Основное оборудование ТЭС, его мощность и эксплуатационные свойства

Дисциплина «Планирование и организация эксплуатации теплоэнергетических систем и установок» Лекция 5 Тема 7 План лекции 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОКАЗАТЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 7.1. Основное оборудование ТЭС, его мощность и эксплуатационные свойства 7.2. Расходные характеристики и показатели экономичности основного оборудования ТЭС 7.3. Особенности эксплуатации ТЭС 1 7. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПОКАЗАТЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 7.1. Основное оборудование ТЭС, его мощность и эксплуатационные свойства На каждой электростанции выработка электроэнергии начинается с котла, в котором воду нагревают и превращают в пар. Перед подачей в котёл вода должна быть очищена, чтобы предотвратить образование накипи и отложений. Затем пар под давлением по трубам подаётся к лопаткам турбины. Под действием пара турбина, которая соединена валом с генератором, начинает вращаться. Внутри генератора на вращающемся валу установлены катушки из медной проволоки, расположенные между магнитами. Электромагнитное взаимодействие между вращающимися катушками и магнитами генерирует электрический ток, который подают потребителям. Рис. 19. Принципиальная схема ТЭС 2 В состав тепловой электростанции входит (рис. 20): - основное оборудование; - система топливоподачи; - система регенерации; - система технического водоснабжения; - электрическая часть; - система эвакуации дымовых газов. Рис. 20. Технологическая схема ТЭС Основным оборудованием тепловой электростанции являются паровые котлы (котельные агрегаты), паровые турбоагрегаты (паровые турбины и электрические генераторы), электрические трансформаторы (повысительной подстанции); элементы теплофикационных устройств (на ТЭЦ): сетевые подогреватели (бойлеры), паропреобразователи и др. Основным показателем каждого энергетического агрегата или его части является его производственная мощность. Следует различать 3 номинальную производственную мощность (максимально длительную мощность в проектных эксплуатационную условиях, мощность производственную по мощность паспорту) и (максимально длительную мощность в конкретных условиях эксплуатации). Для электростанции в целом соответственно различают: ‒установленную мощность (сумма номинальных мощностей генераторов всех станционных турбоагрегатов); ‒эксплуатационную мощность (сумма эксплуатационных мощностей всех турбоагрегатов станции с поправками на влияние всех факторов, ограничивающих производственную мощность станции в целом); ‒диспетчерскую мощность (сумма эксплуатационных мощностей агрегатов, которые работают или могут работать). К эксплуатационным свойствам оборудования относятся: 1. Нижний предел рабочей зоны паровых турбоагрегатов и паровых котлов – это технический минимум нагрузки. Для турбин он определяется минимальным пропуском пара через проточную часть, необходимым для их устойчивой работы и регулирования. Для котлов технический минимум нагрузки определяется минимальным часовым расходом сжигаемого топлива, необходимым для устойчивого режима его горения в топке. Технический минимум нагрузки паровых турбин и котлов среднего давления составляет 15 – 25 % их номинальной мощности. Для турбин, котлов и блоков высокого и сверхвысокого давления технический минимум значительно выше (до 60 % номинальной мощности). 2. Верхний предел рабочей зоны агрегата – это максимально длительная мощность, которая может быть равна номинальной мощности или превышать её (при возможности перегрузки). Допустимая перегрузка определяется для каждого агрегата соответствующими заводскими расчётами и станционными испытаниями и фиксируется в эксплуатационных инструкциях. 4 Возможности перегрузки для различных агрегатов различны и зависят от типа, начальных параметров и единичной мощности. 3. Манёвренность агрегата – это большая или меньшая скорость его пуска и изменение его нагрузки. Длительность пуска турбоагрегата от подготовительных операций (прогрев паропровода, пуск циркуляционных насосов и пр.) до синхронизации и включения генератора в сеть колеблется в широких пределах в зависимости от начальных параметров, единичной мощности и конструкции турбины. Общая длительность пуска и подъёма нагрузки до номинальной величины для турбин среднего давления находится в пределах двух часов. С повышением начальных параметров пара длительность пусковых операций резко возрастает, т.к. необходимо точно выдерживать расчётные условия и нагрузки во всех переходных режимах пуска и нагружения в связи с работой деталей и узлов агрегата в условиях высоких температур и давлений. Длительность пуска (растопки) котла от холодного состояния до включения в паропровод находится в пределах от двух до шести часов, в зависимости от типа, параметров и производительности котла, вида топлива и конструкции топки. Подъем нагрузки котла от 0 до её номинальной величины занимает около одного часа. 4. Оперативная надёжность оборудования тепловых электростанций, обеспечивающая бесперебойность их работы, зависит в первую очередь от качества изготовления эксплуатационного станционных обслуживания, а агрегатов, также от их вида монтажа и и качества используемого топлива, от бесперебойности его поступления в бункера котельной, от качества конструктивного и технологического исполнения вспомогательного оборудования станции. 5. Длительность ремонтного простоя большое значение имеет при напряжённом балансе мощности в энергетике, определяется периодичностью ремонтов и продолжительностью каждого ремонта. 5 Длительность ремонтного простоя возрастает с возрастанием единичной мощности агрегатов и сложности их конструкции. Расходные характеристики и показатели экономичности 7.2. основного оборудования ТЭС Показатели экономичности агрегатов могут быть абсолютными, удельными и относительными. Связь между нагрузкой энергетического агрегата (часовым производством вторичной энергии) и часовым расходом первичной энергии (или энергоносителя) определяется расходной характеристикой агрегата, которая является абсолютным показателем экономичности агрегата. Расходная характеристика является криволинейной или прямолинейной зависимостью расхода от нагрузки, построенной по результатам станционных испытаний данного агрегата. Зависимость часового расхода энергоносителя от величины нагрузки агрегата называется весовой расходной характеристикой. Весовыми характеристиками являются: 1) кот час час – зависимость часового расхода натурального топлива от производительности котла; 2) тур час – зависимость часового расхода пара турбиной от электрической нагрузки турбоагрегата. Весовые расходные характеристики применяются для расчётов абсолютной величины расхода энергоносителя и определения производственной мощности агрегатов первичной энергии. Зависимость часового расхода первичной энергии от величины нагрузки агрегата называется энергетической расходной характеристикой. Энергетическими характеристиками являются: 6 1) кот час кот час – зависимость часового расхода условного топлива котлом от часового производства тепла; 2) тур час – зависимость часового расхода тепла турбиной от электрической нагрузки турбоагрегата. Энергетические расходные характеристики применяются для расчётов относительной величины расхода первичной энергии и определения экономичности работы агрегата. Основным документом, характеризующим экономичность работы энергооборудования энергетическая с различной характеристика. постоянной Для нагрузкой, проектируемого является оборудования энергетическую характеристику можно получить как расчётом, так и по результатам испытаний модели (для гидротурбин). Для действующего оборудования ее получают по данным специальных эксплуатационных испытаний. Энергетическая характеристика, каким бы путём она не была получена, выявляет экономичность работы оборудования только в том случае, если оно эксплуатируется в условиях, полностью соответствующих тем, при которых была получена энергетическая характеристика. Все многообразие факторов, характеризующих условия эксплуатации энергетического оборудования и влияющих на его энергетические характеристики можно условно разделить на: 1) внешние условия – температура наружного воздуха и охлаждающей воды; 2) параметры подведённой и полезной энергии – характеристика топлива, температура и давление острого и отборного пара, КПД мощности генераторов и т. д.; 3) состояние оборудования: загрязнение, неисправное состояние отдельных узлов; 4) правильное регулирование технологического процесса. 7 Если отклонения условий эксплуатации оборудования от характеристических (т.е. от тех, при которых получена энергетическая характеристика) невелики, то для правильной оценки экономичности работы оборудования можно пользоваться поправками. Если же в условиях эксплуатации энергооборудования имеют место существенные изменения, то необходимо прибегнуть к новому испытанию или расчету, чтобы получить энергетическую характеристику, соответствующую этим изменившимся условиям эксплуатации. Таким образом, энергетические характеристики абсолютных показателей, полностью отражая экономичность работы энергооборудования при постоянной нагрузке, показывают ту наибольшую экономичность этого оборудования, которая может быть достигнута при заданных условиях его эксплуатации. Оценить экономичность работы энергооборудования с помощью абсолютных показателей в ряде случаев бывает неудобно из-за несопоставимости друг с другом показателей разнотипного оборудования, а также однотипного, но по-разному загруженного. В силу этого экономичность энергетического процесса и оборудования в целом в процессе эксплуатации чаще оценивают не по абсолютным энергетическим показателям, а по относительным или удельным показателям, представляющим собой отношение соответствующих абсолютных показателей, (рис. 21). Удельные показатели численно равны тангенсу угла наклона секущей (tgα), проведённой характеристики из начала абсолютных координат показателей в данной энергетической точку характеристики, соответствующую заданному значению полезной мощности. Это позволяет для их определения пользоваться масштабом тангенса. В практике нашли распространение два показателя: удельный расход (d) и коэффициент полезного действия (η). 8 Показателями экономичности агрегатов, работающих по определённому режиму, являются для котлов – удельный расход условного топлива на единицу производимого тепла (кг у.т./Гкал); для турбоагрегатов – удельный расход тепла на единицу производимой электроэнергии (ккал/кВт·ч). Показатели экономичности режима энергетических агрегатов определяются делением величины расхода первичной энергии агрегатом на его нагрузку при данном режиме его работы: кот час тур час кот и тур час тур э (9) (10) На применении относительных приростов базируется теория и практика экономического распределения нагрузки между совместно работающим энергетическим оборудованием и различными электростанциями энергосистем. Если секущая и касательная, проведённые в данной точке энергетической характеристики, совпадают, то в этой точке будет наблюдаться самая экономичная нагрузка, при которой удельный расход (d) будет минимальным, а КПД (η) – максимальным. Основную роль во всех эксплуатационных технико-экономических расчётах играют характеристики турбоагрегатов и котлов, особенно турбоагрегатов. 9 Рис. 21. Расходная характеристика агрегата: 1 – r = tg β – относительный прирост расхода топлива котлом; 2 – d = tg α – удельный расход топлива. 7.3. Особенности эксплуатации ТЭС Ведение эксплуатации электрических станций регламентировано в «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» [11], а также эксплуатационными инструкциями, в которых даются как общие установки, так и конкретные указания для различных типов оборудования. Остановимся на некоторых особенностях эксплуатации ТЭС, имеющих общий характер. 1. Непрерывность работы. Эта особенность определяется непрерывностью потребления электроэнергии. В соответствии с графиком потребления электроэнергии в принципе возможна остановка отдельных электростанций на нерабочий день, однако это не практикуется, так как последующий пуск электростанций связан с рядом трудностей. Кроме того, на старых ТЭС обычно имеются потребители на генераторном напряжении. Остановка всех агрегатов электростанции случается вследствие наложения отказов оборудования. 10 Так, например, полный сброс нагрузки неблочной части одной электростанции из-за аварийного отключения линии электропередачи привел к ее остановке. Поскольку эжекторные установки оставшихся в работе трех блоков получали пар от неблочной части, блоки были остановлены защитой из-за срыва вакуума. 2. Работа Т С по диспетчерскому графику нагрузки. Это же обязательно и для других типов электростанций, разница лишь в характере суточного графика нагрузки. Выше уже подчёркивалось, что это важнейшая особенность ТЭС, которые, с одной стороны, не могут «выдавать продукцию на склад» и, с другой стороны, не терпят перерыва в топливоснабжении и поэтому должны иметь запас топлива на складе. Покрытие переменного графика нагрузки создаёт значительные трудности в эксплуатации ТЭС, требует высокой манёвренности оборудования и высокой квалификации персонала. Эффективность работы ТЭС должна оцениваться в первую очередь не по валу, а по выполнению графиков нагрузки и по уровню удельных показателей. Успешное покрытие суточного графика невозможно без высокой готовности оборудования. Весьма отрицательное явление – частичные отказы, при которых оборудование работает, но не даёт установленной мощности. При работе блоков частичный отказ какого-либо последовательного звена приводит к снижению максимальной рабочей мощности блока. Ограничения мощности часто принимают хронический характер, и службы режимов энергосистемы вынуждены учитывать их при распределении электрической нагрузки между ТЭС. 3. Участие Т С в регулировании частоты в электрической сети. Непрерывное изменение потребления электроэнергии сопровождается соответствующими предопределяет колебаниями некоторую частоты незначительную и нагрузки пульсацию ТЭС. Это параметров оборудования. При системных авариях возможны толчки частоты, 11 приводящие к сбросам или набросам электрической нагрузки на ТЭС. Паротурбинные ТЭС обладают способностью мгновенно подхватывать электрическую нагрузку при резком снижении частоты в энергосистеме, реализуя при этом вращающийся резерв по клапанам цилиндра высокого давления (ЦВД). Подхват электрической нагрузки на ТЭС вместе с автоматической разгрузкой по частоте позволяет предотвратить возможное развитие крупных системных аварий, которые при потере управления могут заканчиваться развалом энергосистемы. 4. Зависимость режимов работы и достижимых показателей от метеорологических факторов. Метеорологические факторы влияют на уровни максимальной электрической и тепловой нагрузок, температуры охлаждающей воды, холодного воздуха, обратной сетевой воды. Низкие наружные температуры воздуха существенно затрудняют топливоснабжение, создают перегрузки систем теплоснабжения. 5. Приоритет показателями. Обеспечению экономичности), придавалось надёжности т. е. надёжности безотказной первостепенное оборудования ТЭС работе значение! перед другими (при высокой оборудования, Количественно всегда надёжность характеризуется рядом показателей, к которым относится поток отказов, время наработки до отказа, коэффициент готовности, коэффициент технического использования. На ТЭС и в энергосистемах ведётся тщательный учет отказов оборудования и их причин, времени восстановления. Статистическая обработка накапливаемого материала по отказам позволяет получить статистические оценки показателей надёжности, которые затем используются при планировании ремонтов, при планировании режимов работы ТЭС, при сопоставлении различных технических решений на стадии проектирования. Обеспечение высоких 12 показателей надёжности тесно связано с организацией и проведением всех видов ремонтов оборудования ТЭС. От уровня надёжности оборудования ТЭС зависит надёжность электроснабжения, обеспечиваемого энергосистемой. Возникновение аварийных ситуаций на ТЭС часто имеет внешние причины, связанные с неправильным переключением и неполадками в распределительных устройствах, авариями на линиях электропередачи. При отказе защит и неправильных действиях персонала авария развивается. Так, в распредустройстве одной ГРЭС произошло отключение шин, что привело к сбросу нагрузки на трёх блоках. Сработала защита на остановку блоков, а питание их собственных нужд было переведено на резервный трансформатор. После остановки ещё трёх блоков из-за несрабатывания автоматической разгрузки по частоте авария в системе развивалась и произошло её разделение. Часть энергосистемы вместе с ГРЭС, на которой были остановлены три блока, оказалась в условиях дефицита мощности с пониженной частотой. Из-за снижения частоты сработала защита на отключение ещё одного блока, собственные нужды которого также перешли на питание от резервного трансформатора. Последний перегрузился, и из-за снижения напряжения защита отключила мазутные насосы, что привело к срабатыванию защиты на остановку ещё трёх блоков, работавших на мазуте. В результате из девяти блоков в работе сохранились лишь два, работавших на газе. 6. Непрерывное повышение квалификации оперативного персонала. От оперативного персонала требуется широкий круг знаний, опыт самостоятельной работы, добросовестное отношение к работе. Особенно важны умелые действия при возникновении аварийных ситуаций. Для повышения квалификации персонала проводится техническая учёба, периодическая проверка знаний, противоаварийные тренировки. 13 Система подготовки и повышения квалификации оперативного персонала ТЭС является важным элементом эксплуатации. 7. Автоматизация управления Т С. Работа современных ТЭС без автоматизации управления технологическим процессом, без автоматических защит и блокировки практически невозможна. Объем автоматизации все время увеличивается, что не только позволяет сократить численность оперативного персонала и облегчить работу, но и повышает надёжность ТЭС. Создаются автоматизированные системы технологического и экономического управления (АСТУ и АСЭУ). 8. Наличие высокотемпературных процессов. Наличие высоких температур теплоносителей и металла, который соприкасается с ними, требует осуществления контроля за состоянием металла, за температурным режимом котлов, паропроводов, турбин, за перекосами температур в параллельных элементах. Все элементы, имеющие высокие температуры, испытывают температурные удлинения, которые компенсируются за счет их гибкой конфигурации. Ведётся контроль за температурными удлинениями трубопроводов, элементов турбин и котлов, который особенно важен при их пуске и нагружении. При пуске оборудования его температурный режим меняется, так как осуществляется прогрев барабанов и коллекторов, паропроводов, турбин. При этом необходим контроль за скоростью повышения температуры, за разностью температур по толщине стенки (барабана котла, фланцев), которая приводит к появлению дополнительных термических напряжений в металле. 9. Необходимость электроэнергии и наличия тепла, собственных выработанных ТЭС, нужд идёт Т С. на Часть покрытие собственного потребления, основными из которых являются привод электродвигателей, вспомогательного оборудования, освещение, отопление, вентиляция и пр. 14 Для электропривода вспомогательного оборудования требуется надёжная система электропитания, обеспечивающая и в аварийных условиях номинальный уровень напряжения и частоты электрического тока. Собственные нужды блока обеспечиваются трансформатором собственных нужд, связанным с генератором блока. В процессе пуска, в аварийных ситуациях собственные нужды блока получают электропитание от резервного трансформатора ТЭС. 10. Необходимость систематического контроля за состоянием оборудования. Для контроля за состоянием действующего оборудования используется большой объем измерений параметров. Оперативный персонал наблюдает за отклонениями параметров от номинальных значений, которые автоматически даются им световым табло. Необходим также контроль за элементами оборудования, находящимися в состоянии готовности. устройствам, проведении Это относится резервному пуска к клапанам, блокировкам, вспомогательному оборудования защитным оборудованию. необходимо При предварительное опробование отдельных элементов: защит, блокировок, вспомогательного оборудования, маслосистем. 11. Необходимость строжайшего соблюдения техники безопасности и охраны труда. Наличие оборудования, находящегося под электрическим напряжением, под высоким внутренним давлением, вращающихся частей, горячих поверхностей, грузоподъёмных механизмов создаёт ситуацию повышенной опасности для персонала. Поэтому требуется неукоснительное соблюдение правил безопасности. Осуществляется систематическая проверка знаний правил техники безопасности (ПТБ) персоналом. При проведении ремонтов и ревизий оборудования осуществляется система допусков на проведение работ. 15 Некоторые из перечисленных особенностей присущи и другим видам производства, но их совокупность отражает специфику эксплуатации ТЭС. 16 Вопросы для самопроверки 1. Дайте определение установленной, эксплуатационной, диспетчерской и рабочей мощностей. 2. Что такое нижний и верхний пределы рабочей зоны агрегата? 3. Что такое манёвренность агрегата? 4. От чего зависит оперативная надёжность оборудования? 5. Что такое расходная характеристика агрегата? 6. Приведите примеры весовых, энергетических и стоимостных расходных характеристик агрегатов. 7. Перечислите методы получения расходных характеристик агрегатов. 8. Дайте понятие технологической и режимной экономичности работы оборудования. 9. Назовите практический критерий режимной экономичности. 10. Как зависят удельный расход топлива и КПД агрегата от мощности? 11. Как зависит вид расходной характеристики турбин от конструкции системы пропуска пара? 12. Как распределяется электрическая нагрузка между агрегатами станции с расходящимися, сходящимися и пересекающимися расходными характеристиками при их совместной работе. 13. Как распределяется нагрузка между однотипными агрегатами (блоками) равной мощности, экономичности? 17 Основная литература Коршунова Л.А. Управление и организация производства: 1. учебное пособие политехнический / Л.А. Коршунова, университет. – Н.Г. Кузьмина; Томский Изд-во Томского Томск: политехнического университета, 2013. – 193 с. – УДК 621.31(075:8) ББК 31.2я73 К70 – Текст: электронный / Гиршфельд В. Я. Режимы работы и эксплуатация ТЭС: 2. учебник для вузов / В. Я. Гиршфельд, А. М. Князев, В. Е. Куликов. – М.: Энергия, 1980. – 287 с.: ил. – Библиогр.: – Текст: электронный / Дополнительная литература 1. Быстрицкий, Г. Ф. Справочная книга по энергетическому оборудованию предприятий и общественных зданий: справочник / Г.Ф. Быстрицкий, Э. А. Киреева. – Москва: Машиностроение, 2011. – 592 с. – ISBN 978-5-94275-574-4. – Текст : электронный / 2. Рундыгин Ю.А. Котельные установки / Ю.А. Рундыгин, Е.Э. Гильде, А.В. Судаков, Н. Т. Амосов. – Москва: Машиностроение, [б. г.]. – Том 4 – 2009. – 400 с. – ISBN 978-5-217-03417-8. – Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. – URL: https://e.lanbook.com/book/790 3. Кудинов, А.А. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. [Электронный ресурс] / А.А. Кудинов, С.К. Зиганшина. – Электрон. дан. – М.: Машиностроение, 2011. – 374 с. – Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/2014 4. http://docs.cntd.ru 18