Способ и система автоматического регулирования мощности парогазовой установки с форсирующим воздействием на регулирующие клапаны высокого и среднего давления паровой турбины
METHOD AND SYSTEM OF AUTOMATIC REGULATION OF THE CCGT UNIT WITH FORCING IMPACT ON THE CONTROL VALVES OF HIGH AND MEDIUM PRESSURE OF THE STEAM TURBINE

Область техники
Группа изобретений относится к теплоэнергетике и может быть использована для автоматического регулирования мощности парогазовых установок (ПГУ).
Уровень техники
В состав современной ПГУ обычно входят одна или две газотурбинные установки (ГТУ), каждая из которых служит приводом своего электрического генератора, соответствующее количество котлов-утилизаторов, подключенных к газовым выхлопам ГТУ, и параллельно подключенная к котлам-утилизаторам по пару с помощью смешивающего коллектора паротурбинная установка (ПТУ). В соответствии с отраслевыми требованиями (Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования/ГОСТ Р 55890-2013. Утв. приказом Росстандарта №2164 - ст от 05.12.2013 г. // [1]) установлены следующие виды восстановления небаланса между вырабатываемой энергосистемой и требуемой потребителями активной электрической мощностью: первичное регулирование, осуществляемое в целях ограничения отклонений частоты от номинального значения для безопасности эксплуатации электростанций и минимизации риска отключения энергопринимающих установок потребителей электрической энергии действиями противоаварийной автоматики; вторичное регулирование, выполняющее функции поддержания номинального значения частоты сети при перетоках энергии между сетями; третичное регулирование - автоматическое регулирование активной мощности для восстановления резерва вторичного регулирования.
При плановом (сезонном или суточном) изменении нагрузки соответствующее изменение мощности ПГУ обычно осуществляют только за счет регулирующих органов ГТУ путем подачи топлива и воздуха в ее камеру сгорания при полностью открытых регулирующих клапанах подачи пара в паровую турбину ПТУ, что наиболее предпочтительно с экономической точки зрения.
Вместе с тем ПГУ, как и другие генерирующие установки, работающие в составе энергосистемы, должны в обязательном порядке обеспечивать изменение мощности при изменении частоты сети с определенными заданными характеристиками, регламентируемыми государственными и отраслевыми стандартами ([1] и Стандарт организации АО «СО ЕЭС» СТО 59012820.27.100.004-2016 «Нормы участия парогазовых и газотурбинных установок в нормированном первичном регулировании частоты и автоматическом вторичном регулировании частоты и перетоков активной мощности» [2]). Требования к этим характеристикам достаточно жесткие в части точности и динамики изменения мощности: за 15 сек. установленная мощность ПГУ должна измениться не менее чем на 2,5%, за 30 сек. - не менее чем на 5% и за 2 мин - не менее чем на 10% при отклонении результирующего значения мощности от заданного - не более чем на 1% от номинальной мощности ПГУ. Учитывая, что скорость изменения мощности ГТУ ограничена условиями ее надежной работы, указанные характеристики не могут быть реализованы только путем воздействия на регулирующие органы ГТУ.
Известен, принимаемый в качестве прототипа патентуемой группы изобретений способ автоматического регулирования мощности парогазовой установки, содержащей по меньшей мере одну газотурбинную установку со своим электрогенератором, соответствующее количество подключенных к газовым выхлопам указанных установок котлов-утилизаторов и параллельно подключенную к последним по пару паротурбинную установку с паровой турбиной и своим электрогенератором, заключающийся в том, что при отклонении от номинального значения частоты электрической сети сигнал задания на изменение мощности распределяют по системам регулирования газотурбинной установки и паровой турбины, причем в системе регулирования паровой турбины соответствующий сигнал задания пропускают через элементы форсирования (RU 61349, F01K 13/02, 2007 [3]).
Из того же источника [3] известна также система автоматического регулирования мощности парогазовой установки, включающей в себя по меньшей мере одну газотурбинную установку со своим электрогенератором, соответствующее количество подключенных к газовым выхлопам указанных установок котлов-утилизаторов и параллельно подключенную к последним по пару паротурбинную установку с паровой турбиной и своим электрогенератором, содержащая формирователь задания на изменение мощности парогазовой установки по первичному, вторичному и третичному регулированию, распределитель сигнала указанного задания по системам регулирования газотурбинной установки и паровой турбины и подключенные к указанному распределителю регулятор мощности газотурбинной установки и снабженный средствами форсирования соответствующего сигнала регулятор мощности паротурбинной установки.
Основным недостатком [3] является потеря экономичности из-за необходимости глубокого прикрытия клапанов цилиндров высокого давления (клапанов высокого давления) паровой турбины, что приводит к частичному дросселированию пара с некоторой соответствующей потерей его исходной энтальпии. Другим недостатком можно считать ограниченное быстродействие и точность, обусловленные необходимостью глубокого прикрытия клапана высокого давления для обеспечения этих показателей.
Раскрытие изобретений
Задачей, на решение которой направлены изобретения патентуемой группы, является обеспечение эффективной маневренности ПГУ в широком диапазоне изменения нагрузок при поддержании в заданных пределах частоты электрической сети, а достигаемыми техническими результатами - повышение быстродействия и точности регулирования мощности, а также экономичности ПГУ в маневренных режимах ее работы.
Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов применительно к 1-му патентуемому изобретению обеспечивается тем, что при осуществлении способа автоматического регулирования мощности парогазовой установки, содержащей по меньшей мере одну газотурбинную установку со своим электрогенератором, соответствующее количество подключенных к газовым выхлопам указанных установок котлов-утилизаторов и параллельно подключенную к последним по пару паротурбинную установку с паровой турбиной и своим электрогенератором, заключающегося в том, что при отклонении от номинального значения частоты электрической сети сигнал задания на изменение мощности распределяют по системам регулирования газотурбинной установки и паровой турбины, причем в системе регулирования паровой турбины соответствующий сигнал задания пропускают через элементы форсирования,
согласно 1-му изобретению патентуемой группы
указанный сигнал задания системе регулирования паровой турбины дополнительно распределяют на сигналы задания управления клапанами цилиндров высокого и среднего давления указанной паровой турбины, причем на прикрытие указанных клапанов задают ограничения, а перемещение регулирующих органов клапанов цилиндра среднего давления в сторону их прикрытия производят при достижении заданного порогового уровня отклонения от номинального значения электрической частоты сети, требующего максимально возможного быстродействия системы регулирования.
Применительно ко 2-му патентуемому изобретению решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что в системе автоматического регулирования мощности парогазовой установки, включающей в себя по меньшей мере одну газотурбинную установку со своим электрогенератором, соответствующее количество подключенных к газовым выхлопам указанных установок котлов-утилизаторов и параллельно подключенную к последним по пару паротурбинную установку с паровой турбиной и своим электрогенератором, содержащей формирователь задания на изменение мощности парогазовой установки по первичному, вторичному и третичному регулированию, распределитель сигнала указанного задания по системам регулирования газотурбинной установки и паровой турбины и подключенные к указанному распределителю регулятор мощности газотурбинной установки и снабженный средствами форсирования соответствующего сигнала регулятор мощности паротурбинной установки, согласно 2-му изобретению указанной группы
регулятор мощности паротурбинной установки дополнительно оборудован распределителем поступающего сигнала задания на регулирующие клапаны цилиндров высокого и среднего давления паровой турбины и настраиваемыми задатчиками ограничения перемещения регулирующих органов указанных клапанов в сторону их прикрытия, причем указанное средство форсирования выполнено в виде двух автономных форсирующих устройств, установленных на линиях передачи сигнала регулирующим клапанам соответственно цилиндров высокого и среднего давления паровой турбины, а указанный распределитель на прикрытие указанных 2-х групп клапанов паровой турбины выполнен в виде установленного на линии передачи сигнала клапанам цилиндра среднего давления элемента с зоной нечувствительности с заданным порогом величины отклонения от номинального значения частоты электрической сети, требующим максимально возможного быстродействия системы регулирования.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков указанных изобретений и достигаемыми техническими результатами заключается в том, что распределение на сигналы задания управления клапанами цилиндров высокого и среднего давления указанной паровой турбины с заданием ограничения на прикрытие указанных клапанов приводит к увеличению быстродействия за счет введения в действие вместо одной двух групп клапанов, что ускоряет процесс изменения мощности и улучшает точность регулирования в результате уменьшения степени инерционности процесса. При этом в ходе регулирования повышается экономичность регулирования за счет уменьшения необходимой степени дросселирования пара в каждой группе клапанов.
Условные обозначения
ГТ - газовая турбина;
ГТУ - газотурбинная установка;
К - элемент статизма;
КОМП - компрессор;
КС - камера сгорания;
КУ - котел-утилизатор;
КЧ ГТ - частотный корректор газовой турбины;
КЧ ПТ - частотный корректор паровой турбины;
МП - нелинейный элемент с зоной нечувствительности («мертвая полоса»)
ПГУ - парогазовая установка;
ПТУ - паротурбинная установка;
ПТ - паровая турбина;
РАС ВД/СД - распределитель задания регулирующим клапанам ВД и СД;
РАС ГТУ/ПТ - распределитель задания между ГТУ и ПТ;
РК ВД - регулирующий клапан ЦВД;
РК СД - регулирующий клапан ЦСД;
РКТ - регулирующий клапан топлива;
РМ - регулятор мощности;
РНА - регулирующий направляющий аппарат;
PC ВД - регулятор сервопривода регулирующего клапана высокого давления;
PC СД - регулятор сервопривода регулирующего клапана среднего давления;
СУМ - сумматор;
ФЗ - формирователь задания на изменение мощности ПГУ;
ФУ - форсирующее устройство;
ЦВД - цилиндр высокого давления;
ЦНД - цилиндр низкого давления;
ЦСД - цилиндр среднего давления;
ЭГ - электрогенератор.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 представлена упрощенная технологическая схема ПГУ, оборудованная автоматической системой регулирования мощности согласно патентуемым изобретениям; на фиг. 2 - принципиальная структурная схема системы автоматического регулирования мощности ПГУ согласно 2-му изобретению патентуемой группы; на фиг. 3 – графики изменения активной мощности ПГУ при скачкообразном изменении задания по мощности на ±12.5% номинальной мощности ПГУ, полученные в результате модельных исследований ПГУ мощностью 420 МВт, оборудованной системой автоматического регулирования мощности согласно патентуемому способу; на фиг. 4 - полученные в результате того же исследования графики изменения положения регулирующих органов клапанов цилиндров высокого и среднего давления паровой турбины.
Перечень позиций чертежа
кчгту
КЧГТУ
кч пт
КЧ ПТ
10, 20 - ГТУ; 11, 21 - КУ; 111, 211 - котельные паропроводы; 12, 22 - КОМП; 121, 221 - РНА; 13, 23 - КС; 131, 231 - топливоподводящие линии; 14, 24 - ГТ; 15, 25, 32 - ЭГ ГТУ и ПТУ; 30 - ПТУ, 31 - ПТ; 311 - ЦВД; 312 - ЦСД; 313 - ЦНД; 314 - турбинный паропровод; 40 - смешивающий коллектор; РК ВД - 315; РК СД - 316; 40 - смешивающий коллектор; 50 - ФЗ ПГУ; 51, 52 - СУМ; 60 - РАС ГТУ/ПТ; 70 - РМ ГТУ; 71, 72 - РКТ; 80 - РМ ПТУ; 81 - РАС ВД/СД; 811 - МП; 82 - PC ВД; 83 - PC СД; 84 - ФУ ВД; 85 - ФУ СД; 86, 87, 88, 89 - СУМ; 90 - КЧ ГТУ; 91 - К; 92 - МП; 100 - ККЧ ПТ; 110 - К; 120 – МП.
Перечень символов и индексов
ГТУ
N - фактическое значение мощности ГТУ;
ПТУ
N - фактическое значение мощности ПТУ;
зад
N - заданное значение мощности ПГУ;
ном
N - номинальное (установленное) значение мощности ПГУ;
зд,пл
N - задания по плановой (третичной) составляющей мощности;
зд,вт
N - задания по вторичной мощности;
- заданное значение перемещения регулирующих органов клапанов высокого давления паровой турбины
- текущее значение перемещения регулирующих органов клапанов высокого давления паровой турбины
- заданное значение перемещения регулирующих органов клапанов среднего давления паровой турбины
- текущее значение перемещения регулирующих органов клапанов среднего давления паровой турбины
Δn - разность между номинальной и фактической частотой вращения роторов соответствующих турбин
Осуществление изобретений
Представленная на фиг. 1 ПГУ содержит две газотурбинные установки ГТУ 10 и ГТУ 20, подключенные к их газовым выхлопам котлы-утилизаторы соответственно КУ 11 и КУ 21, и паротурбинную установку ПТУ 30. В состав каждой ГТУ входит компрессор соответственно КОМП 12 и КОМП 22, камера сгорания КС 13 и КС 23 с топливоподводящей линией 131 и 231, газовая турбина ГТ 14 и ГТ 24 и электрогенератор ЭГ 15 и ЭГ 25. ПТУ 30 содержит паровую турбину ПТ 31 с цилиндрами высокого давления ЦВД 311, среднего давления ЦСД 312 и низкого давления ЦНД 313 и электрогенератор ЭГ 32. При этом ПТ 31 подключена к КУ 11 и КУ 21 по пару параллельно с помощью котельных паропроводов 111 и 211, объединенных смешивающим коллектором 40 и общим турбинным паропроводом 314.
Система автоматического регулирования мощностью (САРМ) данной ПГУ согласно патентуемым изобретениям в самом общем виде представлена на фиг. 1, а более подробно - на фиг. 2 (для упрощения схемы САРМ на фиг. 2 по сравнению с фиг. 1 показана только одна ГТУ). Патентуемая САРМ содержит формирователь задания на изменение мощности ПГУ (ФЗ ПГУ) 50 (фиг. 2), распределитель сигнала указанного задания по системам регулирования ГТУ и ПТ (РАС ГТУ/ПТ) 60 (фиг. 1), регулятор мощности ГТУ (РМ ГТУ) 70 и регулятор мощности ПТ (РМ ПТ) 80 (фиг. 1, 2).
кчпх
кч пт
Для учета составляющей отклонений от номинального значения частоты электрической сети в соответствии с нормативным документом [1] используются текущие измерения механической частоты вращения роторов газовой и паровой турбин с помощью частотных корректоров (КЧ) соответственно: КЧ ГТУ 90 и КЧ ПТ 100, на вход которых поступает разность Δn между номинальной и фактической частотой вращения роторов соответствующих турбин. В состав КЧ ПТ 100 входят элемент статизма К110 и элемент зоны нечувствительности, выполняющий функции распределителя РАС ГТУ/ПТ 60 (фиг. 1), МП120.
кчгту
кчгту
В состав КЧ ГТУ 90 входят элементы статизма К91 и зоны нечувствительности МП92.
Выход каждого регулятора мощности РМ ГТУ 70 подключен к его исполнительным органам, представляющим собой регулирующие клапаны топлива РКТ 71 и РКТ 72, установленные на топливоподводящих линиях соответственно 131 и 231 к камерам сгорания КС 13 и КС 23, и регулирующие воздухонаправляющие аппараты РИА 121 и 221, установленные на входах компрессоров КОМП 12 и КОМП 22.
Регулятор мощности РМ ПТ 80 оборудован распределителем поступающего сигнала задания РАС ВД/СД 81 на регулирующие клапаны цилиндра высокого давления (регулирующие клапаны высокого давления) РК ВД 315 и регулирующие клапаны цилиндра среднего давления (регулирующие клапаны среднего давления) РК СД 316 паровой турбины ПТ 31 через регуляторы сервоприводов соответственно PC ВД 82 и PC СД 83 соответственно клапанов РК ВД 315 и РК СД 316. На линиях передачи сигналов к регуляторам сервоприводов регулирующих клапанов установлены два автономных форсирующих устройства соответственно ФУ ВД 84 и ФУ СД 85 в виде не показанных дифференцирующего и интегродифференцирующего звеньев, а также сумматоры СУМ 86, СУМ 88 и СУМ 87, СУМ 89 формирующие выработку выходных управляющих сигналов на устранение дисбаланса  и  заданных и текущих значений положения регулирующих органов соответственно РК ВД 315 и РК СД 316. Кроме того, каждый из указанных PC ВД 82 и PC СД 83 оборудован не показанными настраиваемыми задатчиками ограничения перемещения регулирующих органов указанных клапанов в сторону их прикрытия.
В состав формирователя задания ПГУ ФЗ ПГУ 50 входят:
ГТУ
ПТУ
предварительный сумматор (СУМ) 51 по изменению мощности ПГУ, включая задания по плановой (третичной) составляющей мощности Nзд,пл, задания по вторичной мощности Nзд,вт, результирующий сумматор СУМ 52 по изменению мощности ГТУ, включая задание с выхода предварительного СУМ 51, данные по фактическим значениям мощности ГТУ (N) и мощности ПТУ (N) и данные, поступающие от КЧ ГТУ 90 о небалансе частоты. Выход указанного сумматора СУМ 52, на который поступает сигнал задания пропорциональный алгебраической сумме всех перечисленных выше данных подключен ко входу РМ ГТУ 70.
Работа САРМ ПГУ в маневренном режиме согласно патентуемым изобретениям осуществляется следующим образом: при плановом изменении нагрузок без существенного изменения частоты электрической сети формирователь задания ФЗ ПГУ 50 выдает только основной сигнал управления, поступающий через сумматоры СУМ 51 и СУМ 52 на РМ ГТУ 70. При этом регулирующие клапаны РК ВД 315 и РК СД 316 паровой турбины поддерживаются в полностью открытом положении с изменением мощности ПТ 31 при скользящем давлении пара, что соответствует наиболее экономичной работе ПГУ.
кч пт
В маневренных режимах работы, требующих увеличения быстродействия САРМ преодолевается порог (50 мГц) выполняющей функцию распределителя РАС ГТУ/ПТ 60 зоны нечувствительности МП 120. При этом на РМ ПТУ 80 поступает сигнал, проходящий через учитывающий показания КЧ ПТ 100 сумматор СУМ 86 и распределитель РАС ВД/СД 81, форсирующее устройство ФУ ВД 84 на регулятор сервопривода PC ВД 82, осуществляющего перемещение регулирующих органов клапанов РК ВД 315 в сторону их прикрытия. При отклонении частоты сети на величину, требующую максимально возможного быстродействия САРМ (свыше 200 мГц) опережающий сигнал, преодолевая зону нечувствительности МП 811, дополнительно поступает на регулятор сервопривода PC СД 83, осуществляющего перемещение в сторону прикрытия регулирующих органов клапанов РК СД 316. Сумматоры СУМ 86 и СУМ 87 формируют управляющие сигналы для регуляторов сервоприводов высокого PC ВД 82 и среднего давления PC СД 83 путем суммирования форсирующих сигналов от форсирующих устройств и небалансов по положению регулирующих клапанов высокого и среднего давления соответственно, сформированных в сумматорах СУМ 88 и СУМ 89. При достижении установленных с помощью настраиваемых задатчиков величин ограничений прикрытия клапанов РК ВД 315 и РК СД 316 соответствующие регуляторы сервоприводов PC ВД 82 и PC СД 83 отключают дальнейшее перемещение этих клапанов.
Пример.
В качестве примера ниже приводятся данные исследования математической модели САРМ ПГУ-420, выполненной в соответствии с патентуемыми изобретениями. На фиг. 3 приведены графики изменения активной мощности ПГУ при скачкообразном изменении задания по мощности на ±12,5% номинальной мощности ПГУ и автоматическом регулировании без участия и с участием регулирующих клапанов цилиндров высокого и среднего давления паровой турбины. На фиг. 4 приведены графики соответствующего изменения положения регулирующих органов указанных клапанов. На графиках обеих указанных фигур цифрами обозначены кривые: 1 - регулирование мощности ПГУ без участия ПТ; 2 - регулирование мощности ПГУ с участием ПТ без ограничения на клапанах ВД; 3 - регулирование мощности ПГУ с участием ПТ при ограничении на прикрытие регулирующих клапанов ВД равном 20% от полного проходного сечения; 4 - регулирование мощности ПГУ с дополнительным участием регулирующих клапанов СД при открытии их на 17%, а клапанов ВД - на 20% от полного проходного сечения (при ограничении на прикрытие регулирующих клапанов ВД равном 20% от полного проходного сечения); 5 - (Nзад - 1% Nном); 6 - (Nзад+1% Nном), где Nзад - заданное значение мощности ПГУ, Nном - номинальное (установленное) значение мощности ПГУ.
Анализ приведенных результатов позволяет сделать следующие выводы: реализация воздействия на регулирующие клапаны паровой турбины обеспечивает выполнение энергосистемных требований первичного регулирования [1, 2] к динамике переходных процессов; в случае реализации дополнительного воздействия на регулирующие клапаны среднего давления обеспечивается выполнение энергосистемных требований первичного регулирования [1, 2] к динамике переходных процессов даже при наличии ограничений на степень открытия/закрытия регулирующих клапанов высокого давления до 20% от полного проходного сечения. При этом как показали расчеты, экономичность автоматического регулирования мощности ПГУ в маневренном режиме при использовании регулирующих клапанов высокого и среднего давления по сравнению с использованием регулирующих клапанов только высокого давления паровой турбины возрастает на 0,15%, быстродействие - на 10%, а точность регулирования уменьшается (улучшается) с 0,9 до 0,7%.
Промышленная применимость
Заявляемая группа изобретений отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технических решений раскрыта в формуле, описании и фигурах чертежа достаточно ясно, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области теплоэнергетики.