Совершенствование технологий регулирования термических деаэраторов ТЭЦ

Совершенствование технологий регулирования термических деаэраторов ТЭЦ

Д.т.н. В. И. Шарапов, профессор, заведующий кафедрой, к.т.н. М. Р. Феткуллов, доцент, кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция», Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ).

(Печатается с сокращениями, полную версию статьи см. на сайте РосТепло.ру — www.rosteplo.ru).

Вопросам защиты оборудования и трубопроводов от внутренней коррозии ТЭЦ, котельных и тепловых сетей уделяется большое внимание. Основным способом противокоррозионной обработки питательной воды котлов и подпиточной воды систем теплоснабжения является термическая деаэрация.

Массообменная и энергетическая эффективность термических деаэраторов в значительной мере зависит не столько от конструкций самих аппаратов, сколько от технологий их работы: схем включения деаэраторов в теплоэнергетические установки, режимов работы, способа управления деаэраторами. При этом некоторые параметры должны быть управляемыми по соображениям надежности. К таким параметрам относятся, прежде всего, уровень воды и предельное давление в деаэраторах атмосферного и повышенного давления. Поддержание других параметров должно обеспечивать требуемый уровень качества и экономичности деаэрации.

Традиционные технологии регулирования процессов термической деаэрации воды. В процессе обработки воды в термических деаэраторах количество и качество обрабатываемой воды существенно изменяется (изменяется и конечное содержание коррозионно-активных газов в деаэрированной воде). В то же время тепловые и гидравлические параметры процесса поддерживаются постоянными, независимо от изменения качества исходной воды и нагрузки деаэратора. Например, в [1] для достижения необходимого эффекта деаэрации рекомендуется поддерживать рабочее давление в термических деаэраторах повышенного давления в пределах 0,6−0,8 МПа. Поддержание этого параметра в заданных пределах обычно осуществляется путем изменения расхода греющего агента, подаваемого в деаэратор, схема автоматического регулирования которого представлена на рис. 1.

Входным сигналом регулятора уровня 6, воздействующего на перемещение клапана на линии химически очищенной воды, служит уровень воды Hв. Обычно регулятор уровня снабжается вторым входным сигналом, являющимся жесткой отрицательной обратной связью по положению регулирующего органа. Наличие второго контура стабилизирует (повышает) устойчивость системы автоматического регулирования.

Входным сигналом регулятора давления 5, который воздействует на регулирующую заслонку на линии греющего пара 4, служит избыточное давление пара Pд. Из-за необходимости точного поддержания Pд регулятор давления должен реализовать ПИ-закон регулирования.

При параллельной работе группы деаэраторов регулятор давления и регулятор уровня воздействуют на соответствующие регулирующие клапаны на линиях общего подвода пара и химически очищенной воды.

Подразумевается, что принятый за оптимальный фиксированный уровень регулируемого параметра обеспечивает требуемое качество деаэрации воды, однако в ряде случаев, например, при изменении нагрузки деаэратора, при заданной величине давления не обеспечивается нормативное качество противокоррозионной обработки воды, в других случаях для поддержания постоянного давления требуется подача в деаэратор греющего агента в количестве, намного превосходящем необходимое для эффективной деаэрации.

Таким образом, применение традиционных технологий регулирования процессов термической деаэрации воды не всегда позволяет добиться нормативного остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде и, вместе с тем, приводит к повышенным энергетическим затратам на деаэрацию.

Новый подход к регулированию термических деаэраторов. Все попытки совершенствования технологий управления процессами термической деаэрации осуществлялись в рамках устоявшегося подхода, путем поиска других регулируемых режимных параметров, по возможности более полно определяющих эффективность работы деаэраторов. Так, в качестве регулируемых параметров принимался удельный расход выпара, величина нагрева воды в деаэраторе и другие факторы, косвенно влияющие на эффективность деаэрации [1].

В научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (НИЛ ТЭСУ) УлГТУ выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований процесса деаэрации, который позволил получить адекватные многофакторные математические модели, устанавливающие количественные связи между определяемыми конечными параметрами процесса деаэрации — целевыми функциями (остаточными концентрациями растворенного кислорода, диоксида углерода и рН деаэрированной воды) и целым рядом изменяемых режимных факторов (расходами и температурами исходной воды и греющего агента, начальным содержанием диоксида углерода в исходной воде).

Анализ полученных многофакторных математических моделей позволил радикально изменить подход к организации технологий термической деаэрации и сформулировать новые принципы регулирования процесса деаэрации [2, 3].

Основной отличительной чертой нового подхода к регулированию термических деаэраторов является использование в качестве регулируемых параметров заданных показателей качества деаэрированной воды: остаточных концентраций растворенного кислорода и диоксида углерода. Остальные изменяемые (регулирующие) параметры поддерживаются на необходимом и достаточном для выполнения этого условия уровне.

Основное достоинство нового подхода заключается в безусловном обеспечении нормативного качества деаэрации. Исключаются возможности работы деаэраторов с недостаточными или, напротив, излишними энергетическими затратами.

Наибольшее количество управляемых (регулирующих) параметров процесса имеется в вакуумных деаэраторах, т.к. в этих аппаратах параметры теплового и гидравлического режима могут изменяться в широких пределах, что создает возможности организации режимов термической деаэрации, оптимальных для каждой конкретной ТЭЦ.

Одной из наиболее эффективных является технология, по которой заданное качество деаэрации обеспечивается регулированием расхода перегретой воды, подаваемой в качестве греющего агента в вакуумный деаэратор (рис. 2) [4].

Регулирование деаэрационных установок по нескольким параметрам. Совершенствование способов управления термическими деаэраторами в рамках нового подхода, рассмотренного выше, привело к разработке технологий многопараметрического управления.

Комплексное управление работой деаэрационных установок возможно осуществить как по нескольким регулирующим, так и по нескольким регулируемым параметрам. Сущность первого метода регулирования заключается в управлении процессом деаэрации путем последовательного регулирования различных режимных параметров, в качестве которых могут выступать температуры исходной воды и греющего агента, расход выпара, расход греющего агента [5−7]. Последовательность и пределы регулирования параметров выбираются из условия максимальной экономичности конкретной теплогенерирующей установки. Особенностью второго метода комплексного регулирования является то, что регулирование процесса деаэрации осуществляется одновременно по двум заданным регулируемым параметрам — остаточному содержанию кислорода и по величине рН, соответствующей отсутствию диоксида углерода в деаэрированной воде, причем величину режимного параметра устанавливают, исходя из необходимости достижения заданного содержания наиболее трудноудаляемого газа [4, 7−9].

Применение технологий комплексного регулирования термических деаэраторов на ТЭЦ и в котельных установках имеет некоторые отличия. Основной задачей при выборе последовательности регулирования режимных параметров на ТЭЦ является увеличение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении за счет использования отборов теплофикационных турбин для подогрева теплоносителей деаэрационных установок, а в котельных установках — снижение затрат электроэнергии на собственные нужды.

Рассмотрим пример технического решения, в котором реализуется сформулированный подход к управлению термическими деаэраторами по нескольким регулирующим параметрам, а также оценим его энергетическую эффективность [4, 7, 10].

Заданное качество деаэрации обеспечивается путем последовательного регулирования температуры исходной воды и расхода греющего агента (рис. 3) [11−14]. С помощью датчика 9 замеряется остаточная концентрация кислорода. При ее увеличении регулятором 8 (микропроцессорным контроллером) вырабатывается стандартный токовый сигнал, передаваемый на электрический исполнительный механизмы регулирующего устройства установленного на трубопроводе греющей среды подогревателя исходной воды 10. В случае необходимости, а именно при недостаточности увеличения температуры исходной воды, подаваемой в вакуумный деаэратор (40−50 °С), сигнал со второго выхода контроллера поступает на исполнительный механизм регулирующего органа на трубопроводе греющего агента вакуумного деаэратора, с помощью которого увеличивается количество греющего агента, подаваемого в деаэратор. Напротив, при понижении концентрации кислорода относительно заданной величины сначала снижают расход греющего агента, а затем уменьшают температуру исходной воды. Такой порядок регулирования обеспечивает максимальную загрузку экономичных отопительных отборов турбины.

Отметим, что управление термическими деаэраторами по нескольким регулирующим и регулируемым параметрам позволяет повысить качество и экономичность работы ТЭЦ за счет обеспечения заданной концентрации удаляемого газа (О2 или СО2) в деаэрированной воде при оптимальном режиме работы турбоустановки с максимальной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении, т. е. получить больший выигрыш в тепловой экономичности ТЭЦ, чем при управлении работой деаэраторов только по одному регулирующему параметру.

Широкий спектр отечественных и зарубежных технических средств автоматизации позволяет эффективно реализовать предложенные способы управления процессом деаэрации в промышленных условиях.

Энергетическая эффективность комплексного регулирования термических деаэраторов. Оценку энергетической эффективности теплофикационных установок ТЭЦ с термическими деаэраторами целесообразно проводить в соответствии с разработанной в НИЛ ТЭСУ методикой ВИШ по величине удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении (УВЭТП) тф, кВтч/т, получаемой за счет отборов пара на подготовку 1 м³ или 1 т деаэрированной воды [4, 10].

На рис. 4 показаны рассчитанные с помощью методики ВИШ графические зависимости, характеризующие величину удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении от нагрузки деаэратора ДВ-800 при регулировании температуры исходной воды и расхода перегретой водыгреющего агента (рис. 3).

Энергосберегающий эффект от применения новых способов регулирования процессов термической деаэрации определяется с помощью выражения, которое позволяет определить годовую экономию условного топлива В, т/год, при переходе от традиционных методов регулирования термических деаэраторов к новым:

В=тф (bэк-bэт)Gрежв10−3,.

термический деаэратор вода где bэк — удельный расход условного топлива на конденсационную выработку электроэнергии, кг/(кВтч); bэт — удельный расход условного топлива на теплофикационную выработку электроэнергии, кг/(кВтч); Gрежв — общий расход подготавливаемой воды в исследуемом режиме, т.

Результаты расчета годовой экономии условного топлива в установке производительностью 3000 т/ч в зависимости от средней нагрузки деаэратора ДВ-800 представлены в виде графической зависимости на рис. 5.

В результате анализа разработанных технологий многопараметрического управления процессами термической деаэрации установлено, что они позволяют получить больший выигрыш в тепловой экономичности ТЭЦ, чем при управлении работой деаэраторов только по одному режимному параметру. В среднем увеличение экономии топлива составляет 15−20%.

Несмотря на все преимущества многопараметрического управления процессами термической деаэрации воды, уже при реализации технологий однопараметрического регулирования были выявлены серьезные затруднения, связанные с отсутствием в технической литературе данных о динамических характеристиках деаэраторов как объектов регулирования.

Все имеющиеся в литературе характеристики деаэраторов построены для стационарных режимов деаэрации и не могут быть в полной мере использованы при реализации технологий, разрабатываемых в рамках нового подхода к совершенствованию процессов термической деаэрации.

Оборудование ТЭЦ и котельных в силу постоянных изменений тепловых и электрических нагрузок практически не работает в статическом режиме, параметры его состояния постоянно изменяются во времени. Воздействие возмущений на объекты регулирования предполагает временный материальный или энергетический дисбаланс в системе, что приводит к динамическому режиму работы оборудования. Реакция объекта на возмущающее или управляющее воздействие не бывает мгновенной по различным причинам.

Отставание (емкостное запаздывание) начала изменения регулируемой переменной по отношению к моменту изменения количественного параметра на входе затрудняет процессы управления и восстановления значения управляемой переменной и входит в число важнейших показателей процесса управления, поэтому построение динамических характеристик термического деаэратора с помощью экспериментального исследования и теоретического анализа являлась важной научной и практической задачей.

Экспериментальное построение динамических характеристик термических деаэраторов. Для реализации разработанных решений по управлению деаэрационными установками необходимо знание целого ряда характеристик деаэратора как объекта управления. С целью получения таких характеристик выполнено промышленное экспериментальное исследование атмосферного струйно-барботажного деаэратора ДА-25 конструкции НПО ЦКТИ, производительностью 25 т/ч на Ульяновской ТЭЦ-3. Задачами эксперимента явились построение на основе полученных данных динамических характеристик термического деаэратора, оценка влияния режимных факторов на эффективность деаэрации воды.

В таблице приведены основные этапы экспериментального исследования атмосферного деаэратора.

На рис. 6 приведена схема установки измерительных приборов в экспериментальной деаэрационной установке [4].

В результате испытаний деаэратора получены значения регулируемых и регулирующих факторов процесса деаэрации, изменяющихся во времени, на основании которых построены графические динамические характеристики. На рис. 7 представлена динамика изменения регулирующего фактора расхода выпара dвып во времени.

Изменение температуры исходной воды tхов перед охладителем выпара (рис. 8) осуществлялось путем увеличения или уменьшения расхода пара, применяемого в качестве греющего агента в подогревателе исходной воды.

В результате проведенной серии опытов были определены зависимости остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде от времени при изменении важнейших режимных параметров деаэрации — tхов и dвып (см. полную версию статьи на сайте РосТепло.ру (http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=…) — прим. ред.)).

Результаты теоретического и экспериментального исследования показали необходимость дальнейшего совершенствования способов управления технологий противокоррозионной обработки воды, целью которых должно стать сокращения влияния емкостного запаздывания на процессы управления, что достижимо при предварительном регулировании по параметрам исходной воды и греющего агента перед деаэрационными установками.

Выводы

• 1. Разработанные на основе нового подхода технологии термической деаэрации позволяют решить основную задачу управления деаэраторами — гарантированно обеспечить нормативное качество деаэрированной воды.
• 2. Выполнен комплекс научно-обоснованных технологических разработок, позволяющих повысить качество и экономичность процесса термической деаэрации воды тепловых электростанций путем совершенствования технологий управления термическими деаэраторами.
• 3. Предложено управление процессами термической деаэрации по нескольким регулирующим и регулируемым параметрам. Эта идея реализована в серии новых технологий работы деаэрационных установок ТЭЦ.
• 4. Доказано, что управление термическими деаэраторами по нескольким регулирующим и регулируемым параметрам позволяет повысить надежность и экономичность работы тепловой электрической станции за счет обеспечения заданной концентрации удаляемого газа (О2 или СО2) в деаэрированной воде при оптимальном режиме работы турбоустановки с максимальной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении.
• 5. Оценено влияние важнейших режимных параметров на эффективность процесса деаэрации и степень запаздывания определяемого показателя эффективности (остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде) по отношению к изменениям режимных параметров в ходе экспериментального исследования.
• 6. Определены динамические характеристики процесса термической деаэрации, позволяющие прогнозировать изменение концентрации кислорода в деаэрированной воде во времени при изменении режимных параметров и эффективно реализовать предложенные решения по многопараметрическому регулированию процессов термической деаэрации воды.
• 7. Выявлена необходимость дальнейшего совершенствования технологий противокоррозионной обработки воды с целью сокращения влияния емкостного запаздывания на процессы управления и восстановления значения управляемой переменной.

• 1. Оликер И. И., Пермяков В. А. Термическая деаэрация воды на тепловых электростанциях. Л.: Энергия. 1971. 184 с.
• 2. Шарапов В. И., Сивухина М. А., Цюра Д. В. Совершенствование методов управления тепломассообменными аппаратами тепловых электростанций // Проблемы энергетики. Известия ВУЗов. 2000. № 3−4. С. 22−30.
• 3. Шарапов В. И., Сивухина М. А., Цюра Д. В. Эволюция подхода к проблеме повышения качества противокоррозионной обработки воды в теплоэнергетических установках // Перспективные методы и средства обеспечения качества. Сборник научных трудов. Ульяновск: УлГТУ. 2000. С. 170−181.
• 4. Шарапов В. И., Феткуллов М. Р., Цюра Д. В. Технологии управления термическими деаэраторами. Ульяновск: УлГТУ. 2004. 268 с.
• 5. Шарапов В. И., Феткуллов М. Р., Цюра Д. В. Об энергетической эффективности управления деаэраторами ТЭЦ по нескольким параметрам // Проблемы энергетики. Известия вузов. 2005. № 3−4. С. 5−8.
• 6. Шарапов В. И., Феткуллов М. Р., Цюра Д. В. Многопараметрическое регулирование термических деаэраторов // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. № 2. С. 17−22.
• 7. Феткуллов М. Р., Цюра Д. В., Шарапов В. И. Управление процессами тепломассообмена в термических деаэраторах по нескольким регулирующим и регулируемым параметрам // Материалы V Минского Международного форума по теплои массобмену. Т. 2. Минск: НАНБ. 2004. С. 324−326.
• 8. Феткуллов М. Р. Энергосберегающие технологии комплексного регулирования термической деаэрации воды // Теплоэнергетика и теплоснабжение: Сборник научных трудов научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ. Вып 2. 2004. С. 56−68.
• 9. Шарапов В. И., Феткуллов М. Р., Цюра Д. В. Управление термическими деаэраторами по нескольким регулирующим параметрам // Материалы Четвертой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности». Ульяновск: УлГТУ. 2003. С. 289−293.
• 10. Шарапов В. И., Цюра Д. В. Термические деаэраторы. Ульяновск: УлГТУ. 2003. 560 с.
• 11. Феткуллов М. Р., Цюра Д. В., Шарапов В. И. Комплексное управление работой деаэрационных установок электростанций // Сборник научных трудов отдела энергетики Поволжья СНЦ Российской Академии наук. Вып. 3. Саратов: СарГТУ. 2004. С. 132−138.
• 12. Феткуллов М. Р. Совершенствование технологий управления термическими деаэраторами // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. Т. 3. М.: Издательство МЭИ. 2003. С. 352.
• 13. Феткуллов М. Р., Шарапов В. И. Способ комплексного регулирования вакуумных деаэраторов // Новые технологии в теплоснабжении и строительстве. Сборник трудов НИЛ ТЭСУ. Ульяновск: УлГТУ. 2003. С. 152−155.
• 14. Патент № 2 220 293 (RU). МПК F 01 K 17/02. Тепловая электрическая станция / В. И. Шарапов., М. Р. Феткуллов, Д. В. Цюра // Б.И. 2003. № 36.