ОБОРУДОВАНИЕ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ

О работе пиковых водогрейных котлов при перерывах электроснабжения электродвигателей дутьевых вентиляторов

Георгиади В. Х., Воропаев Ю. А. кандитаты техн. наук, Богуш С. И. èíæ.

ТЭЦ-23 Мосэнерго

Âсоответствии с требованиями [1, 2] после кратковременного перерыва электроснабжения (КПЭ) потребителей с.н. с последующим его восстановлением должно сохраниться в работе основное оборудование (котел, турбина, генератор) ТЭЦ.

Экспериментальная проверка надежности работы ТЭЦ с основным оборудованием различной мощности и типа, с различными тепловыми и электрическими схемами при КПЭ потребителей с.н. обычно выполнялась в соответствии с рекомендациями [2]. Должного внимания проблеме комплексного изучения проблемы живучести пиковых водогрейных котлов (ПВК) при КПЭ их с.н. не уделялось. Важность сохранения в работе ПВК заключается в том, что их отключение в зимний период, когда они в основном работают, может привести к уменьшению выработки тепловой энергии и созданию чрезвычайной ситуации у потребителей тепловых сетей.

Âпериодической печати отсутствуют работы по данному вопросу, несмотря на то, что ПВК эксплуатируются длительное время. В [3] в основном уделяется внимание вопросу оценки обеспечения разворота электроприводов (ЭД) с.н. ПВК по зна- чению начального напряжения, но нет информации об изменении технологических параметров (топливо, воздух, вода) ПВК. Оценка обеспечения разворота ЭД по значению начального напряжения привлекает своей простотой, но сделанные выводы могут быть ошибочными [4]. При одном и том же значении начального напряжения время разворота ЭД будет разным (из-за разной загрузки ЭД, формы кривой зависимости момента вращения ЭД

èмомента сопротивления механизма от частоты вращения) [5], а, следовательно, будут по-разному изменяться технологические параметры тепломеханического оборудования.

Уязвимость технологических процессов при возникновении КПЭ нередко связывают с проблемой независимых источников питания. Даже при наличии нескольких независимых источников питания гарантируется лишь автоматическое восстановление питания в послеаварийном режиме, но

не предотвращает понижения или полного исчезновения напряжения в аварийном режиме [6]. Успешный разворот ЭД после КПЭ – это условие, необходимое, но недостаточное для сохранения в работе ПВК. Изменение технологических параметров может быть таково, что ПВК не сохранится в работе даже при успешном развороте ЭД. Достаточным условием является успешный разворот ЭД за время, в течение которого технологические параметры не успеют измениться до значений уставок технологических, электрических блокировок и защит.

В отечественной энергетике на ТЭЦ и в котельных коммунального хозяйства городов находятся в эксплуатации ПВК различных типов. В статье рассматривается вопрос сохранения в работе ПВК типа ПТВМ-180 после КПЭ ЭД его дутьевых вентиляторов ПВК. Техническая характеристика ПВК типа ПТВМ-180 представлена далее.

Тепловая производительность, Гкал/ч	180
Рабочее давление сетевой воды: кгс/см2	Äî 25
Температура сетевой воды, °С:
на входе	104
на выходе	150
Число дутьевых вентиляторов, шт.	20

ПВК этого типа обычно используется на ТЭЦ для выработки дополнительной тепловой энергии при исчерпании возможности выработки тепловой энергии отборным паром турбин ТЭЦ.

Принцип работы ПВК основан на повышении температуры сетевой воды, подаваемой в ПВК, за счет сжигания дополнительного количества топлива (газа или мазута), подаваемого в горелки совместно с воздухом. Воздух подается с помощью дутьевых вентиляторов (ДВ) (ðèñ. 1).

Схема электроснабжения потребителей с.н. ПВК показана на ðèñ. 2. Рабочее электроснабжение с.н. ПВК – от секции 5А КРУ 6 кВ теплофикационного энергоблока ¹ 5 мощностью 250 МВт. Резервное электроснабжение ЭД ДВ ПВК осуществляется от резервного трансформатора Т40Р6,

44

2003, ¹ 8

	ÎÐÓ
ÌÂ				Дымовая
				труба
		Расход		Расход
				сетевой воды при
	ÁÒ	сетевой воды при
				температуре
		температуре
				tâûõ, °Ñ
		tâõ, °Ñ
Ã		ÒÑÍ
	ÊÐÓ	ÌÂ
Секция 5А	6 êÂ	Секция 5Б		Тепловая
				ñåòü
		ÝÄ ÑÍ II cò.		Потребители
	Конденсат			Подача воздуха
ÏÝÍ				ÝÄ
		ÝÄ ÑÍ I cò.	Ïàð îò
			отбора	ÄÂ

турбин

Ò74 6/0,4 êÂ

ÀÂ

Подача газа

ÐÓ 0,4 êÂ

ÀÂ

D * - 2 DHA/

ÀÂ – автоматический выключатель; ÁÒ – блочный трансформатор; Ã – генератор; ÄÂ – дутьевой вентилятор; ÌÂ – масляный выключатель; ÎÐÓ – открытое распределительное устройство; ÏÂÊ – пиковый водогрейный котел; ÏÝÍ – питательный электронасос; ÐÓ – распределительное устройство; ÒÑÍ – трансформатор с.н.; ЭД СН II ст. – электродвигатели сетевых насосов II ступени; ЭД СН I ст. – электродвигатели сетевых насосов I ступени; ÏÑÃ – подогреватель сетевой, горизонтальный

подключенного к третьей секции КРУ 6 кВ тепло-	5А КРУ 6 кВ и секциях ПВК-6, -7 РУ 0,4 кВ. При
фикационного энергоблока мощностью 100 МВт.	снижении напряжения на секциях РУ 0,4 кВ про-
В этой схеме еще на стадии проектирования было	исходит уменьшение частоты вращения ДВ и уме-
заложено несколько “ждущих” отказов [7], кото-	ньшение подачи воздуха в ПВК. При этом подача
рые проявились спустя некоторое время, приведя	топлива (газа или мазута) остается постоянной. В
к созданию аварийной ситуации и повреждению	ПВК происходит бесконтрольное нарушение рав-
оборудования. К таким отказам, например, отно-	новесия между сжигаемым количеством топлива и
сятся:	подачей газа.
подключение к секции 5А КРУ 6 кВ ЭД питате-	На энергоблоке мощностью 250 МВт с газома-
льного электронасоса (ПЭН) и трансформатора	зутным котлом число пусков ЭД ПЭН в год может
Ò74 6 0,4 êÂ;	достигать 15.
неправильный выбор значения уставки по вре-	Длительность разворота ЭД ПЭН зависит от
мени, равной 9 с, общей технологической защиты	нескольких факторов, а именно:
ПВК, которая запускается в работу при снижении	степени заполнения гидромуфты маслом;
напряжения до значения ниже 0,6Uíîì;	мощности, потребляемой ПЭН от ЭД (или,
подключение всех ЭД ДВ ПВК-6 (аналогично и	иначе, коэффициента загрузки ЭД ПЭН по актив-
для ПВК-7) к одной секции РУ 0,4 кВ;	ной мощности);
отсутствие релейной защиты на секционном	уровня напряжения на сборных шинах секции
автоматическом выключателе (АВ).	5À ÊÐÓ 6 êÂ;
Каждый раз при пуске ЭД ПЭН блока ¹ 5 про-	состава ЭД агрегатов с.н., подключенных к сек-
исходит “посадка” напряжения на шинах секции	öèè 5À ÊÐÓ 6 êÂ;
2003, ¹ 8	45

	КРУ 6 кВ, ячейка 176, секция 5А
		От резервного трансформатора
			Ò40P6
	Ò-74 6/0,4 êÂ
	À474	ÑÀ	Полусекция	À474ð
Полусекция	Ð		ÏÊ-7	Ð
ÏÊ-6
		ÐÓ 0,4 êÂ
H1 H2			H3 H4
Статическая			Статическая
нагрузка			нагрузка

Дутьевые вентиляторы ПК-6

Дутьевые вентиляторы ПК-7

) ! 2 +

+ DHA * D:H$. (E/

ÊÐÓ – комплектное распределительное устройство; ÑÀ – секционный автоматический выключатель; Ð – рубильник

уровня напряжения на стороне высокого напряжения трансформатора с.н., на стороне высокого напряжения блочного трансформатора;

сопротивления внешней сети [трансформатора с.н. с учетом положения регулятора под нагрузкой (РПН), токопровода, блочного трансформатора, кабельной линии].

Длительность разворота ЭД ПЭН при нормальных условиях эксплуатации составляет 6 – 8 с в зависимости от уровня напряжения в исходном режиме на сборных шинах секции 5А КРУ 6 кВ. Но это время может быть больше, если пуск ЭД ПЭН происходит при низком уровне напряжения на шинах секции 5А.

Это может случиться, когда по условиям ведения режима диспетчерская служба задает низкий уровень напряжения на сборных шинах 110 и 220 кВ, при этом турбогенераторы выдают минимальное значение реактивной мощности и на шинах секции 5А КРУ 6 кВ; при отсутствии автоматического РПН у трансформатора с.н. может устанавливать значение напряжения, равное 0,9Uíîì. Длительность пуска ЭД ПЭН может достигать 16 с и более. В течение этого времени на сборных шинах КРУ 6 кВ и РУ 0,4 кВ сохраняется пониженное напряжение. На ТЭЦ-22 Мосэнерго это привело к прекращению работы теплофикационного энергоблока мощностью 250 МВт [8], а на ТЭЦ-23 Мосэнерго произошел локальный взрыв (“хлопок”) в ПВК-6 в связи с нарушением нормального соотношения “топливо – воздух”.

Для исключения влияния пуска ЭД ПЭН блока ¹ 5 на работу ПВК-6, -7 было принято традиционное решение об изменении схемы электроснабже-

ния трансформатора Т74 6 0,4 кВ от секции 5Б КРУ 6 кВ. Такое мероприятие, исправляющее ошибочное проектное решение, допущенное для многих других ТЭЦ, не снимает всех проблем, что можно проиллюстрировать следующим примером. Главная схема электрических соединений и схем питания с.н. 6 кВ ТЭЦ такова, что возможно электроснабжение с.н. энергоблока ¹ 5 от резервного трансформатора Т60Р3, совпадающее по времени с пуском энергоблока ¹ 8 мощностью 250 МВт. Вероятность такого совпадения очень мала.

Согласно [9] при потере напряжения на любой секции с.н., к которой подключены ДВ ПВК, технологическая защита ПВК выполняется с выдержкой времени не более 5 с, достаточной для отстройки от времени действия устройства автоматического включения резервного питания. Выдержка времени технологической защиты ПВК была уменьшена персоналом лаборатории с 9 до 3 с без каких-либо обоснований.

Возникает правомерный вопрос о достаточности выдержки времени 3 с, чтобы избежать “хлопков” в ПВК. В соответствии с п. 4.3.33 [1] было принято решение выяснить причины недопустимого отклонения параметров от нормативных, могущих привести к взрывам в ПВК. Конкретно была поставлена задача определения допустимого времени глубокого снижения напряжения (или перерыва электроснабжения) на выводах ЭД ДВ ПВК по условию сохранения взрывобезопасности. Допустимое время – это время, при котором еще не нарушается требуемое соотношение подаваемого ДВ воздуха и газа в топке ПВК. Анализ работы устройств релейной защиты и автоматики с учетом рекомендаций [10] показал, что:

возможно следующее время перерыва электроснабжения ЭД ДВ ПВК: 0,5 с – при работе дифференциальной защиты рабочего трансформатора с.н. Т65; 0,9 с – при работе токовой отсечки трансформатора Т74; 1,5 с – при работе резервной максимальной токовой защиты трансформатора (МТЗ) Т65, установленной на стороне обмотки высокого напряжения; во всех остальных случаях (а их более 79 – 80%) релейная защита выполняет запрет на автоматическое включение резервного источника питания (АВР);

выдержку времени на включение устройства АВР секций 0,4 кВ ПВК-6, -7 можно уменьшить до 1 с;

на секционном автоматическом выключателе (СА) отсутствует МТЗ; в случае возникновения короткого замыкания на одной из секций 0,4 кВ будет происходить отключение двух ПВК; установка такой защиты с выдержкой времени 0,5 с позволит сохранять в работе один из двух ПВК.

Для стационарного режима работы ПВК типа ПТВМ-180 уравнение равновесия сжигаемого газа

46

2003, ¹ 8

и подаваемого воздуха без учета его температуры на входе в ДВ выглядит следующим образом:

Qâîçä.íîì(n nñèíõ) Êãîð = 10 çàï Qòîï Êãîð,

(1)

ãäå Êãîð – число работающих горелок от 6 до 16 шт.; Qòîï – подача топлива (газа) в горелку, равная 1250 м3 ÷; Qâîçä.íîì – подача воздуха при номинальной частоте вращения ЭД, равная 15 000 м3 ÷;

çàï – коэффициент избытка воздуха, отн. ед.; nñèíõ – синхронная частота вращения магнитного поля

статора ЭД ДВ, равная 1000 об мин; n – частота вращения вала ЭД ДВ в установившемся режиме работы, равная номинальному значению 985 об мин;

Для оценки изменения технологических параметров ДВ (подачи воздуха) при изменении частоты вращения вала ДВ необходимо знать значение коэффициентов загрузки ЭД ДВ по активной мощности ÊçÐ [11, 12] и момента инерции агрегата Jàãð (ЭД совместно с ДВ).

Обычно в эксплуатации загрузку электродвигателя определяют по току статора. Коэффициент загрузки ЭД по току определяется по формуле

ÊçI = I Iíîì,

(2)

ãäå I – текущее значение тока статора ЭД ДВ, А; Iíîì – номинальное значение тока статора ЭД ДВ, А.

Большую часть времени ЭД ДВ работают, потребляя ток 16 – 18 А.

Коэффициент загрузки ЭД ДВ по активной мощности определяется по формуле

ÊçÐ = Ð2 Ð2íîì = Ð1 Ð2íîì,

(3)

ãäå Ð1 – активная мощность, потребляемая ЭД ДВ из сети, кВт; Ð2 – активная полезная мощность на

валу ЭД, потребляемая ДВ, кВт; Ð2íîì – активная полезная мощность на валу ЭД ДВ в номинальном

режиме по паспорту (или каталогу), кВт; – коэффициент полезного действия ЭД ДВ, отн. ед.

Результаты представлены в таблице. Коэффициент загрузки ЭД ДВ по току, хотя и легко определяется, не равен коэффициенту загрузки ЭД по активной мощности. Применение коэффициента загрузки по току при выполнении расчетов частоты вращения приводит к большим погрешностям.

Был экспериментально методом маятника [13] определен момент инерции Jàãð (ЭД совместно с дутьевым вентилятором), который равен 2,5 кг м2. По данным завода-изготовителя (массе и диаметру рабочего колеса ДВ и моменту инерции ротора ЭД) определено расчетное значение момента инерции агрегата, которое равно 2,58 кг м2.

Имея коэффициент загрузки по активной мощности ЭД ДВ и момент инерции агрегата, можно рассчитать значение частоты вращения ЭД, а затем и технологический параметр ДВ (подачу воздуха), решая дифференциальное уравнение движения

его ротора [14] при допущении, что момент сопротивления ДВ имеет квадратичную зависимость от частоты вращения

T		dn	[M		(n)U 2	M		(n)],	(4)
	J			ýä			äâ
		dt

ãäå n – частота вращения ЭД, отн. ед.; t – время, отн. ед.; Ìýä(n ) – момент вращения ЭД, отн. ед.; Ìäâ(n ) – момент сопротивления ДВ, отн.ед.; U – напряжение на вводах обмотки статора ЭД, отн. ед.; ÒJ – электромеханическая постоянная агрегата (в секундах), определяемая по формуле

ÒJ = (4 Jàãð níîì nñèíõ) (364 000 Ð2íîì),

(5)

ãäå níîì – номинальная частота вращения вала ротора ЭД, об мин; nñèíõ – синхронная частота вращения магнитного поля статора ЭД, об мин; Ð2íîì – активная полезная мощность на валу ЭД ДВ в номинальном режиме по паспорту (или каталогу), кВт; Jàãð – момент инерции агрегата, кг м2.

Возможно несколько вариантов переходных режимов работы ЭД ДВ ПВК:

уменьшение частоты вращения роторов ЭД ДВ ПВК при пуске ЭД ПЭН за счет уменьшения напряжения U на вводах обмотки статора ЭД ДВ; ча- стота вращения каждого ЭД ДВ ПВК определяется решением уравнения движения (4) для группы ЭД;

уменьшение частоты вращения роторов ЭД ДВ ПВК при автоматическом переключении секций 0,4 кВ с рабочего на резервный источник питания; частота вращения каждого ЭД ДВ ПВК определяется также решением уравнения движения (4) для группы ЭД.

Решение дифференциального уравнения движения роторов группы ЭД без применения вычислительной техники – задача весьма трудоемкая. Поэтому в дальнейшем для простоты анализа все ЭД ДВ заменяем одним эквивалентным суммарной мощностью Ð2íîì с коэффициентом загрузки по активной мощности и моментом инерции агрегата.

Частота вращения вала ЭД ДВ, при которой нарушается требуемое соотношение подаваемого

				Время перерыва
	Òîê,	Коэффициент	Коэффициент	электроснабжения,
				при котором начи-
	потребляемый	загрузки	загрузки	нает нарушаться
	ÝÄ,	ïî òîêó,	по мощности,
				соотношение
	À	îòí. åä.	îòí. åä.
				“газ – воздух”,
				ñ
	16	0,635	0,608	0,671
	17	0,6746	0,6468	0,631
	18	0,7143	0,6853	0,596
	19	0,754	0,7238	0,564
	20	0,7937	0,762	0,535
	21	0,833	0,8	0,510
	22	0,873	0,839	0,486

2003, ¹ 8

47

воздуха и газа, можно определить, делая допущение, что каждому значению частоты вращения будет соответствовать определенное значение пода- чи воздуха в топку котла. В действительности изменение частоты вращения вала ДВ будет происходить быстрее, чем изменение подачи воздуха к горелкам за счет аэродинамического сопротивления воздуховода. Частота вращения определяется по формуле

	n	äîï	10 çàïQòîï nñèíõ
				Qâîçä.íîì
	10 1 1250 1000				833,3 îá/ìèí.		(6)
		15000

До этого значения частоты вращения ЭД ДВ будут выбегать за разное время в зависимости от значения их коэффициентов загрузки ЭД по активной мощности. Результаты расчетов представлены в таблице.

По данным цеха наладки и испытаний ТЭЦ-23 Мосэнерго при работе ПВК-6, -7 ЭД ДВ загружаются по току в пределах от 16 до 18 А. При такой загрузке ЭД ДВ при возникновении перерыва электроснабжения соотношение подаваемого воздуха и газа начнет нарушаться спустя 0,671 – 0,486 с и через некоторое время в топке котла возможно образование взрывоопасной смеси.

Выполним приближенный расчет времени, че- рез которое это может произойти. Объем топочной камеры ПВК составляет 412 м3. Расход топлива (газа) на одну газовую горелку равен 1250 м3 ÷ (0,35 ì3 с). При работе 16 газовых горелок расход газа составит 0,35 16 = 0,5 м3 ñ.

Общеизвестно, что взрывоопасная концентрация для природного газа составляет от 5 до 15% объема топочной камеры, следовательно, для ПВК типа ПТВМ-180 5% составляют 20,6 м3. При возникновении перерыва электроснабжения ЭД ДВ ПВК время до возникновения взрывоопасной смеси определяем при допущении, что факел пламени гаснет сразу, как только нарушится соотношение “газ – воздух” по формуле

tîáð = Vãàçà5% Qãàçà = 20,6 5,5 = 3,75 ñ.

(7)

Общее время до возникновения взрывоопасной смеси составляет

t = tíà÷ + tîáð = (0,671 0,486) + 3,75 = 4,42 4,24 ñ. (8)

Если за это время не будет восстановлена частота вращения ЭД ДВ до номинального значения, то ПВК-6, -7 должны быть отключены.

Достичь уменьшения времени перерыва электроснабжения (соответственно уменьшения частоты вращения ЭД ДВ) можно за счет уменьшения значения уставок по времени устройств релейной защиты и автоматики совместно с установкой бы-

стродействующей коммутационной аппаратуры, чтобы обеспечивалось требуемое время перерыва электроснабжения.

Выводы

Для повышения надежности работы ПВК типа ПТВМ-180 предлагается:

1.Проектное значение уставки по напряжению, равное 0,6Uíîì на запуск технологической защиты ПВК-6, -7, оставить без изменения, что согласуется с рекомендациями по значению начального напряжения, достаточного для разворота ЭД ДВ. Уставка по времени технологической защиты ПВК не должна превышать расчетного времени образования взрывоопасной смеси при перерывах электроснабжения ЭД ДВ ПВК.

2.Для уменьшения времени перерыва электроснабжения ЭД ДВ ПВК-6, -7 необходимо:

уменьшить уставку по времени устройства автоматического включения резервного питания с 2,0 до 1,0 с;

установить на секционный выключатель СА щита 0,4 кВ ПВК-6, -7 максимальную токовую защиту с уставкой по времени, равной 0,5 с, на его отключение;

трансформатор Т40Р6 держать постоянно во включенном состоянии в зимнее время, что значи- тельно сокращает время перерыва электроснабжения ЭД ДВ и время их разворота при переходе на резервный источник питания, но при этом будут потери электрической энергии в режиме холостого хода трансформатора;

установить быстродействующие автоматиче- ские выключатели на рабочем и резервном вводах секций 0,4 кВ ПВК-6, -7.

3.Недопустимо подключать к одной секции все ЭД ДВ одного ПВК (их подключение необходимо выполнить к разным секциям), а тем более, ЭД ДВ двух ПВК.

4.Недопустимо совмещать подключение к одной секции КРУ 6 кВ ЭД ПЭН и трансформатора

Т74 6 0,4 кВ, который является источником рабо- чего питания для ЭД ДВ ПВК-6, -7.

Список литературы

1.ÐÄ 34.20.501.95. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. М.: СПО ОРГРЭС, 1996.

2.О работе тепловых электростанций при перерывах питания и самозапуске электроприводов собственных нужд (раздел 5.2). – В сборнике руководящих материалов Главтехуправления Минэнерго СССР. Электротехническая часть. ч. 1. М.: СПО ОРГРЭС, 1992.

3.Жукович В. В., Пасюк А. В. Об особенностях расчета группового самозапуска электроприводов районных котельных. – Энергетик, 1989, ¹ 6.

4.Георгиади В. Х. Об оценке успешности самозапуска электроприводов собственных нужд электростанций по зна-

48

2003, ¹ 8