1.57 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze

Transcript

1 1.57 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze II.3.1. Caracteristica statică a turbogeneratorului Deoarece energia electrică este un produs greu (sau imposibil) de stocat, sistemul de reglare al turbinelor cu abur și cu gaze are menirea de a realiza practic echilibrul dintre cererea și producția de energie electrică și termică. în figura II.3.1. se poate vedea alura curbei de sarcină zilnică a unui sistem electroenergetic aflat în interiorul unui contur geografic dat. Se remarcă două vârfuri de sarcină (cel de dimineață VD și cel de seară VS) și două goluri de sarcină (cel de noapte GN și cel de zi GZ). în permanență, dispeceratul energetic al sistemului menționat încercă să pună de acord cererea și producția de energie electrică [8]. Sursele de energie electrică pot fi turbomașini sau motoare termice cuplate cu generatoare electrice. Din categoria turbomașinilor, se pot decela cele termice (turbine cu abur și cu gaze), hidraulice și eoliene. Figura 2.22 Figura II.3.1. Curba de sarcină zilnică Figura 2.23 Figura II.3.2 Caracteristica statică a turbogeneratorul ui Baza curbei de sarcină din fig. II.3.1 este acoperită de turboagregate hidraulice instalate pe firul fluviilor și râurilor mari, turboagregate cu abur de mare putere instalate în centralele nuclearoelectrice și în centralele pe combustibili fosili, sau cuplajele gaze-abur din ciclurile mixte. De asemenea, în această categorie se pot încadra turboagregatele și motoarele termice care funcționează în regim de cogenerare pe perioada respectivă (în perioada de iarnă pentru încălzire sau aproape tot timpul anului pentru consumatorii industriali de căldură). În zona de semi-bază funcționează turbinele de condensație și prize reglabile din CET-uri, care pot prelua în coada de condensație cereri de energie electrică, turboagregatele eoliene care funcționează aleatoriu în funcție de viteza vântului și turbinele (cu abur și cu gaze) care acordă servicii de sistem pentru reglarea frecvenței acestuia. În fine, zona de vârf este acoperită de turboagregatele din centralele hidroelectrice de munte, care pot pomi rapid și se pot încărca potrivit cererii de energie electrică a consumatorilor racordați la sistemul analizat. Pentru aplatizarea curbei de sarcină (micșorarea diferenței dintre golul de noapte și vârful de seară) se folosesc procedee de corecție atât în faza de producere (centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare - CHAP) cât și în faza de consum (încurajarea consumului pe timpul nopții cu ajutorul contoarelor cu două tarife orare). Punctul stabil de funcționare al unui turbogenerator se găsește la intersecția dintre curba momentului motor Mm și cea a momentului rezistent Mn după cum se poate vedea în figura II.3.2 [3]. 222

2 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze Considerând că o serie de consumatori se deconectează de la rețeaua electrică alimentată de turbogeneratorul în cauză, curba momentului rezistent coboară de la Mr la M r. Dacă sistemul de reglare al acestuia nu intervine în sensul reducerii debitului de abur la admisia în turbină, noul punct stabil de funcționare va deveni P. în această situație, locul geometric al punctelor stabile de funcționare este reprezentat de curba momentului motor. Sistemul de reglare acționează asupra ventilelor de admisie ale turbinei, micșorând secțiunea de trecere prin aceste și, implicit, debitul de abur și respectiv sarcina mașinii. în acest fel, curba momentului motor se deplasează de la Mm la M m. Noul punct stabil de funcționare este R, aflat la intersecția dintre curbele M m și M r Regimurile staționare ale turbogeneratorului se află pe curba S, numită caracteristica statică a turbogeneratorului. Regimurile tranzitorii ale turbogeneratorului respectă ecuația diferențială J dω/dτ = Mn - Mr (II.3.1) unde: J - momentul de girație al rotorului; ω - viteza unghiulară a rotorului; τ - timpul de desfășurare a fenomenului. Când Mm > Mr turația crește, iar când Mm < Mr turația scade II.3.2. Reglarea turbinei de condensație II Influența încadrării turbinei în curba de sarcină asupra modului de reglare La grupurile de bază este necesară menținerea puterii turbogeneratorului constantă, indiferent de variația frecvenței rețelei în care acesta debitează energie electrică [4]. Grupurile de vârf sunt puternic influențate de variația frecvenței din rețea, ele participând activ la reglarea acesteia. 223

3 Figura 2.24 Figura II.3.3 Scheme de reglare a turbinelor de condensație Astfel, schema a) menține constantă puterea electrică produsă de turbină. Dacă frecvența de rotație se modifică, antrenând după sine și modificarea puterii, regulatorul RP intervine, pe baza mărimii de eroare (P - P0), acționând VR în sensul micșorării acestei erori. În schema b) se menține constantă frecvența rețelei. Atunci când frecvența tinde să se modifice, regulatorul de turație R intervine asupra admisiei aburului în turbină în sensul micșorării mărimii de eroare (n - n0). Schema c) este dedicată reglării inițiale a frecvenței în sistemul electroenergetic. Astfel, regulatorul de putere RP trimite un semnal dinamului D potrivit erorii (P - P0), a cărui turație n0 devine mărime de referință pentru regulatorul de turație Rn. în acest mod, grupul turbogenerator participă la reglarea în momentul inițial a puterii în funcție de frecvență a sistemului II Influența tipului turbinei asupra modului de reglare La turbinele de condensație fără supraîncălzire intermediară se reglează debitul de admisie în turbină prin ventilele de reglare VR. La turbinele cu supraîncălzire intermediară apar în plus ventilele de moderare sau de intercepție VM, care guvernează admisia aburului în corpul de joasă presiune. în perioada de pornire, sistemul realizează creșterea turației turbogeneratorului, sincronizarea și încărcarea. în perioada de funcționare propriu-zisă, sistemul de reglare ajustează sarcina turbinei potrivit echilibrului dintre cerea și oferta de energie electrică. în figura II.3.4 sunt vizualizate cele două scheme de reglare [1]. 224

4 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze Figura 2.25 Figura II.3.4. Reglarea turbinelor cu ciclu simplu a) și a celor cu supraîncălzire intermediară b) II Stabilitatea turboagregatului O cerință obligatorie a unei turbine termice este stabilitatea, adică atingerea de la sine a unei stări de echilibru după apariția unui dezechilibru de scurtă durată. Stabilitatea este definită de modurile de variație diferite ale momentului motor, respectiv rezistent, în funcție de turația instantanee a grupului. în figura II.3.5 a se poate vedea un sistem stabil, pe când în figura II.3.5 b unul instabil [3]. Figura 2.26 Figura II.3.5. Turboagregatul stabil si cel instabil Atunci când se îndeplinesc simultan condițiile dmn/dn < 0 și dmr/dn > 0, agregatul este stabil, deoarece la creșterea Mr la M r turația grupului scade, atingându-se un nou punct de funcționare B. Sensul de variație al turației în acest caz respectă ecuația echilibrului dinamic al rotoarelor (II.3.1). Daca însă dmr/dn < 0 și dmn/dn > 0, sistemul este instabil, pentru că, la o creștere a cuplului rezistent de la Mr la M r ar rezulta un punct de funcționare fictiv C, la o turație mai mare decât a punctului A, ceea ce ar contraveni ecuației (II.3.1). în acest caz, dezechilibrul inițial se accentuează, în loc să se reducă. Turboagregatul format din turbina termică și din generatorul electric este stabil, deoarece: La creșterea turației n, crește și viteza periferică u, atrăgând după sine micșorarea vitezei wu și implicit a vitezei relative w. Acest fapt conduce la micșorarea forței F exercitate de abur asupra paletelor și implicit asupra momentului motor Mm. Deci, dmn/dn < 0; 225

5 Tensiunea la borne a generatorului electric U crește proporțional cu n, iar puterea acestuia cu n 2, deci dmr/dn > 0, q.e.d. Trecerea de la un punct de funcționare la altul se poate face în mod static (cu variație absolută de turație) sau în mod dinamic (cu variație tranzitorie de turație). La turbinele de condensație, turația și accelerația rotoarelor constituie mărime reglată, criteriu după care se modifică debitul de abur admis în turbină II Regulatoare de turație Figura 2.27 Regulatorul de turație al unui turbogenerator termic este format din următoarele elemente: T - traductor de turație (viteză), care transformă turația în mărime convențională (de regulă în deplasare); A - amplificator; S - sumator; CV - consemnator de viteză, cu care operatorul fixează turația impusă n0. LP - limitator de sarcină, care fixează puterea maximă P0 a grupului în funcție de starea tehnică sau de condițiile de evacuare a energiei electrice către sistem; P, D - dispozitive de reglare a componentei proporționale, respectiv derivative ale regulatorului; AP, AV - aservirile de poziție, respectiv de viteză ale servomotorului, cu care se controlează dacă poziția sau viteza de deplasare a servomotorului și ventilului de reglare sunt cele corecte. DS - distribuitor; SM - servomotor. În fîg. II.3.6 sunt reprezentate conexiunile dintre aceste elemente componente ale regulatorului [3]. În funcție de modul de conversie a variației de turație în variație de poziție, regulatoarele se împart în următoarele categorii: a) Mecanice (centrifugale), care se bazează pe două mase excentrice aflate în echilibru dinamic sub acțiunea unui resort (mω 2 r = ky); b) Hidraulice (pneumatice), care constau dintr-o pompă de ulei sau compresor de aer a cărei presiune de refulare crește cu pătratul turației, care refulează fluidul într-un cilindru cu piston care-și modifică poziția în funcție de variația presiunii din circuit; c) Electrice, formate dintr-un circuit alternator-electromagnet, în care variațiile de turație ale primului sunt convertite în variații de poziție ale celui din urmă. 226

6 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze Pentru ca traductorul să realizeze o caracteristică foarte bună, forța exercitată asupra elementelor de comandă trebuie să fie mică, ceea ce impune existența unor amplificatoare de cursă, presiune și curent. La turbinele modeme, sistemele de reglare sunt complexe, de tipul: electro-hidraulic, mecano-hidraulic, etc. În figura II.3.7 este prezentat un sistem mecano-hidraulic, în care sesizarea dezechilibrului este mecanică, iar acționarea hidraulică, caracterizată de elasticitate și siguranță și de asigurarea unor forțe mari (500 kn) în intervale de timp mici (0,1... 0,25 s). Figura 2.28 Figura II.3.7 Sistem de reglaj mecano-hidraulic 1- regulator; 2 - distribuitor cu sertărașe; 3 - servomotor hidraulic; 4 - conductă de admisie; 5 - conductă de evacuare; 6 - ventil de reglare; 7 - admisia aburului în turbină [4] II Caracteristicile regulatoarelor de turație Se pot enumera următoarele caracteristici ale regulatoarelor de turație [3]: A. Statismul sau neregularitatea permanentă. La turbinele de condensație coexistă mai multe legi după care lucrează regulatoarele de turație: Proporționale (P), la care fiecărei valori ale turației n îi corespunde o mărime a semnalului de comandă, admițând o abatere remanentă; Proporțional-derivative (PD), la care regulatorul elaborează, în afara semnalului proporțional, și un semnal de anticipare, proporțional cu derivata vitezei, respectiv cu accelerația rotorului. Caracteristica statică a unui regulator proporțional este reprezentată în fig. II.3.8. [19] δ = nmax - nmin nn Figura (II.3.2) 227

7 De regulă, δ = %. Turbinele cu statism mare (fig. II.3.2 a) se încarcă mai puțin ( P1), față de turbinele cu statism mic (fig. II.3.2 b) la aceeași variație a frecvenței sistemului f = (n1 - n2)/60. Din această cauză, turbinele cu statism mare sunt turbine de bază, puțin afectate de variațiile frecvenței din sistem, pe când turbinele cu statism mic sunt turbine de vârf contribuind prin variația lor de sarcină la reglarea frecvenței rețelei. B. Insensibilitatea. Pentru învingerea forțelor gazo-dinamice dintre partea activă a ventilului de reglare și fluidul compresibil în mișcare, precum și a frecărilor din sistemul de acționare, este necesară o forță apreciabilă, respectiv o variație sensibilă de turație. Raportul dintre variația minimă de turație stabilizată pentru care se evidențiază o modificare vizibilă a cursei x a ventilelor de reglare și turația medie se numește grad de insensibilitate: ε = nmin nn 100 (II.3.3) Această mărime trebuie să fie inferioară limitei admisibile ce se fixează invers proporțional față de puterea mașinii [19]. C. Stabilitatea. Reglarea este stabilă dacă are ca rezultantă un nou punct de echilibru după apariția unei perturbații de scurtă durată. Trecerea la noul punct de echilibru se poate face în mai multe moduri, după cum se poate vedea în fig. II.3.9. Figura 2.30 Figura II.3.9 Stabilitatea turboagregatului Astfel, în cazul a), după scăderea bruscă a momentului rezistent de la M1 la M2, noua turație de funcționare n2 se atinge în mod aperiodic, reglarea fiind static stabilă. În cazul b), reglarea este dinamic stabilă, noul punct de funcționare atingându-se prin oscilații amortizate. În fine, în cazul c), reglarea este instabilă, apar oscilații neamortizate, iar turația constantă nu se mai atinge. D. Creșterea maximă de turație. La aruncarea de sarcină, datorită inerției sistemului, are loc o întârziere a acțiunii ventilelor de închidere rapidă și a ventilelor de reglare. în plus, în cavitățile interne ale turbinei se găsesc mase de abur care continuă să se destindă spre condensator și după ce ventilele s-au închis. Normele prevăd ca aceste valori maxime ale turației să fie inferioare celor la care acționează protecția la supraturație. Dar iată în continuare o radiografie a fenomenelor ce se petrec în cazul aruncării de sarcină. Prin dispariția momentului rezistent, ecuația (II.3.1) devine: 228 J dω dτ = Mm (II.3.4)

8 sau, dacă se înlocuiește Mm = Pe/ω, J dω dτ = Pe ω Apar două scenarii teoretice de dezvoltare a fenomenului: II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze (II.3.5) 1. Sistemul de reglare nu intervine (încă), aflându-se în acel timp mort (întârziere la acționare). Puterea efectivă Pe dezvoltată de turbină rămâne constantă, iar ecuația (II.3.5) are soluția ω = 2 Pe J τ + ω02, ω0 fiind viteza unghiulară a lanțului de rotoare înaintea aruncării de sarcină. Astfel, turația crește odată cu trecerea timpului. 2. Sistemul de reglare intervine după un timp cifrat la 0,2...0,4 s, conducând la reducerea puterii efective până la zero, în timpul T. Dacă considerăm această reducere liniară, puterea produsă de turbină variază după legea P = Pe 1 - τ T (II.3.6) Soluția ecuației (II.3.5) este în acest caz ω = 2 Pe J τ - τ2 2T + ω02. Cât timp termenul din paranteza rotundă este pozitiv, turația crește. La τ = T, turația are valoarea maximă, iar după aceea, turația scade (lucru fără semnificație fizică în realitate, unde turația scade doar datorită pierderilor mecanice și a frecării rotorului cu mediul gazos din interiorul turbinei). De altfel, după τ = T, J ω/ τ = 0 și ω = const. Reprezentarea grafică a evoluției vitezei unghiulare în funcție de timp pentru cele două scenarii de dezvoltare a aruncării de sarcină sunt prezentate în fig. II.3.10, sub forma unui experiment numeric pentru TAI din CET Laborator - Universitatea Politehnica din București (Pe = 2,135 MW, J = 305 kg.m 2, T = 1,75 s). Timpul mort al sistemului de reglare și protecție este de 0,6 s. Se poate observa faptul că, după 2,35 s, viteza unghiulară a rotorului turbinei atinge valoarea de 346 rad/s, cu peste 10 % mai mare decât valoarea nominală. a) sistemul de reglare nu intervine b) sistemul de reglare nu intervine Figura 2.31 Figura II.3.10 Evoluția turației în aruncarea de sarcină II.3.3. Reglarea turbinelor cu abur de cogenerare II Regulatoare multiple Regulatoarele turbinelor cu abur de cogenerare utilizează o lege suplimentară față de relația (II.3.1) caracteristică reglării turbinelor de condensație: 229

9 (II.3.7) unde: p - presiunea din bara de abur ce unește priza turbinei de consumator; mt, mc - debitul de abur evacuat din turbină, respectiv cel preluat de consumator; V - volumul barei de abur; x - timpul de desfășurare a procesului termic. Regulatorul turbinelor de cogenerare este multiplu, pentru că supraveghează și reglează doi parametri: turația n a mașinii și presiunea p a aburului la priza reglabilă. Legea pentru reglarea turației este o lege proporțional-derivativă (PD), capabilă să guverneze fenomenele rapide din sistemele electroenergetice. Legea pentru reglarea presiunii este o lege proporțional-integrală (PI), caracteristică fenomenelor mai lente din rețeaua termică. Regulatorul trebuie să rezolve și o serie de fenomene antagonice, referitoare la nesimultaneitățile dintre fenomenele electrice și cele termice II Reglarea turbinelor de contrapresiune în situația în care turbina funcționează interconectată în sistem, ventilele de reglare ale acesteia reglează atât producția de energie electrică, cât și pe cea de energie termică, regulatorul multiplu fiind comandat de traductoarele de presiune și de turație, așa cum se poate vedea în fig. II.3.11 a. Figura 2.32 Rolul regulatorului este de a asigura în principal sarcina termică, energia electrică rezultând din destindere. Din această cauză este necesar ca statismul turbinei să fie mare, pentru ca sarcina electrică și implicit cea termică să nu fie afectate de perturbațiile frecvenței din rețea. La pornire, oprire și aruncare de sarcină, opțiunea de reglare a sarcinii termice este inhibată, comutându-se pe opțiunea de reglare a turației. în timpul exploatării de lungă durată, va prima opțiunea de reglare a presiunii din sistemul termic, de reglarea frecvenței sistemului ocupându-se turbinele de condensație interconectate. Dacă turbina lucrează insularizat din punct de vedere al conexiunii electrice (fig. II.3.11 b), atunci se va regla frecvența energiei electrice livrate, iar sarcina termică suplimentară va fi livrată prin stațiile de reducere răcire (SRR) II Reglarea turbinelor de condensate și prize reglabile Figura 2.33 Figura II.3.12 Reglarea turbinei de condensație și o priză reglabilă Deoarece aceste turbine trebuie să regleze atât puterea electrică cât și cea termică, sistemul de reglare conține două bucle: turație-putere, respectiv presiune-debit. Considerând turbina cu o 230

10 II 3. Reglarea turbinelor cu abur și cu gaze singură priză din figura II.3.12, reglarea debitului de abur este realizată cu ajutorul ventilului de moderare (VM), care, în cazul prizelor urbane poate fi o diafragmă rotativă. între cuplurile dezvoltate de turbină și debitele de abur care le realizează există următoarele dependențe: (II.3.8) La variația turației, de exemplu, ar fi necesar ca debitul de abur livrat consumatorului să nu fie perturbat, și invers, la o modificare a puterii termice livrate, puterea electrică asociată ei să rămână cvasi-constantă. Dacă reglajul satisface aceste cerințe atât în regim static cât și dinamic, atunci el este autonom. în acest scop, bucla putere-turație trebuie să acționeze ventilele VR și VM în același sens, adică să le deschidă simultan la creșterea puterii electrice, iar bucla presiune-debit să determine mișcarea lor în sensuri opuse (de exemplu, pentru a se obține creșterea debitului extras la priză, ventilul VR trebuie să se deschidă, iar VM să se închidă). Practic, condiția de autonomie nu se poate respecta în totalitate, deoarece randamentul corpurilor de turbină nu este constant cu sarcina (vezi 1), astfel că, la variația debitului la priză între zero și valoarea maximă, poate apărea o abatere a puterii electrice de până la 1/8 din valoarea nominală [3]. Mai mult, în cazul regimurilor dinamice, cele două bucle acționează diferit. De exemplu, la aruncarea de sarcină, după închiderea VIR, bucla turație- putere comandă închiderea VR, iar bucla presiune-debit, sesizând scăderea presiunii la priză, comandă deschiderea VR II.3.4. Reglarea turbinei cu gaze La turbina cu gaze, după sesizarea dezechilibrului turației rotorului, regulatorul Rn acționează asupra clapetei de reglare a combustibilului VR, în sensul modificării puterii turbinei cu gaze pentru reducerea erorii dintre turația măsurată n și cea de referință n0. după cum se poate vedea în fig. II.3.13 [6]. Figura 2.34 Figura II.3.13 Reglarea turbinelor cu gaze În cazul turbinelor cu gaze, ecuația echilibrului dinamic devine [5]: J dω dτ = MTG - (MC + MG) (II.3-9) Mai rămâne de reglat raportul aer-combustibil, care se face conform procedeelor menționate la 5.2, respectiv turbină pe două linii de arbori și palete ante-rotorice (inlet guide vanes) la compresorul de aer. Principalele funcții ale sistemelor de reglare și protecție ale ITG sunt menționate în continuare: 231

11 Control unificat al alarmelor în perioada de funcționare sau pornire; Dublarea sistemului de protecție (independent); Două procedee independente și funcționale de oprire a turboagregatului; Dublul insucces provoacă oprirea, dar aceasta va fi întotdeauna sigură; Turbogeneratoarele vor arunca sarcina nominală fără supraturare; Senzorii importanți sunt redundanți; Alarmare la orice problemă a sistemului de reglaj; Pornirea ITG se realizează cu ajutorul unui dispozitiv de pornire, care poate fi: motor diesel, motor electric cu convertizor de moment, sau generatorul ca motor sincron. Secvența de pornire a ITG este următoarea: 1. Verificarea sistemului de reglare, 2. Verificarea sistemului de ungere, 3. Pornirea (încălzirea) dispozitivului de pornire, 4. Aerisirea ITG la turația stabilită ( minute), 5. Decelerarea la turația de aprindere (optim intre oboseala termică și asigurarea aprinderii), 6. Aprinderea (prin bujie), 7. Semnalizarea prezenței flăcării, 8. Reducerea debitului de combustibil pentru încălzirea turbinei (1 minut) si maximizarea puterii dispozitivului de pornire, 9. Dacă nu se aprinde, se repetă aerisirea, fără intervenția operatorului, 10. După încălzire se crește debitul de combustibil, pentru accelerarea rotorului (între % din turația nominală mai lent, apoi mai rapid, pentru reducerea oboselii termice), 11.Decuplarea dispozitivului de pornire (la % din turația nominală), 12. Deschiderea palelor reglabile din admisia compresorului (închise la pornire), 13. Sincronizarea printr-un microprocesor specializat triplu-redundant (turație, succesiunea fazelor, tensiuni, defazaj), 14. încărcarea automată (normală sau rapidă) la sarcina preselectată, Secvența de oprire are următorii pași: 1. Reducerea sarcinii, 2. Deschiderea întreruptorului principal de către releul de putere inversă (-5 %) 3. Decelerarea până la ( %) turație, 4. închiderea combustibilului, 5. Pornirea virorului, 6. Răcirea turbinei pe viror ( ore) Bibliografie [1] Racovitză C. A., Negreanu G. P. - Reglarea proceselor termice, Ed. Printech, București, 2008, ISBN: