PL B1. Układ regulacji i optymalizacji pracy w czasie rzeczywistym układów chłodzenia elektrowni kondensacyjnych i elektrociepłowni

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (13) B1 (51) Int.Cl. F01K 13/02 ( ) (54) Układ regulacji i optymalizacji pracy w czasie rzeczywistym układów chłodzenia elektrowni kondensacyjnych i elektrociepłowni (73) Uprawniony z patentu: TAURON WYTWARZANIE SPÓŁKA AKCYJNA, Katowice, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 19/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/12 (72) Twórca(y) wynalazku: JERZY RUSAK, Będzin, PL JANUSZ CHWIOLKA, Świętochłowice, PL PIOTR LISIK, Dobieszowice, PL STANISŁAW DRYKA, Będzin, PL JANUSZ ZDEB, Orzesze, PL ZIEMOWIT SŁOMCZYŃSKI, Będzin, PL JACEK OTOK, Będzin, PL JERZY SOŁTYSIK, Dąbrowa Górnicza, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Janusz Tchórz PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ regulacji strumienia wody chłodzącej poprzez zestawienie zespołów urządzeń pozwalających na regulację strumienia wody chłodzącej bloku energetycznego przy pomocy pompy wody chłodzącej wyposażonej w urządzenie regulujące wydajność, w celu maksymalizacji sprawności netto (OB1) bloku elektrowni kondensacyjnej lub elektrociepłowni z uwzględnieniem oddziaływania regulacji na chłodnię kominową lub kolektorowy układ chłodni kominowych (OB2). Dane bibliograficzne publikacji dotyczących stanu techniki: Zagadnienie zostało opisane w pracy: Sterowanie i optymalizacja pracy w czasie rzeczywistym układów chłodzenia elektrowni z chłodniami kominowymi, J. CHWIOLKA, Energetyka nr 2 (560), 2001 r. (ISSN , INDEKS ). W pracy poddano analizie wpływ poszczególnych czynników tj.: ciśnienia w skraplaczu na sprawność bloku energetycznego, sprzężenia zwrotnego pomiędzy skraplaczem a chłodnią kominową, wpływu punktu pracy chłodni kominowej na koszty zmienne na optymalizację pracy układu chłodzenia. Opisano poszczególne segmenty układu sterowania oraz ich istotę działania. Teoria sterowania tego typu układami została opisana w sposób ogólny, w pracy: Estymacja i sterowanie stochastyczne układami o parametrach rozłożonych, Józef KORBICZ, Michaił ZACHA- REWICZ ZGUROWSKI, PWN, Warszawa, 1991 r. (ISBN ). Praca zawiera wiadomości dotyczące zagadnień optymalnego stochastycznego sterowania nieliniowymi i liniowymi obiektami o parametrach rozłożonych istniejących m.in. w przemyśle energetycznym. Ponadto, opisuje sposoby estymacji zmiennych stanu. Stosowane procedury zostały opisane w pracy, w sposób ogólny: Dynamical Systems", Jürgen JOST, Springer Verlag KG Wien New York, 2005 r. (ISBN ). Praca prezentuje przegląd dynamicznych systemów, koncepcje matematyczne, np. teorię Conley-Floer. Prezentuje zagadnienia entropii oraz relacje pomiędzy koncepcjami topologii, teorii pomiaru, informatyki oraz sieciami elektrowni kondensacyjnych i elektrociepłowni Boole'a. Budowane lub modernizowane bloki energetyczne (OB1) są wyposażone w układy wody chłodzącej, w których istnieje możliwość płynnej regulacji strumienia przepływającego czynnika. Są to układy działające w oparciu o przemienniki częstotliwościowe, wykorzystujące sprzęgła hydrokinetyczne oraz, stosujące pompy o zmiennym kącie ustawienia łopat lub kierownice prerotacyjne. Często układy te współdziałają z rozbudowanymi, kolektorowymi układami chłodni kominowych. W tego typu konfiguracjach połączeń występują duże możliwości poprawy sprawności netto poszczególnych bloków energetycznych. W konfiguracji połączeń, jeden blok energetyczny z dedykowaną jedną chłodnią kominową, możliwość poprawy sprawności netto bloku jest ograniczona i występuje przy sprzyjających warunkach klimatycznych lub/i przy znacznym obniżeniu mocy bloku. Zgłaszany układ regulacji również można stosować w otwartych układach wody chłodzącej, tzn. przy poborze wody z rzeki lub jeziora. Istniejące układy regulacji przepływu wody chłodzącej nie sprawdzają się. Nie uwzględniają ograniczonych możliwości schładzania wody w chłodniach kominowych (OB2), uzależnionych od obciążenia hydraulicznego oraz chwilowych wartości parametrów klimatycznych. W chłodni kominowej nie można schłodzić wody poniżej temperatury termometru mokrego. Dotychczasowe układy regulacji, w pewnych obszarach pracy, nie potrafią spełnić zadanych parametrów ze względu na błędne założenia wynikające z teorii przepływu ciepła, tzn. (chcą przekazać ciepło z czynnika o temperaturze niższej do czynnika o temperaturze wyższej co jest związane z dotychczasowym stosowaniem znamionowych, choć okresowo kalibrowanych charakterystyk urządzeń). Celem wynalazku jest zestaw urządzeń: układ automatycznej regulacji (UAR) będący urządzeniem, w którym jest wypracowany sygnał Dx sterujący sprzęgłem regulacyjnym lamelowym, zabudowanym wraz z pompą wody chłodzącej i silnikiem napędowym w układzie chłodzenia bloku energetycznego, który dąży do uzyskania maksymalnej sprawności netto bloku energetycznego (OB1), poprzez regulację strumienia wody chłodzącej elementem wykonawczym zainstalowanego urządzenia (P), tzn.: zmiany ustawienia sprzęgła hydrokinetycznego lamelowego, i jednocześnie uwzględnia ograniczenia eksploatacyjne (OB2) chłodni kominowej lub kolektorowego układu chłodni kominowych. Znamiona nowości wynalazku zawierają się w istocie zestawienia urządzeń: sprzęgła regulacyjnego lamelowego oraz urządzenia o szerokiej i złożonej analizie sygnałów wejściowych oraz faktu optymalizacji sprawności bloku netto z uwzględnieniem ograniczonych możliwości eksploatacyjnych chłodni kominowych lub kolektorowego układu chłodni kominowych.

3 PL B1 3 Istotą wynalazku jest układ regulacji i optymalizacji pracy w czasie rzeczywistym układów chłodzenia elektrowni kondensacyjnych i elektrociepłowni przy pomocy pompy wyposażonej w urządzenie regulujące wydajność bloku energetycznego przy uwzględnieniu oddziaływania regulacji na chłodnię kominową lub kolektorowy układ chłodni kominowych. Wejścia bloku UAR połączone są z wyjściami z bloku OSP podającego sygnały zadanych wartości Y 0, Y 1, Y 1i, Y 1s oraz z wyjściami z bloku OB1 podającego sygnał danej mocy czynnej netto N el netto danej mocy cieplnej Q ciepl, wartości strumienia doprowadzanego ciepła w kotle Q kot, entalpii właściwej wody chłodzącej przy dopływie do bloku energetycznego h dopl, przy wypływie z bloku h wypl i znanego strumienia wody chłodzącej m w oraz z wyjściami z bloku OB2 podającego sygnały temperatury otoczenia t ot, wilgotności względnej ϕ ot, ciśnienia otoczenia p ot, a wyjściowy sygnał sterujący Dx z bloku UAR podawany jest na wejście układu regulacji pompy P dla którego blok energetyczny uzyskuje maksymalną sprawność netto. Pompa wody chłodzącej z układem regulacji P jest zestawiona mechanicznie z silnikiem za pośrednictwem sprzęgła regulacyjnego lamelowego. W zgłaszanym wynalazku, zestawia się ze sobą znane środki techniczne, pozwalające w sposób nowy realizować zadanie prowadzenia układu chłodzenia bloku energetycznego tak, że blok energetyczny w trakcie eksploatacji uzyskuje maksymalną sprawność netto. Przedmiot wynalazku, zestawienie urządzeń, zobrazowano graficznie w przykładzie realizacji na rysunku. Blok energetyczny (OB1) pracuje przy zadanej mocy czynnej netto N el netto oraz zadanej mocy Q ciepl stabilizowanych istniejącymi autonomicznymi układami regulacji. W pracę bloku energetycznego ingeruje poprzez zadawane sygnały: Y 0, Y 1, Y 1i, Y 1s, Operator Sieci Przesyłowej (OSP). Występują dane, chwilowe wartości parametrów klimatycznych: temperatura otoczenia t ot, wilgotność względna ϕ ot i ciśnienie otoczenia p ot, ograniczające możliwości eksploatacyjne chłodni kominowej (OB2) lub kolektorowego układu chłodni kominowych. Do bloku energetycznego jest doprowadzany w kotle strumień ciepła Q kot, regulowany istniejącym autonomicznym układem automatycznej regulacji ilości paliwa. W układzie wody chłodzącej przepływa regulowany, masowy strumień wody chłodzącej w o entalpii właściwej przy dopływie do bloku energetycznego h dopl oraz przy wypływie h wypl. Urządzenie (UAR); estymując powyższe mierzone sygnały estymatorem E i wyrównując je rachunkiem wyrównawczym R, poprzez funkcjonał J wyznaczający optymalną wartość Dx; podaje sygnał sterujący Dx do urządzenia sprzęgła sterującego lamelowego zestawionego wraz z pompą wody chłodzącej i silnikiem napędowym, całość oznaczona jako (P), sterującego przepływem wody m w. W urządzeniu (UAR), na podstawie sygnałów z obiektu: mocy czynnej netto bloku N el netto, mierzonego bezpośrednio lub wyznaczonego pośrednio jako różnicę mocy czynnej brutto i mocy czynnej potrzeb własnych bloku; strumienia doprowadzonego ciepła w kotle Q kot, wyznaczanego pośrednio poprzez bilans energii i masy kotła, na podstawie pomiaru temperatury i ciśnienia czynnika obiegowego w poszczególnych punktach przy dolocie i wylocie z kotła oraz mierzonych strumieni przepływającego czynnika; strumienia ciepła przekazywanego do ciepłowni Q ciepl, wyznaczonego pośrednio jako różnicę pomiędzy strumieniem entalpii przy dopływie do stacji ciepłowniczej wyznaczonego na podstawie iloczynu strumienia i entalpii właściwej pary obliczonej na podstawie pomiaru temperatury i ciśnienia, a strumieniem entalpii przy wypływie ze stacji ciepłowniczej wyznaczonego na podstawie iloczynu strumienia i entalpii właściwej kondensatu obliczonej na podstawie pomiaru temperatury i ciśnienia; entalpii właściwej h dopl obliczonej na podstawie pomiaru temperatury i ciśnienia wody chłodzącej przy dopływie do bloku energetycznego; entalpii właściwej h wypl obliczonej na podstawie pomiaru temperatury i ciśnienia wody chłodzącej przy wypływie z bloku energetycznego; strumienia przepływającej wody m w ; estymowanych w celu stabilizacji rozwiązania; sygnałów ustalających daną konfigurację układu, liczbę włączonych urządzeń; mierzonych parametrów klimatycznych: temperatury otoczenia t ot ; wilgotności względnej powietrza atmosferycznego ϕ ot ; ciśnienia otoczenia p ot ; sygnałów zadanych przez Operatora Systemu Przesyłowego: zadanych wartości sygnału Y 0 ; zadanych wartości m

4 4 PL B1 sygnału Y 1 ; zadanych wartości sygnału Y 1i ; zadanych wartości sygnału Y 1s ; danego w układzie automatycznej regulacji funkcjonału J, jest wypracowana wartości sygnału sterującego Dx i charakteryzująca się tym, że blok energetyczny (OB1) dla zadanych wartości mocy elektrycznej i mocy cieplnej uzyska maksymalną sprawność netto. Sygnał Dx jest przekazany do następnego urządzenia, którym jest sprzęgło regulacyjne lamelowe. Sprzęgło regulacyjne Iamelowe jest zabudowane wraz z silnikiem napędowym i pompą wody chłodzącej w układzie chłodzenia bloku energetycznego. Sprzęgło regulacyjne lamelowe reguluje prędkość obrotową pompy wody chłodzącej, co umożliwia regulację strumienia wody chłodzącej bloku energetycznego. Urządzenie (UAR), w którym jest wypracowany sygnał sterujący sprzęgłem regulacyjnym Dx i który dąży do uzyskania maksymalnej sprawności netto bloku energetycznego (OB1) może być wykonane w technologii układu scalonego przetwarzającego analogowe sygnały wejściowe w analogowy sygnał Dx lub może być sterownikiem realizującym zadany algorytm w technologii cyfrowej. Sam sposób wypracowania sygnału Dx wewnątrz urządzenia (UAR) nie jest przedmiotem zgłaszanego wynalazku. Sprzęgło regulacyjne lamelowe, pompa wody chłodzącej oraz silnik napędowy są zesprzęglone mechanicznie tworząc układ wirujący pozwalający na płynną regulację strumienia wody chłodzącej. Sam sposób mechanicznego zesprzęglenia tych urządzeń nie jest przedmiotem zgłaszanego wynalazku. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ regulacji i optymalizacji pracy w czasie rzeczywistym układów chłodzenia elektrowni kondensacyjnych i elektrociepłowni przy pomocy pompy wyposażonej w urządzenie regulujące wydajność bloku energetycznego przy uwzględnieniu oddziaływania regulacji na chłodnię kominową lub kolektorowy układ chłodni kominowych, znamienny tym, że wejścia bloku UAR połączone są z wyjściami z bloku OSP podającego sygnały zadanych wartości Y 0, Y 1, Y 1i, Y 1s oraz z wyjściami z bloku OB1 podającego sygnał danej mocy czynnej netto N el netto, danej mocy cieplnej Q ciepl, wartości strumienia doprowadzanego ciepła w kotle Q kot, entalpii właściwej wody chłodzącej przy dopływie do bloku energetycznego h dopl, przy wypływie z bloku h wypl i znanego strumienia wody chłodzącej w oraz z wyjściami z bloku OB2 podającego sygnały temperatury otoczenia t ot, wilgotności względnej ϕ ot, ciśnienia otoczenia p ot, a wyjściowy sygnał sterujący Dx z bloku UAR podawany jest na wejście układu regulacji pompy P dla którego blok energetyczny uzyskuje maksymalną sprawność netto. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pompa wody chłodzącej z układem regulacji P jest zestawiona mechanicznie z silnikiem ze pośrednictwem sprzęgła regulacyjnego lamelowego. m

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)