cap II-2

Capitolul II.2. Reglarea generatoarelor de abur

87

lucru mecanic, iar în condensatorul turbinei aburul se transformă din nou în condensat (apă de alimentare).

Figura II.2.2 Schema bloc Instalaţia de reglare automată a grupului energetic GA-TA-G trebuie să asigure realizarea următoarelor funcţii [1]:

a) Preluarea variaţiilor de sarcină electrică şi termică, prin încărcarea corectă a grupului turbogenerator, în funcţie de cererea de energie a consumatorilor. În acest scop, fiecare turboagregat este prevăzut cu un regulator (RTi);

b) Asigurarea debitelor de abur necesare alimentării turbinelor. Egalitatea dintre debitele produse de GA şi cele consumate de TA este monitorizată prin măsurarea continuă a presiunii aburului pe conducta GA-TA;

c) Asigurarea calităţii aburului viu. Fiecare GA are un regulator propriu RGi, care reglează, printre altele presiunea şi temperatura aburului viu;

d) Repartizarea corectă a debitului de abur între GA (fig. II.2.1) este apanajul regulatorului general RG.

e) Asigurarea combustiei corecte, prin regulatorul RGi. f) Asigurarea calităţii energiei electrice (frecvenţă, tensiune) şi a celei

termice (presiune), care se face prin acţiunea regulatorului RTi;

În schema bloc există aceleaşi elemente ca şi în schema cu bare colectoare, cu excepţia regulatorului general al generatoarelor de abur, care aici nu-şi mai are rostul. În cazul blocului energetic, presiunea aburului viu se menţine constantă prin reglarea debitului de combustibil B, sau a poziţiei ventilului de reglare yVR. A doua mărime reglată este puterea (sau turaţia)

Reglarea Proceselor Termice

88

grupului, prin acţiunea asupra debitului de abur, sau direct asupra debitului de combustibil.

II.2.2. STABILIREA CIRCUITELOR CARE INTERVIN LA REGLAREA AUTOMATĂ A GENERATORULUI DE ABUR

Se consideră un generator de abur cu circulaţie naturală, a cărui alcătuire

funcţională este prezentată în figura II.2.3. În figură sunt reliefate principalele fluxuri de masă şi energie de la nivelul generatorului de abur.

Figura II.2.3. Schema funcţională a generatorului de abur

Elementele componente ale schemei sunt următoarele:

• SV– sistemul vaporizator; • SI – supraîncălzitorul de abur; • ECO – economizorul; • PA – preîncălzitorul de aer; • B – debitul de combustibil; • A – debitul de aer necesar arderii; • G – debitul de gaze de ardere; • w – debitul de apă de alimentare; • wp – debitul de purjă; • winj – debitul de apă de injecţie; • D – debitul de abur.

În regim staţionar este necesară satisfacerea următoarelor condiţii

tehnice:


89

1. Egalitatea dintre debitul de abur produs D şi cel consumat de turbină Dt.

tDD = (II.2.1) Mărimea reglată prin această condiţie este presiunea aburului viu la ieşirea din generatorul de abur.

2. Menţinerea constantă a parametrilor aburului la ieşirea din generatorul de abur.

==

.

.

constt

constp (II.2.2)

Pentru restabilirea presiunii se acţionează asupra D şi Dt, iar pentru restabilirea temperaturii se acţionează asupra debitului de apă de injecţie winj.

3. Egalitatea dintre căldura preluată de agentul apă-abur în sistemul

vaporizator şi căldura dezvoltată prin ardere în focar:

pierderiQBKQ −⋅= 11 (II.2.3)

Cum DQ ≈1 , se poate scrie BKD ⋅≅ 2 . Cu alte cuvinte, prin acţiunea asupra debitului de combustibil B, se obţine variaţia debitului de abur D. Dar, variind debitul D, în condiţia .constDt = , presiunea aburului variază şi ea, rezultând că este suficient a se acţiona asupra debitului de combustibil B pentru a se păstra egalitatea de mai sus. Deci, Bp → .

4. Asigurarea unei combustii cât mai bune se realizează prin menţinerea unui raport corect „aer-combustibil”.

BKA ⋅= 3 (II.2.4)

Acest lucru se realizează prin acţiunea AB → , dar B a fost deja comandat de către p, ceea ce implică Ap → .

5. Egalitatea dintre debitul de gaze de ardere produse în focar prin arderea combustibilului şi cel evacuat din cazan G.

AKG ⋅= 4 (II.2.5)


90

În acest caz, mărimea reglată este depresiunea din focar Gh → , iar variaţia acesteia se obţine prin acţionarea asupra ventilatorului de gaze.

6. Egalitatea dintre debitul de apă de alimentare şi suma debitelor de abur şi de purjă

pwDw += (II.2.6)

cu păstrarea nivelului în tambur ( .constH = ). În acest scop se adoptă următoarea schemă de reglare: wHwD →→ ; sau wHD →+ .

7. Păstrarea salinităţii apei de cazan în limita admisă

.constSal = (II.2.7) prin acţionarea debitului de purjă continuă ( pal wS → ). Dar cum salinitatea

depinde de D şi w, se poate recurge la schema complexă pal wSD →+ .

În concluzie: ABp →sau ; Gh → ; wHD →+ ; injwt → ; pal wSD →+ .

Aceste relaţii reprezintă baza pentru circuitele de reglare ale generatorului de abur. În figura II.2.4 sunt reprezentate buclele de reglare ale unui generator de abur cu circulaţie naturală.

Figura II.2.4 Sistemul de reglare a sarcinii a unui

cazan cu circulaţie naturală


91

II.2.3. REGLAREA DEBITULUI DE ABUR VIU

După cum am subliniat în paragraful următor, debitul de abur produs de cazan este proporţional cu debitul de combustibil ars, potrivit ecuaţiei de bilanţ:

al

iiga

hh

QBD

−⋅⋅

=0

η (II.2.8)

unde: gaη - randamentul generatorului de abur;

iiQ - puterea calorifică inferioară a combustibilului;

alhh ,0 - entalpia aburului viu, respectiv a apei de alimentare. Rezultă că, acţionând asupra debitului de combustibil B, se obţine variaţia debitului de abur D. Această corelaţie depinde mărimea de numită în continuare puterea de foc:

i

iF QBQ ⋅= (II.2.9) În figura II.2.5 este reprezentat răspunsul tranzitoriu al QF la un impuls treaptă al intensităţii focului xF. Se remarcă prezenţa unui timp mort τm determinat de inerţia sistemului de preparare a combustibilului şi a instalaţiei de ardere

Figura II.2.5. Dependenţa puterii de foc de semnalul intensităţii focului

II.2.3.1. Scheme de reglare a intensităţii focului

Vom prezenta în continuare câteva scheme uzuale utilizate în reglarea intensităţii focului.


92

a) Scheme de reglare pentru varianta „cu bară colectoare” În figura II.2.6 este prezentată schema de reglare a intensităţii focului primară. Regulatorul principal primeşte ca mărime reglată presiunea p din bara colectoare de abur viu, pe care o compară cu mărimea de referinţă (consemn) p0.

Figura II.2.6. Schema de reglare a intensităţii focului primară

Pe baza acestor mărimi, regulatorul elaborează semnalul intensităţii focului xF, care este transmis regulatoarelor proporţionale ale generatoarelor de abur. Repartiţia debitelor pe cazane se face în raport cu mărimea de referinţă D0 a fiecărui cazan în parte. Dacă intervine o perturbaţie a presiunii aburului viu, sistemul de reglare restabileşte echilibrul pe ansamblu, dar nu revine cu parametrii de funcţionare la situaţia iniţială.

Figura II.2.7. Schema de reglare a intensităţii focului cu reacţie


93

La schema perfecţionată, apare în plus reacţia τddpD T /+ , care realizează repartiţia corectă a sarcinii între cazane, independent de perturbaţiile externe. În plus, aceasta creşte performanţele dinamice ale schemei (efect anticipativ), prin aplicarea ca semnal corectiv a derivatei presiunii din tambur pT. Schema este prezentată în fig. II.2.7.

b) Scheme de reglare pentru varianta „bloc”

La schemele de tip bloc, atunci când se funcţionează după sechema

„cazanul conduce turbina”, regulatorul turbinei nu acţionează asupra ventilelor de reglare, menţinând constantă cursa acestora (yVR), iar mărimea reglată este debitul de abur D produs de cazan. În acest caz, reglarea puterii de foc se realizează după schemele din figura II.2.8.

a) b)

Figura II.2.8. Reglarea intensităţii focului pentru scheme bloc

în cazul „cazanul conduce turbina”

Astfel, în schema a), regulatorul, care poate fi de tip proporţional, proporţional-integral sau proporţional-integral-derivativ, comandă intensitatea focului prin elaborarea semnalului xF şi asigură menţinerea constantă a presiunii aburului viu p prin compararea cu mărimea de referinţă p0. Puterea de foc necesară menţinerii în limitele dorite a presiunii aburului este determinată de perechea (B, A), respectiv cuplul debitelor de combustibil şi aer. În schema b) apar în plus reacţiile D, τddpT / , care măresc performanţele dinamice ale blocului energetic. În schema bloc cu reglarea intensităţii focului în raport cu puterea electrică P („turbina conduce cazanul”), presiunea aburului în amonte de turbină se menţine constantă cu regulatorul turbinei, iar intensitatea focului este comandată de către regulatorul generatorului de abur care primeşte ca semnal


94

mărimea puterii electrice şi reacţia debitului de combustibil, aşa cum se vede în figura II.2.9.

Figura II.2.9. Reglarea intensităţii focului pentru scheme bloc

în cazul „turbina conduce cazanul”

II.2.4. SCHEME DE REGLARE A COMBUSTIEI

Ca element reglat, focarul generatorului de abur primeşte ca mărime de intrare semnalul intensităţii focului xF, iar ca mărime de ieşire mărimea intensităţii focului QF şi calitatea reglării. II.2.4.1. Reglarea aerului necesar arderii Pentru a se obţine o combustie corectă, atât din punct de vedere cantitativ (QF), cât şi din punct de vedere calitativ (randamente, noxe, etc.), este obligatorie menţinerea în anumite limite a raportului între debitul de combustibil şi cel de aer. Debitul de aer teoretic (stoichiometric) necesar arderii depinde de tipul combustibilului, puterea calorifică, caracteristicile arzătoarelor şi a focarului. Există însă şi corelaţii statistice, ca în relaţia următoare: ( )bQaBA i

it +⋅⋅= sau iit QaBA ⋅⋅= ' (II.2.10)

Pentru a se asigura o ardere completă în condiţii reale de exploatare, deci un contact intim între carburant şi comburant, se introduce în focar aer în exces (λ – coeficientul de exces de aer). tAA ⋅= λ (II.2.11) Există două metode pentru controlul aerului de ardere:

A) Controlul indirect al arderii (menţinerea constantă a raportului aer-combustibil).


95

În această schemă, prin eliminarea produsului i

iQB ⋅ din relaţiile (II.2.8) şi (II.2.10) cu înlocuirea în relaţia (II.2.11) se obţine expresia excesului de aer:

( ) D

A

hha al

ga ⋅−⋅

=0'

ηλ (II.2.12)

Se constată faptul că, păstrând constant raportul D

A, excesul de aer rămâne şi el

constant, numai dacă se îndeplinesc condiţiile ( .0 consthh al =− ; .)constga =η .

De regulă, la sarcini parţiale diferite cu mult de cea nominală, nici una din aceste condiţii nu se mai respectă, ceea ce înseamnă că păstrarea constantă a

raportului D

A nu asigură aerul necesar arderii.

Schemele de reglare utilizate în acest caz sunt prezentate în fig. II.2.10...2.12.

Figura II.2.10. Scheme simple de reglare indirectă a aerului „în serie”

Figura II.2.11. Schemă simplă de reglare indirectă a aerului „în paralel”


96

Figura II.2.12. Schemă complexă de reglare indirectă a aerului

Astfel, în schemele din figura II.2.10, regulatoarele de aer, respectiv de combustibil sunt aşezate în serie, primul dintre ele primind semnalul intensităţii focului şi propria reacţie, iar următorul primind semnalul celuilalt regulator şi propria reacţie. În schema paralelă din fig. II.2.11, ambele regulatoare sunt la acelaşi nivel, primind concomitent semnalul intensităţii focului şi propria reacţie. Schema complexă, prezentată în figura II.2.12 se caracterizează prin

prezenţa unui regulator de raport D

A, care aduce un „feed-back” suplimentar din

proces despre influenţa acestui raport asupra excesului de aer.

B) Controlul direct al arderii urmăreşte calitatea combustiei prin măsurarea directă a concentraţiei de oxigen din gazele de ardere

În schema directă de reglare din figura II.2.13 se remarcă un regulator de

ardere care primeşte mărimea măsurată a conţinutului de oxigen din gazele de ardere, o compară cu valoarea de referinţă O20, şi intervine ca o perturbaţie în intrarea regulatorului de aer. În acest mod, debitul de aer necesar arderii este reglat mult mai aproape de cerinţele reale ale procesului de combustie.


97

Figura II.2.13. Schemă de reglare directă a aerului necesar arderii

II.2.4.1. Reglarea debitului gazelor de ardere Ca şi în cazul debitului de aer necesar arderii, debitul de gaze de ardere

este legat de puterea calorifică a combustibilului:

( )dQcBG iit +⋅⋅= (II.2.13)

( ) tt AGG ⋅−+= 1λ (II.2.14)

Reglarea debitului de gaze de ardere impune realizarea a două condiţii

tehnologice: • Evacuarea debitului de gaze de ardere produse; • Păstrarea unei mici depresiuni în focar (3...5 mm coloană apă).

Schemele de reglare a debitului de gaze de ardere şi a depresiunii din

focar sunt prezentate în figura II.2.14. În prima schemă (a), se utilizează numai mărimea de comandă a

depresiunii în focar h, care se compară cu o mărime de referinţă h0, rezultând debitul de gaze de ardere G.

În cea de-a doua schemă (b), pe lângă semnalele referitoare la depresiune se introduc şi derivatele în raport cu timpul ale debitului de aer, respectiv celui de combustibil, îmbunătăţindu-se astfel performanţele dinamice ale schemei.

Caracteristica ultimei scheme (c) este prezenţa a două regulatoare, în care debitul de gaze de ardere este reglat în funcţie de debitul de aer măsurat A şi de un semnal dat de regulatorul depresiunii din focar.


98

a) b) c)

Figura II.2.14. Schemă de reglare debitului gazelor de ardere

II.2.5. SCHEME DE REGLARE A DEBITULUI DE APĂ DE ALIMENTARE Pentru a se asigura în mod continuu apa necesară vaporizării, a evita lipsa apei din ţevile sistemului fierbător sau intrarea apei în supraîncălzitor, este necesară reglarea debitului de apă de alimentare w, cu menţinerea nivelului de lichid în tambur în limitele ±0,1 m. În figura II.2.15 este prezentată structura nodului de alimentare a generatorului de abur.

Figura II.2.15. Alcătuirea nodului de alimentare


99

Apa de alimentare este vehiculată de o pompă de alimentare cu turaţie variabilă (antrenată de o turbină cu abur sau de un motor electric cu cuplă hidraulică), printr-o serie de 2 ventile de reglare, unul principal şi celălalt auxiliar. Se pot utiliza trei scheme de reglare, prezentate în figura II.2.16.

a)

b)

c)

Figura II.2.16. Scheme de reglare a debitului apei de alimentare

În varianta a), pompa este de turaţie constantă, iar variaţia debitului are loc prin variaţia secţiunii de trecere prin ventilul V. Pentru a se obţine o pierdere de presiune constantă pe nodul de alimentare ∆pV, se reglează un ventil auxiliar montat în amonte de cel principal (b), sau se variază turaţia pompei (schema c)), caz în care se poate micşora şi consumul de energie al pompei.


100

II.2.6. REGLAREA TEMPERATURII ABURULUI VIU

Menţinerea constantă a temperaturii aburului viu şi supraîncălzit intermediar este foarte importantă în exploatarea generatoarelor de abur. Creşterea temperaturii aburului produs de cazan accentuează fenomene nedorite în materialul ţevilor supraîncălzitorului, a conductelor de abur spre turbină a conductelor de reglare şi a zonei de admisie a turbinei, cum ar fi fluajul sau arderea metalului. Scăderea temperaturii aburului viu poate produce condensarea timpurie a aburului în turbină, respectiv creşterea eroziunii paletajului acesteia. În plus, variaţia în timp a temperaturii aburului creşte solicitările termice la care sunt supuse componentele cazanului şi a turbinei.

Actualmente, se utilizează un set de metode de reglare a temperaturii aburului generat.

a) Metode directe • Cu injecţie de apă de alimentare sau condensat; • Cu injecţie de condensat din tambur, fără pompare, doar prin

diferenţă de presiune; • Cu răcitoare de abur de suprafaţă montate în tamburul

generatorului de abur;

b) Metode indirecte • Cu clapete de reglare a debitului gazelor de ardere; • Cu arzătoare cu unghi variabil; • Cu ventilatoare de recirculare a gazelor de ardere.

Vom detalia în continuare schema cu injecţie de condensat din tambur,

numită şi schema Doležal, prezentată în fig. II.2.17. Notaţiile din figură sunt următoarele:

1. răcitor de condensat; 2. tambur; 3. conductă abur saturat; 4. vas de presiune; 5. conductă de preaplin; 6. conductă de condensat; 7. supraîncălzitorul 1; 8. supraîncălzitorul 2; 9. punct de injecţie; 10. ventil de reglare a debitului de condensat.


101

Figura II.2.17. Schema de reglare a temperaturii aburului viu cu injecţie de condensat (schema Doležal)

În schema Doležal, o parte din debitul de apă de alimentare trece prin

răcitorul 1 şi condensează aburul saturat venit din tambur. Condensatul rezultat se colectează în vasul de presiune 4, cu nivel menţinut prin preaplinul 5. Condiţia de funcţionare a schemei este ca pierderea de presiune pe traseul 2-3-1-4-6-10-8 să fie mai mică decât cea pe traseul 2-7-8.

În continuare vom analiza câteva modalităţi de punere în practică a schemei Doležal, după cum rezultă din figura II.2.18.

În schema de reglare a) se prelevează doar semnalul temperaturii aburului la ieşirea din supraîncălzitorul 2, care determină debitul de condensat reglat de ventilul 10.

Superioară din punct de vedere dinamic este schema b), care conţine în plus si perturbaţiile mărimii D şi t în amonte de supraîncălzitorul 2, care poartă informaţii asupra cantităţii de căldură transportată de abur.

Varianta c) introduce componenta derivativă τd

dt, tot din amonte de

supraîncălzitorul 2, în timp ce varianta d) are în plus şi derivata poziţiei

elementului de execuţie τd

dx, ceea ce îmbunătăţeşte comportarea dinamică a

schemei, mai ales prin efectul anticipativ şi reducerea timpilor morţi.


102

a) b)

c) d)

Figura II.2.18. Modalităţi de realizare a schemei de reglare Doležal

II.2.7. REGLAREA PURJEI

Purja trebuie să elimine din tambur apa acumulată la partea inferioară, unde concentraţia de săruri depăşeşte limita admisă. În figura II.2.19 sunt prezentate două scheme uzuale de reglare. Varianta a) dă rezultate slabe în regim dinamic, datorită timpului de întârziere al măsurării salinităţii apei din tambur. Rezultate mai bune sunt obţinute în varianta b), când debitul de purjă este reglat proporţional cu debitul de abur şi cu propria-i reacţie.

Figura II.2.19.Reglarea debitului de purjă

cap II-2

Documents

Transcript of cap II-2