Информационные модели теплофикационных турбоагрегатов ТЭЦ

В связи с регулярным подорожанием природного газа, как основного топлива, используемого теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) для централизованного теплоснабжения, все чаще возникает вопрос об оптимизации режимов эксплуатации теплофикационных блоков на основе математического моделирования энергоустановок. Главной задачей выступает поиск таких режимов, при которых возможно получение дополнительной электроэнергии от теплофикационных турбин, что позволяет существенно снизить расход топлива без капитальных вложений на создание новой конструкции проточных частей турбин или других элементов тепловой схемы.

Наиболее полно, с условием необходимой адаптации, для решения поставленной задачи подходит разработанный в Институте проблем машиностроения имени А.Н. Подгорного НАН Украины программно-вычислительный комплекс "SCAT" [1]. Важным этапом исследований режимов эксплуатации теплофикационных блоков с учетом работы их тепловых схем при использовании гибких математических моделей является создание информационной модели конкретного объекта исследования, а также ее верификация по результатам измерений на одной из турбин действующих ТЭЦ.

Информационная модель энергоустановки трактуется как составной объект [2], т.е. это совокупность данных об объекте исследования, существенных с точки зрения решаемых задач. В качестве объекта исследования выступают теплофикационные турбины серии Т (Т-50/60-130, Т-100/120-130, Т-180/210-130, Т-250/300-240, Т-260/300-240 и их модификации) производственного объединения "Уральский турбинный завод" (ПО УТЗ, г. Екатеринбург, Россия), имеющие отборы пара для подогрева сетевой воды в подогревателях [3].

Турбины данного типа имеют идентичную теплофикационную установку, упрощенная схема которой приведена на рис.1. Теплофикационная установка включает в себя два горизонтальных сетевых подогревателя (бойлера) – ПС-1 и ПС-2.

ПС-1 питается паром нижнего отопительного отбора p_н, ПС-2 питается паром с более высокими параметрами, чем в ПС-1, из верхнего отопительного отбора p_в. Сетевая вода через сетевые подогреватели нижней и верхней ступеней подогрева пропускается последовательно и в одинаковом количестве. Конденсат сетевых подогревателей подается дренажными насосами ДН-1 и ДН-2 в магистраль основного конденсата.

Работа ПС проводится по:

1. Одноступенчатой схеме (включен только нижний отбор) – регулирование температуры прямой сетевой воды осуществляется традиционным для теплофикационных турбин способом за счет изменения давления в нижнем отопительном отборе р_н с помощью регулирующих (поворотных) диафрагм, установленных на входе в ЦНД. Задвижки 1-3 открыты, задвижки 4-7 – закрыты.

2. Двухступенчатой схеме (включены оба отбора) – сетевая вода последовательно подогревается в сетевом подогревателе нижней (ПС-1), а затем верхней (ПС-2) ступеней. Давление в нижнем отопительном отборе р_н не регулируется, в верхнем отопительном отборе р_в регулируется за счет изменения расхода свежего пара, подаваемого в турбину. Задвижки 1,3-5 открыты, задвижки 2,6,7 – закрыты.

Наличие байпасной линии с задвижкой 8 позволяет поддерживать требуемую температуру прямой сетевой воды как за ПС-1, так и за ПС-2 путем смешивания потоков сетевой воды на выходе ПС с частью воды из обводной линии.

Одной из важнейших задач разработки информационной модели тепловых схем является представление структуры данных, на которые однозначно отображаются объекты, описывающие элементы схемы, линии связи и саму схему. Правильное распределение параметров между соответствующими структурами, включая и параметры, обеспечивающие информационную связь между ними, позволяет существенным образом расширить функциональные возможности средств графического диалога, упростить разработку и реализацию алгоритмов.

На рис. 2 представлено условное изображение элемента «Бойлер», где 1 – вход питательной воды; 2 – выход греющего пара; 3 – сброс дренажей; 4 – выход питательной воды; 5 – сброс пара в бойлер дополнительно; 6 – вход греющего пара.

К теплоэнергетическим свойствам данного элемента относятся: dP_w – потеря давления по воде, МПа; G – расход воды, кг/с; dP_s – коэффициент потерь давления по пару; dt_s – температурная разность по греющему пару, °С; dt_w – температурная разность по воде, °С; k – коэффициент теплопередачи, кДж/(кг&#;К); F – поверхность нагрева, м²; k_од – коэффициент теплопередачи охладителя дренажа, кДж/(кг&#;К); F_од – поверхность охладителя дренажа, м²; t – температура пара за бойлером, °С; t_д – температура дренажа, °С.

На рис.3 показано открытое окно заполнения собственных свойств моделируемого элемента энергоустановки.

Созданная математическая модель энергоустановки, реализованная в виде системы графического взаимодействия, предоставляет удобные средства для решения задач анализа и оптимизации энергоустановок в диалоговом режиме. Пакет программ, реализующий математическую модель, включает средства для формирования описаний энергоустановок на поле монитора персонального компьютера, просмотра и модификации свойств компонент и структуры, организации вычислительного процесса и эффективного интерфейса с функциональными модулями.

Для совершенствования режимов отпуска теплоты с использованием программно-вычислительного комплекса SCAT сформирована информационная модель энергоблока с турбиной Т-100/120-130. Созданная математическая модель, реализованная в виде системы графического взаимодействия, предоставляет удобные средства для решения задач анализа и оптимизации энергоустановок в диалоговом режиме. Она включает в себя средства для формирования описаний энергоустановок на поле монитора персонального компьютера, просмотра и модификации свойств компонент и структуры в целом, организации вычислительного процесса в течение нескольких секунд и вывод результатов расчетов на экран в удобной для работы форме.

Верификация математической модели выполнена на примере турбоустановки Т-100/120-130 энергоблоков №1 и №2 Харьковской ТЭЦ-5 (ПАО "ХАРЬКОВСКАЯ ТЭЦ-5", г. Харьков, Украина). Значения энергетических характеристик турбоагрегатов получены при их эксплуатации [5]. Сопоставление расчетных и измеренных характеристик выполнено для конденсационного режима работы турбоустановки (отпуск теплоты внешнему потребителю отсутствует) и для теплофикационных режимов при работе турбоустановки с одноступенчатым и двухступенчатым подогревом сетевой воды.

а)

б)

в)

Рис.3. Изменение электрической мощности в зависимости от расхода свежего пара на турбину Т-100/120-130 блока №1 и №2 Харьковской ТЭЦ-5:

а) − конденсационный режим, Q_т = 0;

б) − теплофикационный режим, одноступенчатый подогрев сетевой воды, Q_т = 100 Гкал/ч;

в) − теплофикационный режим, двухступенчатый подогрев сетевой воды, Q_т = 100 Гкал/ч.

Для сопоставления приняты зависимости изменения электрической мощности от расхода свежего пара на турбину. Эти зависимости приведены на рис.3 (точками показаны измеренные характеристики).

Как видно из результатов сопоставления, расчетные данные удовлетворительно совпадают с результатами эксплуатации. Некоторое отклонение эксплуатационных значений N_э наблюдается при минимальных расходах свежего пара. Отклонение не превышает 6,7% при G₀ = 270 т/ч (= 0,5).

Выводы

Для исследования режимов отпуска теплоты теплофикационными блоками ТЭЦ с целью их совершенствования выбран программный комплекс SCAT, разработанный в Институте проблем машиностроения имени А.Н. Подгорного НАН Украины. Созданы информационные модели теплофикационных турбин серии Т, имеющие идентичную установку для подогрева сетевой воды.

Проведена верификация используемой математической модели по энергетическим характеристикам паротурбинной установки Т-100/120-130, полученным при эксплуатации турбоагрегата блоков №1 и №2 Харьковской ТЭЦ-5. Показано хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных, что подтверждает правильность выбора данной модели для исследования режимов эксплуатации рассматриваемых теплофикационных турбоустановок.

Литература:

1. Лыхвар Н.В. Структуры данных и язык системы машинного проектирования и исследований тепловых схем паротурбинных установок // Математическое обеспечение систем автоматизированного проектирования объектов машиностроения. Препринт АН УССР, Институт проблем машиностроения. – Харьков, 1981. – №163. – С.45-52.

2. Лыхвар Н.В. Гибкие математические модели энергоустановок для оптимизации режимов ТЭЦ // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб.науч.трудов ИПМаш НАН Украины. – Харьков, 2003. – С.413-419.

3. Трухний А.Д. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки / А.Д. Трухний, Б.В. Ломакин. – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 540 с.

4. Энергетические характеристики оборудования Харьковской ТЭЦ-5 (I очередь). – Харьков: Харьковская ТЭЦ-5, 1999.