Устройство для автоматического получения дополнительной электрической мощности у турбин типа "Т"

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована на электростанциях, на которых установлены теплофикационные паровые турбины типа «Т», выдающие электроэнергию в общую электрическую сеть, когда эти турбины работают с полной (или близкой к ней) тепловой нагрузкой.
Поддержание номинальной частоты электрического тока в сети для всех электросистем является одной из важных задач. Изменение частоты происходит в связи с тем, что реальное потребление электроэнергии непрерывно изменяется, вызывая нарушение баланса между мощностью, требуемой потребителями, и мощностью, вырабатываемой электростанциями. Если потребление электроэнергии превышает ее выработку, то частота тока снижается, а если потребление меньше ее выработки, то частота тока увеличивается. Восстановление номинальной частоты должно происходить автоматически, по возможности полно и быстро.
Для повышения частоты тока в сети необходимо увеличить выработку электроэнергии, что возможно, если в системе имеется резерв мощности.
Известно, что в Советском Союзе и в настоящее время в России, широкое распространение получило централизованное теплоснабжение от тепловых электростанций, на которых установлены специальные теплофикационные паровые турбины типа «Т» (см., например, Е.Я. Соколов. Теплофикация и тепловые сети. 7-е издание, М, издательство МЭИ, 2001, с. 9). Учитывая, что выполнение длинных теплотрасс нецелесообразно из-за больших затрат на перекачку горячей воды и потерь тепла в них, ТЭЦ строятся либо вблизи городов, либо в них самих. Так в Москве размещено около 20 ТЭЦ, снабжающих ее электроэнергией и теплом. Чисто конденсационные электростанции (КЭС) в городах практически не размещаются. Теплофикационные турбины типа «Т» для парогазовых установок (ПГУ) работают паром со скользящими параметрами при открытых на номинальную величину регулирующих клапанах высокого давления (ВД).
Несмотря на высокую скорость распространения электроэнергии, первыми на нарушение баланса мощности отзываются электростанции, расположенные вблизи потребителя, который нарушил этот баланс. Поэтому, если нарушение баланса мощности произошло внутри города, то городские ТЭЦ должны участвовать в поддержании частоты тока в первую очередь.
Практически у всех теплофикационных турбин типа «Т» электрическая мощность без тепловой нагрузки больше, чем при наличии полной тепловой (или близкой к ней) нагрузки. Так у турбины Т-250/300-240 при номинальной тепловой нагрузке электрическая мощность равна 250 МВт, а при отсутствии тепловой нагрузки электрическая мощность равна 300 МВт, т.е. добавочная мощность равна 50 МВт.
У различных модификаций турбин Т-100/120-130 эта добавочная мощность равна примерно 10-12 МВт. Теплофикационные турбины типа "Т" для ПГУ также имеют указанную добавочную мощность.
На свойство большинства теплофикационных паровых турбин типа «Т» иметь при работе с тепловой нагрузкой скрытый резерв электрической мощности уже давно обращал внимание ряд энергетиков и научных работников (см., например, Качан С.А., к.т.н., Барановский И.Н. К вопросу ограничения нагрузки отопительных отборов для получения резервной мощности теплофикационных турбоагрегатов. Известия вузов. Энергетика. 2009, №1, с. 64-67; Гельтман А.Е., к.т.н. Шапиро Н.И. Анализ эффективности использования ТЭЦ для покрытия пиковых электрических нагрузок. «Теплоэнергетика», 1968, №2, с. 51-56).
Наиболее близким техническим решением является схема управления аварийным резервом мощности теплофикационных турбин, которая является «всережимной», т.е. предназначена для теплофикационных турбин типа «Т», как устройство противоаварийной автоматики (УПА), рассчитанное на работу турбины при любой тепловой нагрузке. (Иванов В.А. «Регулирование энергоблоков»; Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982 г, стр. 265-267, рис. 9.2) Недостатком данной схемы является то, что она предлагает дополнительную мощность у теплофикационной турбины получать при аварийной ситуации при любой тепловой нагрузке турбины, а не только при полной. Это привело к существенному усложнению устройства и алгоритма его работы: в УПА входят 2 функциональных блока, сумматор, регулирующий блок и другие элементы, которые отслеживают ряд параметров работы турбины и электрической сети.
До настоящего времени резерв электрической мощности турбин типа "Т", установленных в традиционных схемах, использовался только в особых случаях по указанию диспетчера при ручном управлении нагрузкой машинистом, что является существенным недостатком, затрудняющим выполнение требований СТО 59012820.27100.003-2012 (Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования) к качеству электрического тока в сети, особенно при аварийных ситуациях.
Задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков прототипа: возможность автоматического получения дополнительной электрической мощности при снижении частоты электрического тока в сети у теплофикационных турбин типа «Т», которые несут полную (номинальную, или близкую к ней) тепловую нагрузку при полном пропуске пара в турбину, поддержания частоты тока в сети в наиболее напряженное время работы энергосистемы в зимний отопительный период и упрощение конструкции устройства.
Поставленная задача достигается устройством для автоматического получения дополнительной электрической мощности при снижении частоты электрического тока в сети у турбин типа «Т», встроенным в электрическую часть системы автоматического регулирования турбины, и состоящим из определителя падения частоты сети, алгоритмического модуля задания открытия регулирующей диафрагмы, элемента его подключения и элемента блокировки регулятора давления пара отопительного отбора. В определитель падения частоты сети может быть встроен элемент дистанционного включения и отключения.
Заявленная полезная модель может быть осуществлена у турбин типа «Т», оснащенных системой автоматического регулирования (САР), имеющих электронный регулятор частоты вращения (РЧВ) и электронный регулятор положения органа парораспределения низкого давления (НД) (например, регулирующей(их) диафрагмы(м)), а также регулятор давления пара отопительного отбора (РОО).
При принятых в России температурном графике тепловых сетей 150/70°С (здесь цифры 150 и 70 означают максимальную и минимальную температуру горячей воды, поступающей в теплосеть, в зависимости от температуры наружного воздуха зимой и летом) и  (коэффициент, показывающий, какую часть максимальной тепловой нагрузки ТЭЦ обеспечивают паровые турбины; другую часть тепла обеспечивают пиковые источники (котлы, бойлера)), начиная с температуры наружного воздуха 0°С турбины типа «Т» несут полную (номинальную) тепловую нагрузку (более 5 месяцев в году). Заявленное устройство обеспечивает почти полное отключение у турбины тепловой нагрузки, благодаря чему турбина может выдать добавочную мощность без увеличения расхода пара. Последнее особенно важно для турбин, работающих в составе ПГУ.
Такое решение допустимо, т.к. учитывая большую инерционность тепловой нагрузки в п. 6.3.2 Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, утвержденных Приказом Минэнерго РФ от 19 июня 2003 г. №229, записано: «Диспетчер энергосистемы имеет право изменить кратковременно (не более чем на 3 ч.) график тепловой сети. Понижение температуры сетевой воды допускается не более чем на 10°С по сравнению со значением в утвержденном графике».
Турбина переходит на режим с малой тепловой нагрузкой, определяемой тем, что через сетевые подогреватели продолжает проходить сетевая вода, которая и при существенном снижении давления в камерах отбора пара будет забирать некоторое количество пара на свой подогрев. Однако, расход пара в конденсатор существенно увеличится и последние ступени турбины обеспечат выработку дополнительной электрической мощности.
Через конденсаторы всех турбин типа «Т», у которых предполагается использовать предлагаемую полезную модель, должно проходить достаточное количество охлаждающей воды для обеспечения необходимого вакуума при увеличении расхода пара в них.
Выполнение указанного требования облегчается тем, что заявленное устройство особенно целесообразно использовать в зимний период, когда температура охлаждающей воды существенно ниже расчетной и ее нужно меньше, чем заложено в расчетах. Так обычно расчетная температура охлаждающей воды у турбин типа «Т», работающих с градирнями, равна 20-27°С, а при прямоточном водоснабжении она зимой равна 4-6°С, при водоснабжении от градирен температура воды зимой равна примерно 12°С. Расход охлаждающей воды через трубную систему конденсатора может уменьшаться относительно расчетного не более, чем в два раза, т.к. при этом снижается скорость охлаждающей воды в трубах охлаждения, которая не должна быть меньше 1 м/сек (при меньшей скорости идет интенсивное «заиливание» труб), а расчетная скорость воды принимается 2 м/сек.
У турбин типа «Т», имеющих максимальный расход свежего пара на режиме с полной отопительной нагрузкой больший, чем расход свежего пара, который получится при существенном снижении тепловой нагрузки, для исключения перегрузки турбины должен быть включен предохранительный регулятор мощности (ограничитель мощности).
При включении заявленного устройства сигнал текущей частоты должен поступать в него после достижения определенной аварийной уставки по частоте сети, т.е. должно допускаться некоторое отклонение частоты от номинального значения, при котором устройство не будет вводиться в работу.
Это необходимо по следующим соображениям:
1) С точки зрения надежности турбины нецелесообразно допускать резкое изменение режима работы турбины при небольших изменениях частоты, особенно, если они происходят часто.
2) В упомянутой выше статье Гельтмана и Шапиро отмечается, что частые колебания температуры сетевой воды даже в относительно небольших пределах (15-25°С) снижают надежность и долговечность работы тепловых сетей.
Заявленное устройство для автоматического получения дополнительной электрической мощности при снижении частоты электрического тока сети у турбин типа «Т» встраивается в электрическую часть САР, например, турбины типа «Т» АО «Уральский турбинный завод».
Фрагмент электрической части САР, включающий элементы, с которыми связано заявленное устройство и само устройство показаны на фиг. 1.
Элементы электрической части САР, с которыми связано заявленное устройство:
1 - измеритель частоты электрического тока в сети (частоты вращения валопровода турбоагрегата);
2 - задатчик частоты вращения валопровода турбоагрегата в сети;
3 - электронный регулятор частоты вращения;
4 - предохранительный регулятор мощности;
5 - задатчик положения регулирующего(их) клапана(ов) ВД;
6 - регулятор положения регулирующего(их) клапана(ов) ВД;
7 - привод регулирующего(их) клапана(ов) ВД;
8 - регулирующий(ие) клапан(ы) ВД;
9 - измеритель давления пара в отопительном отборе;
10 - задатчик регулятора давления пара в отопительном отборе;
11 - регулятор давления пара отопительного отбора (РОО);
12 - задатчик положения регулирующей(их) диафрагмы(м) НД;
13 - электронный регулятор положения органа парораспределения НД;
14 - привод регулирующей (их) диафрагмы (м) НД;
15 - регулирующая(ие) диафрагма(ы) НД;
Элементы заявленного устройства, встраиваемого в электрическую часть САР:
16 - определитель падения частоты сети;
17 - алгоритмический модуль задания открытия регулирующей(их) диафрагмы(м);
18 - элемент подключения алгоритмического модуля 17;
19 - элемент блокировки POO 11.
Устройство для автоматического получения дополнительной электрической мощности при снижении частоты электрического тока в сети у турбин типа «Т», встроенное в электрическую часть системы автоматического регулирования турбины, характеризуется наличием определителя падения частоты сети 16, элемента блокировки 19 регулятора давления пара отопительного отбора 11, алгоритмического модуля задания открытия регулирующей диафрагмы 17 и элемента его подключения 18. Определитель падения частоты сети 16 может содержать встроенный элемент дистанционного включения и отключения.
Порядок работы предлагаемого устройства.
При снижении частоты сети ниже заданной уставки, включенный определитель падения частоты сети 16, через элемент подключения 18 и элемент блокировки 19, выдает следующие команды: блокирует действие POO 11 и включает алгоритмический модуль задания открытия регулирующей диафрагмы 17, который выдает команду на открытие регулирующей диафрагмы 15, переводя турбину на режим с малой тепловой нагрузкой, чем обеспечивается выработка дополнительной электрической мощности в короткий промежуток времени, что позволяет компенсировать резкое снижение частоты сети при аварийных режимах работы энергосистемы, повышая качество и надежность работы последней.
Техническим результатом заявленного устройства является то, что оно позволяет турбины типа «Т», работающие с полной (или близкой к ней) тепловой нагрузкой, при снижении частоты электрического тока в сети ниже заданной уставки, автоматически переводить на режим с малой тепловой нагрузкой и получать дополнительную электрическую мощность.