Разработка и исследование аналитической модели энергоблока ПГУ-450

Парогазовые установки (ПГУ), как правило, состоят из одной или нескольких газотурбинных установок (ГТУ), оборудованных котлами-утилизаторами (КУ), пар от которых поступает в паровую турбину для получения дополнительной мощности, используется для теплофикации и производственных нужд. За счет того,. что тепло выхлопных газов ГТУ утилизируется, такие установки имеют КПД 50−56% в конденсационном режиме. И это далеко не предел. Некоторые экспериментальные установки, созданные в последние годьц имеют КПД до 58%, а в перспективе возможно его дальнейшее повышение. При внедрении парогазовых установокдля производства электроэнергии, гфИ-максимальной"стоимоститопливного газа 80 долларов за 1000 м, себестоимость электроэнергии снижается на 20−40%, чем при производстве электроэнергии установкамиимеющими" более-низкийКПД (30−40%). Дополнительный выигрыш также дает снижение затрат накапитальное, строительство и его продолжительность [25].. Парогазовые установки с КПД 50 — 55% уже составляют значительную часть современной энергетики. Так, за период с 1994 по 1999 г., на тепловых электростанциях в различных странах была введена в эксплуатацию 3816 газотурбинных и парогазовых установок общей мощностью 220 миллионов кВт. Из них на долю установок с газотурбинными двигателями мощностью 100−150 МВт приходится более 60% мощности. Разработка и производство газотурбинных двигателей и парогазовых установок стало) одной из основных отраслей промышленности в наиболее развитых индустриальных странах мира;

В связи этим, создание для тепловых электростанций новых парогазовых установок с высоким уровнем КПД, на основе современных газотурбинных двигателей, имеет первостепенное значение для энергетики каждого государства [25].

В настоящее время российская энергетика переживает бум по строительству парогазовых блоков различных мощностей от 100 до 800 МВт. С 2006 по 2010 год в энергетике планируется ввести около 15 тыс. МВт дополнительной электрической мощности КЭС, из них более 45% приходится на парогазовые установки [7].

Для РФ ПГУ представляют собой технологию нового типа, и поэтому она мало изучена как с точки зрения ведения режимов, так и в проектировании и наладке АСУ в области АСР, и разработки программ функционально-группового управления (ФГУ), не говоря уже об их оптимизации.

При проектировании и наладке АСР, а также разработке программ ФГУ, необходимо иметь максимально точное представление о поведении системы и объекта регулирования при различных стационарных и переходных режимах работы энергоблока, которые могут возникнуть как в процессе нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях. Это можно сделать, непосредственно на действующем оборудовании или на математической модели этого оборудования.

Математические модели являются адекватным образом реальных процессов объекта. Получить их можно < расчетно-теоретическим (аналитическим) путем или в результате обработки экспериментальных данных, полученных при проведении испытаний на действующем объекте (эмпирические модели). Эмпирические модели, заведомо имеющие невысокую точность, до недавнего времени пользовались большой популярностью. Особенностью их является то, что изучаемая система представляется в виде «черного ящика». Изменение выходных величин объекта является обобщающим проявлением многообразных внутренних взаимодействий в объекте, при этом не раскрывается внутренней сущности.

Поэтому эмпирические модели являются наименее информативными моделями.

Методы идентификации объектов, с целью получения динамических характеристик, достаточно хорошо изучены [30]. В последние 30 лет, благодаря новым подходам к описанию* динамики систем в, пространстве состояний, появился ряд фундаментальных публикаций по оцениванию параметров и состояний объектов [76, 77, 81, 93]. Поэтому, желательно, когда имеется^ такая возможность, выполнять экспериментальные исследования динамики* объекта. Кроме того, получить характеристики действующих в объекте возмущений можно толькоэкспериментальным путем. Однако такие испытания:

• весьма сложны, трудоемки и* дорогостоящи;

• экономически невыгодны, так как связаны с недоотпуском электроэнергии и тепловой энергии, потребителю;

• их проведение на действующем энергоблоке связано с нарушением нормального режима эксплуатации-, а в ряде случаев ^ (например, предаварийные, аварийные режимы, режимы глубоких изменений нагрузки и т. д.) — с большим риском ^повреждения" оборудования.

И самое главное, натурные испытания могут быть проведены только на уже находящемся в эксплуатации оборудовании, в то время как информация о поведении исследуемого объекта зачастую необходима до его ввода в эксплуатацию. В связи с этим, возникает задача аналитического моделирования энергетических объектов и систем регулирования.

Аналитические модели отражают физико-химические процессы, протекающие в объекте. Аналитические математические модели в общем случае представляют собой системы уравнений, включающие алгебраические, дифференциальные или интегральные уравнения, описывающие физико-химические законы процессов в объекте. Коэффициенты этих уравнений включают в себя конструктивные и технологические параметры объекта, и по этой причине аналитические модели наиболее полно раскрывают внутреннюю структуру и сущность процессов в объекте, влияние отдельных параметров на статические и динамические характеристики объекта. Это достоинство аналитических моделей трудно переоценить, так как оно позволяет сформулировать предложения по изменению отдельных параметров, внаправлении обеспечения устойчивости и управляемости проектируемого объекта. В тех режимах, когда проявляется существенная нелинейность объекта (например, в аварийных режимах и в режимах пуска и останова), аналитические модели являются практически единственным способом математического описания его свойств. Кроме того, аналитические модели позволяют определять изменение тех параметров, которые на реальном объекте не измеряются.

С учетом сказанного выше, целью данной работы является разработка аналитической и компьютерной (цифровой) моделей энергоблока ПГУ, исследование и оптимизация на их основе экономических и маневренных характеристик энергоблока при его работе на частичных нагрузках.

В качестве моделируемой и исследуемой парогазовой, установки выбрана бинарная ПГУ мощностью 450 МВт, представляющая собой один из первых образцов технологии нового> типа вроссийской энергетике, основную долю в которой составляет российское оборудование. В качестве прототипа взят энергоблок ПГУ-450Т с вертикальными котлами-утилизаторами принудительной циркуляции П-116 (ТЭЦ-21 ОАО «Мосэнерго»).

Научная новизна работы состоит в:

• разработке аналитической и компьютерной (цифровой) моделей энергоблока ПГУ-450Т как единой системы, с замкнутыми технологическими контурами;

• исследовании причинно-следственных связей изменений технологических параметров энергоблока на его компьютерной (цифровой) модели при разных режимах работы компонентов энергоблока и температурах окружающего воздуха;

• получении статических характеристик энергоблока, позволяющих произвести расчет затрат на выработку электроэнергии, а также сравнить между собой экономичность работы энергоблока в различных режимах.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты работы могут быть использованы при разработке аналитических и компьютерных (цифровых) моделей других видов ПГУ (как моноблоков, так и дубль-блоков). Разработанная компьютерная (цифровая), модель ПГУ-450Т может быть использована как составная часть всережимных компьютерных тренажеров (в том числе и полномасштабных) для обучения оперативного персонала электростанций, а также проведения1 исследований, технологии ПГУ. Результаты исследований режимов" работы, энергоблока в разных режимах работы его компонентов, могут быть использованы для разработки пошаговых программ управления" энергоблоком, в настройке систем автоматического регулирования, а также для решения задач оптимального управления, как компонентами энергоблока, так и энергоблоком в, цел ом.

Результаты работы использованы приразработке компьютерного тренажера ГЖУ-450Т ТЭЦ-21 ОАО «Мосэнерго» фирмой ЗАО" «Тренажеры для электростанций».

Достоверность и обоснованность результатов работы и выводов обеспечивается строгим применением математического" аппарата, а таюке экспертной оценкой специалистов в области парогазовых установок (НП «КОНЦ ЕЭС», НОУ «ЦПК Мосэнерго», ТЭЦ-21 ОАО «Мосэнерго»).

В первой главе сделан обзор литературы по теме диссертации. На основании обзора сформулированы задачи, которые решаются в диссертационной работе.

Во второй главе проведена классификация математических моделей, определены достоинства и недостатки разных видов моделей. Выбран вид математической модели для разработки модели энергоблока ПГУ-450Т и и произведен выбор программных средств для создания (реализации) компьютерной (цифровой) модели.

Третья глава посвящена описанию технологии выработки электроэнергии в парогазовом дубль-блоке ПГУ-450Т и технологической схемы энергоблока ПГУ-450Т (прототипом которого является энергоблок ПГУ-450Т ТЭЦ-21 ОАО «Мосэнерго»). В ней представлена информация об основных технологических характеристиках основного оборудования (рабочих параметрах, режимах его работы).

В этой главе определена структура компьютерной (цифровой) модели энергоблока ПГУ-450Т с учетом особенностей выбранного программно-аппаратного комплекса. Определены необходимые для реализации физические законы в группах оборудования и перечень включения в полную модель энергоблока ряда автоматических устройств, управление энергоблоком без которых не представляетсявозможным или является крайне затруднительным.

Четвертая глава посвящена разработке математической (аналитической) модели основного и общестанционного оборудования, и ее реализации программными средствами. Кроме того, рассмотрены вопросы реализации в модели основных звеньев ОАР’и ПИ-закона регулирования.

В последней, пятой главе, проведена проверка адекватности разработанной компьютерной (цифровой) модели энергоблока законам физики. Проведено исследование конденсационных режимов работы энергоблока на модели при разных температурах окружающего воздуха. Представлен анализ экономичности работы ГТУ и ПТУ в целом при разных режимах работы компонентов энергоблока. Проанализированы причинно-следственные связи изменений основных технологических параметров, при изменении расхода топлива и температуры окружающего воздуха. Проведено исследование динамических и статических характеристик энергоблока ПГУ-450Т с точки зрения регулирования частоты и мощности, исследование распределения вырабатываемых мощностей между агрегатами на разных нагрузках энергоблока. Предложена инженерная методика определения затрат и определения экономичности ведения режимов работы энергоблока.

По диссертационной работе имеется 5 публикаций, перечень которых приведен ниже:

1. Аракелян Э. К., Рубашкин А. С., Обуваев А. С., Рубашкин В. А. Моделирование процессов в контурах естественной циркуляции котлов-утилизаторов ПГУ // Теплоэнергетика.-2009. № 2.

2. Аракелян Э. К., Обуваев А. С. Особенности котлов-утилизаторов ПГУ как объектов управления при пусках и остановах// Труды международной научной конференции Control-2008// М.-Издательский дом МЭИ.- 2008.

3. Обуваев А. С., Аракелян Э. К. Исследование режимов работы энергоблока ПГУ-450Т при пониженных нагрузках. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тринадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 1−2 марта 2007 г.: Тез. докл.: В 3-х т.-М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т.3.-428 с.

4. Обуваев А. С., Аракелян Э. К. Разработка структуры аналитической модели энергоблока ПГУ-450. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Четырнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. 28−29 февраля 2008 г.: Тез. докл.: В 3-х т.- М.: Издательский дом МЭИ, 2008. Т.3.-384 с.

5. Рубашкин А. С., Обуваев А. С. Компьютерный тренажер энергоблока ПГУ-450Т. Тренажерш комплекси та системи: 3 науково-практично1 конференщ: В 2-х т. — Киш: 1нститут проблем моделюровання в енергетищ ш. Г. С. Пухова HAH Украгни, 2006.

5.4.Выводы по главе.

В данной главе проведена проверка физической: адекватности1 модели ПГУ-450Т в конденсационных режимах-работы энергоблока, в допустимом диапазоне изменения его нагрузкипри работе двух полублоков, путем анализа взаимного влияния технологических параметров и установления причинно-следственной связи, изменений параметров. Проведены исследования основных технологических параметров ПТУ в разных режимах работы ГТУ и ПТ при температурах окружающего воздуха 5 °C, 15 °C и 25 °C. Показано, что регулируемый диапазон нагрузок энергоблока зависит от температуры окружающего воздуха.

Кроме того, представлено сравнение основных технологических параметров модели и блока-прототипа в нескольких статических режимах работы энергоблока. На основании сравнения параметров сделан вывод об адекватности разработанной модели блоку-прототипу.

В ходе работы определены наиболее экономичные режимы работы ГТУ И' проведено упорядочение режимов по экономичности работы энергоблока в целом.

На компьютерной (цифровой) модели энергоблока снят ряд переходных процессов, по которым получены статические коэффициенты влияния мощности газовых турбин на распределение вырабатываемой мощности между агрегатами энергоблока, построены и проанализированы их переходные характеристики. Проведенные исследования показали, что статические и динамические характеристики энергоблока существенно зависят от значения и знака возмущения.

В данной главе проведены исследования КПД термодинамического цикла ПГУ с разным составом работающего оборудования и экономичности ведения режимов энергоблока. Предложена инженерная методика определения затрат и определения экономичности ведения режимов работы энергоблока, в том числе при развороте ГТУ.