ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005
MODEL A TESTOVÁNÍ OSTROVNÍHO PROVOZU PAROPLYNOVEHO CYKLU Karel MÁSLO ČEPS a.s., Elektrárenská 774/2, 101 52 Praha Phone: +420 26710 4430 ,e-mail:
[email protected]
Abstract Paper deals with creating of dynamic model of combined cycle power plant (CCPP). This power plant consists of gas turbine and steam turbine connected to waste heat recovery boiler. Dynamic models are useful for understanding of physical phenomena and technical issues and makes possible to investigate different situation and stated in laboratory conditions. One example is so called island operation with large frequency deviations. An extended model of CCPP was implemented in the MODES network simulator. Transitions into excess and deficient island were tested for different settings of controllers. Dynamic behaviour of PPC was compared with simple gas, hydro and steam turbine as well.
Úvod Tento příspěvek popisuje vytvoření modelu paroplynového cyklu (PPC), který sestává ze dvou částí – plynové turbíny a parní turbíny, kde zdrojem tepla pro výrobu páry jsou spaliny vystupující z plynové turbíny. Obě turbíny mají samostatný hřídel s generátorem. Tvorba matematickém modelu je užitečná pro pochopení fyzikálních dějů a technických souvislostí zkoumaného objektu - v našem případě zdroje pro výrobu elektřiny. Umožňuje i v laboratorních podmínkách vyšetřovat situace a stavy, ke kterým za běžného provozu dochází zřídka, ale zařízení na ně musí být připraveno. Takovým stavem je i tzv. ostrovní provoz (viz [1] – [4]), který se na rozdíl od běžného provozu v propojené elektrizační soustavě vyznačuje velkými odchylkami frekvence. Zatímco v propojené soustavě UCTE je frekvence v nenarušeném povozu (bez výpadků velkých zdrojů o výkonu řádově 1000 MW) udržována s odchylkou ± 20 mHz, v ostrovním provozu mohou být odchylky i stonásobné. Plynová turbína má poněkud odlišné vlastnosti od parních nebo vodních turbín. Sama o sobě má tzv. kladný regulační efekt, což znamená, že při nárůstu frekvence sítě resp. otáček dává větší výkon než při jmenovité frekvenci a naopak. To, že dodávka paliva i vzduchu pro spalování je úměrná otáčkám turbíny má na stabilizaci frekvence sítě nepříznivý vliv a musí být kompenzováno otáčkovou regulací. Na druhou stranu disponuje plynová turbína brzdícím momentem daným příkonem kompresoru, který se uplatní při přechodu do přebytkového ostrova snížením přeběhu otáček a tím i překmitů frekvence vzniklého ostrova. Příspěvek popisuje zdokonalení stávajícího modelu GAST implementovaný v programu MODES (viz [5]). Zdokonalení bere v úvahu i regulaci výstupní teploty spalin regulací dodávky paliva i spalovacího vzduchu. Nový model GASA umožňuje zavedení výstupních
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005 spalin do kotle parní turbíny, vzniká tak nový model zdroje pohonného media nazvaný HRSG (z angl. „Heat recovery steam generator“). Jako východisko pro tvorbu modelu sloužil článek [6]. Statické vlastnosti modelu byly porovnány s tepelným výpočtem provedeným programem Thermoflow pro praktický příklad turbín s výkonem cca 140 a 60 MW v plynové resp. parní části. Vlastnosti modelu byly testovány na případech přechodu PPC do přebytkového a deficitního ostrova. Regulační vlastnosti byly také porovnány s plynovou turbínou (bez využití zbytkového tepla spalin v parní turbíně), parní a vodní turbínou.
1. Popis modelu Následující obrázek ukazuje uspořádání paroplynového cyklu s označením množství a teplot. přívod paliva
parní
ventil
wf
kotel Te
Tf
spalovací komora
Td
přívod vzduchu
výfuk
HRSG
regulační
regulační ventil
w Ti kompresor
plynová
parní
turbína
turbína
GASA
Obr. 1 Blokové schéma modely plynové turbíny GASA Inovovaný model GASA vznikl z původního modelu GAST rozšířením o regulaci výstupní teploty spalin Te a to jednak dodávkou paliva wf a jednak dodávkou vzduchu w (naklápěním lopatek kompresoru). Vlastní model turbíny zůstal statický, přibyl ovšem výpočet zbytkového tepla ve spalinách jako vstup pro model HRSG. Následující blokové schéma ukazuje model přejatý z drobnými změnami (přemístění modelu kompresoru před turbínu, neuvažování zpětné vazby v regulátoru paliva, která se pro plyn nepoužívá) a opravou znaménka pro vstup regulační odchylky teploty do regulátoru vzduchu z [6]. T R+offset
+
Regulační odchylka teploty
offset +
-
1 p
W min
Skluz generátoru
R TUR Výstup regulátoru
1 1+pT CD
P
Dynamika kompresoru
K6
+
P
K3
+
Σ
Palivový systém
Ventily
1 1+pT 3
Te
W∼M TUR Průtok spalin Statická charakteristika turbíny
Otáčky
+
K4
+ K5
Regulace vzduchu
Σ
+
Σ
W max
1 TW
-v W
+
sG
vW
Σ
1
Σ T e’
Čidlo teploty
1 1+pT 4
Výstupní teplota spalin
NT
1 1+pT f
1 1+pT V
Y RVT Otevření ventilů
Wf Dodávka paliva
ES
Výkon turbíny
Zbytková energie spalin
Obr. 2 Blokové schéma modely plynové turbíny GASA
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005 Z blokového schématu je vidět závislost dodávky paliva i průtoku vzduchu (zjednodušeně se zanedbává množství paliva ve spalinách proti množství vzduchu) na otáčkách. Teplota spalin je regulována množstvím vzduchu w na hodnotu TR. Zároveň je regulační odchylka teploty zaváděna navýšená o hodnotu offset zaváděna do regulátoru paliva (viz dále). V [6] se uvádí pro statické charakteristiky turbíny následující vztahy (absolutní teploty ve stupních Kelvina - Ti je vstupní teplota vzduchu do kompresoru): (1) x −1 Teplota vzduchu na výstupu kompresoru Td = Ti (1 + ) ηC (2) w Teplota spalin na vstupu do turbíny Tf = Td + (Tf0 − Td0 ) f ) w (3) 1 Teplota spalin na výstupu do turbíny Te = Tf [1 − (1 − )η T ] x w a wf jsou poměrné průtoky vzduchu a paliva, ηC a ηT jsou tepelné účinnosti kompresoru a turbíny. Index 0 značí jmenovité hodnoty. Ze vztahu (2) je vidět nepřímá úměra mezi teplotou spalin a množství vzduchu. Proto bylo v modelu oproti referenci [6] obráceno znaménko regulační odchylky vstupující do regulátoru. Při narůstající teplotě se tedy množství vzduchu zvětšuje. x závisí na průtoku w a kompresním poměru PR0 podle vztahu1: (4) x = ( PR0 w) (1−1 / γ ) γ=1.4 je Poissonova konstanta. Kompresní poměr se předpokládá konstantní. Tepelný příkon do plynové turbíny a zároveň výkon plynové turbíny (při zanedbání mechanických ztrát) je: NG=k0[(Tf-Te)-(Td-Ti)]w (5) Tepelný příkon ve spalinách plynové turbíny využitelný pro výrobu páry pro parní turbínu je: ES=k1Tew[1-Ae(Te-Temax)2] (6) Kde je oproti [6] dodána účinnost, která je aproximována výrazem v hranaté závorce v závislosti na teplotě spalin. Tato účinnost zahrnuje jednak účinností kotle (přeměnu energie spalin na páru) a také účinnost parní turbíny (přeměnu energie páry na mechanickou energii). Rovnice (1) - (6) popisují statickou charakteristiku turbíny, kde vstupními veličinami jsou průtok vzduchu a paliva w a wf , teplota vstupního vzduchu Ti. Výstupními proměnnými jsou výkon plynové turbíny NG , výstupní teplota spalin Te a využitelná energie spalin EG (exergie), která vstupuje do modelu parního kotle parní částí paroplynového cyklu. Jak již bylo řečeno se regulační odchylka teploty získá jako rozdíl zadané teploty TR zvětšené o hodnotu offset (podle [1] asi 1%) a výstupu čidla teploty Te‘ . Tato regulační odchylka je zavedena do modelu regulátoru teploty, jehož blokové schéma bylo přejato z [6] a přidáno k stávajícímu základnímu regulátoru podle Obr. 3. Regulátor se skládá ze dvou částí: základního regulátoru a regulátoru teploty výstupních spalin. Ve funkci je regulátor, který má na výstupu menší hodnotu. Základní regulátor má proměnnou strukturu. PI regulátor výkonu udržuje zadanou hodnotu výkonu NS případně korigovanou odchylkou frekvence (tzv. primární regulace). V modelu je to základní regulační režim a z této funkce lze regulátor vyřadit zásahem ‘STRC‘ s parametrem 0. V tom případě přechází regulátor do režimu proporcionální regulace otáček. Proporcionální regulátor otáček je v sérii s regulátorem výkonu, pokud není ve funkci vyřadí se nulovou hodnotou parametru kSP. Zásahem ‘STRC‘ s parametrem 1 se regulátor může 1
V [1] je ve vztahu zřejmě tisková chyba v exponentu, který se uvádí ve tvaru (γ-+/γ)
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005 přepnout do čistě otáčkové regulace (pro odlišení od sériového regulátoru otáček ji nazvěme pracovní regulace otáček), která může mít v modelu P nebo PI charakter. Při splnění podmínek (překročení zadaného zrychlení a otáček) vstupuje do činnosti regulátor přeběhu. Popisem pracovní otáčkové a přeběhové regulace se nebudeme v tomto příspěvku zabývat. PI regulace výstupní teploty spalin
Regulační odchylka teploty
ke
T max Σ
P regulátor otáček Generátor sG d Sp
Generátor PG
kN 1+pT N
NS
+
N Tmax Σ
N Tmin
Omezovač rychlosti zatěžování NZ vN + + Σ Σ stepN
+
kSP
kT G
- + d FR CF Σ čidlo 1 frekvence
N Fmax
Převodník G max
+ Σ +
-
2
1 1+pT EH
+ Σ
Výběr minima
G max
R TUR
G min
G min
max
1 pT IT
fZ
T min
Regulátor přeběhu
3
R KOT
T min
1 pT Ie
Regulace otáček 'STRC' 1
'STRC' 0
+ T max
8
G min PI regulátor výkonu
kCOR N Fmin
Frekvenční korektor
Obr. 3 Blokové schéma modelu regulátoru plynové turbíny V běžném provozu řídí přívod paliva do turbíny regulátor výkonu. Regulátor teploty vstupuje do funkce jen při nárůstu teploty nad hodnotu TR zvětšenou o offset. Pro výpočet v poměrných hodnotách byly upraveny definice parametrů TW a TIe vydělením jmenovitou teplotou Te0 a zesílení ke naopak vynásobením teplotou Te0. Rovněž pro výpočet výkonů plynové a parní turbíny se používají upravené parametry kG a kS podle vztahů: kG=k0Tf0 (NG0+NS0)/ NG0 kS=k1Te0(NG0+NS0)/ NS0 (7) Tyto hodnoty berou v úvahu to, že původní parametry k0 a k1 byly vztaženy na sumární jmenovitý výkon celého PPC (NG0+NS0), zatímco parametry kG a kS jsou vztaženy na výkon plynové NG0 a parní turbíny NS0 zvlášť. Nelineární vztah (4) lze zjednodušit linearizací: x= x0+kx(w-wmin) (8) Následující obrázek ukazuje tuto linearizaci pro PR0= 11.5 wmin=0.73 (podle [6] ) - tlustě je přesný průběh podle (4) a tence aproximace podle (8) x0=1.84 a kx= 0.64. x
2
1.9
1.8
w
0.7
0.8
0.9
Obr. 4 Linearizace vztahu pro x
1
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005 Model plynové turbíny podle rovnic (1) –(6) a (8) byl porovnán ze statickou charakteristikou turbíny spočítanou programem Thermoflow pro PPC s výkony 131 a 57 MW v plynové a parní části a teplotou výfukových plynů cca 1100 oC. Následující obrázek ukazuje porovnání výkonů obou turbín a výstupní teploty spalin v závislosti na dodávce paliva - pro model GASA tence a výpočet Thermoflow tlustou čarou. MW 160
O 600 C
140 500
Te
120 100
400
NG
80 300 60 NS
40
200
20 100 0 -20 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 wf 1 [ j]
0.9
Obr. 5 Porovnání charakteristik modelu GASA s výpočtem programem Thermoflow V modelu je zadána regulovaná teplota TR na 535 OC. Charakteristika má dvě části. V první části (do 84 % jmenovité dodávky paliva) je konstantní průtok vzduchu w a narůstá teplota výstupních plynů Te. Jakmile teplota dosáhne hodnoty TR je udržována regulací průtoku vzduchu na této hodnotě. Pro model zdroje páry byl upraven stávající model BOIL a vznikl nový model HRSC podle následujícího obrázku: Průtok páry turbínou
M TUR
Zbytkové teplo spalin z modelu GASA
ES
Přepouštěcí stanice VT
M VPS +
Σ
+
Π
Předávání tepla
1 1+pT W
+
k PD
Dynamika kotle
Σ
Generace páry
-
1
pT CD
+
Σ
-
Admisní tlak
PT
Tlak v kotli
Obr. 6 Blokové schéma modelu kotle HRSC na zbytkové teplo z plynové turbíny Vlastní parní turbína může mít buď model ST_S nebo ST_A (včetně záchytných ventilů) případně i s modelováním přepouštěcích stanic. V blokovém schématu je vazba na turbínu zprostředkována proměnnými MTUR (průtok páry regulačními ventily – vstup) a PT (admisní tlak – výstup).
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005
2. Testovací výpočty Pro zjištění dynamického chování modelu se testoval přechod do nedostatkového a přebytkového ostrova. U plynové turbíny se automatikou při otáčkách odpovídajících odchylce frekvence ±200 mHz zásahem STRC s parametrem 0 vypnul regulátor výkonu, čímž turbína pracovala v režimu proporcionální regulaci otáček. Následující obrázek ukazuje přechod do nedostatkového ostrova s deficitem výkonu kolem 20% (počáteční výkon obou turbín byl menší než zatížení ostrova o cca 20% ) s původními parametry regulace podle [6] (parametry modelu jsou uvedeny v Příloze): [pj] 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
Rkot Te n
wf w
Rtur
NG t [s]
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Obr. 7 Dynamika při přechodu do deficitního ostrova – původní parametry regulátoru Z obrázku je vidět nestabilní přechodný děj s poklesem otáček – přechod do ostrova skončí frekvenčním kolapsem. Příčinou je to, že řízení turbíny přebírá od 2 s regulátor teploty Rkot, jehož hodnota je trvale menší než hodnota regulátoru otáček. Regulátor sníží přívod paliva wf, čímž ovšem klesá výkon NG a tím i otáčky stroje. Protože přívod dodávka paliva i vzduchu závisí na otáčkách, klesá dále jejich hodnota. Turbína má kladný regulační efekt – s nárůstem otáček výkon roste a naopak, čímž přispívá ke vzniku kolapsu. Aby se tyto negativní vlastnosti omezily, bylo v modelu regulátoru otáček sníženo maximum Gmax z 1.5 na 1.1 při změně zesílení K3 z 0.77 na 1. U regulátoru teploty byla snížena rychlost regulace změnou proporcionálního zesílení ke ze 17 na 1 a integrační časové konstanty z Tie z 0.23 na 3.23s. Přechodný děj nyní bude stabilní: 1.25
Rkot
[pj]
Te
1.15
n wf
1.05 0.95 0.85 Rtur
0.75
NG
w
t [s]
0.65 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Obr. 8 Dynamika při přechodu do deficitního ostrova –upravené parametry regulátoru
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005 Výstup regulátoru teploty Rkot nyní neovlivňuje výstup regulátoru turbíny. Nárůst teploty krátkodobě překročí mez 110%, ale nedojde k frekvenčnímu kolapsu ostrova. Při dalším nárůst výkonového deficitu na 23.8 % je děj opět nestabilní (i když obě turbíny mají na pokrytí deficitu staticky rezervu 188.8 MW proti 185 MW zatížení). Při přechodu do přebytkového ostrova nejsou problémy. Výkon turbíny je záporný – synchronní stroj přechází do motorického chodu – jako protimomoment je příkon kompresoru. Dodávka paliva je omezena na hodnot 13% (K6+Gmin), která by měla zajišťovat ještě stabilní hoření. 1.2
Rkot
[pj]
n
1
w
0.8 0.6
Te
0.4 wf
0.2
NG
0
t [s]
Rtur
-0.2 0
10
20
30
40
50
Obr. 9 Dynamika při přechodu do přebytkového ostrova
3. Porovnání dynamiky PPC, plynové, parní a vodní turbíny Pro porovnání dynamických vlastností různých turbín byly provedeny simulační výpočty 0
10
20
40
50 s
Plyn. turbína
-500 -1500
30
PPC
Parní turbína
-2500 -3500 -4500 ∆f
Vodní turbína
-5500 [mHz]
Obr. 10 Odchylka frekvence pro PPC, plynovou, vodní a parní turbínu Z obrázku je vidět, že z hlediska regulace frekvence ostrova má nejlepší vlastnosti samotná plynová turbína. O něco horší vlastnosti má PPC z důvodu zpožděné reakce v kotli parní turbíny. Parní turbína je schopna zastavit pokles frekvence rychlým otevřením ventilů. Po vyčerpání akumulace však klesá tlak a tím i výkon turbíny do doby, než kotel stačí zvýšenou dodávkou paliva vygenerovat potřebné množství páry. Nejhorší dynamické vlastnosti má vodní turbína vzhledem k pomalému otevírání rozvodného kola.
ELEKTROENERGETIKA Stará Lesná , 21. - 23. 9. 2005
Závěr Příspěvek popisuje tvorbu dynamického modelu paroplynového cyklu. Jako východisko pro tvorbu modelu tvořil článek [6], z kterého se použilo upravené blokové schéma dynamického modelu včetně parametrů. Statické charakteristiky plynové a parní turbíny (zadané formou nelineárních rovnic) byly verifikovány výpočtem z programu Thermoflow, přičemž se opravily chyby v referenčním článku a provedlo se zjednodušení některých závislostí linearizací. Funkčnost dynamických modelů byla otestována přechodem do ostrovního provozu. Aby turbína zvládla přechod do deficitního ostrova (kde výchozí výkon obou turbín je menší než zatížení ostrova), byly upraveny parametry regulátoru otáček a zejména teploty. Tak se podařilo naladit model tak, aby soustrojí zvládlo přechod do ostrova s deficitem 20% při krátkodobém přeběhu teploty výstupních plynů na cca 123%.
Seznam použité literatury [1] K.Máslo: Provoz a fázování ostrovů, sborník semináře Aktuální otázky a vybrané problémy řízení ES, Poděbrady listopad 1999 [2] K. Máslo, J.Anděl: Ostrovní provozy, sborník 5.semináře E2001 -Systémové a podpůrné služby, Praha květen 2001 [3] Ivan Petružela, Josef Kurka, Jiří Hledík, Martin Bíca, Karel Máslo: Provoz JE Temelín v reálné ostrovní soustavě, 5. mezinárodní konference Automatizace energetických procesů, Zlín květen 2002 [4] K. Máslo, K.Kósa, I.Petružela: Dynamické chování ES při změnách frekvence - ostrovní provoz, the 6th International Conference CONTROL OF POWER SYSTEMS, June 2004, Štrbské Pleso [5] K.Máslo, J.Anděl: Gas turbine model using in design of heat and power stations, IEEE Power Tech Conference, Porto , September 2001 [6] N. Kakimoto, K.Baba: Performance of gas Turbine-Base Plant During Frequency Drops, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 18, No.3, August 2003
Příloha – parametry dynamického modelu kN (-) 1.33 Ae (-) 6
TV (s) 0.05
TCD (s) 0.4
Temax (-) 1
Tf (s) 0.2
T3 (s) 15
T4 (s) 2.5
Ti (K) 281
Wmin (-) 0.814
Td0 (K) 640
Wmax (-) 1.000
Tf0 (K) 1381
K4 (-) 0.8
k5 (-) 0.2
Te0 (K) 800
etaT (-) 0.85 kx (-) 1.6
kG (-) 5.52
Gmin (-) -0.1
x0 (-) 1.8
Gmax (-) 1.5
etaC (-) 0.85
offset
(-) 0.01
Tw (s) 0.6
vw 1/s 0.01
k3 (-) 0.77
ks (-) 1.05
Tab. 1 Typové parametry modelu turbíny GASA ke (-) 17
Tie (s) 0.23
TIT (s) 5
TN (s) 1
TEHP (s) 0.1
kT (-) 1.2
kSp (-) 20
KCOR (-) 0
Tmax (-) 1.1
Tmin (-) 0
vN (%/min) 33
stepN (%) 0
dFr (%) 0
Tab. 2 Typové parametry modelu regulátoru TW (s) 5
TCB (s) 20
kPD (-) 0.0165
Tab. 3 Typové parametry modelu parního kotle HRSG
dSp (%) 0.05
NFmax (%) 0
NFmin (%) 0
k6 (-) 0.23
TR (-) 1
kf 0
