REGULACJA AUTOMATYCZNA TURBOZESPOŁÓW CIEPLNYCH

Zygfryd Domachowski
REGULACJA
AUTOMATYCZNA
TURBOZESPOŁÓW
CIEPLNYCH
Gdańsk 2011
PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO
WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDAēSKIEJ
Romuald Szymkiewicz
RECENZENT
Andrzej Miller
PROJEKT OKŁADKI
Katarzyna Olszonowicz
Wydano za zgodą
Rektora Politechniki GdaĔskiej
Oferta wydawnicza Politechniki GdaĔskiej jest dostĊpna pod adresem
http://www.pg.gda.pl/WydawnictwoPG
© Copyright by Wydawnictwo Politechniki GdaĔskiej
GdaĔsk 2011
Utwór nie moĪe byü powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie
i w jakikolwiek sposób, bez pisemnej zgody wydawcy
ISBN 978-83-7348-356-9
WYDAWNICTWO POLITECHNIKI GDAēSKIEJ
Wydanie I. Ark. wyd. 11,3, ark. druku 12,25, 962/612
Druk i oprawa: EXPOL P. RybiĔski, J. Dąbek, Sp. Jawna
ul. Brzeska 4, 87-800 Włocławek, tel. 54 232 37 23
Spis treci
1. CHARAKTERYSTYKA ZMIENNYCH WARUNKÓW RUCHU, WIELKOĝCI CHARAKTERYSTYCZNE PROCESU REGULACJI AUTOMATYCZNEJ TURBOZESPOŁU .........
2. WSPÓŁDZIAŁANIE UKŁADU REGULACJI AUTOMATYCZNEJ TURBOZESPOŁU
Z INNYMI UKŁADAMI REGULACJI I ZABEZPIECZEē ...................................................
2.1. Praca samodzielna turbozespołu i współpraca turbozespołów w systemie elektroenergetycznym .............................................................................................................................
2.1.1. System elektroenergetyczny wydzielony zasilany pojedynczym turbozespołem ...
2.1.2. System elektroenergetyczny wydzielony zasilany kilkoma turbozespołami...........
2.1.3. System elektroenergetyczny duĪej mocy ................................................................
2.1.3.1. Praca podstawowa turbozespołu...............................................................
2.1.3.2. Uczestnictwo turbozespołu w regulacji pierwotnej czĊstotliwoĞci systemu elektroenergetycznego .....................................................................
2.1.3.3. Uczestnictwo turbozespołu w regulacji wtórnej czĊstotliwoĞci systemu
elektroenergetycznego ..............................................................................
2.2. Wzajemne oddziaływanie układu regulacji turbozespołu i innych układów regulacji ......
2.2.1. Współdziałanie układu regulacji turbozespołu i kotła (wytwornicy pary)..............
2.2.1.1. Regulacja bloku z prowadzącą turbiną .....................................................
2.2.1.2. Regulacja bloku z prowadzącym kotłem ..................................................
2.2.1.3. Regulacja bloku z sygnałem wyprzedzającym .........................................
2.2.1.4. Regulacja turbiny zasilanej z szybu geotermicznego ...............................
2.3. Współdziałanie układu regulacji automatycznej mocy czynnej/czĊstotliwoĞci (regulacja
turbiny) i mocy biernej/napiĊcia (regulacja prądnicy).......................................................
2.4. Współdziałanie układu regulacji turbozespołu z układami regulacji urządzeĔ pomocniczych..................................................................................................................................
2.5. Współdziałanie układu regulacji turbozespołu i układu zabezpieczeĔ ..............................
2.6. Literatura ...........................................................................................................................
13
17
17
18
19
20
20
21
21
22
22
23
23
24
25
26
28
28
29
3. WPŁYW ħRÓDŁA ENERGII PIERWOTNEJ NA CHARAKTERYSTYKI UKŁADU REGULACJI TURBOZESPOŁU ..................................................................................................
3.1. Turbozespoły w elektrowniach jądrowych ........................................................................
3.2. Turbozespoły w elektrowniach geotermicznych................................................................
3.3. Literatura ...........................................................................................................................
31
31
33
33
4. PODSTAWY PROJEKTOWANIA UKŁADU REGULACJI AUTOMATYCZNEJ TURBOZESPOŁU .................................................................................................................................
4.1. Podstawowe zadania układu regulacji automatycznej turbozespołu .................................
4.1.1. Charakterystyki statyczne układu regulacji automatycznej turbozespołu ..............
4.1.2. Charakterystyki dynamiczne układu regulacji automatycznej turbozespołu...........
4.1.2.1. StabilnoĞü .................................................................................................
4.1.2.2. Odpowiedzi skokowe................................................................................
4.1.2.3. Szybkie zamykanie zaworów regulacyjnych turbiny (fast valving) .........
35
35
35
36
36
36
36
6
4.1.2.4. WraĪliwoĞü charakterystyk układu regulacji automatycznej turbozespołu.....
4.1.3. Rodzaj działania turbozespołu ................................................................................
4.1.4. Współdziałanie z innymi układami regulacji automatycznej ..................................
4.1.5. Prostota konstrukcyjna i technologiczna układu regulacji automatycznej turbozespołu........................................................................................................................
4.1.6. ZmĊczenie wytrzymałoĞciowe materiałów .............................................................
4.1.7. NiezawodnoĞü działania układu regulacji automatycznej .......................................
4.1.8. BezpieczeĔstwo działania turbozespołu..................................................................
4.1.9. Koszt ekonomiczny.................................................................................................
4.2. Zasady projektowania układu regulacji automatycznej turbozespołu................................
4.2.1. Rola teorii sterowania w projektowaniu układu regulacji automatycznej turbozespołu........................................................................................................................
4.2.2. Rola symulacji komputerowej w projektowaniu układu regulacji automatycznej
turbozespołu............................................................................................................
4.2.3. Rola badaĔ doĞwiadczalnych w projektowaniu układu regulacji automatycznej
turbozespołu............................................................................................................
4.3. Literatura ...........................................................................................................................
5. STEROWANIE MOCY TURBOZESPOŁU CIEPLNEGO A ZUĩYCIE ENERGII................
5.1. Sterowanie optymalne Ĩródłem zwiĊkszenia sprawnoĞci energetycznej ...........................
5.2. Automatyzacja rozruchu (odstawiania) turbozespołu........................................................
5.3. Sterowanie czasowo optymalne mocy turbozespołu .........................................................
5.4. Sterowanie ekstremalne mocy turbozespołu......................................................................
5.5. Literatura ...........................................................................................................................
6. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE UKŁADU REGULACJI AUTOMATYCZNEJ
TURBOZESPOŁU ...................................................................................................................
6.1. Rozdział obciąĪenia miĊdzy współpracujące turbozespoły ..............................................
6.2. Charakterystyka statyczna regulacji czĊstotliwoĞci turbozespołu w rozkładzie łaĔcuchowym na charakterystyki składowe ...............................................................................
6.2.1. Charakterystyka statyczna serwomotoru narzucona ..............................................
6.2.1.1. Charakterystyka hSM=F4(hv) narzucona ....................................................
6.2.1.2. Charakterystyka hSM=F4(hv) projektowana ..............................................
6.2.2. Charakterystyka statyczna serwomotoru projektowana .........................................
6.3. Wykres poczwórny ...........................................................................................................
6.3.1. Charakterystyka statyczna serwomotoru oraz charakterystyka – sygnał wyjĞciowy serwomotoru/ sygnał wyjĞciowy zaworu regulacyjnego narzucone .................
6.3.2. Narzucone nieprofilowane zawory regulacyjne .....................................................
6.4. Charakterystyki statyczne elementów składowych układu sterowania turbozespołu .......
6.4.1. Charakterystyka statyczna turbozespołu ................................................................
6.4.2. Charakterystyki statyczne elementów regulatora turbozespołu .............................
6.4.2.1. Miernik prĊdkoĞci kątowej wirnika turbozespołu ....................................
6.4.2.2. Przetwornik sygnału prĊdkoĞci kątowej wirnika turbozespołu ................
6.4.2.3. Wzmacniacz sygnału regulacyjnego ........................................................
6.4.2.4. Serwomotor zaworów regulacyjnych turbiny ..........................................
6.4.3. Linearyzacja charakterystyki statycznej regulatora turbozespołu ..........................
6.4.4. WraĪliwoĞü charakterystyki statycznej regulatora na zmiany parametrów konstrukcyjnych ...........................................................................................................
6.5. Literatura ...........................................................................................................................
36
37
37
37
37
38
38
39
39
39
40
40
41
42
42
44
46
50
53
55
57
58
58
59
60
61
62
62
64
66
66
68
68
71
72
74
78
80
82
7
7. CHARAKTERYSTYKI DYNAMICZNE UKŁADU REGULACJI AUTOMATYCZNEJ
TURBOZESPOŁU ...................................................................................................................
7.1. Model matematyczny turbiny parowej .............................................................................
7.1.1. Turbina kondensacyjna z przegrzewem wtórnym ..................................................
7.1.1.1. Przegrzewacz wtórny ...............................................................................
7.1.1.2. Schemat blokowy turbiny parowej kondensacyjnej z przegrzewem
wtórnym ...................................................................................................
7.1.1.3. Przykłady modelu (w postaci transmitancji) turbiny kondensacyjnej
z przegrzewem wtórnym ..........................................................................
7.1.2. Turbina kondensacyjna bez przegrzewu wtórnego ................................................
7.1.3. Turbina przeciwprĊĪna ...........................................................................................
7.1.4. Turbina upustowo-kondensacyjna .........................................................................
7.1.5. Turbina upustowo-przeciwprĊĪna ..........................................................................
7.1.6. Model przestrzeni szkodliwej w turbinie parowej .................................................
7.2. Model matematyczny turbiny gazowej .............................................................................
7.2.1. Moment napĊdowy turbiny gazowej ......................................................................
7.2.2. Komora spalania ....................................................................................................
7.2.3. ObjĊtoĞü gazu .........................................................................................................
7.2.3.1. ObjĊtoĞü miĊdzy sprĊĪarką a komorą spalania ........................................
7.2.3.2. ObjĊtoĞü miĊdzy komorą spalania a turbiną ............................................
7.2.4. Schemat blokowy turbiny gazowej .................................................................
7.3. Model wirnika turbozespołu .............................................................................................
7.4. Charakterystyki dynamiczne wybranych elementów regulatora ......................................
7.4.1. Mierniki czĊstotliwoĞci (prĊdkoĞci kątowej) i mocy ..............................................
7.4.2. Wzmacniacz mechaniczno-hydrauliczny sygnału regulacyjnego ..........................
7.4.3. Serwomotor hydrauliczny dwustronnego działania ...............................................
7.5. Literatura ...........................................................................................................................
92
93
93
94
95
95
96
98
99
101
102
103
104
105
106
107
107
108
110
8. PROJEKTOWANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW REGULATORA TURBOZESPOŁU .
8.1. Projektowanie zaworów regulacyjnych .............................................................................
8.1.1. Obliczenia termodynamiczne zaworów ..................................................................
8.1.2. Wymiary zaworu.....................................................................................................
8.1.3. Zawory jednosiedziskowe, dwusiedziskowe, zawory wstĊpne ...............................
8.2. Projektowanie serwomotorów ...........................................................................................
8.3. Literatura ...........................................................................................................................
112
112
113
115
116
119
121
9. SPECYFIKA REGULACJI TURBOZESPOŁÓW PAROWYCH............................................
9.1. Podstawowe sposoby regulacji turbin parowych ...............................................................
9.1.1. Regulacja dławieniowa ...........................................................................................
9.1.2. Regulacja napełnieniowa ........................................................................................
9.1.3. Regulacja obejĞciowa..............................................................................................
9.1.4. Regulacja poĞlizgowa .............................................................................................
9.2. Regulacja turbin z przegrzewem wtórnym ........................................................................
9.3. Regulacja turbin przeciwprĊĪnych.....................................................................................
9.4. Regulacja turbin upustowych.............................................................................................
9.5. Charakterystyki termodynamiczne regulacji turbin parowych ..........................................
9.5.1. Termodynamiczne aspekty regulacji dławieniowej ................................................
9.5.2. Termodynamiczne aspekty regulacji napełnieniowej .............................................
9.5.3. Porównanie, pod wzglĊdem termodynamicznym, regulacji dławieniowej i napełnieniowej.................................................................................................................
9.5.4. ZaleĪnoĞü sprawnoĞci stopnia turbiny parowej od obciąĪenia................................
122
122
122
123
125
126
127
131
132
136
136
139
83
83
87
88
89
141
142
8
9.5.5. Charakterystyki termodynamiczno-przepływowe ostatniego stopnia turbiny parowej w zmiennych warunkach obciąĪenia.............................................................
9.6. Regulacja turbin parowych w elektrowniach jądrowych ...................................................
9.6.1. Porównanie modelu matematycznego kotła w bloku konwencjonalnym i wytwornicy pary w bloku jądrowym ...........................................................................
9.6.2. Porównanie modelu matematycznego turbozespołu w bloku konwencjonalnym i
jądrowym ................................................................................................................
9.6.3. Porównanie modelu układu regulacji automatycznej bloku jądrowego i konwencjonalnego ...............................................................................................................
9.7. Regulacja turbin w elektrowniach geotermicznych ...........................................................
9.8. Literatura ...........................................................................................................................
151
152
154
10. SPECYFIKA REGULACJI AUTOMATYCZNEJ TURBIN GAZOWYCH..........................
10.1. Regulacja temperatury gazów spalinowych ..................................................................
10.2. WraĪliwoĞü mocy i sprawnoĞci termodynamicznej turbiny gazowej na zakłócenia .....
10.3. Regulacja automatyczna dwuwałowej turbiny gazowej................................................
10.4. Literatura .......................................................................................................................
156
156
158
158
160
11. REGULACJA AUTOMATYCZNA BLOKÓW KOMBINOWANYCH GAZOWO-PAROWYCH.....................................................................................................................................
11.1. Koncepcja regulacji automatycznej bloku kombinowanego gazowo-parowego...........
11.2. Charakterystyki statyczne bloku kombinowanego gazowo-parowego..........................
11.2.1. Przedział mocy bloku 0,7 <⎯PB < 1,07 ............................................................
11.2.2. Przedział mocy bloku⎯PB < 0,7 .......................................................................
11.3. Algorytm regulacji automatycznej bloku kombinowanego gazowo-parowego ............
11.4. Struktura układu regulacji automatycznej bloku kombinowanego gazowo-parowego .
11.5. Literatura .......................................................................................................................
162
162
164
166
170
172
173
176
12. REGULACJA AUTOMATYCZNA TURBIN OKRĉTOWYCH...........................................
12.1. Regulacja okrĊtowych turbin parowych........................................................................
12.2. Regulacja okrĊtowych turbin gazowych .......................................................................
12.3. Dobór regulatora turbiny okrĊtowej ..............................................................................
12.4. NawrotnoĞü turbin okrĊtowych .....................................................................................
12.5. Regulacja czĊstotliwoĞci okrĊtowego systemu elektroenergetycznego zasilanego
przez prądnice napĊdzane turbinami napĊdu głównego ................................................
12.6. Porównanie regulacji mocy turbiny i regulacji prĊdkoĞci kątowej Ğruby okrĊtowej.....
12.7. Literatura .......................................................................................................................
144
147
149
150
178
180
180
182
183
184
185
186
13. ROLA MODELOWANIA, BADAē SYMULACYJNYCH, BADAē LABORATORYJNYCH 187
13.1. Znaczenie badaĔ symulacyjnych w projektowaniu, optymalizacji i diagnostyce układu regulacji automatycznej turbozespołu ...................................................................... 187
13.1.1. Projektowanie układu regulacji turbozespołu .................................................. 188
13.1.2. Optymalizacja układu regulacji turbozespołu .................................................. 190
13.1.3. Testowanie regulatora turbozespołu................................................................. 191
13.1.4. Diagnostyka układu regulacji turbozespołu ..................................................... 192
13.2. Znaczenie badaĔ laboratoryjnych w projektowaniu, wytwarzaniu i działaniu regulatora turbozespołu ........................................................................................................... 192
13.3. Literatura ....................................................................................................................... 194