Об энергетической эффективности управления деаэраторами ТЭЦ по нескольким параметрам

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИ

УДК 621.187.12

ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДЕАЭРАТОРАМИ ТЭЦ ПО НЕСКОЛЬКИМ ПАРАМЕТРАМ

В.И. ШАРАПОВ, М.Р. ФЕТКУЛЛОВ, Д.В. ЦЮРА Ульяновский государственный технический университет

Разработаны технологии комплексного управления термическими деаэраторами на основе нового подхода, отличительной чертой которого является использование в качестве регулируемых параметров заданных конечных показателей эффективности технологического процесса. Произведена оценка энергетической эффективности теплофикационных установок с помощью методики удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

Совершенствование способов управления термическими деаэраторами в рамках нового подхода, сущность которого заключается в регулировании конечных показателей качества [1], привело к разработке технологий многопараметрического управления. В роли конечных регулируемых показателей качества могут применяться остаточная концентрация кислорода О 2 и отсутствие диоксида углерода СО2 в деаэрированной воде.

Комплексное управление работой деаэрационных установок возможно осуществить как по нескольким регулирующим, так и по нескольким регулируемым параметрам [2,3]. Сущность первого метода регулирования заключается в управлении процессом деаэрации путем последовательного регулирования различных режимных параметров, в качестве которых могут выступать температуры исходной и перегретой воды - греющего агента, расход перегретой воды, расход выпара [4-7]. Последовательность и пределы регулирования параметров выбираются из условия максимальной экономичности конкретной теплогенерирующей установки. Особенностью другого метода комплексного управления является то, что регулирование процесса деаэрации осуществляется одновременно по двум заданным регулируемым параметрам -остаточному содержанию кислорода О2 и остаточному содержанию диоксида углерода СО2 в деаэрированной воде, причем величину режимного параметра устанавливают исходя из необходимости достижения заданного содержания наиболее трудноудаляемого газа [8, 9].

Технологии комплексного регулирования термических деаэраторов осуществимы как на тепловых электрических станциях, так и в котельных установках. Однако при выборе последовательности регулирования режимных параметров существуют принципиальные отличия. Если говорить о тепловых электростанциях, то основной задачей в данном случае является получение максимально возможной величины Vт.ф, кВт-ч/м3, - удельной выработки

электроэнергии на тепловом потреблении за счет использования отборов пара теплофикационных турбин для подогрева теплоносителей деаэрационных

© В.И. Шарапов, М.Р. Феткулов, Д.В. Цюра Проблемы энергетики, 2005, № 3-4

установок. При выборе последовательности регулирования режимных параметров в котельных установках основным критерием является снижение затрат электроэнергии на собственные нужды.

Рассмотрим примеры технических решений, в которых реализуется сформулированный подход к управлению термическими деаэраторами. По первому из них [4,5] заданное качество деаэрации обеспечивается путем последовательного регулирования температуры и расхода греющего агента (рис. 1). С помощью датчика 12 замеряется остаточное содержание кислорода. При его увеличении с помощью регулятора содержания растворенного кислорода 11 и регулирующего органа 13 увеличивают расход перегретой воды на деаэратор. Затем, при необходимости, увеличивают ее температуру с помощью регулирующего органа 14, установленного на трубопроводе пара высокого потенциала подогревателя перегретой воды. Напротив, при понижении концентрации кислорода относительно заданной величины сначала уменьшают температуру перегретой воды, а затем снижают ее расход.

Рис.1. Принципиальная схема тепловой электростанции с комплексным регулированием процесса вакуумной деаэрации по нескольким регулирующим параметрам:

1 - турбина; 2 - вакуумный деаэратор; 3, 4, 5 - трубопроводы исходной, перегретой и деаэрированной подпиточной воды; 6 - обратный сетевой трубопровод;

7, 9 - подогреватели исходной и перегретой воды; 8, 10 - трубопроводы греющего пара;

11 - регулятор содержания растворенного кислорода; 12 - датчик содержания растворенного кислорода; 13,14 - регулирующие органы

В схеме управления, изображенной на рис. 2, качество деаэрации обеспечивается путем последовательного регулирования температуры исходной воды и температуры греющего агента - перегретой воды [6,7].

Регулятор содержания растворенного кислорода 11 в подпиточной воде теплосети соединен с датчиком 12, измеряющим содержание растворенного кислорода в деаэрированной подпиточной воде, и с регулирующими органами 13 -на трубопроводе греющей среды подогревателя исходной воды и 14 - на трубопроводе греющей среды подогревателя перегретой воды. Обеспечение заданной концентрации растворенного кислорода в деаэрированной подпиточной воде осуществляют путем последовательного регулирования температуры

исходной воды и температуры греющего агента - перегретой воды. При повышении концентрации растворенного кислорода относительно заданной величины сначала повышают температуру исходной воды, а затем, при необходимости, увеличивают температуру перегретой воды. Напротив, при понижении концентрации кислорода относительно заданной величины сначала уменьшают температуру перегретой воды, а затем снижают температуру исходной воды.

11 12 5

Рис.2. Принципиальная схема тепловой электростанции с комплексным регулированием процесса деаэрации по нескольким регулирующим параметрам:

1 - турбина; 2 - деаэратор; 3, 4, 5 - трубопроводы исходной, перегретой и деаэрированной подпиточной воды; 6 - обратный сетевой трубопровод; 7, 9 - подогреватели исходной и перегретой воды; 8, 10 - трубопроводы греющего пара; 11 - регулятор содержания растворенного кислорода; 12 - датчик содержания растворенного кислорода; 13, 14 - регулирующие органы

Существующий в настоящее время достаточно широкий спектр отечественных и зарубежных приборов контроля качества и автоматического регулирования позволяет эффективно реализовать предложенные способы управления процессом деаэрации в промышленных условиях.

Так, качество деаэрированной воды можно определять с помощью эффективных портативных кислородомеров МАРК-301Т и МАРК-302Т Нижегородского предприятия «ВЗОР», способных работать во взаимодействии с персональными компьютерами и современными многофункциональными автоматическими регуляторами. Установка стационарных кислородомеров того же предприятия на пробоотборных точках и подключение к потоку, идущему после бака-аккумулятора деаэратора, позволяет вести непрерывный высокоточный мониторинг остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде с выводом результатов на щит управления регуляторов. В качестве регуляторов могут применяться серийно выпускаемые микропроцессорные контроллеры Ремиконт Р-130 - программируемое устройство, а также его более ранние или более поздние модификации и другие регуляторы. Архитектура Ремиконтов оптимизирована для решения задач автоматического регулирования технологических процессов. Реализуемые ими алгоритмы © Проблемы энергетики, 2005, № 3-4

управления и конфигурация связей жестко не фиксированы и могут задаваться и изменяться непосредственно на месте эксплуатации. В комплекте с Ремиконтами могут использоваться обычные датчики и исполнительные механизмы (кислородомеры, рН-метры), которые подключаются к ним с помощью индивидуальных кабельных связей.

Оценку энергетической эффективности теплофикационных установок ТЭЦ с термическими деаэраторами целесообразно проводить в соответствии с методикой ВИШ [10] по величине удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении Vт.ф, кВт-ч/м3, получаемой за счет отборов пара на

подготовку 1 м3 или 1 т деаэрированной воды.

Величину удельной выработки электроэнергии на 1 м3 воды можно определить как

где ^тф . - мощность, развиваемая турбиной на тепловом потреблении за счет

отборов пара на подогрев теплоносителей на г-ом участке схемы установки (дополнительная теплофикационная мощность), кВт; ^рег^ - мощность,

вырабатываемая паром регенеративных отборов, расходуемым на подогрев конденсата пара, используемого для подогрева теплоносителей на г-м участке схемы, кВт; ^сн - мощность, потребляемая насосами, кВт; вв - расход

подготавливаемой воды (добавочной питательной), м3.

Преимуществом описанного метода перед другими методами оценки энергетической эффективности является то, что он позволяет оценить энергетическую эффективность работы всей теплофикационной установки, включая турбину (охарактеризовать влияние режима деаэрации на термодинамический цикл ТЭЦ), при минимуме данных по режиму работы теплофикационной турбоустановки по существу, достаточно лишь знания величины гг . Это позволяет применять его для оперативного решения широкого круга инженерных задач, связанных с оценкой структурных и режимных изменений в работе тепловых электростанций.

С помощью методики ВИШ рассчитаны и построены графические зависимости, характеризующие величину удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении новых технологий регулирования термических деаэраторов.

На рис. 3 показаны зависимости удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от нагрузки деаэратора при регулировании температуры и расхода перегретой воды (рис. 1). Технологически необходимые параметры режима деаэрации (температура исходной ¿х.ов и перегретой ¿г.а воды) определялись по многофакторным математическим моделям деаэраторов (2) и (3).

Рис.3. Зависимости удельной выработки электроэнергии на тепловом потребелении от нагрузки деаэратора ДВ-800 при регулировании температуры химически очищенной воды (пунктирные линии) и температуры перегретой воды (сплошные линии) по новой технологии регулирования термической деаэрации воды при Сга = 125 т/ч.

Прямым шрифтом обозначены технологически необходимые значения іга , °С; курсивом с подчеркиванием - значения іх.о.в , °С при различных расходах Сх.о.в ,т/ч

При реализации технологии с применением в качестве регулирующего параметра температуры исходной химически очищенной воды і хов ее оптимальная величина, необходимая и достаточная для достижения нормативного остаточного содержания О2 50 мкг/дм , определяется по формуле

іх.о.в =[бх.о.в(0,528вг а - 0,00288вг аіг а + 1,296іга - 222)+

+ От а

+ 0,012іга - 2,45)- 2,2вг а - 7,2іг а +1030],

где Сх.о.в - расход исходной химически очищенной воды, т/ч; вг а - расход

перегретой воды - греющего агента, т/ч.

Оптимальное значение температуры греющего агента - перегретой воды іга, °С, необходимое и достаточное для обеспечения нормативного остаточного содержания кислорода 50 мкг/дм3, определяется из выражения

+ Сг.а

+ 0,0252/х.о.в — 2,7)- 0,9^г.а —15/х.о.в + 945].

При некоторых сочетаниях изменяемых величин в уравнениях (2) и (3) возможно получение отрицательных значений искомых параметров. Это свидетельствует о том, что выбранный режим деаэрации может обеспечить гораздо более глубокую десорбцию растворенного кислорода из деаэрируемой воды.

Графики, представленные на рис. 3, позволяют определить

последовательность регулирования режимных параметров вакуумной деаэрации. По ним можно определить, использование каких регулируемых параметров обеспечивает максимальную величину Vт.ф, кВт-ч/м3, при разных нагрузках

деаэратора ДВ -800.

Представленные зависимости удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от нагрузки деаэратора (рис. 3) построены для технологии, в которой регулирование процесса деаэрации осуществляется по остаточному содержанию кислорода О 2 в деаэрированной воде. Как уже отмечалось, регулирование возможно осуществлять и по остаточному содержанию диоксида углерода СО2 в деаэрируемой воде. Основным отличием в этом случае является то, что технологически необходимые параметры режима деаэрации (расход греющего агента Сг.а, температура исходной /х.ов и перегретой /г.а воды) определяются по многофакторным математическим моделям, полученным из уравнения регрессии, в котором в качестве целевой функции принято значение рН деаэрированной воды [12].

Так, технологически необходимые температуры исходной /х.о.в воды,

необходимые и достаточные для обеспечения отсутствия СО 2 (значение рН=8,33), можно определить по выражению

/ х.о.в = [^х.о.в (0,6/г. а + 133,333Щх.о.в — 94,3333)+вг.а (0,64/г.а — 64)—

— 192/г.а — 124000Щх.ов + 93800]/[вх.о.в

+ 416,667 + 9,333/г.а — 1666,667Щх.ов ].

Оптимальное значение температуры греющего агента - перегретой воды /г.а, °С, необходимое и достаточное для обеспечения нормативного остаточного содержания диоксида углерода, определяется из выражения

+1хов

- 39083,333][0,25GX O B + 0,2666GT.a - 3,8889tхов - 79,999].

На рис. 4 представлены зависимости удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от нагрузки деаэратора ДВ-800 при последовательном регулировании температуры химически очищенной воды (1, 2 и 3 пара столбцов) и температуры перегретой воды (4. 5 и 6 пара столбцов) (рис. 1). Темные столбцы характеризуют величину vт.ф, кВт-ч/м , технологии регулирования tхов и tтя

при применении в качестве регулируемого параметра остаточной концентрации растворенного кислорода, а светлые столбцы соответствуют управлению по величине рН деаэрированной воды. При сравнении двух вариантов принималось, что расход греющего агента для обоих вариантов вг.а =120 т/ч. Технологически необходимые значения t хов, °С, и tта, °С, рассчитывались по многофакторным математическим моделям (2) - (5).

^т.ф,

кВтч/м3 80

70

60

50

40

30

20

10

0

600 700 800 600 700 800 Gh.b, т/ч

Рис. 4. Зависимости удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от нагрузки деаэратора ДВ-800 при регулировании температуры исходной - химически очищенной воды (1, 2 и 3 пара столбцов) и температуры греющего агента - перегретой воды (4, 5 и 6 пара столбцов); светлые столбцы соответствуют - технологии управления режимными параметрами (хов и ¿га по величине рН деаэрированной воды;

4, 5, 6 - по остаточной концентрации кислорода, при Сг.а=120 т/ч

Из анализа результатов, представленных на рис. 4, видно, что характер изменения vт.ф от нагрузки деаэратора при регулировании по остаточному

содержанию кислорода О2 и по остаточной концентрации диоксида углерода СО 2 в целом совпадает. Это говорит о том, что последовательность изменения режимных параметров при регулировании по остаточному содержанию О2 и по СО2 в деаэрированной воде в общем одинакова, однако при регулировании температуры греющего агента (светлые столбцы) по СО2 величина удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении значительно выше, чем при регулировании по О2, и наоборот, при регулировании температуры исходной -химически очищенной воды (темные столбцы) по О 2 величина v т.ф больше, чем

при регулировании по СО2 .

В целом, комплексное регулирование деаэрационных установок по нескольким регулирующим ( tх.ов, tj-.a, Gг а, Gвып ) параметрам позволяет получить больший выигрыш (в среднем на 25-30%) в тепловой экономичности ТЭЦ, чем при управлении работой деаэраторов только по одному режимному параметру.

Выводы

1. Предложены новые технологии управления термическими деаэраторами подпиточной воды теплосети на тепловых электростанциях, в которых реализуются идеи регулирования процессов термической деаэрации по нескольким параметрам.

2. Установлено, что управление процессами в термических деаэраторах по нескольким регулирующим и регулируемым параметрам позволяет повысить надежность и экономичность работы тепловой электрической станции за счет обеспечения заданной концентрации удаляемого газа (кислорода О2 или диоксида углерода СО2 ) в деаэрированной подпиточной воде при оптимальном режиме работы турбоустановки с максимальной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении.

3. Произведена оценка энергетической эффективности теплофикационных установок ТЭЦ с термическими деаэраторами путем определения удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

4. Оценено влияние на энергетическую эффективность использования в роли конечных регулируемых показателей качества остаточной концентрация кислорода О 2 и величины рН, соответствующей отсутствию диоксида углерода СО 2 в деаэрированной воде.

Summary

The technologies of complex management by thermal deaerators make up water of a thermal network on several adjustable and regulating parameters are developed. In a role of final adjustable parameters of quality it is expedient to accept the residual contents of oxygen and absence of carbon dioxide. The rating ofpower efficiency heat power devices, with the help of a technique of specific elaboration of the electric power on thermal consumption is made.

Литература

1. Шарапов В.И., Цюра Д.В. О регулировании термических деаэраторов // Электрические станции.- 2000.- №7.- С. 21-24.

2. Шарапов В.И., Феткуллов М.Р., Цюра Д.В. Технологии управления термическими деаэраторами.- Ульяновск: УлГТУ, 2004.- 262 с.

3. Шарапов В.И., Цюра Д.В. Термические деаэраторы.- Ульяновск: УлГТУ, 2003.560 с.

4. Патент № 2220293 (Ии), МПК7 Р 01 К 17/02. Тепловая электрическая станция/ В.И. Шарапов, Д.В. Цюра, М.А. Сивухина, М.Р. Феткуллов.- Б.И.- 2003.- № 36.

5. Патент № 2220295 (Ии), МПК7 Р 01 К 17/02. Способ термической деаэрации воды/ В.И. Шарапов, Д.В. Цюра, М.А. Сивухина, М.Р. Феткуллов.- Б.И.- 2003.-№ 36.

6. Патент № 2220291 (Ии), МПК7 Р 01 К 17/02. Способ работы тепловой электрической станции / В.И. Шарапов, Д.В. Цюра, М.А. Сивухина, М.Р. Феткуллов.- Б.И.- 2003.- № 36.

7. Патент № 2220297 (Ии), МПК7 Р 01 К 17/02. Способ термической деаэрации воды/ В.И. Шарапов, Д.В. Цюра, М.А. Сивухина, М.Р. Феткуллов.- Б.И.- 2003.-№ 36.

8. Патент № 2238908 (Ии), МПК7 С 02 Р 1/20. Способ термической деаэрации воды / В.И. Шарапов, М.Р. Феткуллов, Д.В. Цюра.- Б.И.- 2004.- № 30.

9. Патент № 2244207 (Ии), МПК7 Р 22 Б 1/50. Способ термической деаэрации воды / В.И. Шарапов, М.Р. Феткуллов, Д.В. Цюра.- Б.И.- 2005.- № 1.

10. Методика расчета энергетической эффективности технологий подготовки воды / Шарапов В.И., Пазушкин П.Б., Цюра Д.В., Макарова Е.В. // Известия вузов. Проблемы энергетики.- 2002.- № 7-8.- С. 22-35.

11. Шарапов В.И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов.- М.: Энергоатомиздат, 1996.- 176 с.

Поступила 10.03.2005