Гидравлические режимы работы теплостанций при отключениях и включениях сетевых насосов

К.т.н. И.Г. Вайнер, с.н.с., НПФ «Эксперт»

к.т.н. Л.П. Канина, руководитель группы, Г.А. Чапкина, инженер

филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Фирма ОРГРЭС», г. Москва

Рассмотрены переходные гидравлические процессы в реальной системе теплоснабжения с районной тепловой станцией при аварийном отключении одного из двух рабочих сетевых насосов. Показано, что при автоматическом включении резервного насоса обеспечивается сохранение теплостанции в работе, а изменения давлений в тепловой сети не выходят за пределы допустимых.

Введение

Сетевые насосы тепловых станций относятся к ответственным механизмам. Поэтому при провалах напряжения в электрической сети должно быть обеспечено восстановление режима их работы за время, меньшее выдержек времени защит котлов по расходу и давлению (до 10 с).

В схемах управления электродвигателями сетевых насосов (СН) для решения указанной проблемы предусматривается режим самозапуска. Эффективность его (сохранение нормального режима работы станции при возмущениях со стороны электрической сети) систематически наблюдается в практике эксплуатации тепловых станций.

Но при внедрении регулируемого электропривода сетевых насосов (установке преобразователей частоты - ПЧ) самозапуск двигателя от сети исключается. Его призван заменить подхват выбегающего двигателя преобразователем частоты (рестарт). К настоящему времени реализация этой функции на установленных ПЧ является проблематичной. К тому же необходимо отметить следующее.

1. За время перерыва электроснабжения насос может сильно уменьшить частоту вращения и его запуск будет почти таким же, как пуск из остановленного состояния.

2. При современной системе управления ПЧ обеспечивается номинальный момент двигателя. Это означает, что при пуске от сети и от ПЧ будет одинаковой динамика разгона двигателя до частоты, равной 50% номинальной, т.к. до этой частоты момент асинхронного двигателя близок к номинальному.

3. Быстрый рестарт ПЧ сетевого насоса позволит сохранить технологический процесс только при провалах напряжения в электрической сети и работе основных защит. В случае же отказа ПЧ или затягивания времени идентификации состояния выбегающего двигателя сохранить циркуляцию воды через котлы можно только переключением электродвигателя насоса на сеть, или, что по характеру переходного процесса практически то же самое, автоматическим включением резервного насоса.

Следовательно, возможность переключения двигателя от ПЧ на сеть, или автоматическое включение резервного СН дополняет возможности рестарта ПЧ, а при его отсутствии или недостаточной эффективности является необходимым мероприятием для обеспечения надежной работы тепловой станции.

Однако автоматическое включение резервных СН на тепловых станциях не используется из-за опасений возникновения гидравлических ударов. В то же время имеются возможности расчетным путем определить величины давлений в тепловой сети и убедиться в допустимости того или иного мероприятия.

Определение переходных гидравлических процессов в реальной системе теплоснабжения

гидравлический удар теплоснабжение насос

Если для расчета давлений в переходном процессе требуется моделирование всей тепловой сети, то давления в установившемся после аварийном режиме определяются графически по характеристикам насосов достаточно просто.

Пусть, например, в исходном режиме в работе находятся 2 сетевых насоса типа СЭ-1250-140-11 с общим расходом 2500 м3/ч и напором 110м в.ст. Нерегулируемый насос при таком напоре имеет подачу 1600 м3/ч (рис. 1), регулируемый -900 м3/ч. Отключение регулируемого насоса с последующим автоматическим включением резервного приведет к повышению напора насосов до 130 м в.ст., общего расхода - до 2700 м3/ч (определяется точкой пересечения квадратичной характеристики теплосети и насосов). После того как регуляторы на ЦТП приведут расход к исходному значению, подача каждого насоса снизится до 1250 м3/ч, а напор повысится до 140 м в. ст.

Персонал станции должен дросселированием уменьшить полезный напор насосов до 110 м в. ст., либо (если имеется такая возможность) увеличением расходов воды по внутренним контурам станции довести общий расход до 3200 м3/ч, при котором будет исходное давление во всей тепловой схеме. Последняя операция может быть автоматической: после автоматического включения резервного насоса включается регулятор давления, действующий на клапан перемычки на выходе станции или на клапан нагрузочной линии насосов.

Расчет переходных гидравлических режимов в системе теплоснабжения выполнялся с использованием программного комплекса, основанного на численном решении системы уравнений в частных производных, описывающих движение жидкости в трубопроводах. В работах [1-3] подробно изложены методы расчета переходных гидравлических режимов, приведены результаты расчетного и экспериментального исследования переходных гидравлических режимов, показана адекватность используемых методик расчета реальным физическим процессам.

Расчеты переходных гидравлических процессов при отключениях сетевых насосов проведены для района теплоснабжения с теплостанцией, содержащей два рабочих водогрейных котла, два рабочих сетевых насоса типа СЭ-1250-140-11, один из которых может регулироваться ПЧ.

Тепловая сеть включает в себя 50 потребителей (тепловых пунктов), 80 узлов сети, соединяемых трубопроводами Ду 700-80 мм. Расход воды в тепловую сеть (GТС) составляет 2000 м3/ч, давления в подающей и обратной линиях -Н1/H2=100/40 м в. ст., полезный напор сетевых насосов (АНп0лезн) 95 м в. ст.

Рассматривались 4 варианта режимов работы сетевых насосов, представленные в табл. 1.

В режимах 1, 2 за счет расхода воды по внутренним контурам станции (600 м3/ч) суммарная подача сетевых насосов составляет 2600 м3/ч. В режимах 3, 4 расход по внутренним контурам отсутствует и подача СН равна расходу воды в тепловую сеть.

В режимах 1, 3 оба насоса нерегулируемые и необходимый напор 95 м в. ст. достигается дросселированием располагаемых напоров (136 и 156 мв. ст. в режимах 1 и 3 соответственно).

В режимах 2, 4 СН-2 регулируется ПЧ, а СН-1 работает с полностью открытой арматурой и его подача определяется необходимым напором по характеристике на рис. 1. Следует отметить, что заводом-изготовителем характеристики насоса даны до расхода 1400 м3/ч, и на рис. 1 за пределами указанной подачи кривые напора и мощности представлены штрихами по результатам измерений на действующих тепловых станциях.

Расчетным возмущением в тепловой сети является отключение СН-2. Поскольку рассматривалась начальная часть переходного процесса, действие регуляторов на тепловых пунктах не учитывалось.

На рис. 2 показаны результаты расчетов гидравлических переходных процессов при исходных режимах 1 и 2, а на рис. 3 - при режимах 3 и 4. Кривые изменения давления у потребителя Н1п в режимах 2, 4 мало отличаются от зависимостей для режимов 1, 3 и потому на рисунках не приведены.

Основные показатели процессов приведены в табл. 2. Из таблицы видно следующее.

1. При отключении ПЧ (варианты 2, 4) снижения давлений в подающей линии тепловой сети значительно меньшие, чем при отключении нерегулируемого насоса (варианты 1, 3).

2. При отключении ПЧ повышения давлений в обратной линии тепловой сети также меньшие, чем при отключении нерегулируемого насоса и не превышают допустимого значения 60 м в. ст. (52 и 74 м в. ст. соответственно).

3. В послеаварийном режиме расходы воды через котлы (Gкотлов) в вариантах 1, 3 ниже, а в вариантах 2, 4 выше уставки срабатывания защиты 650 м3/ч, т.е. отключение ПЧ в отличие от отключения нерегулируемого насоса не приведет к погасанию котлов.

Более благоприятное протекание переходного процесса при наличии ПЧ объясняется тем, что нерегулируемый насос работает с полностью открытой задвижкой и вследствие этого в переходном режиме обеспечивает значительно больший расход воды. Разумеется, при увеличении нагрузки насосов различие в протекании переходных процессов будет уменьшаться и при работе ПЧ с частотой 50 Гц исчезнет полностью.

Однако большие (далеко за пределами рабочей зоны) расходы воды оставшегося в работе насоса могут привести к перегрузке его электродвигателя и даже к исчерпанию кавитационного запаса (на рис. 1 штрихами выполнена экстраполяция кривой кавитационного запаса). Поэтому для восстановления нормального режима теплосети не обходимо автоматически с минимальной выдержкой времени обеспечить рестарт ПЧ, а при отсутствии или отказе ПЧ - включение резервного насоса.

На рис. 4 показаны переходные процессы в тепловой сети при отключении сетевого насоса в наиболее тяжелых режимах 1, 2 и включении через 1 с резервного СН-3. При этом вместо расхода отключаемого насоса приведена зависимость расхода вновь включаемого насоса (G3).

Характерные показатели процессов при отключении СН-2 и включении СН-3 сведены в табл. 3 (максимальные значения давлений и расхода СН-1 относятся к времени включения СН-3- 1 с).

Из рис. 4 и табл. 3 видно, что изменения режимных параметров при автоматическом включении резервного насоса не превышают допустимых значений и меньшие, чем при отсутствии автоматического включения резервного сетевого насоса. Разумеется, в установившемся послеаварийном режиме давления в подающей линии тепловой сети оказываются выше исходных (степень превышения тем больше, чем большим было в исходном режиме дросселирование насосов или меньшей частота ПЧ). Но это не представляет опасности, и персонал тепловой станции регулировками вручную, либо включением резервного способа автоматического регулирования давления может привести величины давлений к нормальным.

Выводы

1. Для анализа процессов, возникающих при отключениях - включениях сетевых насосов тепло-станций, в том числе оснащенных преобразователями частоты, могут быть использованы существующие методы расчетов переходных гидравлических режимов в системах теплоснабжения.

Возможность возникновения гидравлических ударов при аварийном включении резервных сетевых насосов на тепловых станциях также можно оценить с помощью этих методов расчета.

2. При двух рабочих сетевых насосах теплостанции в рассматриваемой системе теплоснабжения аварийное отключение одного из них приводит к более благоприятному протеканию переходного процесса (значительно меньшей вероятности отключения котлов) в случае, если отключаемый насос работал с регулированием частоты вращения. Причиной такого положения является работа нерегулируемого насоса с полностью открытой задвижкой, т.е. отсутствие потерь напора в арматуре.

3. При аварийном отключении сетевого насоса и автоматическом включении резервного насоса или переключении насоса от отключившегося преобразователя частоты на сеть в рассматриваемой системе теплоснабжения обеспечивается сохранение теплостанции в работе без недопустимых повышений давлений в тепловой сети.

Литература

1. Громов Б.Н., Свинухов Б. И. Неустановившиеся гидравлические процессы в тепловых сетях // Электрические станции. 1972. № 10.

2. Громов Б.Н., Канина Л.П., Сидлер В.Г. Нестационарные гидравлические процессы и противоударные мероприятия в водных тепловых сетях. Новые информационные технологии управления развитием и функционированием трубопроводных систем энергетики. Иркутск: РАН СО СЭИ, 1993.

3. Громов Б.Н., Канина Л. П., Нестке К. и др. Методы расчета нестационарных гидравлических режимов в тепловых сетях// Теплоэнергетика. 1981. № 7.

Размещено на Allbest.ur