь исчезающего форсирующего сигнала заданной мощности теплосиловой установки, элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности, сумматор сигналов небаланса по мощности, форсированного сигнала задания по мощности, опережающего сигнала по давлению пара перед турбиной и сигнала небаланса с выхода элемента задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности, а также ПИ-регулятор, вход которого подключен к выходу указанного сумматора, а выход - к паротурбинному регулирующему клапану (РКПТ); ОРМ содержит НЭ задания зоны нечувствительности по включению в работу регулятора в целом и подключенные к его выходу параллельно соединенные регуляторы на каждой линии регенеративного парового отбора, а каждый из указанных регуляторов содержит последовательно соединенные НЭ формирования задания вступления в работу и положения исполнительного органа регулирующего клапана соответствующего отбора пропорционально заданному небалансу мощности, формирователь сигнала небаланса заданного и текущего значений положения исполнительного элемента регулирующего клапана и ПД-регулятор, выход которого подключен к соответствующему РКО, причем ко входу в ОРМ подключен элемент «запрет-меньше», ко входу которого подключены конечные выключатели «больше» РКПТ.
На фиг.1 изображена технологическая схема КПТУ с органами управления (клапанами) для регулирования ее мощности; на фиг.2 - то же применительно к ГТУ; на фиг.3 - принципиальная схема САРМ согласно полезной модели для КПТУ; на фиг.4 газотурбинная часть аналогичной САРМ применительно к ПГУ.
К
Теплосиловая установка, оборудованная САРМ согласно полезной модели, в рассматриваемых примерах представлена как КПТУ и ПГУ. КПТУ (фиг.1) содержит паровой котел 1, паровую турбину 2 с электрогенератором 3, конденсатор 4, регенеративный подогреватель низкого давления (ПНД) 5, питательный насос 6, регенеративный подогреватель высокого давления (ПВД) 7, а также линию 8 подачи топлива в топку парового котла 1 с регулирующим клапаном топлива (РКТ) 9, линию 10 подачи воздуха в топку парового котла 1 с регулирующим клапаном 11, линию 12 подачи питательной воды в паровой котел 1 с регулирующим клапаном 13, паропровод 14 острого пара с РКПТ 15 на входе в турбину 2 и линии 16 регенеративных паровых отборов с РКО 17. Количество паровых регенеративных отборов n может быть произвольным, на чертеже изображен один отбор низкого и один отбор высокого давления.
ГТ
ПГУ (фиг.2) содержит в данном примере две газотурбинных установки ГТУ-1 18 и ГТУ-2 19. Каждая из них содержит компрессор 20, газовую турбину 21, КУ 22 и электрогенератор 3. Каждая газовая турбина 21 оборудована линией 23 подвода топлива, на которой установлен РК 24. ПГУ содержит также в своем составе в данном примере одну паротурбинную установку (ПГУ) 25 с паровой турбиной 2 и электрогенератором 3, паропроводом 14 острого пара с РКПТ 15, а также линии 16 регенеративных паровых отборов с РКО 17. Номера позиций элементов ПГУ в составе ПГУ на фиг.2 не проставлены из-за недостатка места. Они полностью совпадают с аналогичными позициями элементов КПТУ фиг.1.
САРМ КПТУ (фиг.3) согласно полезной модели содержит ФЗМ 26 установки, определители текущих значений мощностей всех турбин (на чертеже не показаны), котельный регулятор мощности КРМ 27, паротурбинный регулятор мощности ПТРМ 28 и отборный регулятор мощности ОРМ 29.
НЧ
fN
f
ФЗМ 26 содержит задатчик ЗПМ 30 конечного значения плановой мощности, задатчик 31 ЗНПМ неплановой мощности, а также не показанные на чертеже задатчики скорости изменения во времени указанных значений мощностей; последовательно соединенные формирователь сигнала частотного небаланса ФЧНБ 32, нелинейный элемент задания зоны нечувствительности по частоте HЭ  33 и элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по частоте в соответствующий сигнал небаланса по мощности K 34, а также последовательно соединенные сумматор 35 сигналов всех заданий по мощности и формирователь сигнала небаланса между заданным и текущим значениями мощности установки ФНБМ 36.
К
Рт
Рт
Рт
РтN
РтN
КРМ 27 содержит формирователь исчезающего форсирующего сигнала заданной мощности установки ФУ 37, дифференциатор Д 38 для формирования исчезающего сигнала по давлению пара перед паровой турбиной, последовательно соединенные нелинейный элемент задания характера изменения давления пара перед паровой турбиной НЭ 39, демпфер ДФ 40 для сглаживания сигнала по давлению на выходе НЭ 39, формирователь сигнала небаланса между заданным и текущим значениями давления пара перед паровой турбиной ФНБ 41 и элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности αK 42, а также сумматор 43 сигналов небаланса по мощности, форсированного сигнала задания по мощности, опережающего сигнала по давлению пара перед турбиной и сигнала небаланса с выхода элемента αК 42 и ПИ-регулятор 44, вход которого подключен к выходу указанного сумматора 43, а выход - к котельному регулирующему клапану РКТ 9 (фиг.1), соединенному стандартными связями с регуляторами 11, 13 подачи в котел 1 соответственно воздуха и воды.
ПТ
РтN
РтN
ПТРМ 28 содержит формирователь исчезающего форсирующего сигнала заданной мощности установки ФУ 45, элемент задания коэффициента преобразования сигнала небаланса по давлению пара перед турбиной в соответствующий сигнал небаланса по мощности βK 46, сумматор 47 сигналов неаланса по мощности, форсированного сигнала задания по мощности, опережающего сигнала по давлению пара перед турбиной и сигнала небаланса с выхода элемента βK 46, а также ПИ-регулятор 48, вход которого подключен к выходу сумматора 47, а выход - к РКПТ 15 (фиг.1).
отб
отб
отб
нч
нч
нч
h
1…n
ОРМ 29 содержит нелинейный элемент НЭ  49 задания зоны нечувствительности по включению регулятора в работу и подключенные к его выходу параллельно соединенные регуляторы ОРМ-l…OPM-n на каждой линии регенеративного парового отбора, а каждый из указанных регуляторов содержит последовательно соединенные нелинейный элемент НЭ -1…НЭ -n 50 формирования задания вступления в работу и положения исполнительного органа РКО 17 соответствующего отбора пропорционально заданному небалансу мощности, формирователь сигнала небаланса ФНБ 51 заданного и текущего значений положения h исполнительного элемента РКО 17 и ПД-регулятор 52, выход которого подключен к соответствующему РКО 17. Ко входу в ОРМ 29 подключен элемент «запрет-меньше» (запрет М) 53, ко входу которого подключены не показанные на чертеже конечные выключатели «больше» (КВБ) РКПТ 15 (фиг.1).
ГТ-1
ГТ-2
ГТ
САРМ согласно полезной модели в варианте ПГУ представлена только соответствующим регулятором мощности ГТРМ 54 (фиг.4) газотурбинной части ПГУ взамен регулятора КРМ 27, так все остальные ее элементы аналогичны САРМ для КПТУ. ГТРМ 54 САРМ ПГУ содержит (фиг.4) сумматор 55 сигналов текущих значений мощностей газовых турбин 21 и КУ 22 двух ГТУ 18 и 19 (фиг.2), формирователь сигнала небаланса между заданным и текущим значениями мощности установки ФНБМ 56, ПИ-регулятор 57, формирующий единый сигнал задания мощности двум ГТУ 18, 19 (фиг.2), распределитель указанного сигнала РСМ 58 между ГТУ-1 18 и ГТУ-2 19 в отношении γ/(1-γ) и две цепочки, каждая из которых для соответствующей ГТУ включает последовательно соединенные формирователь сигнала небаланса заданного и текущего значений мощности для данной ГТУ ФНБМ 59, регулятор мощности РМ (РМ) каждой ГТУ и регулирующий клапан РК 24 (фиг.2, 4) с обратной связью на один из входов ФНБМ 59.
нч
fN
к
ПТ
f
САРМ теплосиловой установки согласно полезной модели работает следующим образом. В ФЗМ 26 по сигналам от задатчика ЗПМ 30 конечного значения плановой мощности, задатчика ЗНПМ 31 конечного значения неплановой мощности, а также не показанных на чертеже задатчиков скорости изменения во времени указанных значений мощностей и измерителя частоты электрического тока в энергосети формируются (в том числе с использованием формирователя сигнала частотного небаланса ФЧНБ 32) сигналы заданного значения мощности N установки и небаланса ΔN между его заданным и текущим значениями. При этом с помощью нелинейного элемента НЭ  33 устанавливается зона нечувствительности ФЗМ ко входному сигналу по отклонению частоты электрического тока в сети от заданного номинального значения, а с помощью элемента K 34 осуществляется преобразование сигнала небаланса по частоте в соответствующий сигнал небаланса по мощности. От ФЗМ 26 сигналы заданных значений мощности N установки и небаланса ΔN заданного и текущего ее значений поступают в регуляторы КРМ 27 или ГТРМ 54 и в ПТРМ 28. При этом в каждом из регуляторов КРМ 27 и ПТРМ 28 с помощью элементов ФУ 37 и ФУ 45 формируются исчезающие форсирующие сигналы заданной мощности установки. В регуляторе КРМ 27, кроме того, с помощью дифференциатора Д 38 формируется исчезающий сигнал по давлению пара перед паровой турбиной 2. Сигнал небаланса мощности ΔN от ФЗМ 26 поступает также в отборный регулятор ОРМ 29, но через элемент «запрет-меньше» (запрет М) 53, ко входу которого подключены не показанные на чертеже конечные выключатели «больше» (КВБ) РКПТ 15. В результате этого турбинный регулятор ПТРМ 28 при полностью открытых РКПТ 15 может работать только при необходимости снижения мощности установки ниже номинального значения, при необходимости повышения ее мощности выше номинального значения после полного открытия РКПТ 15 вступает в работу ОРМ 29, выдающий команду на прикрытие по меньшей мере одного из регулирующих клапанов РКО 17.
Таким образом, САРМ согласно полезной модели повышает маневренность мощных энергоустановок и повышает их экономичность в процессе изменения их мощности за счет уменьшения требований к перемещению РКПТ, сопровождаемому дросселированием острого пара. Это позволяет обеспечить участие указанных энергоустановок в регулировании энергосистемных параметров в режиме скользящего давления, в том числе при высоких нагрузках вплоть до 100%.
Источники информации:
1. http://www.tehnoinfa.ru/parovyeturbiny2/38.html
2. Патент RU №2031212, 6 F01К 7/24, 1992.
3. Патент RU №2269012, 7 F01К 13/02, 2004.