Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние и тенденции совершенствования качества водно-химических и теплоэнергетических режимов 6
Глава 2 Теоретический анализ совместного влияния водно-химического режима и теплотехнических характеристик прямоточных котельных установок на надежность их работы 27
2.1. Влияние отложений на температурный режим котельной установки 27
2.2. Анализ возможности работы котельной установки на повышенной мощности при снижении скорости образования отложений 40
2.3. Использование экспертной системы для оценки совместного влияния ВХР и теплотехнических факторов на надежность работы оборудования 46
Глава 3 Промышленные исследования совместного влияния ВХР и теплотехнических факторов на надежность работы основного оборудования 64
3.1. Обследование ВХР ТЭС с блоками СКД в стационарном и переходном режимах работы
3.2. Разработка мобильного диагностического радиокомплекса для проведения обследований
Глава 4 Разработка системы химико-технологического мониторинга, обеспечивающей повышение технико-экономических показателей ТЭС 86
4.1. Этапы внедрения систем химико-технологического мониторинга на тепловых электростанциях 86
4.2. Разработка системы химико-технологического мониторинга ТЭС 89
4.3. Совершение профаммно-аппаратного комплекса СХТМ 94
4.3.1. Разработка алгоритмов с целью создания единой базы данных СХТМ 94
4.3.2. Моделирование системы химико-технологического мониторинга в лабораторных условиях 103
4.3.3. Разработка программного обеспечения системы химико-технологического мониторинга ТЭС 108
4.4. Оценка и анализ потребительского эффекта от внедрения и эксплуатации СХТМ на Ставропольской ГРЭС 123
4.4.1. Расчет годовой экономии затрат от внедрения СХТМ 123
4.4.2. Дополнительные годовые затраты 125
4.4.3. Расчет потребительского эффекта на основе величины дополнительного чистого дисконтированного дохода (ЧДД) от выпуска электроэнергии с использованием СХТМ 125
Выводы 132
Список литературы 134
Приложение 1 143
- Состояние и тенденции совершенствования качества водно-химических и теплоэнергетических режимов
- Анализ возможности работы котельной установки на повышенной мощности при снижении скорости образования отложений
- Разработка мобильного диагностического радиокомплекса для проведения обследований
- Разработка системы химико-технологического мониторинга ТЭС
Введение к работе
Последнее десятилетие характерно для энергетики России тем, что энергетические предприятия и, прежде всего электростанции, осуществляли свою деятельность в условиях постоянного недофинансирования, что не могло сказаться на состоянии и показателях надежности энергетического оборудования.
Отставание не только расширенного воспроизводства, и простого, предполагающего эквивалентные замены оборудования и его узлов, создало условия, в которых все труднее и труднее становится обеспечить требуемые показатели надежности работы электростанций. Это ставит перед научно-практическим персоналом отрасли задачу максимального использования преимуществ от внедрения малозатратных и быстроокупаемых технологий, таких как, например, системы химико-технологического мониторинга (СХТМ).
Анализ причин повреждаемости основного тепломеханического оборудования на тепловых электростанциях показывает, что руководителями и специалистами ТЭС не в полной мере учитывается важная роль качества водно-химического режима и последствий от его недостатков. Далеко не все электростанции отвечают современным нормативным требованиям в части соблюдения водно-химического режима (ВХР). Большинство руководителей и специалистов электростанций недооценивают значение автоматизированного контроля за состоянием ВХР и не до конца понимают важность внедрения систем химико-технологического мониторинга и значение средств автоматизации в ведении водно-химического режима.
Представленный материал достаточно наглядно показывает, что надежность может быть обеспечена только тогда, когда комплексно взаимоувязаны все составляющие: оборудование и его техническое
5 состояние, в том числе и конструкционная надежность; персонал, имеющий соответствующую квалификацию и готовность непрерывно ее повышать; инструкции, которым обеспечено не только необходимое качество, но и ведется контроль за соблюдением и выполнением их требований.
Настоящее исследование позволяет установить более полную связь водно-химического режима с надежностью основного тепломеханического оборудования тепловых электростанций и показать, что реализация предлагаемых в диссертации решений может значительно повысить надежность работы котлов и турбин ТЭС без существенных финансовых и материальных затрат.
Актуальность проведенного исследования значительно усиливается тем, что, несмотря на некоторое улучшение финансово-экономического состояния электростанций, все еще в условиях нехватки средств, продолжает оставаться недостаток внимания к автоматическому химическому контролю и, как следствие, электростанции продолжают по этой причине нести убытки.
Внедрение же систем химико-технологического мониторинга — СХТМ по изложенной в исследовании методологии дает возможность за счет внедрения «пилотной» СХТМ (т.е. минимально достаточной ее части) минимизировать потери от неудовлетворительно организованного водно-химического режима, а затем, основываясь на принципе окупаемости, развивать «пилотную» СХТМ до полной ее модели. Важной частью для адаптации персонала к внедряемой методологии на первом этапе осуществления контроля и управления ВХР ТЭС является предлагаемая к внедрению разработанная учебная программа и модель мобильного диагностического радиокомплекса.
Состояние и тенденции совершенствования качества водно-химических и теплоэнергетических режимов
Как известно, вода и водяной пар являются растворителями различных веществ неорганического и органического характера, неизбежно попадающих в тракт электростанций и определяющих среду, которая оказывает влияние (положительное или отрицательное) на работу элементов оборудования. Задачей водно-химического режима ТЭС различного типа и является минимизация в водных и паровых средах концентраций веществ, вредных для оборудования (образующих отложения, оказывающие коррозионно-агрессивные воздействия на поверхности), и оптимизация концентраций полезных веществ, как правило, специально вводимых в контур энергоблока.
История развития теплоэнергетики — это история повышения параметров пара. С начала 60-х годов в отечественной энергетике начался быстрый переход к сверхкритическим параметрам, а концу 80-х годов наша страна. имела опыт освоения и использования энергоблоков сверхкритических параметров (СКП) больший, чем кто-либо другой [1]. В настоящее время теплоэнергетика начинает делать шаги к переходу к энергоблокам суперсверх-критических параметров (ССКП): ЗОМПа, 600С, затем 35МПа, 650С.
Повышение параметров пара - это один из наиболее эффективных способов повышения КПД ТЭС [2]. Однако с повышением параметров пара существенно повышаются требования к качеству водно-химического режима, поэтому стремление повысить надежность теплоэнергетического оборудования за счет повышения качества теплоносителя являлось и является одной из наиболее приоритетных задач эксплуатационников и ученых, что обуславливало процессы совершенствования водно-химического режима на тепловых электростанциях и в первую очередь для котлов СКП.
От качества водно-химического режима, наличия примесей в конденсате, питательной воде и паре и их количества зависят коррозионные процессы практически по всему тракту энергоблока [3], в особенности в зоне максимальных тепловых потоков на внешних стенках экранных труб, так как чем хуже качество ВХР, тем выше уровень отложений на внутренних стенках труб, тем выше в этой части температура металла поверхности нагрева. Для металла труб нижней радиационной части (НРЧ) котлов СКП (перлитные слаболегированные стали) допустима предельная температура 585С [4].
Отложения в трубах приводят к соответствующему росту температур металла, величина которой согласно [5] определяется по формуле С =1 среды + Я. a2+ l( om.J Кт.Т (1.1) Из уравнения (1.1) следует, чтс необходимо методами улучшения качества водно-химического режима добиваться высокой теплопроводности отложений и малой их толщины. Из уравнения (1.1) видно, что температура металла НРЧ тем выше, чем меньше коэффициент теплоотдачи от металла к охлаждающей его среде. В свою очередь, интенсивность теплообмена зависит от плотности среды. Между тем, несмотря на однофазность среды в области НРЧ при изменении температуры среды всего на 80С, происходит резкое снижение плотности среды (более чем в 3 раза). Эта зона, называемая зоной максимальной теплоемкости, важна также в связи с тем, что при средней температуре потока, меньшей, чем 360С, у самой стенки температура может быть выше, т. е. пристенный слой может быть уже в зоне максимальной теплоемкости. Высокие температуры стенки способствуют выпадению отложений на ней. Необходимо поэтому обеспечить такие массовые скорости среды, чтобы было достигнуто выравнивание температур потока по сечению труб. Высокие тепловые нагрузки интенсифицируют коррозионные процессы. Поэтому следует стремиться к возможно более равномерному распределению топочных нагрузок, т. е. не допускать значительных местных увеличений теплового потока.
Так как отложения в НРЧ лишь частично связаны с коррозией собственно труб НРЧ, а в основном определяются приносом продуктов коррозии из конденсатно-питательного тракта, то необходима оптимизация водного режима этой части блока. На конденсатно-питательном тракте происходит нарастание концентраций продуктов коррозии конструкционных материалов [6-8]. Но в отложениях могут оказаться и естественные примеси воды. Поэтому для блоков с прямоточными котлами СКП обязательны 100%-ная кон-денсатоочистка и подготовка добавочной воды путем трехступенчатого обессоливания.
Качество пара на входе турбину должно обеспечить минимальные отложения в проточной части, особенно в головной части машины [9-15]. Это тоже одна из задач рациональной организации водного режима котлов СКП. Сложность ее обеспечения связана с высокими параметрами пара, выдаваемого на турбину (24,0 МПа и 545 С), при которых значительна растворимость веществ в паре, особенно медистых соединений.
Изначально, все котлы СКП эксплуатировались на гидразинно-аммиачном водно-химическом режиме (ГАВР), что вызывало определенные трудности, связанные с обеспечением надежной работы топочных экранов, прежде всего - нижней радиационной части [16]. Как показали результаты исследований, проведенных специалистами НПО ЦКТИ на котлах различных типов, при применявшемся в то время ГАВР и использовании в системе регенерации ПНД, выполненных из латунных сплавов, происходит систематический рост температуры экранных труб, обусловленный формированием низкотеплопроводных внутренних отложений, состоящих в основном из оксидов железа (80-90%), небольших количеств оксидов меди (до 2%) и других соединений [17-20]. Это требовало проведения частых химических промывок, безусловно усложняющих эксплуатацию и ухудшающих экологическую обстановку на электростанции и в районе ее расположения [21].
Ситуация существенно изменилась с внедрением на энергоблоках СКП кислородных водных режимов (кислородный водный режим (КВР), подразделяющийся на нейтрально-кислородный водный режим (НКВР) и кислородно-аммиачный водный режим (КАВР)). К середине 90-х годов прошлого столетия кислородный водный режим стал достоянием отрасли и был внедрен на всех котлах СКП в России [16, 22]. Это неоспоримый прогрессивный шаг вперед на пути повышения надежности работы поверхностей нагрева котлоагрегатов.
Применение кислородного ВХР [23, 24] кардинальным образом изменило динамику и закономерность образования отложений, привело к резкому снижению интенсивности образования этих отложений и роста температуры экранных труб, что позволило значительно увеличить межпромывочный период котлов СКП. Одновременно удалось улучшить экологические показатели электростанций за счет исключения из технологии гидразина, исключения или уменьшения количества используемого аммиака и значительного сокращения реагентов на регенерации фильтров и на проведение кислотных промывок, нейтрализации и пассивации трактов котолагрегатов [25].
Анализ возможности работы котельной установки на повышенной мощности при снижении скорости образования отложений
Водный режим пароводяного контура, как уже было сказано, оказывает влияние на теплотехнические характеристики котельной установки. Это влияние проявляется, прежде всего, через изменение коэффициента теплопередачи поверхности теплообмена котла [75-77]. При водно-химическом режиме, приводящем к интенсивному образованию отложений неизбежно заметное снижение коэффициента теплопередачи, что приводит к росту температуры теплоносителя. В котлоагрегате это может, в конце концов, привести к пережогу труб поверхности теплообмена.
С ростом отложений и соответственно при снижении коэффициента теплопередачи происходит смещение температур газовой стороны по оси абсцисс, в сторону увеличения (пунктирная линия на рис. 2.4). Причем, дельта температур продуктов горения на входе и на выходе топки остается постоянной. Следует отметить, что изменение коэффициента теплопередачи не оказывает никакого влияния на температуры рабочей среды, т.е. они остаются постоянными, так же как и количество переданной теплоты.
Последнее выражение является условием работы топки котла на постоянной тепловой мощности при изменении коэффициента теплопередачи. В качестве примера рассмотрен прямоточный котел ТГМП-314, изготовленный на Таганрогском заводе, и рассчитанный на сжигание жидкого и газообразного топлива. 1000 т/ч 25МПа 550/545 С 270 С Его номинальные параметры : Паропроизводительность Давление перегретого пара Температура перегретого пара Температура питательной воды Таблица 2.4 Начальные данные для расчета: Наименование Размерность Обозначение Значение Температура продуктов горения на входе С t. 2248 на выходе С t," 1193 Температура рабочей среды на входе С t2 289 на выходе С t2" 423 Расход топлива кг/с В 18,62 Расход питательной воды кг/с G 277,8 Средний тепловой поток на стенке топки Вт/м2 „ тЧл 197700 Площадь топки м2 F 2151,5 Начальные данные были получены из расчета тепловой схемы котла, проведенного с помощью программы РК25М (кафедра КУиЭЭ) [77]. В таблице 2.5 приведены результаты расчета температуры продуктов горения на входе в топку и коэффициента теплопередачи в зависимости от величины принятого запаса в поверхности теплообмена.
Анализ полученных данных (табл. 2.5) позволяет утверждать, что в начальный период времени благодаря имеющемуся запасу в поверхности теплообмена экранов топки рабочий температурный режим продуктов горения находится в «щадящей» зоне. Это делает возможным разовое ,л увеличение тепловой мощности котла без снижения надежности поверхностей нагрева. При внедрении системы химико-технологического мониторинга водно-химического режима запас в поверхности теплообмена может быть использован для повышения тепловой мощности котла наиболее эффективным образом. В таблице 2.6 приведены результаты расчета возможного повышения тепловой мощности котла за счет использования запаса в поверхности теплообмена при снижении скорости ухудшения теплопередачи.
При наличии СХТМ повышается культура ведения водного режима, благодаря чему скорость ухудшения коэффициента теплопередачи удается снизить. Высвободившийся запас поверхности теплообмена, заложенный еще на стадии проектирования котла, целесообразно использовать, как уже было сказано, например, для повышения тепловой мощности котла. Ясно, что это приведет к увеличению расхода топлива, но точно также ясно, что с точки зрения общей экономичности увеличение мощности выгодно.
Повреждаемость поверхностей нагрева котлов ТЭС является одной из наиболее острых отраслевых проблем и наиболее частой причиной аварийных остановов котлов и энергоблоков и составляет около 60% [57] от общего числа нарушений в работе оборудования.
Как известно, повреждаемость поверхностей нагрева зависит от следующих факторов: состояния водно-химического режима, наличия отложений на внутренних стенках поверхностей нагрева, наличия (или отсутствия) автоматического химконтроля, правильного учета особенностей используемого топлива и режима его горения, наличия автоматического контроля состояния металла, уровня технического обслуживания поверхностей нагрева, включая их замены, а так же качества работы оперативного персонала, отношения к состоянию водно-химического контроля технического руководства и специалистов электростанции. В то же время известно, что причинами повреждения поверхностей нагрева котлоагрегатов является в большей степени одновременное воздействие приведенных факторов, то есть максимальный вред происходит при их сочетании.
Разработка мобильного диагностического радиокомплекса для проведения обследований
Важную роль в организации оперативного и достоверного контроля играют переносные, мобильные приборы химического контроля. Для получения более полной и достоверной информации о протекающих химико-технологических процессах в тракте во время пуска необходимо обеспечить вывод информации с датчиков переносных приборов на ПЭВМ.
Современное развитие приборов и возможности, предоставляемые современной радиоэлектроникой [81-85] и компьютерными технологиями, в совокупности открывают широкий путь для совершенствования технологических процессов на ТЭС, накопления информации об этих процессах и ее анализа.
В рамках выполнения ряда проектов в Московском энергетическом институте специалистами кафедр РПУ и ТВТ были проведены работы по созданию информационного аппаратно-программного комплекса для сбора, обработки и представления оператору информации в цифровом и графическом виде, а также для накопления и архивирования информационных параметров в базе данных. Для реализации проектов были избраны беспроводные цифровые каналы радиосвязи от измерительных преобразователей (датчиков) до компьютера оператора (центрального поста), что позволяет провести разработку, монтаж и наладку комплексов без нарушения непрерывного рабочего процесса на ТЭС и с минимальным объемом подготовительных работ на ТЭС по установке нового оборудования. Кроме того, беспроводное решение позволяет сделать комплекс быстро развертываемым на объекте, например, при проведении диагностических и ремонтных работ.
Радиокомплекс разрабатывался как малогабаритный мобильный диагностический беспроводной информационно-измерительный комплекс для оперативного экспресс-контроля параметров тепловых и атомных электростанций [86]. Этот комплекс решает следующие задачи: - сбор, обработка и представление информации о качестве водного теплоносителя с использованием малогабаритных переносных приборов химического теплового контроля; - коррозионную диагностику оборудования, находящегося в контакте с теплоносителем и прогнозирование развития коррозионных процессов; - диагностику выявления влияния состава водного теплоносителя на процессы формирования и смыва отложений на внутренних поверхностях; - создание базы данных по физико-химическому составу водного теплоносителя и тепловых параметрах данного оборудования; - моделирование развития нарушений при изменении качества теплоносителя с учетом динамики объекта; - анализ изменения качества теплоносителя с использованием пакета прикладных программ прогнозирования развития нарушения.
Принцип функционирования такой информационной системы состоит в следующем. Управляющая программа основного канала связи, установленная на рабочей станции ЦП АРМ МК, осуществляет последовательный опрос дежурных постов, что приводит к их инициализации, начиная с первого поста. Такой способ построения системы называется маркерным, поскольку в пакете запроса, который формируется с помощью управляющей программы, указывается адрес дежурного поста — измерительного модуля. Всего в системе используется три дежурных поста, к каждому из которых подключается по четыре преобразователя. Микроконтроллер ДП во время сеанса радиосвязи с ЦП осуществляет прием пакета запроса и формирование пакета ответа в соответствии с принятым форматом.
Пакет ответа, сформированный микроконтроллером ДП, с помощью радиомодема направляется по основному каналу связи в ЦП АРМ МК, где обрабатывается ПЭВМ. Полученная информация в виде некоторого множества соответствующих файлов используется далее для формирования базы данных с помощью СУБД типа Access или FoxPro;
Управляющая программа комплекса, созданная в среде WINDOWS 98, обеспечивает формирование и передачу пакетов запроса на измерительные модули, прием и обработку информации, получаемой от измерительных модулей, отображение полученной информации в числовом и графическом виде (рис 3.5.), формирование файлов баз данных на основании полученных результатов измерений, а также тестирование аппаратной части комплекса. Файлы данных впоследствии могут считываться и обрабатываться любыми профаммами пакета Microsoft Office, СУБД dBase, Paradox, Fox Pro и др.
Удаленный дежурный пост имеет следующие технические характеристики: - число подключаемых датчиков до 8 шт.; - относительная пофешность оцифровки сигнала датчика не более 0,5%; - минимальный период измерений по 8-ми каналам 3 секунды; - потребляемая мощность не более 2,5 Вт; - ресурс автономной работы от встроенного аккумулятора 4 часа; - вес радиоблока с аккумулятором 0,7 кг; - расстояние связи с ЦП не менее 30 метров.
Разработка системы химико-технологического мониторинга ТЭС
Существующая структура сбора данных по состоянию ВХР с ручной регистрацией в сменных журналах и суточных ведомостях имеет недостаточную представительность из-за существующих субъективных погрешностей, низкой оперативности и недостатках в обработке информации. Большой суточный и ежесменный объем данных в нормативном режиме эксплуатации и при нарушениях практически исключают возможность оперативной диагностики ВХР, а анализ за длительные интервалы времени ставится в прямую зависимость от квалификации оператора-технолога. Таким образом, вся организационная структура обработки информации до внедрения СХТМ была направлена на констатацию факта нарушения ВХР, а не на диагностику состояния и прогнозирования тех или иных технологических ситуаций.
Система сбора, обработки и представления информации по ВХР с применением средств вычислительной техники позволяет собрать информацию от установленных приборов теплотехнического и автоматического химкон-троля в темпе с процессом. Кроме того, предусматривается возможность ручного ввода информации по данным лабораторного химического контроля, а также осуществление прогнозирования и диагностики состояния ВХР и основного и вспомогательного оборудования ГРЭС.
Использование современной вычислительной техники позволяет решить не только задачу сбора информации на высоком уровне представительности, но и организовать систематизацию и классификацию данных по состоянию ВХР — создание базы данных (БД). БД позволяет выявить наиболее уязвимые, с точки зрения ВХР, участки тракта, оценить информативность и достоверность параметров ВХР для задач оперативного управления, выявить параметры, требующие внимательного контроля, оценить качество ведения ВХР за определенный интервал времени (сутки, месяц, год) и выработать рекомендации по оптимизации ВХР.
СХТМ является подсистемой АСУ ТП ТЭС. Система строится по распределенному принципу и служит для сбора, обработки информации о ВХР конденсатно-питательного тракта, а также выдачи рекомендаций по оптимальному ведению ВХР.
Средства вычислительной техники (СВТ) решают следующие задачи: - первичная обработка информации; - сравнение с нормами; - слежение за нарушением допустимых пределов изменения параметров; - статистическая обработка информации; - анализ ВХР; - диагностика задачи. Потребителями информации являются: - главный инженер станции; - начальник смены станции; - начальник смены блоков; - начальник смены химического цеха; - начальник химической лаборатории; - начальник химического цеха; - начальник цеха ТАИ.
Обмен информацией (получение информации о химических и теплотехнических параметрах, влияющих на ВХР, а также передача информации о состоянии ВХР) должен осуществляется с использованием средств АСУТП ТЭС.
Информация в систему поступает непрерывно от приборов АХК и теплотехнического контроля, а также ручным вводом в ПЭВМ результатов анализов лабораторного химического контроля.
СХТМ представляет собой двухуровневую распределенную систему (рис. 4.1). Нижний уровень строится на базе микропроцессорных технологических контролеров типа ТКМ-51, объединенных в технологическую сеть. Информация от приборов автоматического химического контроля поступает в систему через устройства связи с объектом контроллеров ТКМ-51. ПЭВМ нижнего уровня также подключается к технологической сети и обеспечивает передачу данных по ВХР на второй уровень СХТМ. На этой ПЭВМ реализуется автоматизированное рабочее место оператора-технолога.
ПЭВМ второго уровня оснащается пакетом прикладных программ, обеспечивающих формирование базы данных, проведение анализа и диагно стики ВХР. На мониторе этой ПЭВМ по запросу в удобном для пользователя виде отображается информация о текущем состоянии ВХР.
Документирование статистической информации проводится с помощью ПЭВМ. В объем выходной информации входят следующие данные: - средние значения показателей ВХР за смену, сутки, месяц, год; - разброс значений параметров ВХР; - начало и окончание отклонений параметров АХК за время отключения и максимальная скорость их изменения; - количество отклонений параметров ВХР в течении смены, суток, месяца, года; - количество нарушений ВХР за смену, сутки, месяц, год; - информация о недостоверных параметрах АХК. Режим функционирования системы непрерывный, круглосуточный. Диагностирование системы осуществляется посредством тестовых проверок с помощью специальных программ.
