Sisteme automate.capitol 8

8/12/2019 Sisteme automate.capitol 8

1/15

Sisteme de conducere a proceselor continue

99

AUTOMATIZAREA PROCESELOR DIN

CENTRALELE ELECTRICE.

CENTRALE TERMOELECTRICE CU ABUR.

FUNCIONARE GENERAL

CUPRINS

8.1. INTRODUCERE 100

8.2. CENTRALE TERMOELECTRICE CU ABUR 101

8.3.

CONDIII IMPUSE CIRCUITELOR DE REGLARE.CONDIII TEHNOLOGICE I ECONOMICE ASIGURATEDE SRA ALE CAZANULUI

107

8.4. TEST DE AUTOEVALUARE 110

8.5.REZULTATE ATEPTATE. TERMENI ESENIALI.BIBLIOGRAFIE SELECTIV

111

8.6. TEST DE EVALUARE 112

8


2/15


100

8.1. INTRODUCERE

Energia electric se produce n instalaii tehnologice, numite centrale electrice(CE), care utilizeaz diferite forme de energie primar. Dup sursa primar de energieexist urmtoarele tipuri principale de CE[D1,D3,D4,C6,I1,V1]:

- Centrale termice - CT, care utilizeaz drept surs primar de energie combustibiliifosili (crbune, combustibil lichid, gaze naturale);- Centrale nuclearo - electrice - CNE, care funcioneaz pe baz de combustibili

nucleari;- Centrale hidroelectrice - CHE, care funcioneaz pe baza energiei hidraulice

(poteniale sau cinetice) a cursurilor de ap;- Centrale electrice eoliene - CEE, care funcioneaz pe baza energiei eoliene (energia

vntului);- Centrale electrice solare - CES, centrale funcionnd pe baza energiei solare

(Heliocentrale);

- Centrale geo - termo - electrice - CGTE, care funcioneaz pe baza energieigeotermice.

Obiective

Prezentarea schemei de funcionare a unei CTE - centrale termoelectrice cuabur.

Prezentarea schemei de funcionare a unui cazan cu circulaie natural. Prezentarea condiiilor impuse circuitelor de reglare i a condiiilor tehnologice

i economice pe care trebuie s le asigure SRA din CTE.


3/15


101

8.2. CENTRALE TERMOELECTRICE CU ABUR

Prezentarea general a CTECentralele termoelectrice continu s dein ponderea puterii i cantitii

energiei produse n sistemele electroenergetice, aproape 50% din energia electricprodus azi n lume fiind obinut n centralele termoelectrice cu abur.

Centralele termoelectrice cu abur (CTE) produc energie electric sau energieelectric i termic n urma arderii n cazane a unor combustibili (solizi, lichizi,gazoi) i transformarea energiei chimice a acestora n energie termic, urmat detransformarea energiei termice n energie mecanic, prin intermediul turbinelor cuabur i a energiei mecanice n energie electric prin intermediul generatoarelorelectrice (Fig.8.1) [C1,C6,D1,D3,G1,I1,M2].

Fig.8.1. Lanul transformrilor n CTE

Conversia energiei chimice n energie termic se realizeaz, de regul, curandamente de peste 90%, transformarea energiei termice n energie mecanic serealizeaz cu randamente ale ciclului termic sub 50%, iar transformarea energieimecanice n energie electric are randamente de peste 96%.

n aceste condiii, randamentul global se apropie cu greu de 40%, bilanultermoenergetic pentru o CTE de mare putere prezentndu-se astfel (valoriaproximative):

- 9% pierderile cazanului;- 2% pierderi prin radiaie;

- 47% pierderi prin condensaie;- 2,5% servicii interne;- 1,5% pierderi electrice i mecanice;- 38% putere util furnizat.

OBSERVAII

Se constat c aprox. 58% din energia consumat reprezint pierderi datorateproceselor termoenergetice i numai 1,5% sunt pierderi electrice i mecanice.

Rezult necesitatea reglrii i automatizrii proceselor termice, n principal acazanelor i turbinelor, pentru o funcionare sigur i cu pierderi minime.


4/15


102

Funcionarea CTE are la baz principiul al doilea al termodinamicii, conformcruia o main termic ciclic poate produce lucru mecanic numai dac este ncontact cu dou surse de cldur (una cald i una rece), ciclul termic ideal fiindformat din dou izoterme i dou adiabate (Carnot). Particularitile termodinamice alefluidelor de lucru modific substanial forma ciclului termic ideal, CTE funcionnd

dup unciclu termic real (Hyrn - Rankine).Schema termic de principiu pentru CTE este prezentat n Fig.8.2. n cazanul

de abur 1, combustibilul (solid, lichid sau gazos) arde n prezena aerului introdus dinexterior. Aburul supranclzit n supranclzitorul 2 se destinde n turbina 3, lucrulmecanic produs fiind preluat de generatorul trifazat 4 (la 3000 rot/min, 50 Hz sau 3600rot/min, 60 Hz).

Fig.8.2. CTE - schema termic de principiu

Cea mai mare cantitate de abur se condenseaz n condensatorul 5, la presiunea(0,040,02) at, cldura de vaporizare a acestuia fiind preluat de apa de rcire acondensatorului. Pompa de condensat 6 antreneaz apa la degazorul 7, unde senclzete cu ajutorul aburului din conducta 8, preluat de la o priz a turbinei. Apanclzit n degazor i evacueaz gazele coninute, iar apoi este antrenat de pompa dealimentare 10 n cazan, prin intermediul uneia sau mai multor trepte de nclzire

regenerativ 11. nclzirea acestor prenclzitoare ale apei de alimentare se face printr-o alt priz de abur, din conducta 9, iar condensul rezultat este drenat n degazor princonducta 12.

n realitate circuitul termic al CTE este mult mai complex, coninndprenclzitoare de ap, supranclzitoare intermediare de abur, turbin cu mai multecorpuri i alte elemente destinate creterii randamentului.

Cazanul de abur

Elementul central al sistemului termic este cazanul de abur cu sistemul dereglare aferent i are sarcina de a produce abur la valori optime ale presiunii i

temperaturii i cu debitul solicitat de turbin.


5/15


103

n funcie de circulaia apei n cazan se deosebesc[D1,D3,G1]:- cazane cu circulaie natural (cu tambur), n care circulaia apei se realizeaz

datorit diferenei de greutate specific ntre faza lichid i emulsia ap abur;- cazane cu circulaie forat multipl, n care apa este deplasat n evile

fierbtorului cu ajutorul unui sistem de pompe;

- cazane cu circulaie forat unic, n care apa este mpins de pompa dealimentare, parcurgnd sistemul de evi o singur dat, ceea ce nseamn cvaporizarea apei, uscarea aburului i supranclzirea acestuia se realizeaz de-a lungulevilor fierbtoare;

- cazane cu circulaie forat unic cu recirculare, care au intercalate ncircuitul ap abur butelii separatoare, datorit crora vaporizarea are loc la un punctfix, iar la pornire, apa poate circula din separator ntr-un expandor i apoi napoi nrezervorul degazorului, soluia fiind favorabil funcionrii cu sarcini pariale.

Cel mai utilizat tip de cazan n CTE clasice este cazanul cu circulaie natural(cu tambur) cu schema de principiu prezentat n Fig. 8.3.

Fig.8.3. Cazan cu circulaie natural

Combustibilul intr prin conducta 1, se amestec cu aerul primar prenclzit ieste antrenat prin arztorul 2 spre focarul 3, unde se aprinde. Cldura produs prinardere se transmite prin radiaie i convecie, la suprafeele de schimb de cldur alefocarului, cptuit cu evile fierbtoare (ascendente) 4.

Apa necesar vaporizrii este antrenat de pompa de alimentare 10, trecut prinprenclzitorul de ap 9 i trimis n tamburul 6 al cazanului. Din tambur apa coboarliber printr-un sistem de evi (nenclzite) descendente 5 n colectoarele 14, plasate nexteriorul focarului, apoi intr n evile fierbtoare, unde, datorit cldurii de radiaiese vaporizeaz. Datorit diferenei de greutate specific ( hg ), amestecul abur-ap

se ridic n tambur, unde apa se separ de aburul saturat, care este antrenat n


6/15


104

supranclzitorul de radiaie 7, apoi n cel de convecie 8, dup care este dirijat spremagistrala de abur a centralei.

n sistemele n care turbinele au mai multe corpuri, aburul uscat pleac dinsupranclzitorul de radiaie la corpul de nalt presiune al turbinei, unde se destinde

parial, apoi este readus n cazan, la un supranclzitor intermediar situat tot n zona de

radiaie.Aerul necesar arderii este aspirat din atmosfer de ventilatorul de aer 12,

nclzit n prenclzitorul de aer 13 i antrenat n canalul arztorului. Gazele arse suntantrenate i evacuate la co prin ventilatorul de gaze arse 11, dup ce, n prealabil,cedeaz cldura supranclzitoarelor, prenclzitorului de ap i prenclzitorului deaer. Cea mai joas temperatur a gazelor de ardere la co se nregistreaz la gazenaturale (100110 0C), iar cea mai ridicat la arderea lignitului (140160 0C). Coulde evacuare favorizeaz o bun dispersie a gazelor arse n atmosfer i un tiraj natural

puternic. Deoarece la presiuni ridicate circulaia natural nu mai este eficient, aprndpericolul circulaiei inverse n sistemul fierbtor, a aprut necesitatea introducerii unor

pompe pe evile descendente pentru a asigura circulaia normal a apei, obinndu-seastfel cazanul cu circulaie forat (cazan La Mont).

OBSERVAII

Puterile pe un grup modern cazan turbin generator (la bornelegeneratorului), se ncadreaz ntre (1001000) MW, la parametrii aburului de(80190) at, temperaturi de (480560) 0C i debite de (2003000) t/h. Pn lacca.600 MW turbinele se construiesc cu un singur ax, iar peste 600 MW cu dou axe.

Randamentul termic al circuitului principal poate fi exprimat prin relaia:

tot

u

tQ

Q (8.1)

unde: Queste cldura util, reprezentnd energia transformat n lucru mecanic;Qtotcldura generat prin arderea combustibilului.Randamentul general al unei CTE se menine la valori sczute datorit

randamentului ciclului termic care este sczut, prin nsi principiul su defuncionare.

n aceste condiii se impune adoptarea unor msuri pentru mbuntirearandamentului ciclului termic i anume:

- ridicarea parametrilor iniiali ai aburului (creterea presiunii iniiale aaburului, creterea temperaturii iniiale, creterea simultan a presiunii itemperaturii iniiale);

- supranclzirea intermediar (direct, cu focar separat);- utilizarea ciclurilor suprapuse;- utilizarea ciclurilor binare;- prenclzirea regenerativ a apei de alimentare;- termoficarea.Creterea randamentului termic prin termoficarepleac de la ideea utilizrii

cldurii n procese de nclzire industrial (centrale de termoficare industrial) sau

urban (centrale de termoficare urban). O astfel de central cu termoficare (CET)produce att energie electric ct i cldur. Teoretic, n aceast variant, randamentul


7/15


105

ciclului termic poate ajunge la 100%; practic, sunt necesare calcule tehnico-economice, cu privire la investiiile suplimentare implicate.

La o central cu termoficare urban sau industrial, o parte din cdereadisponibil de entalpie a aburului nu se folosete pentru producerea de energieelectric, ci pentru furnizarea de cldur consumatorilor. n mod contient se accept o

micorare a cantitii de energie electric produs, pentru ca, n schimb, s se efectuezen mod economic diferite procese de nclzire.

Presiunea pn la care se destinde aburul nainte de a ceda cldura depinde decondiiile de exploatare ale consumatorilor. Cea mai mare destindere este posibil laCET urban, deoarece instalaiile denclzire racordate la ele au nevoie de temperaturide pn la 1800C. La CET industrial, care furnizeaz cldur pentru proceseindustriale (diverse transformri chimice), presiunea aburului trebuie s fie n modcorespunztor mai ridicat, iar cderea de entalpie care se transform n lucru mecanictrebuie s fie micorat corespunztor.

Livrarea cldurii la consumator se poate face cu ajutorul turbinelor cu

contrapresiunesau al turbinelor cu condensaie i prize reglabile de abur.

EXEMPLU ILUSTRATIV

n varianta prezentat n Fig.8.4, turbina nu are condensator (turbin cucontrapresiune). Aburul se destinde n turbin pn la o entalpie i2, situat nc n zonaaburului supranclzit, i este trimis la consumatorul de cldur; condensatul sentoarce apoi n circuitul termic. Teoretic, cldura transformat n lucru mecanic icldura folosit de consumatorul de cldur pot egala cldura Q1, primit de lacombustibil n cazan i randamentul poate ajunge la 1.

Fig.8.4. Termoficareturbin cu contrapresiune

n varianta prezentat n Fig.8.5, termoficarea este realizat cu o turbin cucondensaie i prize reglabile pentru consumatorii industriali de cldur (ex. 515 bari peste 200 0C) i pentru consumatorii urbani (ex. 0,52,5 bar i cca. 100 0C). Chiardac nu se apropie de 1, randamentul termic al unei astfel de centrale crete substanialcu creterea consumului de agent termic la prizele reglabile.


8/15


106

Fig.8.5. Termoficareturbin cu condensaie i prize reglabile

OBSERVAII

Echiparea cu turbine de termoficare se face inndu-se seama de natura iparametrii agentului termic impui de consumatorul de cldur.

Turbina cu contrapresiune se recomand pentru consumuri de abur cu durateanuale de utilizare mai mari de 6000 h. Pentru consumuri de abur cu durate mai mici i

pentru consumul de ap fierbinte se prefer turbinele cu condensaie cu una sau douprize reglabile.

Funcionarea CTE are la baz principiul al doilea al termodinamicii. Elementulcentral al sistemului termic este cazanul de abur cu sistemul de reglare aferent. Cel maiutilizat tip de cazan n CTE clasice este cazanul cu circulaie natural.

Randamentul general al unei CTE este sczut, fiind necesar adoptarea unormsuri pentru mbuntirea randamentului ciclului termic.

Pentru o funcionare sigur i cu pierderi minime este necesar reglarea iautomatizarea proceselor termice, n principal a cazanelor i turbinelor.

Prin termoficare cldura este utilizat n procese de nclzire industrial sau

urban. Cel mai important dezavantaj al soluiei bazate pe termoficare l reprezintcostul reelei termice de distribuie a agentului termic.

CONCLUZII


9/15


107

8.3. CONDIII IMPUSE CIRCUITELOR DEREGLARE. CONDIII TEHNOLOGICE I

ECONOMICE ASIGURATE DE SRA ALE CAZANULUI

Condiii impuse circuitelor de reglareExprimarea analitic exact a fenomenelor termice dintr-un cazan este foarte

complicat i se aproximeaz, n general,prin ecuaii difereniale de ordinul I sau II,liniarizate n jurul punctului static de funcionare[C1,C6,D3,I1,M2].

ntr-o form simplificat, un cazan se poate considera alctuit din dou

elemente n serie: focarul i tubulatura cazanului, unde se au n vedere urmtoarelevariaii mici, suprapuse peste valorile de regim staionar de funcionare (Fig.8.6):Faer, Fco modificarea controlat a debitului aerului de combustie, respectiv acombustibilului;Faer z, Fco zperturbaiile interne;Qmodificarea corespunztoare a cantitii de cldur produs n focar;Fabvariaia debitului de abur cerut de consumator.

Fig.8.6. Cazanulreprezentare simplificat

Pentru stabilirea principalelor circuite de reglare automat ale unui cazan cucirculaie naturali acondiiilor impuse circuitelor de reglare, se consider schema

echivalent, cu principalele circuite tehnologice (Fig.8.7).

Fig.8.7. Cazanschema echivalent


10/15


108

n regim staionar, condiiile impuse circuitelor de reglare sunt:1. - egalitatea ntre debitul de abur produs i cel consumat de turbin, respectiv

Fab= Ft, semnalul reglat fiindFab;2. - meninerea valorilorP = constant iT = constant. Pentru stabilizarea luiP, care se

consider semnal reglat, se comand fie debitul de abur saturat Fab, fie debitul

consumat de turbinFt, respectivPFabsauPFt. Sgeata indic sensul, n timp,de la cauz la efect. Pentru stabilizarea lui T, care se consider semnal reglat, secomand debitul de ap, respectiv TFap.

3. - egalitatea ntre cldura preluat prin vaporizare i cldura generat prin ardere nfocar. Se consider c debitul de abur saturat se poate regla direct prin debitul decombustibil, adic Fab = k1Fco. Dac Fab = Ft = const., atunci, practic, debitulacioneaz proporional asupra presiuniiPa aburului, adicP = k2Fco.

4. - pentru o ardere complet, debitul de aer trebuie s fie proporional cu debitul decombustibil, adicFaer = k3Fco; DeciFcoFaer, darPFcoastfel cPFaer.

5. - debitul de gaze arse este proporional cu debitul de aer i debitul de combustibil,

adicFgaze= k4Faer; n practic se prefer ca debitul de gaze arse s fie comandat nraport cu depresiunea hdin focar, adic hFgaze. Comanda debitului de gaze arse seface acionnd asupraventilatorului de gaze arse.

6. - trebuie respectat condiiaFap= Fab + Fpurj; n practic se urmrete meninereanivelului apei n tambur, adic: H = constant. Deci FabFap sau HFap sau

Fab+HFap.7. - meninerea unui nivel sczut de salinitate al apei n tambur, respectiv Sal = const.,

ceea ce impune una din urmtoarele scheme: SalFpurj sau FabFpurjsau Sal +FabFpurj.

Din analiza condiiilor (17) se constat c un cazan cu tambur poate fi reglatpe baza urmtoarelor aciuni directe, de la semnalul reglat spre semnalul de execuie:PFco

P sau FcoFaerhFgaze

Fab + HFap (8.2)TFap

Sal + FabFap.Analiza relaiilor (8.2) evideniaz principalele circuite de reglare pentru

cazanele cu circulaie natural.

Condiiile tehnologice i economiceAcestease refer la:- asigurarea debitului de abur consumat;- meninerea constant a presiunii aburului la ieirea din cazan sau modificarea

ei dup o lege dat, n funcie de sarcin; depirea presiunii este periculoas, iarcoborrea ei micoreaz calitatea destinderii n turbin;

- meninerea constant a temperaturii aburului la ieirea din cazan, indiferent desarcin sau de alte perturbaii; depirea temperaturii este periculoas pentru primele

palete ale turbinei, iar scderea ei nrutete randamentul turbinei;


11/15


109

- meninerea nivelului apei din tambur ntre anumite limite; depirea niveluluipoate antrena picturi de ap n aburul supranclzit, iar coborrea lui poate solicitatermic evile fierbtoare;

- meninerea constant a unei depresiuni la partea superioar a focarului;creterea depresiunii duce la creterea debitului de aer rece din exterior spre focar.

- asigurarea unui regim optim de ardere n focar;- ineriile echivalente ale cazanului prevzut cu instalaii de reglare s fie ct

mai reduse.

Sistemul de reglare automat a unui cazan cu circulaie natural trebuie sasigure, n principal, respectarea unor condiii tehnologice i condiii economice.

n forma simplificat, un cazan se poate reprezenta prin dou elementeconectate n serie, focarul i tubulatura cazanului.

Pentru stabilirea principalelor circuite de reglare automat ale unui cazan cucirculaie natural i a condiiilor impuse circuitelor de reglare, se consider o schemechivalent a acestuia, cu patru schimbtoare de cldur.

CONCLUZII


12/15


110

8.4. TEST DE AUTOEVALUARE

1)Centralele termoelectrice cu abur produc:a) energie mecanic; Da / Nu

b) energie electric; Da / Nuc) energie electric itermic. Da / Nu2)Randamentul global al CTE se apropie de:

a) 90%; Da / Nub) 40%; Da / Nuc) 25%. Da / Nu3) n CTE clasice cel mai utilizat tip de cazan este:a)cu circulaie natural; Da / Nu

b)cu circulaie forat unic; Da / Nuc)cu circulaie forat i recirculare. Da / Nu4)ntre msurile de mbuntire a randamentului ciclului termic se regsesc:

a) ridicarea parametrilor iniiali ai aburului; Da / Nub) termoficarea; Da / Nuc)prenclzirea regenerativ a apei de alimentare. Da / Nu

5)Meninerea nivelului apei din tambur ntre anumite limite reprezint:a) condiie economic; Da / Nu

b) condiie tehnologic; Da / Nuc) condiie desiguran. Da / Nu

Grila de evaluare: 1-b, c; 2-b; 3-a; 4-a,b,c; 5-b, c.

ncercuii rspunsurile corecte laurmtoarele ntrebri.

ATENIE: la aceeai ntrebare pot existaunul, niciunul sau mai multe rspunsuri corecte!

Timp delucru: 15 minute


13/15


111

8.5. REZULTATE ATEPTATE. TERMENIESENIALI. BIBLIOGRAFIE SELECTIV

REZULTATE ATEPTATE

Dup studierea acestui modul, trebuiecunoscute:- elementele de baz ale schemei CTEi

funcionarea acesteia;- schema cazanului cu circulaie natural

i fluxul tehnologic al acestuia;- schemele de termoficare realizate cu

turbine cu contrapresiune i turbine cucondensaie i prize reglabile;

- schema bloc echivalent a cazanului,realizat cu patru schimbtoare decldur;

- condiiile impuse circuitelor de reglarei relaiile de cauzalitate ntre

parametri.

TERMENI

ESENIALI

Centralele termoelectrice cu abur (CTE) - instalaiitehnologice careproduc energie electric sau energie electrici termic n urma arderii n cazane a unor combustibili solizi,lichizi sau gazoi.

Cazan cu circulaie natural - cazann care circulaia apei serealizeaz datorit diferenei de greutate specific ntre fazalichid i emulsia ap abur.

Randament termic- raportul dintre cldura util, reprezentndenergia transformat n lucru mecanic i cldura generat prinarderea combustibilului.

Centrale cu termoficare (CET) - instalaii tehnologice careproduc att energie electric ct i termic.


14/15


112

BIBLIOGRAFIE SELECTIV

TEST DE EVALUARE

1)nbilanul termoenergetic al CTE, cele mai mari pierderi sunt cauzate de:a) procesele de radiaie; Da / Nu

b) procesele de condensaie; Da / Nu

c) serviciile interne. Da / Nu

ncercuii rspunsurile corecte laurmtoare ntrebri.

ATENIE: la aceeai ntrebare pot exista

unul, niciunul sau mai multe rspunsuri corecte!

Timp delucru: 15 minute

Dulu M., Automatica proceselor continue. Procese termice i chimice,Editura Universitii Petru Maior din Tg.Mure, 2004.

Dulu M., Chindri M.,Automatizarea proceselor termice i chimice, CursLito, Universitatea Petru Maior din Tg.Mure, 2002.

Coloi T., s.a.,Automatizri industriale continue, Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1983.

Vntoru M., Conducerea automat a proceselor industriale, EdituraUniversitaria Craiova, 2001.

Iliescu S., Fgran I., Automatizarea centralelor termoelectrice, EdituraPrintech, Bucureti, 2005.


15/15


113

2)Parametrii aburului viu se refer la:a)presiune i debit; Da / Nu

b) debit i temperatur; Da / Nuc)presiune, debit i temperatur. Da / Nu

3)ntre condiiile impuse circuitelor de reglare, n regim staionar, se evideniaz:a)Fab= Ft; Da / Nu

b)Fap= Fab; Da / Nuc)P = constant iT = constant. Da / Nu

4)Considernd legturile de la cauz la efect sunt valabile urmtoarele conexiuni:a) hFgaze; Da / Nu

b)PFco; Da / Nuc) TFap+Faer. Da / Nu

5)Aburul saturat este este antrenat spre:a) supranclzitorul de radiaie; Da / Nu

b) supranclzitorul de convecie; Da / Nuc) supranclzitorul de radiaie, apoi de convecie. Da / Nu

Grila de evaluare: 1-b; 2-c; 3-a, c; 4-a, b; 5-c.

Sisteme automate.capitol 8

Documents

Transcript of Sisteme automate.capitol 8