Исследование переходных режимов работы паросиловой части энергоблоков с учетом систем управления

Вид материала

Исследование

Содержание Нестеров Юрий. Викторович. Актуальность проблемы. Цель работы Научная новизна Практическая ценность полученных результатов. Объем и структура работы. Автор защищает Содержание работы Во второй главе Третья глава В четвертой главе Пятая глава Основные результаты работы.

Подобный материал:

• Лабораторная работа №1 2 исследование переходных процессов, 92.12kb.
• Исследование систем управления Введение Учебный курс "Исследование систем управления", 2314.26kb.
• Исследование систем управления, 1750.45kb.
• Исследование систем управления, 301.84kb.
• Кластерный анализ режимов систем тягового электроснабжения для целей ситуационного, 88.04kb.
• Работы актуальна потому, что современное исследование систем управления использует, 77.2kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины исследование систем управления Специальность, 619.78kb.
• Исследование характера и диапазона изменения, 239.29kb.
• О новом поколении компьютерных лабораторных практикумов по электрофизике, 9.71kb.
• Аннотация Вдокладе рассмотрены вопросы развития системы мониторинга переходных режимов, 90.43kb.

на правах рукописи

На правах рукописи


ПИКИН МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ


ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПАРОСИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭНЕРГОБЛОКОВ

С УЧЕТОМ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ


Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты


Автореферат

диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук


МОСКВА 2008

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»)


Научный руководитель – кандидат технических наук Нестеров Юрий. Викторович.


Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аракелян Эдик Койрунович

кандидат технических наук Бельский Александр Александрович

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие «Санкт-Петербургский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Атомэнергопроект» (ФГУП «СПб АЭП»)


Защита состоится «___» ___________ 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.222.001.01 при ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнического научно-исследовательского института (ВТИ).


Автореферат разослан «___» __________ 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 222.001.01,

кандидат технических наук П.А. Березинец

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. В настоящее время ведется проектирование и строительство новых блоков в России и за рубежом. Для этих блоков разрабатывается новое оборудование, технологические схемы, режимы работы и системы автоматического управления. Новые технологические решения по оборудованию и схемам связаны не только с необходимостью совершенствования оборудования, но и с повышением требований к участию блоков в работе энергосистем при нормальной эксплуатации и в аварийных режимах в энергосистеме. Усложнение конструкции оборудования, схемных решений и режимов работы предъявляют повышенные требования к качеству работы блоков для обеспечения их надежной работы.

Повышенные требования к качеству работы блоков в переходных режимах выдвинули новые требования по системам управления, что привело к кардинальному изменению структуры блочного щита управления. Привычная полная мнемосхема пароводяного тракта блока с обилием индивидуальных приборов и ключей управления заменяется на операторские станции с выводом всей информации на дисплеи в виде видеограмм и управлением через виртуальные окна, ограниченное количество которых можно вызвать одновременно на дисплей операторской станции.

Такой современный способ управления дешевле большого количества пультов и панелей с полной мнемосхемой, но предъявляет дополнительные требования к степени автоматизации переходных процессов из-за ограничения в объеме одновременно получаемой информации и в доступе к средствам управления. Необходим комплексный подход к управлению всем оборудованием блока, позволяющий разгрузить оператора от многочисленных локальных переключений и сохранить за ним только функции контроля и управления наиболее важными процессами.

Разработка технологических схем, режимов работы и комплексных систем управления всем блоком невозможна без серьезного анализа переходных режимов работы оборудования блока и работы систем управления. Таким образом, анализ переходных режимов работы оборудования и автоматических систем управления технологическими процессами энергоблоков является важнейшим аспектом разработки тепловых схем, выбора типа и конструкции оборудования, систем управления и эксплуатации.

Анализ переходных режимов частично может быть выполнен по расчету статических состояний для нескольких моментов по времени процесса, однако такой метод может быть с достаточной степенью достоверности использован только для медленных процессов. Для анализа отдельных систем используются локальные модели, однако на блоке все процессы взаимосвязаны и такой метод может иметь ограниченное применение. Метод экспериментального исследования переходных процессов на блоке выполняется при пусковых операциях и при эксплуатации, но он непригоден при разработке нового проекта до пуска блока.

Актуальность темы диссертации обусловлена отсутствием подхода к анализу и совершенствованию технологических схем, режимов работы оборудования и функционирования систем управления на основе расчетных методов, охватывающих блок в целом. Исследование с помощью расчетной модели, созданной с учетом конструктивных характеристик оборудования и систем управления, характеризующих его динамические свойства, позволит провести качественный и количественный анализ переходных режимов работы блока электростанции на стадии его разработки.

Цель работы: Целями работы являются:

- разработка комплексного подхода к исследованию переходных режимов работы блока на основе разработанной математической модели расчета технологических параметров блока;

- проведение исследований переходных режимов работы оборудования энергоблоков с учетом систем управления;

- проведение анализа результатов исследования;

- разработка на их основе технических предложений по оптимизации технологических схем, режимов работы и систем автоматического управления;

- выполнение расчетного обоснования предлагаемых технических решений.

Научная новизна: Представленная работа содержит новый подход к исследованию переходных режимов работы блока на основе комплексного математического моделирования технологических систем и автоматических систем управления всем оборудованием. Работа содержит новую комплексную математическую модель расчета технологических параметров по оборудованию и системам управления в переходных режимах. На основе расчетного анализа разработан подход к выбору режимов работы блока, характеристик оборудования, схемных и компоновочных решений. Работа содержит подход к разработке структурных схем автоматического управления оборудованием, в соответствии с которым анализ разгонных характеристик оборудования и принятых структурных схем производится с помощью комплексной математической модели, а предварительная отработка структурных схем и настроек по разгонным характеристикам с помощью линейной модели.

При проведении работы получены следующие новые научные результаты:

- разработана комплексная математическая модель расчета технологических параметров оборудования паросиловой части энергоблоков в переходных режимах с учетом автоматических систем управления;

- проведены исследования переходных режимов работы с помощью разработанной математической модели и на основании анализа их результатов разработаны технические предложения по оптимизации технологической схемы, режимов работы оборудования и автоматических систем управления энергоблоков.

Практическая ценность полученных результатов. Для обеспечения высокого качества переходных режимов работы блока, включая работу при отказах оборудования вплоть до отключения турбины с потерей вакуума, представленный метод на стадии разработки проекта позволяет:

- оптимизировать схемы конденсатного и питательного трактов с регулирующими устройствами, схемы слива конденсата греющего пара из ПНД и ПВД с учетом компоновок, оптимизировать структурные схемы и настройки регуляторов расхода основного конденсата и уровня в подогревателях;

- выполнить анализ режима работы деаэратора при скользящем давлении в нем, оптимизировать компоновку деаэрационно-питательной установки и работу регуляторов подачи греющего пара в деаэратор для обеспечения надежной работы питательных насосов;

- оптимизировать характеристики и управление системы питания парогенераторов;

- оптимизировать схему главных паропроводов, характеристики и управление пуско-сбросными устройствами;

- уточнить режимы работы реакторной установки на АЭС.

Все эти решения нашли отражение в проектах строящихся энергоблоков.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. НТС ОТиТ ОАО ВТИ 2002 – 2007г.г.
   
2. Конкурсе молодых специалистов ОАО ВТИ 2007
   
3. 2-ом Всероссийском конкурсе РАО ЕЭС 2007
   
4. Конкурсе Российской Академии Наук «Новая Генерация 2007»
   

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей, в том числе 3 в рекомендованных ВАК РФ журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, списка использованных источников. Работа представлена на 165 страницах, включая 59 рисунков.

Автор защищает: разработанный подход к исследованию переходных режимов работы блока, комплексную математическую модель переходных процессов на блоке, результаты проведенных с их помощью исследований переходных процессов и разработанные на основании исследований технические предложения по оптимизации технологических схем, режимов работы оборудования и автоматических систем управления паросиловой части энергоблоков.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы, приводятся общие сведения об области исследований и постановке задач.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы совершенствования схем, режимов работы и автоматических систем управления паросиловой части энергоблоков. Учитывая, что на блоках АЭС в связи с большей мощностью и более низким, чем на блоках ТЭС к.п.д., возникает больше новых проблем из-за больших расходов сред и диаметров трубопроводов, в качестве наиболее наглядного примера рассматриваются схемы блоков АЭС с ВВЭР-1000. Приведено описание двух наиболее распространенных типовых технологических схем АЭС с одновальной тихоходной турбиной К-1000-60/1500-2 ХТГЗ и с одновальной быстроходной турбиной К-1000-60/3000 ЛМЗ. Рассмотрены основные узлы данных схем:

• конденсатный тракт и система регенерации низкого давления
  
• питательный тракт и система регенерации высокого давления
  
• главные паропроводы и пуско-сбросные устройства
  
• пароснабжение собственных нужд
  

По каждому узлу дано описание входящего в него оборудования: конструкция, характеристики, рабочие параметры. Описаны технологические схемы включения оборудования и режимы его работы, обеспеченные автоматическими системами управления.

Несмотря на то, что схемы типовых энергоблоков уже отработаны и максимально оптимизированы на протяжении нескольких десятилетий, при проектировании новых блоков выявляются новые проблемы.

Анализируя описанные типовые технологические схемы, выявлены недостатки в системе дренирования ПНД при резких сбросах нагрузки или при отключении одного ПНД по пару. Отмечено также, что в связи с использованием новой конструкции смешивающего ПНД-2 вертикального типа с малой площадью сечения, появляются сложности в регулировании в нем уровня. Также возникает необходимость в проведении расчетного анализа схем и режимов работы в связи с применением новых деаэраторов, работающих на скользящем давлении. При резких сбросах нагрузки на паровой турбине падение давления в отборе, а, следовательно, и в деаэраторе может привести к опасному снижению запаса до требуемого подпора перед насосами. Отключение турбины с потерей вакуума приводит к размыканию второго контура со сбросом пара через БРУ-А в атмосферу и может привести к недопустимой потере теплоносителя второго контура.

Основной задачей работы является разработка технических предложений по оптимизации технологических схем, режимов работы оборудования и автоматических систем управления путем проведения расчетных исследований переходных режимов работы оборудования паросиловой части энергоблока с помощью комплексной математической модели расчета технологических параметров по блоку.

Во второй главе представлено описание математической модели паросиловой части энергоблока с учетом автоматических систем управления. Разработана модель, позволяющая:

• определить изменения технологических параметров в различных видах оборудования машинного зала электростанций при переходных процессах;
  
• проверить разработанные решения по технологической схеме;
  
• изучить свойства оборудования как объекта управления;
  
• отработать оптимальные алгоритмы управления в нормальных и аварийных режимах;
  
• оптимизировать структурные схемы и настройки регуляторов;
  

Математическая модель и программный код расчета динамики технологических параметров второго контура, включает собственно турбину, конденсатор, тракт регенеративного подогрева основного конденсата и питательной воды, систему главных паропроводов и пуско-сбросных устройств, а также систему управления оборудованием, входящим в эти тракты, и управления собственно турбиной. Для блоков ТЭС с парогазовыми установками разработана детальная модель котла-утилизатора с контурами циркуляции и системами управления. Для блоков АЭС с ВВЭР были разработаны достаточно подробная модель парогенератора, упрощенная модель реактора с системой управления и модель четырех петель с ГЦН.

Паросиловая часть энергоблока включает в себя набор разнородных элементов. Переходные процессы в большинстве из этих элементов описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Система уравнений дополняется замыкающими соотношениями, полученными из эксперимента (теплоотдача, гидравлическое сопротивление и др.). Решение такой системы одним каким-либо из стандартных методов не представляется возможным.

Принятый путь создания комплексной модели всего блока – это упрощение исходной системы и поиск рациональных путей решения. При пошаговом методе счета это может быть достигнуто путем разрыва слабых связей на шаге счета. Математически это соответствует разделению системы на ряд подсистем. При этом решение каждой подсистемы проводится изолированно с постоянными по времени граничными условиями, а затем проводится уточнение этих условий для последующего шага счета. Подсистема может соответствовать одному или нескольким элементам технологической схемы.

Математическая модель и программные средства разрабатывались для расчета переходных процессов в паросиловой части энергоблоков. Основной целью расчетов ставилось определение параметров по трактам в переходных режимах для оптимизации схем включения оборудования, компоновок трубопроводов, характеристик оборудования и регулирующих органов, а также оптимизация структурных схем и настроек регуляторов.

В качестве основного варианта паросилового контура при моделировании принималась схема второго контура энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-1000, включающая в себя парогенераторы, турбоустановку, конденсатный и питательный тракты с входящим в них оборудованием, главные паропроводы, паропроводы собственных нужд и пуско-сбросные устройства. Моделирование всех элементов второго контура выполняется с глубокой детализацией расчета каждого объекта и детальным расчетом регуляторов. Расчет первого контура выполнялся упрощенно. Мощность реактора рассчитывалась по статической зависимости от положения регулирующих органов СУЗ, которая принималась по результатам испытаний. В то же время расчет регулятора мощности реактора выполнялся по реальной структурной схеме, а динамика первого контура определялась с учетом реальных объемов в реакторе и трубопроводах и реальных характеристик ГЦН. При моделировании блока ТЭС с ПГУ вместо реакторной установки выполнялась детальная модель котла-утилизатора с задаваемым изменением параметров газа на входе.

При моделировании поверхностного регенеративного подогревателя (ПВД, ПНД) он представлен в виде противоточного теплообменника с тремя зонами по ходу греющего теплоносителя и одной зоной по ходу нагреваемой среды. Модель конденсатора представлена в виде одной зоны, как по стороне конденсации пара, так и по циркуляционной воде. Аналогично рассчитывается и поверхность нагрева котла-утилизатора с одной зоной как по греющей, так и по нагреваемой среде.

Модель теплообменной поверхности учитывает распределение параметров по длине трубчатки. Используется широко известный метод конечных элементов, на которые разделяется теплообменная поверхность. Максимальное суммарное количество элементов в программе принято равным 20. Каждый элемент рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами по обеим средам при условии идеального перемешивания в объеме элемента. Учет тепловой инерционности металла производится с использованием уравнения теплового баланса. В качестве основного параметра теплообмена принята энтальпия.

Для поверхностных подогревателей тракта регенерации по стороне греющей среды уравнение теплового баланса элемента охладителя конденсата имеет вид:

(h1 _i-1–h1 _i)∙D1∙d -∙Hno∙(0.5∙( t1 _i-1+t1 _i)–tm _i)∙d=mc1∙dh1 _i (1),

где

t1 _i-1, t1 _i- температура конденсата греющего пара на входе и выходе элемента, ˚С,

h1 _i-1, h1 _i- энтальпия конденсата греющего пара на входе и выходе элемента, ккал/кг,

D1 – расход конденсата, кг/с,

– коэффициент теплоотдачи конвекцией от конденсата к трубкам, ккал/(м²∙с∙˚С),

Hno – поверхность теплообмена элемента, м²,

tm _i – температура металла труб, ˚С,

mc1 – масса конденсата в элементе, кг.

dh1_i – изменение энтальпии конденсата греющего пара в элементе на шаге счета, ккал/кг

Первый член в левой части уравнения характеризует разность входящего за время d и выходящего со средой тепла, второй член – теплоту, отдаваемую металлу (в качестве температуры среды используется среднеарифметическая температура конденсата), а член в правой части представляет собой аккумулируемое в среде тепло.

После дифференцирования и перехода к приращениям на шаге счета получаем приращение энтальпии

∆h=(1.-exp(-∆τ/ tp1))∙(q1∙3.6/D1+h1[j+1]-h1[j]), (2)

q1 – тепловой поток со стороны греющей среды, ккал/с

tp1 – время прохождения элемента средой, с

Изменение температуры стенки элемента определяется разностью тепловых потоков греющей и нагреваемой сред.

dtm _i /d = (q1 – q2)/(mmCm), (3)

mm – масса металла элемента, кг

Cm – теплоемкость металла, ккал/кгС

после чего определяем энтальпию среды в участке и температуру стенки трубки.

Аналогичным образом рассчитываются поверхности нагрева котла-утилизатора с учетом теплоотдачи от газа к ребристым поверхностям нагрева и теплопередачи внутри труб к воде, пару или пароводяной среде по соответствующим зависимостям. При расчете испарительных поверхностей нагрева учитывалось изменение массового заполнения трубчатки при изменении теплового потока.

Особое внимание уделено разработке модели деаэратора и смешивающего подогревателя, учитывая значительное их влияние на динамику блока в целом.

При расчете смешивающего подогревателя питательной воды (деаэратора) принята модель, учитывающая несимметричность процесса при снижении и повышении давления. При повышении энтальпии насыщенной воды в паровом объеме выше энтальпии воды в водяном объеме паровой объем вместе с взвешенной в нем частью воды рассчитывается отдельно, после чего рассчитывается по смешению водяной объем. При снижении энтальпии воды на линии насыщения ниже энтальпии воды в водяном объеме подогреватель рассчитывается как единый объем.

При расчете изменения давления в емкости использовались дифференциальные уравнения теплового и материального балансов:

d(V_в∙ρ_в∙h_в + V_п∙ρ_п∙h_п) = ΣQ∙dτ (4)

и

d(V_в∙ρ_в + V_п∙ρ_п) = ΣG∙dτ (5),

где

V_в, V_п – объемы трубопроводов, занятые водой и паром, м³;

ρ_в, ρ_п – плотность воды и пара, кг/м³;

h_в, h_п – энтальпия воды и пара, ккал/кг;

ΣQ – сумма подводимых и отводимых тепловых потоков, ккал/с;

ΣG - сумма подводимых и отводимых потоков масс, кг/с.

После дифференцирования уравнений (4) и (5), замены dV_п на - dV_в, определения dV_в из уравнения (5)


(ΣG∙ dτ - (V_в∙dρ_в + V_п∙dρ_п))

dV_в = ---------------------------------------- (6)

(ρ_в – ρ_п)


и подстановки (6) в уравнение (4) получим


(V_в∙dρ_в + V_п∙dρ_п)∙(ρ_в∙h_в- ρ_п∙h_п)

V_в∙ρ_в∙dh_в + V_в∙dρ_в∙h_в + V_п∙ρ_п∙dh_п + V_п∙dρ_п∙h_п - ---------------------------------------- =

(ρ_в – ρ_п)

( ρ_в∙h_в- ρ_п∙h_п)

= (ΣQ – ΣG ∙ --------------------- )∙ dτ (7)

(ρ_в – ρ_п)


После замены дифференциалов на частные производные по давлению из уравнения (7) получим изменение давления на шаге времени


( ρ_в∙h_в- ρ_п∙h_п)

ΣQ – ΣG ∙ ---------------------

(ρ_в – ρ_п)

∆р = ------------------------------------------∙ ∆τ (8)

dvs

где

dvs = (V_в∙ρ_в∙dh_в/dp + (h_п – h_в)∙Cr/(ρ_в – ρ_п) + V_п∙ρ_п∙dh_п/ dp) (9)

и Cr = V_в∙ρ_п∙dρ_в/dp + V_п∙ρ_в∙dρ_п/ dp


Для проверки правильности функционирования математической модели блока ПГУ выполнены расчеты пуска из неостывшего состояния до разворота ПТ для блока ПГУ-39 Сочинской ТЭС и проведено сравнение с результатами динамических испытаний, выполненных ВТИ. На рис. 1 и 2 представлены графики сравнения уровня и давления в барабане высокого давления котла-утилизатора. Как видно из графиков, регулятор уровня в барабане высокого давления, заложенный в модель в соответствии со структурной схемой, работает более качественно, что говорит о возможностях модели для оптимизации настроек регуляторов. Скорость изменения давления и уровня близки к результатам испытаний, что подтверждает правильность функционирования расчетной модели.

Для проверки правильности функционирования модели блока АЭС были выполнены расчеты режима разгрузки блока №1 1000 МВт Южно-Украинской АЭС при отключении одного из работающих ПТН. Проведено сравнение с результатами испытаний систем автоматического регулирования питания парогенераторов. На рис. 3 дано графическое сравнения изменения мощности реактора и паровой турбины в расчете и при испытании. На рис. 4 представлен график сравнения уровня в парогенераторе.













Из этих графиков видно, что разработанная математическая модель и программные средства могут с достаточной для практики точностью использоваться для исследований переходных режимов работы оборудования блоков ПГУ ТЭС и АЭС с ВВЭР-1000 и отработки систем управления.

Третья глава посвящена расчетному исследованию существующих технологических схем, режимов работы и автоматических систем управления паросиловой части энергоблоков с помощью разработанной математической модели. При исследовании были выявлены проблемы слива конденсата греющего пара из ПНД-4 в сепаратосборник (СС) при отключении ПНД-3 на номинальной нагрузке в схемах АЭС с турбиной ЛМЗ. Хотя при отключении ПНД-3 расход пара в ПНД-4 увеличивается, давление в этом подогревателе достаточно быстро снижается из-за поступления холодного основного конденсата, а перепад давлений между СС и ПНД-4 временно увеличивается, что приводит к прекращению слива конденсата из ПНД-4 в СС. В дальнейшем перепад давлений снижается, но остается на более высоком уровне, чем нивелирная разница. После перерыва на 100 сек. возобновляется слив конденсата греющего пара (КГП) из ПНД-4, но из-за увеличенного расхода пара слив может быть обеспечен только при высоком уровне в ПНД-4. Из-за значительного увеличения расхода КГП из ПНД-4 повышается также уровень в СС. Учитывая, что по повышению уровня в СС осуществляется защита, действующая на отключение турбины, система управления уровнями в ПНД требует более эффективного выполнения. В настоящее время при повышении уровня в ПНД-4 по блокировке закрывается паровая задвижка к ПНД-4. До уставки блокировки уровень повышается уже на 65 секунде после отключения ПНД-3. Это означает, что при отключении ПНД-3 по любой причине на номинальной нагрузке следует отключение ПНД-4 и перевод деаэратора на БРУ-Д. Следует отметить, что после отключения ПНД-4 по пару давление в нем падает значительно ниже давления в СС, слив КГП в СС становится совершенно невозможным и уровень остается выше уставки на закрытие паровой задвижки, так что дальнейшее подключение ПНД-4 по пару затруднительно.

Возникают проблемы при сбросе конденсата греющего пара из ПНД-3 в ПНД-2 при глубоких разгрузках блока. Были выполнены расчеты сброса нагрузки блока до собственных нужд, которые показали, что перепад давлений между ПНД-3 и ПНД-2 снизился и стал меньше обратного нивелирного перепада давлений, в результате чего сброс конденсата в ПНД-2 прекратился. Уровень в ПНД-3 стал повышаться и достиг уставки блокировки на закрытие паровой задвижки. При этом повысился уровень выше уставки на закрытие паровой задвижки и в ПНД-4. Так как перепад давлений между СС и ПНД-4 на какое-то время превысил движущий напор прекратился слив КГП в ПНД-4. После закрытия паровой задвижки давление в ПНД-3 будет равно давлению в ПНД-2, слить КГП и понизить уровень по существующим линиям невозможно и, соответственно, открыть в дальнейшем паровую задвижку, как и в ПНД-4 после повышения нагрузки турбины не удастся.

Таким образом, выявились проблемы со сбросом КГП из ПНД-4 в СС и из ПНД-3 в ПНД-2 при глубоких сбросах нагрузки, которые приводят к необходимости изменения схемных решений и компоновок теплотехнического оборудования.

Для надежной работы основного и вспомогательного оборудования энергоблока недостаточно использовать оптимальные компоновки и схемы. Необходимо эффективное регулирование уровней в смешивающем подогревателе низкого давления и деаэраторе. Сейчас по факту повышения уровня в теплообменниках в автоматической системе управления предусмотрены защиты, срабатывание которых приводит к остановке паровой турбины.

При сбросе нагрузки до собственных нужд уровни в деаэраторе и конденсаторе изменяются в допустимых пределах. Это связано со значительной площадью зеркала теплообменников и незначительным изменением входных и выходных потоков сред. Уровень в ПНД-2 в начальный момент после сброса нагрузки блока резко возрастает. Так как зеркало ПНД-2 мало, то при резком небалансе расходов основного конденсата в ПНД-2 уровень в нем меняется с высокой скоростью.

Для предотвращения отключения паровой турбины защитой по аварийному повышению уровня в ПНД-2 необходимо более качественно выполнить автоматическую систему управления его узлом питания, разработав структурные схемы регуляторов уровня в ПНД-2, деаэраторе, конденсаторе и выбрав их оптимальные настройки.

В связи с применением нового типа деаэраторов появилась возможность использовать повышенное давление в питательно-деаэрационной установке, исключить дросселирование греющего пара из отбора турбины при нагрузках от 60 до 100 % номинального значения и повысить экономичность турбоустановки. Соответственно, это привело к режиму скользящего давления в деаэраторе и перед насосом, что в переходных режимах усложнило работу питательной установки.

Расчеты сброса нагрузки блока с номинального значения до холостого хода при работе двух питательных турбонасосов (ПТН) показывают, что запас до требуемого подпора снижается ниже допустимого предела, что может не обеспечить их надежной работы. При этом регулятору БРУ-Д было дано задание поддерживать давление в деаэраторе на уровне 7 кгс/см² и он вступил в работу, когда давление в деаэраторе снизилось ниже уставки. Однако этот процесс не обеспечивает надежной работы питательных насосов.

Для обеспечения их надежной работы необходимо усовершенствовать компоновку всасывающих трубопроводов насосов и оптимизировать режим работы деаэратора.

Расчеты разгружения реактора при отключении турбины с потерей вакуума выявили опасность потери теплоносителя второго контура с опорожнением всех емкостей, включая парогенераторы, перед отключением реактора аварийной защитой. Для предотвращения опорожнения емкостей необходимо оптимизировать управление реактором в этом режиме.

В четвертой главе описаны предложения по совершенствованию технологических схем, режимов работы оборудования и систем автоматического управления энергоблоков. Так для повышения надежности работы конденсатного тракта и блока в целом предложено выполнить дополнительные линии слива КГП из ПНД-4 и ПНД-3 в конденсатор турбины. Эти линии обеспечат слив КГП из ПНД-4 и ПНД-3 при глубоких разгрузках блока и аварийных отключениях ПНД по пару, исключив тем самым рост уровня в подогревателях выше допустимого, при котором происходит срабатывание защит на останов паровой турбины.

Выполнение узла регулирования уровня в деаэраторе в виде одной основной линии с регулирующим клапаном и байпасной линии с запорной задвижкой при диаметре линий 600 – 700 мм, как это было принято в типовых схемах, не обеспечивает сохранение блока в работе при отказе основного клапана и резком изменении нагрузки, что подтверждено опытом эксплуатации отечественных блоков 1000 МВт с турбиной ЛМЗ. Предложена схема с двумя линиями с запорными задвижками и регулирующими клапанами на пропускную способность каждой около 80 % номинального расхода. Это позволяет обеспечить надежное регулирование уровня при отказе в любой линии.

При разработке тепловых схем современных электростанций одной из серьёзных задач является создание хорошо управляемых технологических узлов. В конденсатном тракте к наиболее важным относятся регулирование уровня в Д и ПНД-2.

Были предложены структурные схемы и оптимизированы настройки регуляторов, на которые кроме основных функций регулирования уровня в ПНД-2 возлагались и дополнительные:

• ограничение на открытие РК в процессе заполнения системы при пуске энергоблока по команде программы;
  
• предотвращение перегрузки КЭН-1 путем подачи на регуляторы через выделитель минимума (мин) сигнала небаланса между минимально допустимым и фактическим давлением конденсата на напоре КЭН-1;
  
• предотвращение недопустимого снижения уровня в ПНД-2 путем подачи на регулятор уровня в деаэраторе выходного сигнала регулятора уровня в ПНД-2 с пониженным заданием и противоположным знаком.
  

На регуляторы уровня в деаэраторе возлагаются дополнительные функции:

• предотвращение перегрузки КЭН-2 путем подачи на основные и пусковой регуляторы через выделитель минимума (мин) сигнала небаланса между минимально допустимым и фактическим давлением конденсата на напоре КЭН-2;
  
• предотвращение недопустимого снижения уровня в ПНД-2 путем подачи на основные и пусковой регуляторы уровня в деаэраторе входного сигнала регуляторов уровня в ПНД-2 с противоположным знаком;
  
• предотвращение недопустимого снижения уровня в конденсаторе турбины при возможных утечках в контуре путем подачи на регулятор подпитки через выделитель максимума (макс) сигнала небаланса между заданным L_к,зд (ниже номинального) и фактическим L_к уровнями в конденсаторе;
  

Для обеспечения надежной работы питательных насосов и предотвращения кавитации в них необходимо выполнить:

• верхний подвод воды из деаэратора в предвключенный насос ПТН;
  
• подвод питательной воды к каждому насосу отдельным трубопроводом сверху с исключением горизонтальных участков на всасывающих трубопроводах;
  

Кроме изменения компоновочных решений, рекомендованы и режимные изменения. Так как процесс вскипания питательной воды перед насосом при резких сбросах нагрузки обусловлен резким падением давления в деаэраторе и более низкой скоростью падения температуры воды во всасывающем трубопроводе, то для предотвращения кавитации необходимо не допустить резкого падения давления в деаэраторе. Это возможно осуществить за счет опережающей подачи пара в него через БРУ-Д. Для этого была разработана соответствующая структурная схема регулятора давления в деаэраторе, воздействующего на клапаны БРУ-Д.

Для повышения надежности работы блока при отключении турбины с потерей вакуума предложено внести в управление реактором дополнительную разгрузку с помощью регулятора ограничения мощности до 7 %

Все перечисленные выше схемные и режимные решения направлены на обеспечение надежной работы блока.

Пятая глава посвящена расчетному исследованию с помощью разработанной математической модели и обоснованию технических предложений, приведенных в предыдущей главе. Для обоснования предложений была использована описанная ранее математическая модель блока. В математической модели для проведения расчетного исследования в состав конденсатного тракта были включены ПНД-4 со сливом конденсата греющего пара в СС и дальнейшей закачкой КГП с помощью сливных насосов в конденсатный тракт перед деаэратором, ПНД-3 со сливом КГП в ПНД-2 смешивающего типа, КЭН-2 после ПНД-2, ПНД-1 поверхностного типа и КЭН-1. В модели были предусмотрены предложенные линии слива КГП в конденсатор. Также смоделирован регулятор уровня в ПНД-2 в соответствии с предложенной структурной схемой и выбранными настройками в соответствии с описанной методикой их определения. В состав питательного тракта были включены следующие элементы: деаэратор, работающий на номинальном давлении 11,2 кгс/см², с системой регулирования давления, необходимой для обеспечения надежной работы питательных насосов, два питательных турбонасоса и два электронасоса, две нитки с двумя ПВД в каждой и узел питания ПГ. Предусмотрен каскадный сброс конденсата греющего пара ПВД, причем из первого ПВД по ходу питательной воды сброс КГП предусмотрен либо в деаэратор, либо в конденсатор.

Результаты расчетных исследований показали, что сбросы нагрузок проходят без опасного повышения уровня в подогревателях низкого давления. Сравнивая результаты расчетов сброса нагрузки до собственных нужд, приведенные в 3 главе, с расчетами при усовершенствованных схемах, можно сделать вывод, что для повышения надежности работы конденсатного тракта и блока в целом необходимо выполнить дополнительные линии слива КГП из ПНД-4 и ПНД-3 в конденсатор турбины.

В качестве расчетного режима для проверки качественной работы системы регулирования уровней в ПНД-2 и деаэраторе выбран самый тяжелый режим – это отказ одного КЭН-1 и дальнейшая разгрузка блока до 50 % автоматикой. При моделировании регулятора уровня в ПНД-2 была принята структурная схема, описанная в главе 4.





Из графика видно (рис. 5), что в начальный момент возмущения уровень в ПНД-2 резко падает, но достигнув определенного значения поддерживается на этом уровне. Это происходит из-за того, что в регулятор уровня в деаэраторе приходит сигнал на поддержание уровня (L) в ПНД-2 при допустимом снижении уровня в деаэраторе. При этом настройки регулятора уровня в деаэраторе переключаются на поддержание уровня в ПНД-2. Через некоторое время уровень в деаэраторе приблизился к минимальной отметке, но в этот момент блок уже разгрузился до 50 % и уровень начал восстанавливаться. Еще через некоторое время уровень в деаэраторе достиг своего номинального значения, после чего регулятор уровня в деаэраторе перешел с поддержания уровня в ПНД-2 на поддержание уровня в деаэраторе. С незначительным перерегулированием восстановился до номинального значения и уровень в ПНД-2.

Таким образом, результаты расчета приведенного переходного режима показали, что данная структурная схема и настройки регулятора обеспечивают необходимое регулирование уровня в ПНД-2 и деаэраторе.

Чтобы оценить работу принятой схемы регулирования давления в деаэраторе, были проведены расчеты частичного сброса нагрузки с включением БРУ-Д и без включения. Возникающий режим должен оказаться более сложным для сохранения запаса до требуемого подпора перед насосами, так как происходит более значительное падение давление в деаэраторе и перед насосами. Результаты расчетов показали, что при принятой компоновке необходимо включать БРУ-Д при сбросе нагрузки более чем на 15 %.

Для получения более полной картины проведены расчеты сброса нагрузки блока с номинального значения до холостого хода турбины при работе двух турбонасосов. Анализ результатов расчетов показал, что при включении БРУ-Д по факту сброса нагрузки с поддержанием в течение 60 с номинального давления в деаэраторе и снижением его до 7,0 кгс/см2 в течение 4-х минут (рис.6) запас до требуемого подпора перед ПТН сохраняется достаточным для обеспечения их надежной работы (рис.7). При этом большое значение имеет плавность поддержания заданного давления в деаэраторе, что должно быть учтено при разработке структурной схемы и настроек регулятора БРУ-Д. При изменении скорости снижения давления изменится скорость снижения запаса до требуемого подпора и минимальное его значение несколько возрастет.








Для проверки режима работы при отключении турбины с потерей вакуума были выполнены расчеты с первоначальной разгрузкой реактора с помощью устройства быстрой разгрузки до 40 % и дальнейшей разгрузки регулятором ограничения мощности до 7 %. Результаты расчетов показали, что разгрузки реактора до 7 % достаточно для удержания блока в стабильном состоянии. Это исключает недопустимую потерю воды во втором контуре и не допускает срабатывания аварийной защиты реактора.

Основные результаты работы.

Представленная работа направлена на решение задач по повышению надежности работы оборудования в переходных режимах на стадии проектирования блока путем проведения расчетного анализа переходных режимов работы оборудования паросиловой части энергоблока с учетом автоматических систем управления, разработки новых технологических схем, режимов работы и систем управления. С этой целью:

1. Разработан комплексный подход к анализу переходных режимов работы блока на основе математической модели расчета технологических параметров блока.

2. Разработана математическая модель расчета технологических параметров в переходных режимах работы оборудования паросиловой части энергоблока. На основе разработанной модели создана комплексная программа расчета динамики блока в целом, в которую включены системы автоматического управления. Программа верифицирована сравнением с результатами натуральных испытаний на блоках ПГУ и АЭС.

3. С помощью разработанной математической модели проведен расчетный анализ переходных режимов работы типового оборудования второго контура АЭС, выявлены некоторые схемные, компоновочные и режимные недостатки, а также проблемы в системе управления.

4. Предложены решения проблем в системе дренирования ПНД путем использования дополнительных линий слива КГП с регулирующими клапанами. Для обеспечения надежной работы питательных насосов и предотвращения процесса кавитации в них предложена структурная схема регулятора давления в деаэраторе и оптимизированы его настройки, обеспечивающие приемлемый режим работы. Предложен режим разгрузки реактора при отключении турбины с потерей вакуума, исключающий недопустимую потерю воды во втором контуре.

5. Разработана методика оптимизации структурных схем и настроек регуляторов с помощью сочетания расчетов на нелинейной и линейной математических моделях.

Правильность всех предложений подтверждена расчетным анализом.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Нестеров Ю. В., Пикин М. А. Оптимизация схемы узла питания второго контура АЭС с ВВЭР-1000 // Электрические станции, 2006, №6, с.62 - 66.

2. Нестеров Ю. В., Пикин М. А. Расчетные исследования переходных режимов работы оборудования второго контура АЭС с ВВЭР-1000 с учетом систем управления, Электрические станции, 2007, №3, с. 16 – 22.

3. Пикин М. А., Нестеров Ю. В. Расчетные исследования характеристик работы ПВД в различных режимах их эксплуатации // Энергетик, 2007, №6

4. Александрова Н. Д., Давыдов Н. И., Нестеров Ю. В., Пикин М. А. Оптимизация структурных схем и настроек регуляторов с помощью математических моделей // Электрические станции, 2007, №8, с. 18 – 23.

5. Пикин М.А. Расчетные исследования переходных режимов работы оборудования второго контура АЭС с ВВЭР с учетом систем управления, Сборник докладов молодых специалистов ОАО ВТИ, 2007