Устройство управления теплосиловой установкой
CONTROL DEVICE FOR THERMAL POWER PLANT

Предлагаемое устройство управления теплосиловой установкой относится к области электроэнергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС), например на конденсационных электростанциях (КЭС) или теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) на органическом топливе.
Известен аналог-установка (Шестобитов И.В., Ляшов А.С., Щербак Д.С. Установка для обеспечения маневренности атомных электрических станций. Патент РФ на полезную модель №70312, МПК F01K 13/02, H02J 9/04, G21D 3/08. Опубликовано 20.01.2008) для обеспечения маневренности атомных электрических станций, содержащей ядерный реактор, парогенератор, паровую турбину, соединенную с электрогенератором, и через конденсатор и конденсатный насос с системой регенеративных подогревателей низкого давления, связанной последовательно установленными деаэратором, питательным насосом парогенератора, подогревателями высокого давления, соединенными с парогенератором, причем подогреватели низкого давления и высокого давления через конденсатор связаны с паровой турбиной, вал которой соединен с электрогенератором, который связан с реактором для получения кислорода и водорода, за которым установлены емкости для накопления и хранения кислорода и водорода, соединенные с расположенными в технологической последовательности камерой сгорания, паровой турбиной сверхкритических параметров, вторым конденсатором и конденсатным насосом, связанным через регулирующий клапан с подогревателями низкого давления, деаэратором, питательным насосом камеры сгорания, подогревателями высокого давления, связанными с камерой сгорания, при этом конденсатный насос соединен с резервуаром для воды, связанной с помощью насосов с реактором для получения кислорода и водорода с одной стороны, и с камерой сгорания с другой, а подогреватели низкого и высокого давления соединены через второй конденсатор с паровой турбиной сверхкритических параметров, соединенной со вторым электрогенератором.
Известная установка обладает тем недостатком, что рядом с атомной электростанцией, реализующей в тепловой части цикл Ренкина, для обеспечения ее маневренности установлена вторая электростанция с реактором для получения кислорода и водорода, в тепловой части реализующей также цикл Ренкина, что существенно усложняет установку и, как следствие, удорожает ее. Кроме того, следует отметить низкую эффективность возвратной выдачи электроэнергии в энергосистему при работе полной схемы последовательной цепочки - обеих циклов Ренкина (примем для них КПД 0.4) и реактора для получения кислорода и водорода (примем для него КПД 0.8). Тогда полный КПД составит всего η=0.4⋅0.4⋅0.8=0.128, т.е. примерно 13%.
Известен прототип - Цгоев Р.С. «Способ управления теплосиловой установкой и устройство для его реализации» (Патент РФ на изобретение №2604095, опубл. 10.12.2016, Бюл. №34). Устройство управления теплосиловой установкой, например двухконтурной атомной электрической станцией, для реализации известного способа, содержит контур рабочего тела - теплоносителя ядерного реактора, и контур рабочего тела паротурбинного цикла Ренкина, включающего парогенератор, конденсатор, питательный насос и паровую турбину, выходной вал которой соединен с электрогенератором, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой, дополнительно снабжено электрическим нагревателем и блоком питания электрического нагревателя, при этом электрический нагреватель расположен последовательно в контуре для нагрева рабочего тела - теплоносителя ядерного реактора, силовые входы электрического нагревателя соединены с силовыми выходами блока питания, силовой вход блока питания соединен с цепью статорной обмотки электрогенератора.
Кроме того, устройство управления теплосиловой установкой снабжено регулятором дополнительного нагрева рабочего тела контура, задатчиком мощности дополнительного нагрева рабочего тела контура, датчиком мощности силового входа блока питания нагревателя, блоком регулирования расхода топлива, регулятором мощности электрогенератора, задатчиком мощности электрогенератора, датчиком мощности электрогенератора, при этом управляющий вход блока питания соединен с выходом регулятора дополнительного нагрева рабочего тела контура, кроме того, выход регулятора соединен с первым входом регулятора мощности электрогенератора, первый вход регулятора дополнительного нагрева рабочего тела контура соединен с датчиком мощности силового входа блока питания нагревателя, второй вход регулятора соединен с задатчиком мощности дополнительного нагрева рабочего тела контура, второй вход регулятора мощности электрогенератора соединен с выходом задатчика мощности электрогенератора, а третий вход регулятора мощности электрогенератора соединен с выходом датчика мощности электрогенератора, выход регулятора соединен с входом блока регулирования расхода топлива, выход которого соединен с управляющим входом ядерного реактора.
Известный способ и устройство для его реализации обладают тем недостатком, что устройство не может быть реализовано на обычных тепловых электростанциях, использующих углеводородное топливо для обеспечения их высокой маневренности, так как не учитывает особенности парового котла с камерой сгорания органического топлива - там нет контура для нагрева рабочего тела - теплоносителя ядерного реактора.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в сохранении неизменными параметров цикла Ренкина теплосиловой установки при любых нормальных и аварийных режимах в энергосистеме и, как следствие, в повышении надежности работы ТЭС на углеводородном топливе.
Технический результат заключается в высокой маневренности конденсационных электростанций (КЭС) или теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) на органическом топливе при их упрощении в целом и, как следствие, - сокращение сроков окупаемости теплосиловой установки.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном устройстве управления теплосиловой установкой, содержащей контур рабочего тела паротурбинного цикла Ренкина, включающего, соответственно, паровой котел с каналами подачи воздуха и топлива в камеру сгорания котла, конденсатор, питательный насос и паровую турбину, выходной вал которой соединен с электрогенератором, цепь статорных обмоток которого соединена с энергосистемой через выключатель, а также блок регулирования расхода топлива, электрический нагреватель с блоком питания электрического нагревателя, силовые входы электрического нагревателя соединены с силовыми выходами блока питания, силовой вход блока питания соединен с датчиком мощности силового входа блока питания и с цепью статорных обмоток электрогенератора, выключатель в цепи статорных обмоток электрогенератора снабжен датчиком положения выключателя, выход которого соединен с входом задатчика мощности дополнительного нагрева воздуха, управляющий вход блока питания соединен с выходом регулятора дополнительного нагрева воздуха, кроме того, этот выход регулятора соединен также с первым входом регулятора мощности электрогенератора, первый вход регулятора дополнительного нагрева воздуха соединен с датчиком мощности силового входа блока питания нагревателя, второй вход регулятора дополнительного нагрева воздуха соединен с задатчиком мощности дополнительного нагрева воздуха, второй вход регулятора мощности электрогенератора соединен с выходом задатчика мощности электрогенератора, а третий вход регулятора мощности электрогенератора соединен с выходом датчика мощности электрогенератора, выход регулятора дополнительного нагрева воздуха соединен с входом блока регулирования расхода топлива, согласно изобретению, электрический нагреватель расположен последовательно в канале подачи воздуха в камеру сгорания котла, блок регулирования расхода топлива расположен последовательно в канале подачи топлива в камеру сгорания котла.
Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунке, на котором представлена упрощенная схема конденсационной электрической станции с паровым котлом с каналом подачи воздуха и топлива в камеру сгорания котла, и контур рабочего тела цикла Ренкина, а электрический нагреватель расположен последовательно в канале подачи воздуха в камеру сгорания котла.
Контур рабочего тела паротурбинного цикла Ренкина образуют паровой котел 1 с каналами подачи воздуха и топлива в камеру сгорания котла 1, конденсатор 2, питательный насос 3 и паровая турбина 4, выходной вал которой соединен с электрогенератором 5, цепь статорных обмоток которого соединена с энергосистемой 6 через выключатель 7. Силовые входы электрического нагревателя 8 соединены с силовыми выходами блока 9 питания, силовой вход блока 9 питания соединен с цепью статорных обмоток электрогенератора 5, электрический нагреватель 8 расположен последовательно в канале подачи воздуха в камеру сгорания котла 1. Управляющий вход блока 9 питания соединен с выходом регулятора 10 дополнительного нагрева воздуха, кроме того, этот выход регулятора 10 соединен также с первым входом регулятора 14 мощности электрогенератора 5, первый вход регулятора 10 дополнительного нагрева воздуха соединен с датчиком 12 мощности силового входа блока 9 питания нагревателя 8, второй вход регулятора 10 соединен с задатчиком 11 мощности дополнительного нагрева воздуха, второй вход регулятора 14 мощности электрогенератора 5 соединен с выходом задатчика 15 мощности электрогенератора, а третий вход регулятора 14 мощности электрогенератора 5 соединен с выходом датчика 16 мощности электрогенератора 5, выход регулятора 14 соединен с входом блока 13 регулирования расхода топлива. Выход датчика 17 положения выключателя соединен с входом задатчика 11 мощности дополнительного нагрева воздуха.
Паровая турбина 4, цилиндры которой соединены между собой через пароперегреватель 18, соединена через конденсатор 2 и конденсатный насос 19 с системой регенеративных подогревателей 20 низкого давления, далее связанные последовательно установленными деаэратором 21, питательным насосом 3 и системой регенеративных подогревателей 22 высокого давления с паровым котлом 1, причем системы регенеративных подогревателей низкого 20 и высокого 22 давления через отборы 23 связаны с паровой турбиной 4.
Электрический нагреватель 8, выполненный, например, в виде выпускаемых в мире карбидкремниевых нагревателей, представляет собой набор цилиндрических стержней сплошного (тип КЭН Б по ГОСТ 16139-76) или трубчатого (КЭН В) сечения диаметром 4-110 мм, длиной рабочей теплоизлучающей части от 60 до 2440 мм и общей длиной нагревателя до 3280 мм (Полонский Ю.А., Захаренков В.К. Карбидкремневые электронагреватели для электрических печей сопротивления. Известия Академии Наук, Энергетика. 1999, №3, стр. 119-127). Для подвода тока к нагревателям с помощью металлических гибких шин их "холодные" концы выполняются из материалов, имеющих удельное электрическое сопротивление в 10-100 раз меньше, чем сопротивление рабочей части. Электрический нагреватель 8 расположен, как отмечалось, последовательно в канале подачи воздуха в камеру сгорания котла 1 для нагрева воздуха, силовые входы электрического нагревателя 8 соединены с силовыми выходами блока питания 9. Блок питания 9 может быть выполнен в виде переключателя, применяемого в трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., "Энергия",1974, стр. 307-308), в виде регулируемого выпрямителя (Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А Квасюк. 2-е изд., стереотипное. - М.: Издательский дом МЭИ. 2009. - 632.: ил., стр. 210-261) или в виде трехфазного тиристорного регулятора (там же, стр. 293-295). Силовой вход блока питания 9 соединен с цепью статорной обмотки электрогенератора 5.
Регулятор 10 дополнительного нагрева воздуха выполнен, например, в виде регулятора пропорционального или пропорционально-интегрального типа, задатчик 11 мощности дополнительного нагрева выполнен, например, в виде источника постоянного сигнала. Блок 24 подготовки воздуха и электрический нагреватель 8 образуют канал подачи воздуха в камеру сгорания котла 1. Блок 25 подготовки топлива и блока 13 регулирования расхода топлива образуют канал подачи топлива в камеру сгорания котла 1. Циркуляционный насос 26 подает охлаждающую воду в конденсатор 2.
Рассмотрим три режима работы теплосиловой установки.
ЭГ
ЭН
ТОП
ЭГ
Первый режим - нормальный, например номинальный, при котором выключатель 7 находится во включенном состоянии и теплосиловая установка работает на энергосистему 6. Примем, что электрогенератор 5 работает с cosϕ=1. Соответственно в относительных единицах мощность электрогенератора 5 составляет ту же величину, т.е. Р=cosϕ=1. Мощность электрического нагревателя 8 нулевая, т.е. ΔР=0. Примем также, что КПД всей теплосиловой установки (т.е. всей электростанции) составляет η=0.4. Тогда полный секундный расход топлива (т.е. полная тепловая мощность, которую развивает топливо при сгорании) при этом в относительных единицах составляет . Очевидно, что нормальный секундный перерасход топлива (из-за η=0.4) в относительных единицах составляет ΔQ=Q-Р=2.5-1=1.5. Эта мощность сбрасывается через конденсатор 2, а охлаждение конденсатора 2 осуществляется охлаждающей водой, подаваемой циркуляционным насосом 26.
ЭГ
ЭН
ЭГ
ТОП
ТОП
ЭГ
ЭН
ЭГ
Второй режим - аварийный. Предположим, в энергосистеме 6 произошла какая-то авария, при которой выключатель 7 был переведен в выключенное состояние. При этом датчик 17 положения выключателя 7 формирует сигнал о выключенном состоянии выключателя 7. Этот сигнал поступает на вход задатчика 11 мощности дополнительного нагрева воздуха, который формирует сигнал, поступающий на второй вход регулятора 10 дополнительного нагрева воздуха. Одновременно на первый вход регулятора 10 дополнительного нагрева воздуха поступает сигнал с датчика 12 мощности силового входа блока 9 питания нагревателя 8. По этим двум сигналам регулятор 10 дополнительного нагрева рабочего тела контура включает блок 9 питания нагревателя 8 на полную мощность электрогенератора 5, что, соответственно в относительных единицах, составляет ту же доаварийную величину Р=cosϕ=1. При этом мощность дополнительного нагрева воздуха электрическим нагревателем 8 равна ΔР=Р=1. Одновременно по сигналу регулятора 14 блок 13 регулирования расхода топлива, выход которого соединен с котлом 1, снижает секундный расход топлива на ту же величину и реальный расход топлива в этом режиме составляет ΔQ=Q-Р=2.5-1=1.5. Очевидно, экономия секундного расхода топлива составляет ΔР=Р=1.
В таком экономичном режиме теплосиловая установка может работать сколь угодно долго вплоть до восстановления нормального режима энергосистемы при сохранении неизменными (по температуре, давлению и расходу) параметров цикла Ренкина теплосиловой установки. При восстановлении нормального режима энергосистемы 6, т.е. при включении выключателя 7, теплосиловая установка сразу же на себя возьмет всю номинальную нагрузку, т.к. не требуется время на разогрев устройства. Очевидно, что предложение позволяет исключить возможность полного "погасания" электростанций при тяжелых, аварийных потерях устойчивости в энергосистеме, как это было, например, в энергосистемах США, в частности аварии в Нью-Йоркской системе 9.11.1965 г., когда 2/3 США полностью "погасло" на несколько суток (Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. Изд. 2-е, переработ, и доп. Учебник для электроэнергетич. специальностей вузов. М., "Высшая школа",1970, стр. 462). В принципе, сюда же можно отнести особые нормальные отключения электростанций в соответствии с графиком нагрузки энергосистемы на субботние, воскресные и праздничные дни.
Третий режим - любой между указанными выше двумя режимами. Такие режимы возникают в энергосистемах ежесуточно в периоды ночных провалов графиков нагрузки. Например, оператор задает с помощью задатчика 15 какую-то мощность электрогенератора 5. Затем оператор в пределах этой мощности с помощью задатчика 11 задает мощность дополнительного нагрева воздуха. В остальном устройство работает аналогично вышеописанному.
Для сравнения отметим, что для обычного энергоблока мощностью 300 МВт при снижении нагрузки до 200 МВт в период ночных минимумов продолжительностью 6.5 часов неизбежные потери топлива (из-за неэкономичности диктуемого энергосистемой режима) составляют 15.694 т в сутки (Трубицын В.И. Надежность электростанций: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1997. 240 с.: ил., стр. 179, Таблица 5.4). В течение года это составит 15.694×365=5728.31 т. При применении предложения, по крайней мере, это топливо будет сэкономлено.
Изобретение позволяет сохранить неизменными параметры цикла Ренкина теплосиловой установки при любых нормальных и аварийных режимах в энергосистеме, что, как следствие, повышает надежность работы ТЭС. При этом нет необходимости в использовании резервного источника энергии при аварийном обесточивании ТЭС. Высокая маневренность теплосиловой установки позволяет использовать ее и для регулирования частоты в энергосистеме. Упрощение теплосиловой установки в целом сокращает сроки ее окупаемости.