Методика расчета переменных режимов ТЭС путем компьютерного моделирования тепловой схемы

Методика  расчета переменных режимов ТЭС

путем компьютерного моделирования тепловой схемы 

Шерстобитов И.В., Забудьков К.В.

 Кубанский государственный технологический университет

г. Краснодар

constantin5642@mail.ru 

    Аннотация 

    Расчет  переменных режимов ТЭС всегда связан с необходимостью учета большого числа факторов, влияющих на показатели технологического процесса. Очевидно, представляется маловозможным охватить все возможные режимы работы энергоблока и составить графические зависимости, связывающие определенные параметры технологического процесса, исключительно на основе экспериментальных данных. Поэтому применяются различные методики испытаний и разработки нормативно-технической документации энергоблоков, в которых производится некоторое упрощение реальных взаимосвязей параметров тепловой схемы и идеализация процессов.

    Применение  метода компьютерного моделирования  тепловой схемы ТЭС позволяет  получить систему элементов, участвующих  в технологическом процессе, по своим параметрам и взаимосвязям между ними очень близкую к реальной тепловой схеме ТЭС. 

    Ключевые  слова: тепловая электрическая станция, паротурбинная установка, тепловая схема, компьютерное моделирование, переменный режим турбины.

 

       

    Как известно зачастую встает задача расчета параметров тепловой схемы ТЭС при переменных режимах работы оборудования. Такая проблема решается путем моделирования тепло-массообменных и термодинамических процессов, протекающих в энергоустановках электростанции, что требует создания сложнейшей системы аналитических зависимостей. Полученная система аналитических зависимостей, в свою очередь, является основой алгоритма, который используется ЭВМ для обработки исходных параметров и реализации максимально реалистичного поведения модели.

    Для реализации модели тепловой схемы ТЭС, параметры которой будут существовать (изменяться) в реальном времени, возможно использование среды моделирования Stratum.

    Инструментальная  среда Stratum представляет собой средство быстрой разработки и моделирования систем имитационного и математического моделирования с использованием визуального и объектно-ориентированного проектирования. Созданная на базе новейших информационных технологий, среда Stratum позволяет в короткие сроки спроектировать новую или проанализировать уже работающую систему, к какой бы прикладной области она не относилась. Пользователю-непрограммисту среда предоставляет  широкий набор библиотек готовых объектов и возможность создания новых из необходимой предметной области, описывая их модель простым математическим языком. Объединяя объекты в графические схемы, путем связи подсистем в макросистему, пользователь получает действующую модель и может наблюдать за ее поведением, управлять ее работой, редактировать любые данные и структуру непосредственно в процессе работы.

    Использование объектно-ориентированного и модельного подхода позволяет свести к минимуму ручное программирование, повысить скорость создания систем, легко модифицировать их в дальнейшем, проследить и описать  эволюцию идей.

    Тепловая схема электростанции представляется в виде отдельных объектов, одни из которых осуществляют ввод параметров, другие – проводят вычисления, а третьи – вывод параметров. Все объекты объединяются в целостную систему при помощи связей, по которым непрерывно передаются значения параметров тепловой схемы. Создать связь между объектами, значит назначить общие параметры между, заложенными в объекты, аналитическими зависимостями, после чего они вычисляются, как единая система уравнений. Одним из таких объектов, в котором происходит вычисление параметров является объект, описывающий процессы в отсеке №3 турбины; программный код, содержащийся в данном объекте представлен ниже:

    Gots2=Gots3+D2

    P2=sqrt(sqr(Gots3/Gots3_0)*(sqr(P2_0)-sqr(P3_0))+sqr(P3))

    ?Gots2,P2

    Здесь в первой строке записано уравнение материального баланса, описывающее взаимосвязь между текущим расходом пара на выходе из отсека №2 (Gots2), текущим расходом пара во второй отбор (D2) и текущим расходом пара на выходе из отсека №3 (Gots3).

    Во  второй строке, по формуле Флюгеля, записано уравнение, описывающее взаимосвязь между текущим давлением во втором отборе (P2), текущим расходом пара на выходе из отсека №3 (Gots3), номинальным расходом пара на выходе из отсека №3 (Gots3_0), номинальным давлением во втором отборе (P2_0) , номинальным давлением в третьем отборе (P3_0) и текущим давлением в третьем отборе (P3). Уравнения первой и второй строк образуют систему уравнений.

    В третьей строке записана команда поиска решения этой системы уравнений, а именно текущего расхода пара на выходе из отсека №2 (Gots2) и текущего давления во втором отборе (P2).

    Другим  характерным объектом, в котором  происходит вычисление параметров, является объект подогревателя. Рассмотрим его  на примере подогревателя высокого давления №2, программный код которого представлен ниже:

    Tnas2:=(1000/(b0*((ln(P2/1000000))^0)+b1*((ln(P2/1000000))^1)+b2*((ln(P2/1000000))^2)+b3*((ln(P2/1000000))^3)+b4*((ln(P2/1000000))^4)+b5*((ln(P2/1000000))^5)))-273

      Tpv2:=Tnas2-3

      D2:=(Gpv*Cppv*(Tpv2-Tpv3)*k-Gdr1*Cp1*(Tnas1-Tnas2))/(ip2-(Cp2*Tnas2))

      Gdr2:=D2+Gdr1

      Здесь в первой строке определяется температура насыщения в корпусе ПВД-2 (Tnas2), как функция от давления во втором отборе (P2); b0, b1, b2, b3, b4 и b5 в этой формуле – эмпирические коэффициенты.

    Во второй строке определяется температура питательной воды (Tpv2) на выходе из ПВД-2, как разница между температурой насыщения в корпусе ПВД-2 (Tnas2) и температурным напором, принимаемым равным 3°С.

    В третьей строке, на основе уравнения  теплового баланса ПВД-2, определяется текущий расход пара второго отбора (D2). В уравнение входят расход питательной воды через ПВД-2 (Gpv), изобарная теплоемкость питательной воды (Cppv), температура питательной воды на выходе из ПВД-2 (Tpv2), температура питательной воды на входе в ПВД-2 (Tpv3), коэффициент, учитывающий потери тепла с поверхности ПВД-2 (k), расход конденсата греющего пара ПВД-1 (Gdr1), изобарная теплоемкость конденсата греющего пара ПВД-1 (Cp1), температура насыщения в корпусе ПВД-1 (Tnas1), температура насыщения в корпусе ПВД-2 (Tnas2), энтальпия пара второго отбора (ip2), изобарная теплоемкость конденсата греющего пара ПВД-2 (Cp2).

    В четвертой строке производится определение  расхода дренажа из корпуса ПВД-2 (Gdr2), как суммы текущего расхода пара второго отбора (D2) и расхода конденсата греющего пара ПВД-1 (Gdr1).

    Легко заметить, что оба вышеописанных  объекта, имеют два общих параметра, а именно текущее давление во втором отборе (P2) и текущий расход пара второго отбора (D2). В среде Stratum такая циклическая ссылка не приводит к ошибке, в процессе последовательного вычисления объектов их общим переменным присваиваются все новые и новые значения, приближаясь к таким, при которых последующие вычисления уже не приводят к их изменению, т.е. пока не будет получено решение совместной системы уравнений. Таким образом происходит взаимосвязь всех объектов в системе тепловой схемы.

    Каждый  объект, являясь частью целостной  системы, взаимодействует с другими  объектами системы посредствам  связей. По установленным связям объект получает исходные параметры, производит вычисление выходных параметров и передает их другим объектам. Структура объектов, структура связей и, содержащиеся в объектах, аналитические зависимости разработаны в соответствии с реальной тепловой схемой паротурбинной установки и отображают ее структуру потоков между элементами и характер взаимодействия между ними. Концепция среды моделирования такова, что позволяет совершенствовать модель, внося дополнительные аналитические зависимости тех параметров, которые первоначально были заложены как постоянные величины и при этом не требуется изменения ранее созданных аналитических уравнений и связей между ними. Таким образом, помимо переменного режима работы отсеков турбины становится вполне доступной возможность учесть гидродинамические параметры конденсатного тракта, характеристики парогенератора, старение оборудования и т.д.

    Ниже  приводится модель тепловой схемы паротурбинной  установки ПТ-135/165-130/15. Проточная  часть турбины разделена на отсеки, каждый из которых представляется, как отдельный объект, процессы в котором описываются набором соответствующих уравнений. Так, входными и выходными параметрами для отсека являются расход и параметры соответственно входного и выходного пара, процессы в отсеке описываются уравнением Флюгеля [9, с.175], уравнением зависимости внутреннего относительного КПД от изменения теплоперепада отсека [8, с.29], уравнением материального баланса, учитывающим отбор пара на регенерацию.

    Как известно паротурбинная установка  ПТ-135/165-130/15 имеет два регулируемых отбора, которые разделяют проточную часть на ЧВД, ЧСД и ЧНД, отчего их можно рассматривать как части независимые по параметру давления в отборах, а так как изменение давления в отборе является фактором связывающим уравнения, описывающие процессы в отсеках турбины, и уравнения, описывающие процессы в регенеративной схеме, подключенной к их отборам, в единую систему уравнений, то в процессе составления аналитических зависимостей это позволяет разделить всю систему на три блока, в каждый из которых входит одна часть проточной части и соответствующие подогреватели, подключенные к ее отборам. Внутри каждого блока производится расчет системы уравнений, а между блоками – лишь последовательная передача значений параметров. Надо отметить, что расчет блока, включающего ЧНД турбины и подогреватели, подключенные к ее отборам можно производить последовательным алгоритмом, если в качестве исходной точки расчета принять поток пара на выходе из последней ступени турбины. В этом случае, конечным параметром расчета будет являться расход острого пара на голову турбины и, сопоставляя его величину с заданной, производится коррекция исходного параметра до тех пор, пока разница не снизится до величины допустимой погрешности расчета.

    Все расчеты текущих параметров системы производятся с помощью ЭВМ, а в их основе лежит принцип последовательных приближений. В связи с этим принципом необходимо изначально предать параметрам схемы такие значения, которые будут верными для всех аналитических зависимостей системы, в противном случае в процессе итераций может возникнуть чрезмерный «разнос» значений параметров от их истинных значений, соответствующих значениям принятых исходных параметров. Такой «разнос» приведет к выходу получаемых значений за пределы, обусловленные возможностями ЭВМ. Не менее важно четко представлять последовательность расчета параметров объектов системы, иначе может возникнуть такая же ошибка вычислений. Соблюдение вышеприведенных принципов построения системы позволяет минимизировать начальные колебания значений вычисляемых параметров, но, как показала практика моделирования, иногда целесообразно вводить задержку вычисления значений некоторых параметров, пока прочие параметры не придут в состояние «равновесия». Так к параметрам, имеющим наиболее существенное влияние, можно отнести потоки дренажей греющего пара подогревателей, а в особенности – возврат конденсата от производственного потребителя.

        

       Рис.1 Модель тепловой схемы ПТ-135/165-130/15 в режиме разработки. 

Задержка  вычисления параметров данного потока на начальных итерационных циклах позволяет разделить сложную систему уравнений на части, представляющие собой более простые подсистемы, а когда значения параметров в подсистемах достигнут равновесия – уточнить параметры потока возвращаемого конденсата и другие параметры, зависящие от него.

    После «запуска» модели, разработанная  система принимает «пользовательский» вид, а ЭВМ, на основе заложенных алгоритмов и связей между ними, производит непрерывные вычисления параметров с частотой, ограничивающейся лишь его мощностью.

    Созданная, таким образом, компьютерная модель позволяет произвести наглядный  анализ изменения параметров в тепловой схеме при переменных режимах, не производя дополнительных расчетов. Это реализуется с помощью  элементов управления компьютерной моделью и элементов графического и числового представления параметров компьютерной модели. Первые позволяют задать желаемое изменение

выбранной величины, а вторые – отобразить изменение, интересующих параметров.

    Таким образом, например, можно провести анализ зависимости между расходом острого пара на турбину и ее электрической мощностью при различных значениях

       Рис.2 Модель тепловой схемы ТЭС в режиме работы. 

величины отбора пара на производственные нужды и представить результаты в удобной графической форме (См. Рис 3). При этом, отображая числовые значения прочих параметров паротурбинной установки, мы можем отслеживать допустимость текущего режима, сопоставляя эти параметры с предельно допустимыми, которые регламентируются заводом-изготовителем. Именно поэтому множество полученных изолиний фиксированных значений расхода пара, отпускаемого на производство, образует поле, имеющее определенные границы в координатах (D₀, N_э). 

       

    Рис.3 Диаграмма зависимости между  расходом пара на турбину и электрической мощностью на клеммах турбогенератора при различных значениях расхода пара производственного отбора. 
 

_________________ Шерстобитов И.В.                   ___________________ Забудьков К.В. 

 

     Abstract