УДК 681.5

Автоматизация регулирования тепловой нагрузки котла
(на примере ТЭЦ-2 в г. Уфа)

Коуров Георгий Николаевич – доцент кафедры Автоматизации технологических процессов Уфимского университета науки и технологий.

Хайруллин Данис Айдарович – студент Уфимского университета науки и технологий.

Бочкарёв Павел Игоревич – студент Уфимского университета науки и технологий.

Аннотация: Работа теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) – это сложный процесс, который требует выверенных и просчитанных действий и взвешенных решений. И на протяжении последних лет проходят процессы автоматизации всех систем, в том числе и регулирующих органов теплоэнергетических установок, а также котлов.

Ключевые слова: котлы, автоматизация управления (регулирования), технологические процессы на ТЭЦ.

Современная энергетика – это не просто основа жизни цивилизованного общества, по своей сути – это и есть жизнь. Без тепла и без электроэнергии жизнь современного человека остановится и не удивительно, что во всех сферах прогресс требует автоматизации, совершенствования системы контроля за работоспособностью оборудования, в том числе и в рамках самих тепловых электростанций, которые и обеспечиваю города и страны необходимыми потоками энергии.

С момента создания первых ТЭС производители стали механизировать процессы, затем автоматизировать их, в том числе и в котельных, где устанавливались электромеханические, а так же измерительные системы. И на сегодняшний день можно говорить о том, что и в рамках ТЭС и в работе ТЭЦ полностью налажены процессы автоматизации. АСУ реализуют не только контрольно-измерительные действия, но так же собирают и перерабатывают информацию, анализ который и позволяют принимать дальнейшие решения по работе технических средств [1].

Однако, без человека эта система не сможет существовать и потому современные ТЭЦ прибегают к симбиозу АСУ и операторов всех систем. Как это происходит в г. Уфе, где функционирует Уфимская ТЭЦ-2 ООО «БГК» - теплоэлектростанция с установленной электрической мощностью 501 МВт, тепловой мощностью 1448 Гкал.

Рассматриваемая электростанция считается одной из первых по мощности в Башкирии, и одной из первый запущенных в работу еще в советском Союзе (работает с 1940 года). Электростанция является одним из основных поставщиков электрической и тепловой энергии по Уфимской зоне, выполняет функцию промышленно-отопительной ТЭЦ, обеспечивая отоплением и горячей водой более половины жителей г. Уфы, при этом среднегодовой отпуск тепла с горячей водой составляет 85 %. Паром эта станция обеспечивает все близлежащие промышленные предприятия.

Уфимская ТЭЦ–2 строилась в составе Уфимского моторостроительного завода для обеспечения завода и вновь возводимого жилья электроэнергией, паром, горячей водой и теплом. На протяжении последующих лет станция модернизировалась, достраивалась и охватывала все большие рабочие площади и зоны покрытия. Отличительной особенностью Уфимской ТЭЦ-2 является большой коэффициент использования электрической и тепловой мощности, что обусловлено востребованностью тепловой и электрической энергии и позволяет работать в экономичном режиме.

Безусловно, работа ТЭЦ-2 на современном этапе соответствует всем нормам и требованиям времени. Это автоматизированный процесс подачи электроэнергии (519 МВт) и тепла (1528 Гкал/ч). И на протяжении 2022 года команда операторов, конструкторов и инженеров занималась вопросами модернизации энергоблоков, газотурбинных установок и другого оборудования. Однако, в данной работе особый интерес представляют котлы[6].

Котельная реализует подогрев воды, которая поступает в Уфимскую ТЭЦ-2 из реки Уфа. На хим­водоочистку исходная вода поступает из циркводовода, предвари­тельно подогретая в подогревателях турбинного цеха до 35 ± 1 ^оС. Последующая обработка воды, ее смягчение и насыщение реализуется в химическом цеху, после чего вода поступает в котельные, где выполняет свою ключевую роль в работе ТЭЦ. При этом, в котельной, когенерационные установки обычно работают в режиме обогрева, чтобы удовлетворить потребности в тепле, они снижают эксплуатационную гибкость выработки электроэнергии (рис.1).

Рисунок 1. Принцип выработки электроэнергии на Уфимской ТЭЦ-2.

Такая работа позволяет части источников тепла преобразовываться в энергию для ускорения скорости нарастания мощности. На рис.2 и 3 точки A, C, D и F являются типичными рабочими точками блока ТЭЦ. Точка А – это точка режима нагрузки номинальной мощности. Точка C является точкой номинальной тепловой нагрузки. Точка D – рабочая точка максимальной тепловой мощности при минимальной нагрузке ТЭЦ. Точка F является рабочей точкой минимальной мощности нагрузки. Линия AB и EF означает, что HA отвечает за все отопление, а блок ТЭЦ отвечает только за выработку электроэнергии. Во втором случае необходимо сначала прояснить модель преобразования тепловой энергии и компенсационные характеристики водонагревательных котлов, чтобы разработать оптимизированную стратегию управления нагрузкой.

Рисунок 2. Схема снижения выработки электроэнергии ТЭЦ за счет работы котельной.

Рисунок 3. Схема увеличения скорости нарастания мощности блоков ТЭЦ.

Источником тепла теплоцентрали является отборный пар, поступающий из цилиндра турбины, расход которого зависит от открытия дроссельных заслонок. При уменьшении расхода источника тепла эта часть отбираемого пара будет поступать в турбину и совершать работу. Следовательно, выходная электрическая мощность турбины увеличится. Этот процесс обычно заканчивается через полминуты. На рис.4 показаны изменения выходной мощности ТЭЦ мощностью 300 МВт, вызванные изменением расхода источника тепла.

Рисунок 4. Экспериментальные и модельные кривые расхода отбора источника тепла и выходной мощности.

В режиме номинальной нагрузки давление основного пара составляет 16,67 МПа, а его температура 535 °С. Для подогретого пара давление и температура отдельно составляют 3,05 МПа и 537 °С. Этот эксперимент проводится при номинальной тепловой нагрузке агрегата. Основные параметры следующие: генерирующая мощность блока 23,5 МВт, открытие дроссельной задвижки 54,526 %, расход источника тепла 400 т/ч. Экспериментальные показатели отражают реакцию выходной мощности на скачкообразное изменение расхода источника тепла. Выходная мощность увеличивается на 6,7 МВт примерно за 22 с, что соответствует скорости линейного изменения 18,3 МВт/мин, т.е. 6,1% номинальной мощности в минуту.

Как уже отмечалось выше, как и другие системы, система автоматического регулирования работы котельной осуществляется под надзором оператора, который поддерживает оценку теплового состояния каждого котла. С этой целью используется простая и общепринятая система основанная на логарифмической амплитудно-частотной характеристике (ЛАЧХ) и логарифмической фаза-частотной характеристике (ЛФЧХ), которые как правило связаны и определяют необходимость усиления или уменьшения сигнала звеньям цепи[3.с.10-15]. Выбранный алгоритм позволит, используя нагрузки, управляемые термостатом, и изменяя частоту, с которой централизованный контроллер получает показания датчиков, выявить точность дезегрегации теплоэнергии выделяемой котлами (ТКЛ) [5. С.12-16]:

,

где ,  – оценка состояния, k – момент времени.

В момент времени k оператор использует наблюдение, если оно доступно. Если измерения недоступны, он прописывает оценки в соответствии с динамикой опираясь на известные параметрамы β в предположении, что ϵ _i ( k ) = 0. Аналогично, он предполагает, что ТКЛ не переключает состояния под действием локального регулятора, если только оценка теплового состояния ТКЛ выходит из зоны нечувствительности.

Каждый котел рассматривается на основе его теплового состояния относительно его зоны нечувствительности, а также в зависимости от того, находится ли он в состоянии ON или OFF.

Пример этого алгоритма управления изображен на рис. 2 

Замкнутый цикл, просматриваемый на представленном примере выражается в следующем алгоритме:

,

где  – срок работы котла.

Рисунок 5. Система управления котлами оператором на ТЭЦ-2.

Следовательно, в зависимость от состояния котла - включен он или выключен, можно ожидать – снижение или повышение потребляемой мощности. Данная переменная так же учитывается оператором и позволяет выявить точность дезегрегации теплоэнергии выделяемой котлами[2. С.409-444].

Подводя итог, необходимо отметить, что вне зависимости от того, что все системы на ТЭЦ-2 в г.Уфе давно модернизированы и автоматизированы, наличие человека – оператора-контролера, для нормальной работы механизмов необходимо. Последний, чаще всего прибегает к алгоритмическим расчетам при проверке, что позволяет точно и конкретно определить происходящие процессы на том или ином оборудовании.

Список литературы

1. Голдобин, Ю.М. Автоматизация теплоэнергетических установок : учеб. Пособие
2. Донг Р., Рэтлифф Л. Дж. Дезагрегация энергии и компромисс между коммунальными услугами и конфиденциальностью//Данные энергосистем. 2018. - №18. С.409-444
3. Ефремова Т.А., Щеглов С.Г. Система автоматического управления питанием барабана котла// ДАЙК. 2020. - №10. –с.10-15
4. Коелсникова О.А., Казаринов Л.М., Проседов Р.А. Автоматизация регулирования нагрузки паровых котлов на электростанции// Энергетика и Автоматизация. 2019. - №10. С.32-46
5. Мовчан А.П., Удовиченко К.Ю. Система регулирования тепловой нагрузкой котла с использованием регулятора с переменной структурой // ВЕЖПТ. 2021. №8 (56). С.12-16
6. Уфимская ТЭЦ-2// https://bgkrb.ru/activities/business/141.pl
7. Ян С., Цзин С., Чжан В. и д.р. Улучшение согласованного управления котлотурбинными установками ТЭЦ с аккумуляторами тепла за счет введения регулирования источника тепла// Энергетика. 2018. №11(10). С.15-28.