Одним из способов прохождения суточных и недельных минимумов нагрузки является остановка части котлов и турбин ТЭС с последующим их пуском в утренние часы. Обычно такие остановочно-пусковые режимы применяются на неблочных ТЭС с давлением пара до 10 МПа, а также на блочных ТЭС с блоками 160 и 200 МВт и на ТЭЦ, работающих в весенне-летний период по конденсационному циклу. Большинство этих электростанций оснащено барабанными .
За время ночного простоя (6—8 часов) температурное состояние при хорошей их тепловой изоляции меняется мало, и последующий их пуск особых осложнений не вызывает. Также не представляет трудностей пуск турбин после простоя 30—40 часов.
Основное влияние на продолжительность пуска энергооборудования ТЭС даже после коротких ночных простоев оказывают котлы, температурное состояние которых за это время при обычных способах остановки успевает заметно измениться. Например, температура среды и металла в паровом тракте котлов с номинальным давлением 10—15 МПа за 6—8 часов уменьшается на 200—220 °С, барабана — на 100—120 °С, нижних коллекторов и трубной системы — на 100—150 °С, давление среды в котле падает до 25—60 % номинального. В результате при последующих пусках в отдельных элементах котла (особенно в толстостенных) возможно появление недопустимых температурных напряжений, а продолжительность пуска значительно увеличится. Опыт эксплуатации показывает, что продолжительность пуска таких котлов по условиям прогрева барабана и паропроводов после ночного простоя составляет не менее 40—70 минут.
Общая продолжительность растопочных режимов котлов на протяжении года может быть очень велика на электростанциях, переведенных в подобный режим регулирования ночных провалов графика нагрузки. Так, при 200 ночных остановках и 20 остановках в периоды недельного минимума нагрузок эта продолжительность достигает 15 суток. Надежность и экономичность работы котлов при этом дополнительно снижаются из-за ухудшения водно-химического режима, усиления коррозии хвостовых поверхностей, повышения расхода дефицитного растопочного топлива. В результате возрастает повреждаемость отдельных элементов котельных агрегатов, барабанов, гибов необогреваемых труб, арматуры и других, что ведет к увеличению аварийных ремонтов. Так, на рисунке ниже приведены данные о 18 котлах 10 МПа одной из электростанций. До рассматриваемого периода каждый из котлов проработал свыше 100 тысяч часов и имел от 700 до 1000 пусков. Анализ этих данных показал, что число аварийных ремонтов возрастало при пусках после 12-часовых простоев котлов.
Следует отметить также, что реализация таких остановочно-пусковых режимов на неблочных станциях представляет собою трудную и технически и организационно задачу. Для успешного прохождения ночного провала графика необходимо останавливать, а в утренние часы пускать одновременно большое число котлов. Но котлы этих станций, как правило, не оснащены в достаточной мере современными средствами контроля, дистанционного управления, защиты и автоматики, а тепловые схемы станций не приспособлены к одновременному пуску многих котлов. Если учесть еще ограниченность оперативного персонала и чрезвычайно жесткие сроки пуска (2—З часа), определяемые скоростью нарастания нагрузки в энергосистеме в утренние часы, то становится очевидной необходимость разработки и внедрения других способов прохождения глубоких провалов графика нагрузки, не влияющих отрицательно на долговечность и надежность оборудования станций. В последнее время предложено несколько таких способов, одним из которых является перевод котлов станций с поперечными связями на минимальную допустимую по условиям перегрева пара нагрузку. При этом котлы не отключаются от магистрального паропровода, а переводятся на сжигание растопочного топлива (газ, мазут) при минимальных расходах электроэнергии на собственные нужды.
Режим перевода на минимальную нагрузку исследовался на котлах ПК-19 (120 т/ч, 9 МПа, 540 °С) и ТП-10 (220 т/ч, 9 МПа, 540 °С). Показано, что возможна длительная устойчивая работа этих котлов с номинальным или близким к нему перегревом пара на весьма малых (8—10 % номинальной) нагрузках. При некотором (на 20—30 °С) снижении температуры перегрева пара, что технически допустимо и экономически оправданно в периоды прохождения провалов графика нагрузки, минимальный уровень нагрузки котлов может быть еще снижен (до 7—8 %). При практической равноценности по затратам топлива такой режим имеет целый ряд преимуществ по сравнению с остановочно-пусковым. Это, во-первых, технологичность и минимальные трудозатраты. Во-вторых, более высокая надежность котлов, поскольку исключаются глубокие температурные изменения их ответственных узлов и возможные при растопочных операциях ошибочные действия персонала. В-третьих, более высокая маневренность электростанции при быстрых подъемах нагрузки в утренние часы. Наконец, следует отметить, что этот режим не требует радикальных переделок тепловой схемы станции и установки дополнительных устройств автоматики, контроля и дистанционного управления. Все операции по разгрузке котла выполняются одним дежурным за 10—15 минут.
Другой способ заключается в переводе барабанных котлов неблочных ТЭС в горячий резерв на весь период провала графика нагрузки. Этот способ рекомендуется для пылеугольных станций, на которых реализация глубоких разгрузок большого количества котлов одновременно, рассмотренная выше, может быть ограничена из-за недостатка растопочного топлива.
В предлагаемом способе котел переводится в горячий резерв без отключения от магистрального паропровода свежего пара. Его тепловое состояние поддерживается за счет сжигания предельного малого количества растопочного топлива, достаточного лишь для сохранения температуры экранной системы и барабана на уровне, близком к номинальному. Для этого разжигаются одна-две растопочные горелки верхнего яруса с общим расходом топлива (мазут, газ) 2—3 % номинального. В работе сохраняется одна пара тягодутьевых машин при минимальной загрузке, все механизмы пылесистем останавливаются. Воздух подается только к работающим горелкам, питание котла осуществляется по байпасу регулирующего питательного клапана. При таком режиме топки температура пара в зоне пароперегревателя намного ниже, чем при нормальной работе котла под нагрузкой. Для предотвращения глубокого снижения температур металла паропроводов и толстостенных элементов выходной ступени пароперегревателя следует непрерывно сбрасывать пар из промежуточной точки пароперегревательного тракта в количестве около 3 % номинального расхода. Примерно половину этого расхода составляет «сторонний» пар, поступающий через выхлопную часть турбины («обратным ходом») из общестанционного коллектора собственных нужд. Пар сбрасывается в растопочный коллектор и используется в тепловой схеме электростанции.
Многочисленные эксперименты с переводом котлов в такой необычный режим показали, что нарушений циркуляции в отдельных трубах и экранах (вследствие низкого тепловыделения в топке и неизбежной неравномерности обогрева экранов по их ширине и высоте) не возникает. С момента перевода котла в горячий резерв происходит лишь плавное снижение температур в нижней части циркуляционной системы, что свидетельствует о наличии в ней устойчивой, хотя и с пониженными скоростями, циркуляции воды. Температурный режим барабана на всех этапам перевода котла в горячий резерв и последующего нагружения не претерпевает недопустимых изменений. Разности температур по его периметру и по длине такие же, как и при нормальной нагрузке. Условия работы пароперегревателя можно оценить как вполне удовлетворительные, хотя перевод в резерв и последующее нагружение котла обусловливают несколько большее, чем в испарительном контуре и , снижение температур пара и металла по тракту пароперегревателя. Однако как пределы, так и скорости изменения температур здесь намного меньше, чем при обычном остановочно-пусковом режиме.
Наиболее массивные элементы пароперегревателя и паропроводов в этом режиме при постоянном протекании пара через них остывают за 6 часов всего на 20—30 °С.
Оптимальный режим работы топки, т. е. расход топлива, число горелок, расположение факела относительно пароперегревателя, должен устанавливаться для каждого котла опытным путем исходя из допустимого для металла коллекторов и перепускных труб температурного режима, а также максимальной температуры пара на выходе «разверенных» змеевиков по всему тракту.
В период нахождения котла в горячем резерве по этой технологии неизбежные колебания давления в магистральном паропроводе приводят к небольшим изменениям расхода сбрасываемого пара. При повышении давления в магистральном паропроводе расход стороннего пара возрастает, а собственного — падает, иногда до нуля. Однако это не сказывается заметно на температурном режиме пароперегревателя и экранных систем котла вследствие большой тепловой инерции всего пароперегревательного тракта. Например, при систематических колебаниях давления пара в магистральном паропроводе в пределах ±0,2 МПа с частотой 0,2 мин-1 и даже более температурное состояние по всему тракту оставалось вполне стабильным.
Технология вывода котла из горячего резерва проста и мало отличается от обычного нагружения после растопки. Все операции по выводу из резерва и последующему нагружению котла до номинальной производительности могут быть выполнены в течение 15—20 минут. При этом легко обеспечивается нормальный температурный режим всех .
Затраты условного топлива на поддержание котла в горячем резерве с учетом потребления 3 т/ч свежего пара из общестанционного коллектора и последующего его использования в деаэраторах, а также с учетом потребления электроэнергии на привод тягодутьевых машин не превышает 0,65 т/ч. На растопку же этого котла после 5—6 часов простоя до момента включения в магистральный паропровод затрачивается около 3 тонн топлива. Таким образом, по экономическим показателям режим горячего резерва близок к остановочно-пусковому, однако по надежности, маневренности, затратам труда оперативного персонала он значительно лучше режима остановок и пусков. Следует отметить также, что при этом способе прохождения провалов графика уменьшается износ оборудования вследствие уменьшения числа его остановок и пусков. Рекомендуется в котлах с относительно низким расположением горелок установить дополнительные горелки в верхнем ярусе для сжигания растопочного топлива и обеспечения необходимого уровня температур (450—500 °С) в области пароперегревателя при выводе котлов в горячий резерв.
Также рекомендуется еще один способ сокращения продолжительности пусков барабанных котлов после простоев в ночные часы, заключающийся в поддержании теплового состояния котла в период его простоя на уровне, близком к тому, которое он имел в момент отключения. Этот способ, названный авторами консервацией теплового состояния (КТС), сводится к организации движения по тракту остановленного котла потоков пара, подаваемого от других работающих котлов. Такой режим позволяет компенсировать потери теплоты в окружающую среду и сохранить тепловое состояние котла таким, при котором давление и температура пара при последующем пуске будут близкими к номинальным.
Как правило, в этом режиме требуется организация двух потоков пара. К нижним коллекторам экранов подается насыщенный пар от барабанов работающих котлов по специально смонтированной для этой цели линии, а свежий пар из общестанционной магистрали «обратным ходом» пропускают через главные паропроводы и пароперегреватель и сбрасывают через линию, также специально смонтированную для этого и подключенную к выходным коллекторам потолочного пароперегревателя.
Основные преимущества способа КТС определяются его авторами следующим образом:
- сводятся к минимуму температурные напряжения при остановке котла, возникающие в его элементах вследствие изменений температур и давлений;
- исключаются операции с арматурой на главных паропроводах, на линии рециркуляции водяного экономайзера и на линиях отвода пара к растопочным РОУ;
- значительно сокращается продолжительность растопки и нагружения котла (вместо 1 часа всего 10 минут), что повышает маневренность станции и уменьшает суммарное время работы котла в нестационарных режимах.
Пуски котла могут производиться со сбросом пара непосредственно в магистральную линию свежего пара без использования растопочных РОУ, что упрощает пусковые операции, позволяет растапливать одновременно несколько котлов и исключает необходимость реконструкции пусковой схемы станции при переходе ее в режим регулирования графиков нагрузки.
Технико-экономическая оценка способа КТС показала, что его применение при каждой остановке котла ТП-17, например, в резерв на 6—8 часов (суточный минимум нагрузки) позволяет сэкономить около 1,3 т топлива (в условном исчислении). При простоях около 30 часов остановка с использованием КТС примерно равноэкономична с обычным остановочно-пусковым режимом. При применении КТС дополнительно сокращается расход растопочного топлива в 4—5 раз и продолжительность набора нагрузки в часы утреннего подъема нагрузки в энергосистеме. Однако в работе отмечается и крупный недостаток этой технологии, а именно: требуется сооружение специальной линии подвода греющего пара в пределах всего котельного цеха с подключением к ней всех котлов электростанции.
Есть еще один способ расширения диапазона регулирования ТЭС — перевод во время ночных провалов графика турбин в моторный (беспаровой) режим, являющийся альтернативой остановочно-пусковому режиму. Эти два способа являются основными при глубоком регулировании суточных графиков на ТЭС. Выбор способа обычно основывается на критериях экономичности и надежности.
Опыт и расчеты показывают, что с точки зрения экономичности при кратковременных провалах графика нагрузки (6— 8 часов) преимущество имеет моторный режим. Однако остается неясным, насколько надежен этот режим в отношении малоцикловой усталости.