Расчет параметров в узлах встроенных сепараторов прямоточных парогенераторов ТЭС в переменных режимах эксплуатации

Приведенные данные свидетельствуют, что применение действующего порядка оптимизации и нормирования водопотребления, при котором не учитываются стоимость платы за водопотребление, приводит фактически к необоснованному (так как не учитывает стоимость водопользования) включению в затраты не оптимизированной и достаточно высокой составляющей стоимости 1 кВт-ч электроэнергии.

Для повышения эффективности работы теплоэнергетических установок, использующих поверхностные водные объекты для нужд циркуляционного водоснабжения с применением прямоточной схемы, необходимо учитывать плату за водопользование при оптимизации вакуума в конденсаторах и осуществлять регулирование расхода охлаждающей конденсаторы воды при изменении ее температур и нагрузок энергоблоков [4].

Выводы

1. Для энергоблоков ТЭС, использующих воды поверхностных источников для охлаждения конденсаторов по схеме прямоточного водоснабжения, величина доли себестоимости выработки 1 кВт-ч электроэнергии, относимой к плате за водопользование, составляет от 1,5 до 4,8 коп.

Научно-исследовательский институт ЮжВТИ, Южно-Российский государственный технический

2. Для повышения эффективности работы энергоблоков при оптимизации (нормировании) водопотреб-ления необходимо учитывать плату за водопользование и осуществлять регулирование расхода охлаждающей конденсаторы воды при изменении температур охлаждающей воды и нагрузок энергоблоков.

Литература

1. Методика разработки норм и нормативов водопотребления и водоотведения на предприятиях теплоэнергетики: МТ 34-00-030-87 (РД 34.02.401) / Утв. Минэнерго СССР 04.01.87; срок действия установлен с 01.01.92. 1987. Изменение №1 к РД 34.02.401. М., 1992.

2. Лукьянов В.Г., Балтян В.Н., Борисов Г.М., Скубиенко С.В. О необходимости и эффективности регулирования производительности циркуляционных насосов энергоблоков. // Материалы IV междунар. конф. «Повышение эффективности производства электроэнергии», 14-17 октября 2003 г., Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2003. С. 125 - 128.

3. Прибытков Б.П. Эксплуатация циркуляционных насосов ТЭС. М., 1991.

4. Борисов Г.М., Скубиенко С.В. Возможности повышения эффективности работы систем циркуляционного водоснабжения ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 2. С. 76 - 78.

университет (НПИ) 15 апреля 2004 г.

УДК 621.181.62-501.72

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ В УЗЛАХ ВСТРОЕННЫХ СЕПАРАТОРОВ ПРЯМОТОЧНЫХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ ТЭС В ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

© 2004 г. И.А. Якубенко

Преимущественное использование и дальнейшее строительство в европейской части России энергетических мощностей на ядерном топливе, эксплуатация которых экономически целесообразна в базовом режиме, обусловливает неизбежный перевод в полупиковую и пиковую области графика электрических нагрузок энергоблоков ТЭС мощностью 300 - 800 МВт. В таких условиях эксплуатации возрастает частота случаев значительного и резкого изменения параметров теплоносителя по всему пароводяному тракту энергоблока, что требует экстренной разгрузки парогенераторов по тепловой мощности и кратковременной работы турбогенератора в режиме холостого хода со срабатыванием быстродействующих сбросных устройств и предохранительных клапанов, а также последующего перевода парогенераторов на режим скользящего давления. При нахождении энергоблока в режиме холостого хода более 10 мин следует останов одного или нескольких парогенераторов и повторная их растопка после снятия ограничений по набору

мощности энергоблоком. С ростом числа кратковременных остановов парогенераторов растет и количество их повторных растопок и пусков из горячего состояния, считающихся наиболее теплонапряженными циклами «расхолаживание - разогрев» для толстостенных элементов коллекторов котлов и паропроводов.

В любом из указанных выше нестационарных режимов для исключения термоударов и снижения тепловых напряжений [1] весь пароводяной тракт котла разделяется закрытием встроенных задвижек (ВЗ), затем автоматически поддерживается дроссельными клапанами Д-1 рабочее давление в поверхностях нагрева тракта до ВЗ с организацией сброса излишней двухфазной среды (рис. 1) во встроенные сепараторы (ВС), где происходит механическое разделение теплоносителя на пар и воду. Сбросы воды из ВС в расширитель должны автоматически регулироваться дроссельными клапанами Д-2 с обеспечением в оптимальном случае минимальной продолжительности этих сбросов и исключением проскока паровой фазы из ВС в расширитель.

Рис. 1. Расчетная схема в узлах ВС: Д-1, Д-2, Д-3 - дрос-сельно-регулирующие клапаны; ВЗ - встроенные задвижки; 0мет - температура металла коллекторов; РВЗ - давление теплоносителя до ВЗ; Г сеп. - температура среды перед ВС; Д сеп.; I сеп.; Д р ; I р ; Дпе ; I пе - расходы и энтальпии теплоносителя до ВС; на сбросе в расширитель; на сбросе в тракт за ВЗ

Оптимальный режим подачи отсепарированного в ВС пара в тракт за ВЗ должен начинаться постепенным открытием клапанов Д-3 только после достижения температуры среды в ВС (Гсеп.) уровня, близкого к температуре металла входных коллекторов (0мет.) пароперегревателя. Таким способом обеспечится безударный прогрев коллекторов и паропроводов тракта за ВЗ, что сведет к минимуму негативное воздействие на рабочий ресурс длительной прочности металла основных толстостенных элементов парового тракта котлов.

Традиционный объем измерений и автоматизации в узлах ВС [1] при частых пусках, расхолаживаниях энергоблоков и в полупиковых режимах работы парогенераторов сверхкритического давления становится недостаточным для оптимального управления дроссельными клапанами Д-1, Д-2, Д-3. Назревает необходимость моделирования нестационарных процессов теплообмена, происходящих в узлах ВС и в близлежащих толстостенных элементах парового тракта за ВЗ. Для этого предлагается применить всережимную динамическую с распределенными параметрами нелинейную модель прямоточного котла [2], использованную ранее при расчетах режимов расхолаживаний энергоблоков, и дооснастить узлы ВС измерительными устройствами температуры металла по верхней и нижней образующим горизонтальных коллекторов трактов за ВЗ (6мет.).

Модифицированная модель [2] подключается к измерительному контуру котла при закрытии ВЗ и позволяет рассчитывать необходимые параметры в узлах ВС и за ними с учетом надежности расхолаживания толстостенных коллекторов, практических значений коэффициентов сепарации в ВС, проскока пара в расширитель, величины дросселирования теплоносителя клапанами Д-1, Д-2, Д-3, существующего пропуска арматуры ВЗ, Д-2 и Д-3 в закрытом состоянии.

Используя для работы с моделью [2] вычислительные комплексы серии СМ-2, СМ-2М, наиболее распространенные в АСУ ТП энергоблоков 300-800 МВт, можно обеспечивать быстродействие отыскания решений по входным текущим параметрам, соизмеримым с реальным временем протекания процессов нестационарного тепло- и массообмена.

Приведенная на рис. 2 блок-схема алгоритма расчета выходных параметров в узлах ВС позволяет оценить стартовые пропуски ВЗ и дроссельных клапанов Д-2, Д-3, а затем - начальный градиент температур расхолаживания коллекторов тракта за ВЗ и неравномерность расхолаживания металла верха и низа этих коллекторов.

Далее текущую расчетную информацию (с периодом квантования от 0,2 до 4,0 с) с учетом технологических ограничений, изложенных для сложных ситуаций в [1], предполагается использовать в автоматических и функционально-групповых системах управления дроссельными клапанами Д-1, Д-2 и Д-3, а также преобразовывать обобщающими программами высшего уровня в более информативные сообщения и советы оперативному персоналу для принятия правильных решений при пусках котлов из горячего состояния, сбросах и наборах электрической нагрузки энергоблоками.

Рассмотрим задачу комплексной автоматизации управления дроссельными клапанами Д-1, Д-2, Д-3 в пиковых режимах работы энергоблока с использованием модели [2] и граничных условий, изложенных в [1]. Алгоритм управления клапанами Д-1 при закрытых ВЗ сводится к поддержанию постоянного закритического давления Р вз = 26 МПа со сбросом избытка теплоносителя Дсеп. в сепараторы. При этом выходными расчетными параметрами модели на каждом шаге квантования являются: Рсеп., Гсеп., /сеп., по которым в блоке 2 (рис. 2) вычисляются степень сухости Х и энтальпии воды 1' и пара I" на линии насыщения. Задача управления сбросом среды из узлов ВС состоит в таком обеспечении открытия клапанов Д-2, чтобы вся отсепарированная влага в количестве Др с энтальпией Iр= 1' направлялась в расширитель с минимальным проскоком паровой фазы.

Алгоритм управления подачей пара в тракт за ВЗ состоит из двух этапов:

1. Автоматическое управление клапанами Д-3. При полностью открытых клапанах Д-2 плавное и постепенное открытие клапанов Д-3 в начальном этапе с ориентиром [1] на допустимые скорости охлаждения и перепады температур металла верха и низа коллекторов тракта за ВЗ.

2. Автоматическое управление клапанами Д-2. После полного открытия клапанов Д-3 автоматическое управление осуществляется прикрытием клапанов Д-2 из условий обеспечения допустимых температурных градиентов (йЮверх - ^6низ) в металле толстостенных элементов тракта за ВЗ. При этом модель [2] рассчитывает расходы и параметры потоков из ВС в паропе-регревательные поверхности нагрева и сравнивает их с предыдущими данными, оценивая тенденцию изменения температурных градиентов и количеством теплоты, полученной от работы топки и газовоздушного тракта котла.

3 Dne Dcen ^ne ^сеп ^p ^сеп

4 Dne Dnpon ^ne ^сеп ^p ^сеп

5 Вычисл. Dne? ^'ne? ^p

Рис. 2. Блок-схема модели расчета параметров в узлах ВС по [2]: i', i" - энтальпия воды и пара на линии насыщения; Х - степень сухости насыщенного пара; т - расчетный шаг по времени; Бпроп - величина пропуска арматуры; Ашра - общее количество пара. Остальные обозначения см. на рис. 1

В конечном счете при повышении параметров топки и газоходов, а соответственно и теплоносителя, сбрасываемого в ВС, увеличиваются X, Дсеп, Рсеп., /сеп., /сеп., и при достижении Х=1,0 наступает момент полного закрытия клапанов Д-2, выравнивания давлений теплоносителя в трактах до ВЗ и за ВЗ. Это позволяет открыть все ВЗ и перевести котел в полностью прямо-

точный режим, после чего возможно отключение математической модели [2] от информационно-управляющего контура энергоблока.

Подробнее опишем расчетные возможности всережимной математической модели [2] при применении ее в управленческих целях в узлах ВС.

В блоке 1 (рис. 2) рассчитываются безрасходные режимы, когда Дпе = Дсеп = 0, которые характерны для полного закрытия стопорных клапанов турбины или главных паровых задвижек, но до начала открытия быстродействующих редукционно-охладительных устройств и предохранительных клапанов котла.

В блоке 2 по текущим значениям Рсеп, /сеп с помощью системы вириальных уравнений состояния воды и водяного пара, приспособленных Яном Юзой для вычислительных машин [3], определяются энтальпии воды I' и пара I" на линии насыщения, а также степень сухости теплоносителя X.

В блоке 3 определяются значения потоков среды на выходе из ВС при отсутствии отсепарированной влаги (Х=1,0), характерных для последних этапов пуска или первых этапов расхолаживания тракта за ВЗ котла.

Блок 4 предусматривает расчет параметров теплоносителя на выходе из ВС в виде недогретой воды при наличии пропуска ВЗ или клапанов Д-3, что наиболее характерно для первых этапов пуска прямоточного парогенератора (прокачка, горячая отмывка, начало

подъема параметров в топке и газоходах).

В блоке 5 вычисляются регулируемые расходы Дпе, Др и тепловые характеристики потоков /пе, /р , а также регулирующие воздействия автоматики на клапаны Д-3 и Д-2 с обеспечением безопасного изменения температур металла тракта за ВЗ.

В математической модели [2] предусмотрена возможность расчета параметров потоков при заданных начальных условиях значений расхода теплоносителя из ВС в тракт за ВЗ: Дпе =Дзадан = Ат), что позволяет исследовать нетиповые режимы работы парогенераторов либо воспроизвести аварийные ситуации, связанные с ошибками персонала, заклиниванием дроссельных клапанов Д-2, Д-3 в промежуточном положении, наличием больших течей теплоносителя из пароводяного тракта котла.

Возвращаясь к блоку 2 (рис. 2), следует отметить, что в отличие от уравнений Я. Юзы [3], математическая модель [2] позволяет определять значения температуры и плотности теплоносителя по величинам давления и энтальпии по упрощенному алгоритму, представленному на рис. 3.

Да

Нет^ Расчетные

w формулы

из области 4

Нет

>

С

Выход

)

Рис. 3. Алгоритм расчета по [2, 3] параметров состояния воды и водяного пара

В отличие от алгоритма и уравнений, изложенных в работе [3], разделение расчетного поля параметров воды и водяного пара выполнено автором не на семь областей, а только на пять (рис. 4), что позволяет при максимальной погрешности вычислений не более 1% значительно увеличить быстродействие модели [2].

35

15

330

600 fcen, °C

Рис. 4. Разделение расчетного поля параметров на частные: 1 - область воды при Рсеп. > 15 МПа; 2 - область, близкая к критическим параметрам; 3 - область перегретого пара; 4 - область насыщения; 5 - область воды при Рсеп. < 15 МПа

При этом итерационный поиск решения осуществляется только методом конечных разностей по неявной схеме, а число итераций на каждом шаге по времени или температуре не превышает трех.

Реализация расчета параметров в узлах ВС при пуско-остановочных и пиковых режимах с использованием модели, предложенной в работе [2], осуществлена на энергоблоках 300 и 500 МВт с парогенераторами ПК-39 и П-57. Комплект математических программ и блок-схем модели принят проектными и наладочными организациями в качестве составной части нового проекта АСУ ТП энергоблоков с прямоточными парогенераторами.

Сравнительными исследованиями расчета параметров в узлах ВС на модели с промышленными измерениями аналогичных параметров при пусках парогенераторов ПК-39 из горячего состояния оценивается доверительный интервал моделирования величиной 95 %.

С помощью моделирования разработан и в нескольких промышленных экспериментах проверен новый способ [4] регулирования сброса теплоносителя из ВС, использующий разность температур металла

в

верха и низа толстостенного горизонтального

коллектора на входе в пароперегреватель за ВЗ в качестве косвенного параметра, характеризующего влажность пара на выходе из ВС. При этом автоматическое регулирование клапанами Д-3 и Д-2 сводится к поддержанию постоянного значения разницы температур металла (6верх - 0низ = const) для горизонтальных участков входных коллекторов первых поверхностей нагрева тракта за ВЗ.

Литература

1. Шмуклер Б.И., Гофайзен А.В. Пусковые схемы мощных энергоблоков с прямоточными котлоагрегатами // Маневренность мощных тепло-энергетических блоков: Тр. / ВТИ. Вып. 14. М., 1978. С. 3-23.

2. Якубенко И.А., Рябис А.А., Пак В.Н. Специализированная нелинейная динамическая цифровая модель прямоточного парогенератора. Волгодонск, 1980. Деп. в Информ-энерго 03.06. 79, № Д/669; Аннот. в БУ ВИНИТИ Деп. рук. 1980. №2. С.91.

3. Юза Я. Уравнения для термодинамических свойств воды и водяного пара, предназначенные для вычислительных машин // Теплоэнергетика. 1967. № 1. С. 80-86.

4. А.с. 909408 СССР МКИ Е22В35/14. Заявл. 11.07.79. Способ регулирования сброса среды из растопочного сепаратора / И.А. Якубенко, В.Н. Пак // Опубл. 28.02.82. Бюл. № 8.

ОАО «Атоммашэкспорт», Волгодонск

6 апреля 2004 г.

Рсеп, МПа

мет

УДК 621.1.016

К РАСЧЕТУ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ

ВОДЫ В КОЛЬЦАХ РАШИГА

© 2004 г. С.А. Леонтьев

Теплообмен и массообмен при непосредственном контакте газа и жидкости используются в энергетике преимущественно для нагрева воды продуктами сгорания природного газа (контактные экономайзеры и теплоутилизаторы) или испарительного охлаждения воды воздухом (градирни). Наиболее эффективно эти процессы происходят в слое насадки из-за развитой поверхности межфазного переноса и возможности обеспечения интенсивного взаимодействия теплоносителей. На основе полученных опытным путем зависимостей для расчета тепломассооб-

мена возможна оптимизация конструкции и режима контактных аппаратов с повышением экономичности их работы.

В настоящей статье приводятся результаты экспериментального исследования тепломассообмена при противоточном охлаждении воды воздухом в насадке (применительно к градирням используется термин «ороситель») из керамических колец Рашига 25*25*3 мм, насыпанных внавал. Основные конструктивные и режимные параметры экспериментальной установки приведены в табл. 1.