62 УДК 621.18-5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА НА СРОК СЛУЖБЫ МЕТАЛЛА ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ КОТЛОВ Докт. техн. наук, проф. КУЛАКОВ Г. Т., асп. ГОРЕЛЫШЕВА М. Л. Белорусский национальный технический университет Государственная комплексная программа модернизации основных про- изводственных фондов Белорусской энергетической системы утверждена в 2005 г. Износ основных производственных фондов по системе в целом составил 60,7 % [1]. В связи с этим актуальной становится проблема сни- жения износа основных производственных фондов, в том числе за счет увеличения долговечности (срока службы) металла пароперегревателя кот- 63 лов. Поэтому особый интерес вызывает определение зависимостей изме- нения 63 срока службы металла от качества регулирования. Увеличение срока служ- бы металла пароперегревателя зависит от качества регулирования темпера- туры перегретого пара котлов, работающих в широком диапазоне измене- ния нагрузок. Существуют различные методы решения этой проблемы. В [2] представлен сравнительный анализ качества регулирования и чув- ствительности систем с оптимальным по быстродействию регулятором и ПИД-регулятором на примере системы автоматического регулирования температуры перегретого пара прямоточного котла ТПП-210. Исследова- ние эффективности алгоритмов максимального быстродействия рассмат- ривается в сопоставлении с ПИД-алгоритмом. Параметры оптимальной динамической настройки ПИД-регулятора рассчитаны для корневого пока- зателя запаса устойчивости m = 0,366 и косвенного критерия оптимально- сти kр/Ти → max (m – степень колебательности; kр – коэффициент усиления регулятора; Ти – постоянная времени интегрирования). Эти настройки обеспечивают минимальное значение дисперсии при низкочастотных слу- чайных воздействиях и минимальное значение линейного интегрального критерия качества регулирования при ступенчатых воздействиях. Результаты исследований в [2] подтверждают возможность применения прогностических алгоритмов максимального быстродействия в замкнутом контуре регулирования объектов с запаздыванием, подверженных дей- ствию случайных или ступенчатых возмущений. Описываемые алгоритмы оптимального по времени регулятора и прогностической функции дают меньшее время переходного процесса по сравнению с ПИД-регулятором и существенно меньшее значение среднеквадратичного отклонения (дис- персии). Автоматическая система регулирования температуры перегретого пара должна гарантировать в регулировочном диапазоне изменения нагрузок котла: устойчивую работу автоматических регуляторов впрысков (отсут- ствие автоколебаний) и ограниченную частоту их включения; протекание переходных процессов, вызываемых скачкообразным изменением нагрузки на 10 % (при исходной номинальной нагрузке), с максимальным отклоне- нием температуры свежего пара на выходе из котла на 8 ºС, для промежу- точного пара – 10 ºС и значениями интегрального квадратичного критерия соответственно 5000 и 10000 (ºС)2∙с [3]. Точность поддержания заданного значения температуры свежего пара на выходе из котла существенно влияет на экономичность, надежность и долговечность его работы. Так, повышение температуры пара на 1,0 ºС снижает долговечность пароперегревателя из стали 12Х1МФ на 3 %. На практике требуется, чтобы отклонение регулируемой величины бы- ло не просто приемлемым, т. е. не превышало заранее заданного, достаточ- но малого значения, а оптимальным. Если это требование выполняется, то система принимается к реализации, если нет, то необходимо менять алго- ритм работы системы, ее информационную структуру или изменять кон- струкцию объекта управления [4]. Статистические методы оценки качества системы автоматического ре- гулирования (САР) используются для оценки технико-экономической эф- 64 фективности САР за счет повышения экономичности, надежности и долго- вечности работы оборудования [5, 6]. В качестве типовой системы регулирования температуры перегретого пара в настоящее время применяется САР с дифференциатором и устрой- ством коррекции параметров динамической настройки (УКПДН) в широ- ком диапазоне изменения нагрузки (рис. 1) [7]. Рис. 1. Структура типовой САР регуляторов впрысков: КПП I, КПП II – первая и вторая части конвективного пароперегревателя; Wвпр1, Wвпр2 – расход питательной воды соответ- ственно на первый и второй впрыски; t0, t1, t2, t3 – температуры перегретого пара соответ- ственно за котлом, за местом первого впрыска, за КПП I, за местом второго впрыска; ЗРУ – задатчик ручного управления; РЕГ1, РЕГ2 – регуляторы первого и второго впрысков; ДИФ1, ДИФ2 – дифференциаторы первого и второго впрысков; РК1, РК2 – регулирующие клапаны первого и второго впрысков; ДП – датчик положения РК2; ДТЛ – датчик типа люфт; Д – датчик расхода пара; УКПДН – устройство коррекции параметров динамической настройки САР Различные методы расчета параметров оптимальной динамической настройки САР с дифференциатором приведены в [8–10]. Для улучшения качества регулирования температуры перегретого пара за котлом в широ- ком диапазоне изменения нагрузок применяют УКПДН, которое в функции расхода пара Д корректирует параметры динамической настройки регуля- торов и дифференциаторов в функции нагрузки котла. При больших внеш- них возмущениях изменением нагрузки котла датчик типа люфт ДТЛ по сигналу датчика положения ДП о 100%-м открытии регулирующего клапа- на РК2 конечного впрыска корректирует задание РЕГ1, регулирующее воз- действие которого, суммируясь с регулирующим воздействием на впрыск Wвпр2, улучшает качество регулирования конечного впрыска. На рис. 2 представлены графики оптимальных переходных процессов САР конечного впрыска энергоблока 300 МВт Лукомльской ГРЭС при разных уровнях нагрузки: 100; 50 и 30 %, при которых система настроена оптимально на отработку наиболее опасного крайнего внешнего возмуще- ния расходом пара на соответствующую нагрузку. В качестве исходных данных использовались динамические характери- стики пароперегревателя котла ТГМП-314 Лукомльской ГРЭС, приведен- t2 t1 t3 t0 Wвпр2 Wвпр1 65 ные в [1]. Расчет параметров оптимальной динамической настройки конеч- ного впрыска для трех уровней нагрузки произведен по методике [9]. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 t, с Рис. 2. Переходные характеристики по отклонению температуры перегретого пара за кот- лом ТГМП-314 от номинального заданного значения ∆t0 при возмущении расходом пара для разных уровней нагрузок: 1 – 100%-й; 2 – 50%-й; 3 – 30%-й Моделирование переходных процессов замкнутой САР проводилось с использованием методики расчета переходных процессов, приведенной в [7]. Из анализа графиков переходных процессов (рис. 2) следует, что даже при оптимальных параметрах динамической настройки регуляторов впрыска качество регулирования температуры перегретого пара за котлом с уменьшением нагрузки ухудшается. Так, максимальная динамическая ошибка регулирования 4,1 ºС при 30%-й нагрузке котла на 20 % больше, чем при 100%-й, а интегральный квадратичный критерий качества при 100%-й нагрузке составит 4600 ºС2, а при 30%-й – 9370 ºС2, что не соот- ветствует правилам технической эксплуатации тепловых электрических станций. По результатам обработки суточных диаграмм средняя дисперсия тем- пературы перегретого пара за котлом при 100- и 30%-й нагрузках типовой САР составляла соответственно 10,3 и 16,8 (ºС)2; при ручном управлении и 30%-й нагрузке – 25,9 (ºС)2; а в усовершенствованной САР за счет суще- ственного улучшения качества регулирования при 30%-й нагрузке – 6,5 (ºС)2. Таким образом, за счет улучшения качества регулирования температу- ры перегретого пара за котлом, например путем приближения переходной характеристики при 30%-й нагрузке (кривая 3) к переходной характеристи- ке при 100%-й нагрузке (кривая 1) в усовершенствованной САР, можно существенно увеличить срок службы металла пароперегревателя (рис. 2). Исследуем влияние изменения качества регулирования температуры перегретого пара на срок службы металла пароперегревателя. При расчете технического эффекта по технологическому оборудованию от усовершен- ствования САР необходимо определение средних значений и дисперсии температуры перегретого пара для разных способов регулирования (руч- ное, типовая САР, усовершенствованная САР). Отношение времени до разрушения металла пароперегревателя для ти- повой САР при ручном управлении и в усовершенствованной САР нахо- дим по формулам [6]: ∆t0 4 3 2 1 66 1 1 2 2 1 , 1t a a ψ = + α + α (1) где ψ t – отношение времени до разрушения металла; α1 – средневзвешен- ное по нагрузке относительное значение математического ожидания для ручного управления в типовой и усовершенствованной САР; α2 – средне- взвешенное по нагрузке значение дисперсии для ручного управления в ти- повой и усовершенствованной САР; а1, а2 – коэффициенты, определяемые характеристиками длительной прочности сталей, 1 мо 2,3 ;iba T = (2) 1 2 1 2 , 2 aa a −= (3) где bi – коэффициент, характеризующий длительную прочность стали, зависящий от марки стали (например, для стали 12Х2МФСР bi = 34500, а для стали 12Х1МФ bi = 25400); Тмо – расчетное значение температуры металла, K, Тмо = tпо + Δtα2 + 0,5Δtλ + 273 K, (4) где, по данным тепломеханического расчета: расчетная температура пара tпо = 545 ºС; значения перепадов температур соответственно в стенке и от рабочей среды к стенке Δtα2 = 15 ºС; Δtλ = 4 ºС, 2 2 1 2 по 2,1 , ( 273) D t α = α + + (5) где D – средневзвешенное по нагрузке относительное значение дисперсии для ручного управления при 30%-й нагрузке D = 25,9 (ºС)2; в типовой САР при 30%-й нагрузке D = 16,8 (ºС)2, а при 100%-й нагрузке D = 10,3 (ºС)2; в усовершенствованной САР при 30%-й нагрузке D = 6,5 (ºС)2. После подстановки исходных данных в формулы получаем следующие значения: Тмо = 835 K; а1 = 95,03; а2 = 4420. С учетом полученных значений а1, а2, α2 (табл. 1) находим отношение времени до разрушения металла. По данным ТЭС, реальное время работы оборудования от начала эксплуатации до момента усовершенствования САР τ0 = 18200 ч; среднегодовое время работы технологического оборудо- вания до момента внедрения САР h1 = 5500 ч. Расчет срока службы металла поверхностей нагрева котла, остающегося в эксплуатации после внедрения усовершенствованной САР, рассчитыва- ется по формулам [6]: 0 к 1 14,3 ;t h ψ τ τ = − ψ (6) 67 н н , t t ψ τ = τ ψ (7) где τ, τн – соответственно срок службы металла первоначального и нового вариантов; ψк – коэффициент коррекции: для стали 12Х2МФСР ψк = 0,7; для стали 12Х1МФ ψк = 0,79. Таблица 1 Исходные и расчетные данные для определения зависимости срока службы металла от величины дисперсии D, (ºС)2 α2 Ψ1 Ψ2 τ1 τ2 25,9 0,00011 0,895 1,014 14,98 15,05 24,6 0,00011 0,922 1,033 15,52 15,38 23,3 0,0001 0,950 1,051 16,09 15,72 22,0 9,3E-05 0,978 1,070 16,67 16,05 20,7 8,7E-05 1,008 1,089 17,28 16,39 19,4 8E-05 1,039 1,108 17,91 16,74 18,1 7,3E-05 1,070 1,127 18,56 17,09 16,8 6,7E-05 1,103 1,146 19,23 17,44 15,5 6,1E-05 1,137 1,166 19,93 17,79 14,2 5,5E-05 1,173 1,185 20,65 18,15 13,0 4,9E-05 1,209 1,205 21,39 18,50 11,7 4,3E-05 1,247 1,225 22,16 18,86 10,3 3,8E-05 1,285 1,245 22,95 19,22 9,1 3,3E-05 1,325 1,264 23,76 19,58 7,8 2,7E-05 1,366 1,284 24,60 19,94 6,5 2,2E-05 1,409 1,304 25,46 20,29 Формула для определения увеличения срока службы металла с н .τ = τ − τ (8) Будем изменять величины дисперсий от значений при ручном управле- ния при 30%-й нагрузке до значения дисперсии усовершенствован- ной САР. Введем дополнительное обозначение: ψ1, ψ2 – отношение време- ни до разрушения металла пароперегревателя соответственно для стали 12Х2МФСР и 12Х1МФ; τ1, τ2 – срок службы металла соответственно для стали 12Х2МФСР и 12Х1МФ. Исходные и расчетные данные приведены в табл. 1. С использованием табличных данных были построены графические за- висимости срока службы металла от значений дисперсии для разных типов сталей. Используя формулы (7) и (8), можно получить численные значения увеличения срока службы металла пароперегревателя. Так, при переходе от ручного управления к типовой САР при 30%-й нагрузке срок службы ме- талла для стали 12Х2МФСР увеличивается на 3,48 года; для стали 68 12Х1МФ – на 1,96 года. При переходе от типовой к усовершенствованной САР при 30%-й нагрузке срок службы металла для стали 12Х2МФСР уве- личивается на 5,33 года; для стали 12Х1МФ – на 2,4 года (рис. 3). Рис. 3. Зависимость срока службы металла от величины дисперсии: 1 – для стали 12Х2МФСР; 2 – 12Х1МФ В Ы В О Д Ы 1. Проведенные исследования показали, что изменение условий работы металла КПП за счет улучшения качества регулирования приводит к суще- ственному увеличению времени, которое остается до исчерпания срока службы поверхности нагрева пароперегревателя. 2. Переход от ручного управления к типовой САР впрысков котлоагре- гата ТГМП-314 при 30%-й нагрузке позволит увеличить срок службы ме- талла для стали 12Х2МФСР на 3,48 года; для стали 12Х1МФ – на 1,96 года. 3. Применение усовершенствованной САР даже при 30%-й нагрузке позволяет увеличить срок службы металла пароперегревателя по сравне- нию с типовой САР при 100%-й нагрузке для стали 12Х2МФСР на 2,21 года; для стали 12Х1МФ – на 0,91 года. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Г о с у д а р с т в е н н а я комплексная программа модернизации основных произ- водственных фондов белорусской энергетической системы, энергосбережения и увеличения доли использования в республике собственных топливно-энергетических ресурсов в 2006– 2010 гг.: Указ Президента Респ. Беларусь, 25 авг. 2005 г., № 399. – Минск, 2006. 2. К а ч а р о в с к и й, Д. Н. Сравнение эффективности прогностического алгоритма максимального быстродействия и ПИД-алгоритма в замкнутой системе автоматическо- го регулирования / Д. Н. Качаровский, Г. А. Пикина // Теплоэнергетика. – 2007. – № 1. – С. 62–68. 3. К л ю е в, А. С. Наладка систем автоматического регулирования барабанных паро- вых котлов / А. С. Клюев, А. Т. Лебедев, С. И. Новиков. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 280 с. D, (ºС)2 69 4. Р о т а ч, В. Я. Расчет параметров систем автоматического управления при высо- кой точности их функционирования / В. Я. Ротач // Теплоэнергетика. – 2006. – № 10. – С. 17–19. 5. П л е т н е в, Г. П. Автоматическое регулирование и защита теплоэнергетических установок: учеб. для энергетических и энергостроительных техникумов / Г. П. Плетнев. – 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Энергия, 1976. – 424 с. 6. С в и р и н, Ю. П. К вопросу оптимизации системы регулирования температуры пе- регретого пара из учета надежности работы металла пароперегревателя / Ю. П. Свирин, В. А. Птичкин, Г. Т. Кулаков // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений). – 1972. – № 9. – С. 139–142. 7. А в т о м а т и ч е с к о е регулирование технологических процессов котлоагрегатов ПГУ-215 Березовской ГРЭС // Энергетика и ТЭК. – 2006. – № 3. – С. 36–38. 8. К у л а к о в, Г. Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем ре- гулирования: спр. пособие / Г. Т. Кулаков. – Минск: Вышэйш. шк., 1984. – 192 с. 9. К у л а к о в, Г. Т. Анализ и синтез систем автоматического регулирования / Г. Т. Ку- лаков. – Минск: УП «Технопринт», 2003. – 135 с. 10. К у з ь м и ц к и й, И. Ф. Теория автоматического управления: учеб. пособие для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» / И. Ф. Кузьмицкий, Г. Т. Кулаков. – Минск: БГТУ, 2006. – 486 с. 11. К у л а к о в, Г. Т. Теоретические основы экспресс-методов структурно-пара- метрической оптимизации систем автоматического управления для повышения эффектив- ности использования теплоэлектростанций в переменных режимах: дис. … д-ра техн. наук / Г. Т. Кулаков. – Минск, 1989. – 295 с. Представлена кафедрой ТЭС Поступила 12.02.2009 УДК 621.311.22 К ВОПРОСУ РЕКОНСТРУКЦИИ ДЫМОВЫХ ТРУБ Канд. техн. наук, проф. АКЕЛЬЕВ В. Д., канд. техн. наук СИЗОВ В. Д., магистрант ПИТИРИМОВ В. В. Белорусский национальный технический университет Исследованиям процессов низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева котельных агрегатов, дымовых труб посвящены работы А. К. Виер- кова, В. Ш. Магадаева, Р. А. Петросяна, А. Ф. Гаврилова, И. И. Стрихи и др., в которых представлены результаты исследований по вопросам ме- ханизма образования коррозионных агентов в продуктах сгорания серосо- держащих топлив, взаимодействия образующейся серной кислоты с внут- ренними поверхностями дымовых труб с учетом теплообменных процес- сов, влияющих на их эффективную работу и долговечность. Для обоснованного выбора материалов в целях защиты низкотемпера- турных поверхностей футеровок дымовых труб необходимо иметь досто- верные сведения об агрессивности дымовых газов, общепринятым показа- телем которой в отношении низкотемпературной коррозии является со-