Автоматизация прямоточных котлов

В последние годы в связи с переходом на высокие и особенно сверхкритические параметры пара, на электростанциях широко применяются прямоточные котлы большой мощности. ( Идея прямоточных котлов была разработана группой советских специалистов под руководством проф. Л. К. Рамзина еще до начала Великой Отечественной войны.) При давлении, близком к критическому (22,5 МПа) и превышающем его, котлы с естественной циркуляцией (барабанные) работать не могут и проблему повышения давления до этих пределов можно было решить, только перейдя на прямоточные котлы. В настоящее время для блоков выпускаются прямоточные котлы производительностью от 250 до 950 т/ч и выше при давлении пара на выходе от 14,0 до 25,5 МПа.

Схематически в первом приближении можно представить себе прямоточный котел в виде длинной трубы, расположенной в потоке раскаленных топочных газов (рис. 3-1). В трубу насосом 1 непрерывно подается питательная вода с давлением p_В. Проходя по трубе, вода нагревается до температуры кипения, испаряется и перегревается до заданной температуры t_Пе. При этом давление уменьшается до величины р_п за счет гидравлического сопротивления пароводяного тракта.

Рис. 3-1. Схема, поясняющая принцип работы прямоточного котла.

Участок котла, в котором происходит подогрев воды до температуры кипения, т. е. экономайзерная часть, располагается в конце газового потока, где газы имеют наименьшую температуру. За экономайзером следует участок котла, в котором вода испаряется при температуре насыщения, зависящей от давления. В конце этого участка вся вода превращается в насыщенный пар. Далее следует участок пароперегревателя котла, двигаясь по которому навстречу горячим газам, пар нагревается до заданной температуры t_Пе и, выйдя из котла, направ­ляется в турбину 2. Современные прямоточные котлы состоят из нескольких самостоятельных трубопроводов (ниток), проложенных в газовом тракте параллельно и соединенных лишь на выходе из котла.

Питательная вода даже после самой тщательной очистки приносит в котел некоторое количество солей, содержащихся в ней в растворенном виде. Так как эти соли в пар почти не переходят, концентрация их в воде, но мере ее испарения постепенно увеличивается. В конце участка испарения концентрация солей достигает насыщения, и они начинают осаждаться на поверхностях нагрева. Участок котла, на котором происходит это явле­ние, называют переходной зоной.

В котлах на докритическое давление переходную зону обычно располагают в конце газохода, где температура греющих газов относительно невелика. Соли, накопленные в процессе эксплуатации, удаляются при промывке котла во время ремонта. В сепараторных котлах слегка перегретый пар увлажняют впрыском и пропускают через сепаратор, где вода отделяется от пара и дренируется наружу, унося с собой все растворенные в ней соли.

Рассмотрим задачи регулирования прямоточного котла, работающего в блоке с турбиной электростанции. Основная задача – регулирование паровой нагрузки котла в соответствии с расходом пара на турбины, т. е. с электрической нагрузкой станции. Принципиально эта задача может быть решена путем поддержания заданного давления пара р_п в трубопроводе между котлом и турбиной. Для этого в системе автоматического регулирования должен иметься регулятор, получающий основное командное воздействие по давлению пара и управляющий подачей питательной воды в котле. Одновременно должно быть обеспечено поддержание температуры пара, поступающего к турбинам на заданном значении, что принципиально может быть решено регулированием подачи топлива в топку котла в количестве, пропорциональном расходу пара или питательной воды., при котором температура металла труб, составляющих поверхность нагрева котла по всему тракту, не выходит за пределы, допустимые по условиям прочности. Вместе с тем температура пара, покидающего котел, из соображений экономичности работы должна быть по возможности высокой.

Воздействуя на подачу топлива или питательной воды, практически невозможно обеспечить поддержание температуры пара на выходе из котла с необходимой точностью. Причина этого в большом времени запаздывания изменения температуры за котлом при возмущении подачей топлива или воды. Поэтому для поддержания температуры на выходе из котла или в промежуточных точках пароперегревателя по тракту котла устанавливают один или несколько пароохладителей, смешивающего типа (впрыскивающих).

Запаздывание изменения температуры пара в начале пароперегревательного тракта значительно меньше, чем на выходе из котла. Поэтому регулятор топлива поддерживает температуру пара в начале тракта. Это создает условия повышения качества поддержания температуры за котлом при помощи впрысков.

В зависимости от структуры схемы регулирования прямоточного котла регулятором нагрузки могут служить регуляторы топлива или питательной воды, причем независимо от построения схемы она должна обеспечивать быстрейшую ликвидацию возмущений и первичную стабилизацию температурного режима по тракту.

Рис. 3-2 . Типовые схемы автоматического регулирования прямоточного котла блочной установки.

Регуляторы: РП — питания; РТ — топлива; РВ — воздуха; РГ — дымовых газов; ЭКП — электронный корректирующий прибор («главный регулятор»); Диф – дифференцирующий прибор; Корр — корректор по О₂; ДС — устройство динамической связи.

В том случае когда регулятор топлива является регулятором нагрузки, в задачу регулятора питания входит первичное регулирование температуры пара в ранней точке тракта котла.

Регулирование подачи топлива связано с необходимостью регулирования воздуха и отсоса дымовых газов, т. е. процесса горения, который должен происходить при максимально достижимом к. п. д. котла. В этом отношении прямоточный котел ничем не отличается от ба­рабанного, и схемы регулирования экономичности сжи­гания топлива для котлов обоего типа одинаковы.

Наиболее широкое распространение нашли схемы регулирования прямоточных котлов, в которых на регулятор питания возложены функции регулирования на­грузки. Одна из таких схем, принятая в качестве типовой для блоков мощностью 150, 200 и 300 Мвт, приве­дена с некоторыми упрощениями на рис. 3-2,а.

Регулятор питания получает командный сигнал от главного регулятора или от задатчика ручного управления. В качестве обратной связи регулятор получает сигнал по расходу воды в котел. Регулятор топлива поддерживает заданную температуру пара в промежуточной точке, например за средней радиационной частью котла.

Для повышения качества и быстродействия процесса регулятор получает два дополнительных исчезающих со временем сигнала, быстро реагирующих на возмущения, получаемые котлом: по скорости изменения температуры дымовых газов в конвективной шахте котла и по скорости изменения расхода питательной воды.

Температура газов за топочной камерой приближенно характеризует количество тепла, воспринятого водой и паром от горящего топлива, однако практически не зависит от расхода питательной воды. Поэтому для полного учета действующих на котел возмущений в систему введены оба скоростных сигнала.

В статике температура газов зависит от многих факторов эксплуатационного порядка: зашлакованности топки, положения в ней факела, расположения действующих горелок и т. д. Поэтому в схему автоматизации можно вводить только сигнал по скорости изменения температуры, а не по самой температуре. Этот сигнал реагирует на топочные возмущения значительно быстрее, чем температура пара. Поэтому при незакономерных то­почных возмущениях регулятор вступит в работу до изменения температуры пара. Исчезающий сигнал по скорости изменения расхода питательной воды улучшает работу системы регулирования при изменении нагрузки блока. В этом случае регулятор топлива вступит в работу до того, как произойдет изменение температуры пара, вызванное изменением расхода питательной воды (нагрузки), что уменьшит отклонение температуры в переходном процессе. Для повышения качества работы схемы регулирования важное значение имеет выбор места установки газовой термопары. Эта термопара должна длительное время работать без перерождения металла электродов и без шлаковки.

Газовые термопары имеют сравнительно невысокую надежность и подвержены шлакованию при работе котлов на некоторых видах топлива. Поэтому в последнее время вместо исчезающего сигнала по температуре газов на ряде котлов применяют исчезающий сигнал то температуре факела, измеренной радиационным пирометром.

Регулятор воздуха в схеме рис. 3-2,а поддерживает заданное соотношение между расходами воды и воздуха и получает корректирующее воздействие по содержанию свободного кислорода в дымовых газах.

Регулятор газов получает командное воздействие по разрежению в топочном пространстве. Кроме того, на регулятор газов подается скоростной исчезающий по времени сигнал от регулятора воздуха.

На многих прямоточных котлах нашла применение схема регулирования рис. 3-2,б. Эта схема также является типовой. Регулятор топлива поддерживает соотношение между нагрузкой котла (расходом воды) и теплом, воспринимаемым паром и измеренным в промежуточной точке тракта.

Сигнал «по теплу» образуется как сумма сигналов по расходу пара и давления в промежуточной точке и скорости изменения этого давления:

D пр+p пр+скр пр

Расход пара измеряется по перепаду давлений на дроссельной диафрагме. Так как давление в точке измерения колеблется в значительных пределах, для компенсации вносимой при этом ошибки измерения расхода вводится сигнал по величине измеряемого давления. Поддерживая соотношение между расходом воды Q и расходом пара, скорректированным по давлению, регулятор обеспечивает стабилизацию температуры в месте измерения расхода пара.

В варианте схемы рис. 3-2,б нагрузка поддерживается регулятором питания, получающим командное воздействие от электронного корректирующего прибора по давлению пара перед турбиной или от задатчика ручного управления ЗРУ. Некоторое преимущество этой схемы по сравнению со схемой рис. 3-2,азаключается в том, что на ее работу не влияют незакономерные воз­мущения подачи воздуха, связанные с включением или отключением пылесистемы. В то же время диапазон нагрузок, при которых схема с сигналом «по теплу» работает удовлетворительно, меньше, чем при схеме, где регулятор топлива осуществляет прямой контроль температуры (рис. 3-2,а).

Большинство современных прямоточных котлов оснащаются регуляторами впрыска. Эти регуляторы управляют подачей воды на впрыскивающие пароохладители и обеспечивают точное регулирование температуры пара в промежуточных точках пароперегревателя и на выходе из котла.

Регуляторы температуры прямоточных котлов включаются по такой же схеме, как и на барабанных котлах. Командный сигнал они получают по температуре пара за поверхностью нагрева, расположенной после места впрыска, а кроме того, к ним подается скоростной сигнал (через дифференциатор) по температуре пара непосредственно за местом впрыска.

Рис. 3-3. Схема автоматического регулирования подачи топлива и питательной воды для прямоточ­ного котла, сжигающего мазут.

На рис. 3-3 представлена схема регулирования подачи топлива и питательной воды для прямоточного котла, топливом которого служит мазут. Регулятор топлива получает задающий сигнал от главного регулятора или от задатчика нагрузки. Кроме того, этот регулятор получает сигнал по расходу мазута в котел.

Таким образом, регулятор топлива выполняет функции регулятора нагрузки. Регулятор питания поддерживает необходимое соотношение между подачей топлива и пи­тательной воды в котел. Для предотвращения влияния изменения калорийности топлива на регулятор питания подается корректирующий сигнал по температуре пара в промежуточной точке тракта. Как видно, в этой схеме регулятор питания осуществляет первичное регулирова­ние температуры пара.

Достоинство этой схемы заключается в относительной простоте наладки регуляторов. Схема обеспечивает удовлетворительное регулирование температуры по тракту котла.

Расширение пара, прошедшего через цилиндр высо­кого давления (ЦВД) турбины, в цилиндрах среднего и низкого давления (ЦСД и ЦНД) приводит к понижению температуры. Поэтому из ЦВД пар направляется во вторичный пароперегреватель, где температура его вновь повышается. После этого пар направляется в ЦСД, откуда он поступает в ЦНД, непосредственно соединенный с конденсатором. Вторичный перегрев пара повышает к. п. д. установки.

Отличительная особенность регулирования вторичного перегрева заключается в том, что выполнять его путем смешения пара и охлаждающей воды экономически нецелесообразно. Это объясняется тем, что вторичный пар, полученный от испарения впрыскиваемой воды, не проходит через ЦВД и отдает свою энергию только в ЦСД и ЦНД, что снижает термический к. п. д. парового цикла электростанции. Поэтому для регулирования температуры вторичного перегрева часть потока этого пара направляется в обход поверхности нагрева вторичного пароперегревателя (байпасирует перегреватель).

Перегрев осуществляется в газовом перегревателе и в паропаровом теплообменнике, где происходит передача тепла вторичному пару от перегретого первичного пара. Теплообменник устанавливается в промежуточной точке тракта первичного пара, где температура пара поддерживается регуляторами на достаточно высоком уровне. Как средство автоматического регулирования температуры вторичного перегрева, в аварийных условиях применяется впрыск охлаждающей воды в поток пара.

На рис. 3-4 показаны схемы регулирования температуры вторичного перегрева, применяемые на практике. По схеме рис. 3-4,а регулирование происходит перепуском пара помимо ступени I вторичного газового перегревателя. Регулятор температуры Pt°_II воспринимает командный сигнал по температуре t²_пеII на выходе из перегревателя и воздействует на исполнительный механизм ИМ трехходового регулирующего клапана РК. При повышении t²_пеII регулятор переставляет клапан, увеличивая расход пара по байпасу и уменьшая расход через ступень I перегревателя. По схеме рис. 3-4,б регулятор управляет распределением потока вторичного пара по трактам, идущим через паропаровой теплооб­менник ППТО и помимо него. Регулирующим органом также служит трехходовой регулирующий клапан РК. Кроме основного командного сигнала по температуре t²_пеII на выходе из перегревателя регулятор Pt°_II получает дополнительные исчезающие сигналы по скорости изменения температуры греющего первичного пара перед теплообменником и по скорости изменения температуры вторичного пара в промежуточной точке, между ступенями I и II вторичного пароперегревателя.

На обеих схемах изображен аварийный впрыск АВ, служащий для регулирования вторичного перегрева в случае непредвиденного повышения температуры Впрыск располагается между ступенями перегревателя. Не показанный на схеме регулятор впрыска настраива­ется на поддержание несколько более высокой температуры, чем основной регулятор. Поэтому при нормальной работе он держит регулирующий клапан впрыска закрытым. При аварийном повышении температуры регулятор впрыска автоматически включается в работу и начинает поддерживать температуру на втором установленном при настройке пределе. При восстановлении нормальной температуры клапан регулятора впрыска автоматически закрывается.

При отсутствии возможности работать в режиме регулирования частоты тока в энергосистеме котел блока переводится в базовой режим, для чего воздействие по отклонению давления пара в паропроводе между котлом и турбиной на регуляторы котла отключается и нагрузка его задается с помощью задатчика ручного управления. Давление пара перед турбиной поддерживается регулятором, воздействующим на ее регулирующие клапаны регулятором «до себя».

Рис. 3-4 Схемы авгорегулирования температуры вторичного пара.

А - регулирование перепуском пара помимо 1-й ступени вторичного пароперегревателя; б - регулирование с помощью паропарового теплообменника ППТО; Диф -дифференцирующий прибор; Зад - задатчик