Тема 13. Пароэнергетические, газотурбинные и дизельные энергетические установки, как объекты автоматизации (6).

§ 13.1. Энергетические процессы в пароэнергетической установке.

Задачей энергетической установки является преобразование химической (или ядерной) энергии топлива в электрическую или тепловую энергию, а в случае нестационарной энергетики - в механическую энергию движителя, а также в энергию, потребляемую механизмами общего назначения и удовлетворяющую бытовые нужды персонала.

1. Принципиальная схема пароэнергетической установки.

Обобщенная принципиальная схема пароэнергетической установки представлена на рисунке.

Топливный насос 1 подает топливо в топку котла 2, где химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, а тепловая энергия передается пароводяной смеси. Носитель энергии - пар - поступает из котла в главные турбины 3, в турбины электрических генераторов 4 и вспомогательных механизмов, где его энергия с помощью лопаточных аппаратов преобразуется в механическую энергию вращения роторов. Кинетическая энергия главных турбин через редуктор 5 передается на главный потребитель энергии (электрогенератор, движитель, насос и пр.). Энергия роторов турбин электрогенераторов 7 преобразуется в электрическую энергию, а энергия роторов турбин вспомогательных механизмов установки передается соответствующим насосам, где преобразуется в энергию давления нагнетаемых жидкостей. Пар из турбин поступает в конденсатор 8, где его энергия передается охлаждающей воде.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема пароэнергетической установки.

1 - топливным насос; 2 - топка котла; 3 - главная турбина; 4 - турбина электрогенератора; 5 - главный редуктор; 7 - электрогенератор; 8 - главный конденсатор; 9 - паровпускной клапан главных турбин; 10 - топливный регулирующий клапан; 11 - трубопровод отработавшего пара; 12 - главный эжектор с холодильником; 13 - конденсатный турбонасос; 14 - питательный турбонасос; 15 - топливная цистерна.

Таким образом, установка в целом представляет собой ряд устройств, предназначенных для преобразования или передачи энергии. В замкнутом цикле пар - конденсат передача энергии производится одновременно с передачей вещества энергоносителя.

Если приложенные к установке внешние воздействия не меняются, то установка в целом работает в стационарном режиме, при котором имеют место равенства количеств подводимой к каждому элементу установки и отводимой от него энергии (или вещества).

Вследствие указанных равенств количества энергии и вещества, аккумулированные в каждом элементе установки, остаются постоянными, а, следовательно, остаются неизменными во времени и качественные показатели соответствующих процессов (давления и температуры пара и воды, уровни жидкостей, частоты вращения роторов механизмов и др.).

При изучении таких стационарных режимов работы установки рассматривают распределение потоков энергии по различным каналам. В процессе проектирования установки, производимом на основе этого изучения, преследуют цель максимально полезного использования выделяемой в топке котла энергии. При этом остающиеся неизменными количества энергии, аккумулированные элементами установки, не влияют на ее экономичность.

Однако в действительности энергетическая установка постоянно подвержена воздействию внешних возмущений, которые нарушают равенства притоков и расходов энергии в каждом ее элементе.

Небаланс между притоком и расходом энергии приводит к изменению величины аккумулированной в данном элементе установки энергии и, следовательно, к изменению качественного параметра, характеризующего процесс преобразования или передачи энергии.

Эти изменения нарушают экономичность работы установки и, более того, могут привести к авариям, если эффект действия внешних возмущений не компенсировать соответствующим ответным вмешательством в работу установки, т. е. ее регулированием.

Режим работы установки, при котором нет равенства между притоком энергии или вещества к какому-либо ее элементу и расходом из него энергии или вещества, характеризующийся изменением параметров установки во времени, называется динамическим режимом.

Рассмотрим один из типичных динамических режимов работы пароэнергетической установки.

Пусть, например, из-за необходимости увеличить внешнюю нагрузку, осуществлено увеличение открытия маневрового клапана ГТЗА. Тогда отбор пара на турбины увеличится, мощность турбин вместе с частотой их вращения начнет возрастать. Одновременно, вследствие увеличения расхода пара из котла, в котле упадет давление пара. Меньшему давлению соответствует меньшая температура кипения, поэтому часть воды в котле, нагретая выше соответствующей температуры кипения, мгновенно испарится. Пузырьки пара будут пронизывать толщу воды в коллекторе и трубках, и за счет увеличения объема пароводяной смеси произойдет набухание уровня воды в котле (явление «самоиспарения»).

По истечении некоторого времени, когда температура пароводяной смеси снизится, уровень в котле будет, наоборот, падать, если не увеличить подачу питательной воды. Количество пара, поступающего в главный конденсатор, увеличится, и, если не изменить режим работы вспомогательных механизмов, в главном конденсаторе может снизиться вакуум.

Чтобы устранить указанные отклонения параметров установки от нормальных, необходимо увеличить подачу топлива в котел (и, следовательно, подачу воздуха, а также подачу пара на обогрев нефтеподогревателя), изменить режим работы конденсатного и питательного насосов и др. Изменение расхода пара на работу вспомогательных механизмов, в свою очередь, будет вновь влиять на работу котла.

В результате установится новый стационарный режим, в котором значения отдельных параметров могут отличаться от их значений в старом стационарном режиме. Например, температура уходящих дымовых газов повысится, частота вращения главных турбин увеличится, уровень воды в главном конденсаторе (если нет другой емкости для конденсата) повысится, так как паросодержание котловой воды возрастет, и т. д.

Подобным образом возникают цепи возмущающих воздействий, переходящих от одного элемента установки к другому, и в том случае, если первоначальное внешнее возмущение заключалось не в открытии маневрового клапана, а было внесено в любом другом месте установки.

Всякое возмущающее воздействие, приложенное к ГТЗА, передается котлу, и наоборот. Всякое возмущение, приложенное к главным механизмам, передается вспомогательным механизмам, их обслуживающим, и обратно. Внешние возмущения возникают при изменении количества электроэнергии, потребляемой внешними потребителями, при изменении режима работы соседнего эшелона, при изменении температуры окружающих воды и воздуха, сорта топлива, при утечках рабочего тела - воды или пара из цикла и т. д.

Вследствие наличия возмущающих воздействий для поддержания режима работы установки необходимо ее регулирование. Так как ручное регулирование малоэффективно, а в сложных установках с трудом осуществимо, широко применяется автоматическое регулирование.