Лекция-11

Режи­мы работы и эксплуатация ТЭС. Работа теплоэнергетического оборудования в переменной части графика нагрузок. Маневренность тепловых электро­станций. Режимы пуска и останова энергоблоков.

1. Ручной (РУЧ). Пуск и останов насосов оператором по месту с включёнными блокировками и нет (т.е. без контроля правильности пуска и останова со стороны контроллера).

2. Дистанционный режим (ДИСТ): с лицевой панели контроллера или АРМа технолога-оператора (с ПЭВМ).

3. Автоматический режим работы (АВТ).

Реализуемые на микропроцессорных контроллерах функции.

Информационный режим.

1. Контроль напряжения питания цепей КИП и А.

2. Контроль напряжения питания силового оборудования.

3. Контроль положения ключа ручного или дистанционного режима, расположенного по месту (обычно в насосном отделении). В ручном режиме внешние цепи управления отключаются, т.е. отключается дистанционный и автоматический режимы.

4. Контроль залива насоса.

5. Контроль сопротивления изоляции электродвигателя.

6. Контроль температуры подшипников электродвигателя.

7. Контроль давления нагнетания.

8. Контроль давления в общем коллекторе.

9. Контроль уровня в емкостях.

10. Контроль загазованности в насосном отделении.

11. Контроль наличия воспламенения или пожара.

12. Контроль состояния насосов и положения напорных задвижек каждого насоса.

13. Контроль качественных характеристик электропитания.

14. Контроль количества срабатываний конечных выключателей, релейно-контактной аппаратуры, продолжительности работы каждого насоса.

Функции управления.

1. Пуск и останов насоса.

2. Открытие и закрытие напорной задвижки (задвижки нагнетания).

3. Открытие и закрытие задвижки на всасе насоса.

4. Аварийное отключение насоса.

5. Выбор маршрута закачки или откачки продукта.

Блокировки.

Блокировка команды «Открыть задвижку» в автоматическом режиме:

1. Задвижка открыта.

2. Задвижка имеет признак «Авария».

3. Задвижка в ремонте.

4. Отсутствует напряжения питания в электрической цепи управления задвижкой.

Блокировка команды «Закрыть задвижку» в автоматическом режиме:

1. Задвижка закрыта.

2. Задвижка имеет признак «Авария».

3. Задвижка в ремонте.

4. Отсутствует напряжения питания в электрической цепи управления задвижкой.

Блокировка команды «Пуск» насоса в автоматическом режиме:

1. Напорная задвижка открыта.

2. Нет залива насоса, блокировка пуска «на сухую».

3. Сопротивление изоляции электродвигателя ниже нормы.

4. Открыта задвижка другого продукта.

5. Ключ напорной задвижки не переведён в положение ДИСТ.

6. Напорная задвижка имеет признак «Авария».

1. Отсутствует напряжение питания в электрической цепи управления задвижкой нагнетания.

1. Отсутствует напряжение питания в электрической цепи управления пуском и остановом электродвигателя насоса.

2. Отсутствует напряжение питания электродвигателя насоса.

3. Защита от несвоевременного пуска.

4. Насос имеет признак «Авария».

5. Насос в ремонте.

6. В случае формирования ложной, случайной команды «Пуск».

7. При попытке оператором произвести закачку в ёмкость с максимальным уровнем.

Блокировка команды «Стоп» насоса в автоматическом режиме (нормальный режим, не аварийный):

1. Напорная задвижка открыта.

2. Защита от несвоевременного останова.

В программе реализовано импульсное включение и импульсное отключение насосов с защитой от повторного несвоевременного включения насоса. Некоторые двигатели нельзя включать раньше указанного в паспорте времени. Двигатель нельзя отключать, если он не набрал номинальные обороты. Останов двигателя в момент пуска, когда пусковой ток в 5-7 раз превышает номинальный, может привести к возникновению дуги в контакторе. Блокировка от несвоевременного останова и пуска просто и надёжно реализована на одновибраторах (ОДВ). При пуске контролируется набор давления за заданное время, а в процессе работы контролируется давление в общем коллекторе и другие параметры.

Индикация. Всех контролируемых значений и состояний. Хранение предыстории. Фиксирование некорректных действий оператора и их блокирование.

Предусмотрена защита информации (БД-базы данных) и программ от несанкционированного доступа.

Производится периодическое тестирование аппаратных и программных средств.

Сигнализация. В системах автоматизированного управления для объектов повышенной опасности сигнализации уделено особое внимание. Разработаны блоки интеллектуальной сигнализации.

В реальных системах необходимо предусматривать связь пуска и останова насосов с системой ПАЗ (противоаварийной защитой).

Большинство из этих функций при реализации детализируются. Рассмотрим подробнее, например, на первый взгляд простую функцию: «Открыть/Закрыть» напорную задвижку.

Алгоритм управления электрозадвижкой

Реализуемые функции.

Режимы работы: ДИСТ или РУЧ и АВТ.

Команды: открыть, закрыть. Состояния: открыта, закрыта, авария.

Блокировки команд открыть или закрыть, если задвижка открыта или закрыта. Блокировка действий оператора при попытке открыть задвижку другого продукта. Т.е., если идёт закачка одного продукта, а оператор пытается открыть задвижку на ёмкости другого продукта. Предусмотрена антиреверсная защита. Если по каким-либо причинам оператор ошибочно дал команду открыть (закрыть) и в момент её движения понял, что её необходимо срочно закрыть. Формирует команду закрыть. Команда закрыть сбрасывает команду открыть и проходит на выход не сразу, а с задержкой, например, 3 секунды. Этой выдержки достаточно, чтобы двигатель с редуктором остановились и только после этого идёт противоположная команда закрыть.

Реализацию алгоритма управления напорной электрозадвижкой представим на языке алгоблоков (язык FBD) для логической модели контроллера Ремикон Р-130, который имеется в лаборатории института. Программирование осуществлялось с помощью кросс-средств Редитор Р-130.

Алгоритм управления задвижкой включает следующие моменты:

1. По командам «открыть» или «закрыть» формируются управляющие сигналы на исполнительные механизмы.

2. Сброс команд происходит:

o по нажатию конечного выключателя (КВ, конечника), верхнего или нижнего;

o по истечении времени необходимого для открытия или закрытия;

o по истечении времени, необходимого для схода с конечного выключателя;

o при появлении противоположной команды

1. Алгоритм формирует сигнал аварии. Аварией считаются ситуации:

o оба конечника нажаты;

o оба конечника отжаты без команды;

o задвижка не сошла с конечного выключателя за отведённое время.

2. Алгоритм обеспечивает индикацию состояния задвижки:

o в положении "открыто" ‑ «горит» светодиод №5,

o в положении «закрыта» ‑ «горит» светодиод №13 лицевой панели контроллера,

o в процессе перехода задвижки из одного состояния в другое соответствующий светодиод мигает. Например, когда задвижка Z-1 открывается мигает 5-й светодиод.

o команда открыть или закрыть контроллером сформирована - светодиод №21,

o сигнал аварии выдаётся на светодиод №29.

3. С конечных выключателей при нажатии приходит сигнал нулевого уровня (логический ноль). Если КВ отжат, то – единица.

Для наглядности и лучшего восприятия материала в докладе приводится лицевая панель контроллера Ремиконт Р-130 (модель логическая). На лицевой панели светодиоды расположены в восемь столбцов по четыре светодиода в каждом столбце. Первые два вертикальных ряда отведены под состояния двух насосов. Пятый и шестой ряд под состояния напорных задвижек. Структурные схемы алгоритмов, вид лицевой панели контроллера, циклограммы работы системы будут представлены в докладе. В таблице приведено назначение закреплённых светодиодов.

Табл. 1. Назначение закреплённых светодиодов

Номер светодиода	Назначение
	Насос Н-1 включен
	Насос Н-1 включен
	Напорная задвижка Z-1 насоса Н-1 открыта
	Напорная задвижка Z-2 насоса Н-2 открыта
	Насос Н-1 отключен
	Насос Н-2 отключен
	Напорная задвижка Z-1 закрыта
	Напорная задвижка Z-2 закрыта
	Команда по Н-1 сформирована (пуск или стоп)
	Команда по Н-2 сформирована (пуск или стоп)
	Команда по Z-1 сформирована (открыть или закрыть)
	Команда по Z-2 сформирована (открыть или закрыть)
	Авария по Н-1
	Авария по Н-2
	Авария по задвижке Z-1
	Авария по задвижке Z-2

Программы составлены на языке функциональных алгоблоков. Целесообразно, на наш взгляд, придерживаться следующих принципов при написании таких программ:

1. Принцип функциональной полноты. Алгоритм и программа контроля и регулирования должны максимально реализовывать функции объекта управления (ОУ). Сюда входит учёт перспективных функций или задач. Введение новой функции не должно изменять (существенно) структуру программы. Структура программы должна содержать проверку входной и выходной информации на достоверность, отражать логику нормального функционирования ОУ. Блоки интеллектуальной сигнализации должны включать прогноз вероятных нарушений, учитывать время реакции оператора и системы, формировать рекомендаций обслуживающему персоналу и операторам технологического процесса, переводить систему в активный режим, позволяющий предупреждать нарушения и аварии.

2. Принцип единообразия в шифрации, нумерации и расположении алгоритмических блоков (алгоблоков), выполняющих одну или несколько взаимосвязанных функций. Расположение и их нумерация должны отражать последовательность преобразования информации.

1. Принцип нежёсткой нумерации. Между конечными и начальными номерами очередной группы алгоблоков, реализующих одну или несколько взаимосвязанных, но разных функций должны быть резервные номера (свободные). Обычно не более 5-ти.

2. Нумерация каждой группы блоков, реализующих одинаковые функции, должна быть идентична. Например, первая группа имеет нумерацию от 10 до 19, тогда вторая – от 20 до 29 и т.д.

3. При расположении алгоблоков друг под другом следует учитывать возможность изменения модификатора размера в сторону увеличения (на один размер).

4. Границы группы алгоблоков должны располагаться на одной линии, чтобы можно было проводить информационные кабели (связи между алгоблоками) без дополнительных зигзагов и пересечений.

3. Введение в программу промежуточных алгоблоков при вводе и выводе информации (промежуточных «клеммников»). Данный приём программирования, в частности, позволяет оперативно переходить на резервный канал, не корректируя связи в самой программе.

4. Принцип распределённого (по контроллерам) программирования задач контроля и регулирования технологическим оборудованием, имеющим резерв. Нельзя параллельное резервирование технологического оборудования сводить к последовательному включению (с точки зрения резервирования) за счёт реализации программы управления резервным оборудованием в одном контроллере. Вводить сигналы в один контроллер можно в том случае, если он имеет резервный контроллер.

5. Принцип максимальной информационной автономности реализуемой задачи. Этот принцип позволяет распределять связанные параметры по контроллерам так, чтобы отказ любого контроллера, работающего в локальной сети, не влиял на работоспособность другого контроллера (другой программы) или это влияние было не существенным. Если группа параметров необходима для выполнения одной или нескольких взаимосвязанных задач, то эти параметры должны быть заведены через устройства связи с объектом (УСО) на один контроллер.

Внедрение систем, максимально учитывающих возможные ситуации, позволит избежать при пуске насосов кавитационных явлений, при останове – гидравлических ударов, исключить некорректный пуск (на «сухую», на открытую задвижку и т.д.) и останов (при открытой задвижке, ложной команде) насосов. Что значительно повысит долговечность релейно-контактной аппаратуры, продлит ресурс работы задвижек и насосов. Снизится нагрузка на технологический и ремонтный персонал. Практически исключаются остановы по вине автоматизированной системы.

В докладе будет представлен один из алгоритмов управления насосами и группой задвижек.

Ориентировочная стоимость разработки такой автоматизированной системы управлением группой из 10-12 насосов, 30-40 задвижек для 20-30 ёмкостей составит 0.8‑1,5 млн. рублей. Срок разработки и внедрения системы обычно составляет 2-3 года.

В связи с серьезной реструктуризацией и реформированием энергетической отрасли России, ее переделом, а также изменением обстановки потребления электрической энергии, возникает и ставится задача сохранения экономичности и долговечности работы оборудования при достаточно большом количестве пусков энергоблоков после непродолжительных резервов на несколько суток.

Поэтому в настоящее время весьма актуальна проблема автоматизации и совершенствования технологии пуска энергетических блоков, так как повышаются требования к маневренности энергоблоков, надежности энергосбережения в условиях роста неравномерности графиков нагрузки энергосистем. Возрастает объем используемой информации и количество объектов воздействия для современных энергоблоков, поэтому традиционные средства не справляются с обеспечением необходимой надежности и оперативности контроля и управления. Вместе с тем, реальная продолжительность переходных режимов, как правило, больше предусмотренной инструкцией по пуску, а также имеются регулярные ограничения по показателям состояния и критериям надежности турбин [1].

Автоматизация технологических процессов включает в себя:

- создание средств автоматизации и формирование структуры АСУ;

- разработка, построение алгоритмов и программ автоматического управления (технологических основ автоматизации);

- подготовка оборудования к автоматизации.

Это положение отражается в ГОСТ 34.601-90 [2], предусматривающем в качестве отдельных этапов при создании АСУ ТП разработку общих решений по системе и ее частям, функционально-алгоритмической структуре системы, по функциям персонала и организационной структуре технических средств, по алгоритмам решения задач и применяемым языкам программирования, по организации и ведению информационной базы, системе классификации и кодировании информации, по программному обеспечению.

Одной из самых важных составных частей этапа создания алгоритмической структуры АСУ является разработка технологических основ автоматизации. Подготовленность технологической базы существенно влияет на успех и эффективность автоматизации. Разработчик проводит детальное изучение объекта автоматизации и необходимые научно-исследовательские работы, связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований пользователей.

В свою очередь, средства реализации алгоритмов автоматизированного контроля и управления оказывают заметное влияние не только на форму, но и на содержание алгоритмов, на выбор объема и способов автоматизации.

Разработка технологических основ автоматизации включает в себя:

- анализ объекта управления;

- исследование рабочих процессов объекта;

- формулировку задач управления;

- необходимую для проектных задач реконструкцию объекта;

- построение математических моделей объекта автоматизации;

- исследование динамических характеристик объекта;

- разработку информационного и алгоритмического обеспечения АСУ.

Этой части в общем комплексе работ по созданию АСУ ТП паровых турбин энергоблоков ТЭС и АЭС уделяет меньше внимания по сравнению с вопросами разработки структуры и средств автоматизации.

Увеличение функциональных возможностей, улучшение характеристик современных средств автоматики и компьютерной техники дают возможность повышать уровень автоматизации.

В связи с этим, задача формирования подходов к разработке технологических основ автоматизации становится актуальной. Методы, которые используются при этом, в частности эксплуатационный контроль за состоянием оборудования, построения алгоритмов и программ автоматического управления могут быть использованы для проработки переходных режимов энергоблоков.

Турбинное оборудование в большей степени обуславливает скорость и характер технологических процессов при пусках энергоблоков.

В автоматизации упразления пусками паровых турбин в составе энергоблока можно выделить три составные части:

- автоматизация контроля за состоянием оборудования и ходом технологического процесса;

- автоматизация дискретного управления;

- автоматизация непрерывного управления - пускового регулирования.

Автоматизация контроля дает возможность своевременно получать текущую информацию о состоянии оборудования и ходе управляемых процессов.

Автоматизация дискретного управления предусматривает автоматизированное воздействие на объекты управления с дискретным изменением состояния.

Непрерывное управление предполагает изменение в реальном времени параметров работы оборудования по программе, реагирующей на состояние оборудования в процессе пуска.

При реализации усовершенствований АСУ ТП энергоблоков и внедрении их на электростанциях можно выделить такие наиболее важные потенциальные источники экономии:

- повышение экономичности работы оборудования вследствие роста коэффициента полезного действия выработки электроэнергии в стационарных режимах и сокращения потерь теплоты при переходных режимах ввиду меньшего износа уплотнений турбин, в частности, нас интересует сокращение пусковых потерь из-за уменьшения длительности пусков (предотвращение пластических деформаций разъемов цилиндров);

- повышение надежности работы оборудования, предотвращение аварийных ситуаций и повреждение оборудования;

- сокращение численности оперативного эксплуатационного персонала.

Автоматизация управления пусками имеет особое значение по сравнению с автоматизацией других переходных режимов. При пуске энергоблока осуществляется управляемое изменение (программное пусковое регулирование) большого числа параметров в широком диапазоне - от начального, предпускового, до номинального уровня, а также дискретное изменение состояния наибольшего числа объектов. При этом существует вероятность совершения оперативным эксплуатационным персоналом ошибок, которые могут задержать пуск, вызвать аварийное отключение энергоблока или привести к выходу из строя оборудования.

Поэтому автоматизация управления пусковыми режимами позволяет реализовать последовательность выполнения пусковых операций, обусловленную только требованиями технологии без учета способностей персонала, а также своевременно осуществить необходимые воздействия и проконтролировать их выполнение.

Все вышесказанное свидетельствует о необходимости постоянного совершенствования технологии режимов пуска турбины в составе энергоблока, решая задачи переработки пусковых схем, графиков-заданий и последовательности технологических операций.

В данной диссертационной работе произведено исследование температурного и термонапряженного состояния РСД турбины К-300-240-2 в процессе прогрева при пуске блока по различным вариантам технологий пуска из холодного и неостывшего состояний с сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными. По результатам исследования проведена проработка и выбор конкретной технологии пуска. Также в рамках работы выполнена разработка динамической модели и схемы прогрева данного ротора.

Актуальность работы. Повышение маневренных характеристик мощных паровых турбин при обеспечении надежности работы и высоких технико-экономических показателей стал центральным вопросом с момента ввода их в эксплуатацию.

На сегодняшний день, в условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования, срок службы оборудования может быть продлен, если оно будет эксплуатироваться в щадящих условиях.

В ближайшие четыре-пять лет все блоки сверхкритического давления мощностью 300 МВт, которые вводились в эксплуатацию в 60-70-е годы прошлого века, выработают свой ресурс.

Типовые технологии пусковых режимов не отвечают современным требованиям к маневренности. С учетом практически отсутствия традиционных средств регулирования температуры пара промперегрева на блоках сверхкритического давления мощность 300 МВт с турбинами ХТЗ, встала проблема по устранению недопустимых температурных напряжений в "критических" элементах турбины. Для этого необходимо разработать, проверить усовершенствованную технологию пуска, а также решить вопросы организации эксплуатационного контроля прогрева ротора среднего давления, как "критического" элемента данной турбины.

Традиционные средства не справляются с обеспечением необходимой надежности и оперативности контроля и управления. Эффективность автоматизации управления в значительной степени зависит от технологической обоснованности и знаний свойств объекта управления. Значительное повышение производительности вычислительных инструментов дало возможность использовать сложные модели и сложные постановки задач для адекватного описания физических процессов, ранее недоступных для моделирования.

Актуальность проведенных исследований подтверждает и тот факт, что разработка новых безопасных и экономичных режимов предпускового прогрева, разворота и нагружения турбины требует обязательного изучения состояния высокотемпературных и массивных элементов объекта, наиболее опасным из которых является РСД. Результаты исследования циклической прочности паровых турбин мощностью 160-300 МВт, проводимые Харьковским филиалом ЦКБэнерго совместно с ВТИ, показали, что при существующем режиме работы за весь срок эксплуатации обеспечена циклическая прочность роторов и корпусов этих турбин, за исключением РСД турбины К-300-240 ХТЗ, на поверхности которого в зоне ПКУ не исключено появление трещин малоцикловой усталости [3]. Эти выводы подтверждаются обнаружением трещин на поверхности РСД в зоне ПКУ при проведении ремонтов.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы являлось исследование теплового состояния РСД турбины в пусковых режимах и разработка принципов по снижению уровня температурных разностей и напряжений, возникающих в роторе ЦСД в процессе разворота и начального нагру-жения турбогенератора после включения в сеть.

Настоящая работа посвящена численной проверке и отработке предлагаемой усовершенствованной технологии пуска дубль-блока с турбиной К-300-240-2 путем моделирования ротора среднего давления, как самого термонапряженного элемента данной турбины в переходных режимах. Целями работы, в том числе, является исследование возможности использования различных моделей ротора для целей выявления "критических" сечений, отработки графиков пуска, к тому же подтверждение результатов проведенных испытаний. Одной из конечных задач работы является обоснование выбора типа и разработка динамической и виртуальной модели прогрева РСД при пуске для целей эксплуатационного контроля, основывающегося на проведенном анализе динамики изменения ведущих показателей текущего и прогнозируемого состояния РСД при изменении частоты вращения ротора (я), мощности турбогенератора (N3), и температуры пара на входе в ЦСД (tnn).

Научную новизну заключается в следующем:

- доказана возможность использования одномерной модели РСД, с учетом специфики конструкции ЦСД с внутренним корпусом и прямоточной схемой движения пара в проточной части, только в первом приближении;

- определено влияние характера течения пара в переднем концевом уплотнении (ПКУ) цилиндра среднего давления (ЦСД) изношенного промежуточного уплотнения на прогрев РСД в зоне паровпуска;

- обоснована последовательность применения известных методов математического моделирования для оптимизации технологии пуска турбины в составе блока по критическим элементам;

- на основе математических моделей прогрева, выполненных в комплексе ANSYS, и данных о реальных пусках энергоблоков с турбинами К-300-240-2 исследованы тепловые и термонапряженые состояния РВД и РСД; в основу разработанных моделей легло подробное моделирование полной геометрии роторов с тепловыми канавками, дисками с галтелями, а также подробное задание начальных и граничных условий на каждом характерном участке роторов, соответствующих каждой пусковой операции;

- получены и обоснованы экспериментальные данные по благоприятному термонапряженному состоянию РСД при пуске по новой технологии; по результатам исследования оптимизированы графики пуска такой технологии;

- разработана модель прогрева РСД, учитывающая двухмерность температурного поля с использованием метода передаточных функций; впервые опробована методика расчета, входящих в динамическую модель прогрева РСД, коэффициентов и так называемых "функций положения" на базе расчетов температурных полей ротора при характерных (регулярных) режимах прогрева; разработана структурная схема виртуальной модели РСД для эксплуатационного контроля теплового состояния в темпе процесса, входящей в состав АСУ ТП энергоблоков.