AUTOMATIZAREA PROCESELOR DIN CENTRALELE ELECTRICE

AUTOMATIZAREA PROCESELOR DIN CENTRALELE
ELECTRICE
III.1. Aspecte generale
Energia electrică se produce în instalaţii tehnologice, numite centrale
electrice (CE), care utilizează diferite forme de energie primară. După sursa
primară de energie există următoarele tipuri principale de CE:
A. Centrale termice - CT, care utilizează drept sursă primară de energie
combustibilii fosili (cărbune, combustibil lichid, gaze naturale); din această
categorie fac parte:
- Centralele termoelectrice echipate cu turbine cu abur – CTE;
- Centrale electrice cu termoficare sau Centrale electrice cu cogenerare
(adică produc energie electrică şi termică) – CET;
- Centrale cu turbine cu gaz – CTG;
- Centrale cu motoare diesel – CTD;
- Centrale cu generatoare magneto-hidro-dinamice – CMHD;
B. Centrale nuclearo – electrice – CNE, care funcţionează pe bază de
combustibili nucleari;
C. Centrale hidroelectrice – CHE, care funcţionează pe baza energiei
hidraulice (potenţiale sau cinetice) a cursurilor de apă;
D. Centrale electrice eoliene – CEE, care funcţionează pe baza energiei
eoliene (energia vântului);
E. Centrale electrice solare - CES, centrale funcţionând pe baza energiei
solare (Heliocentrale);
F. Centrale geo – termo – electrice – CGTE, care funcţionează pe baza
energiei geotermice.
Mărimile şi elementele ce caracterizează în ansamblu o instalaţie pentru
producerea energiei electrice sunt următoarele:
- tipul centralei, în funcţie de sursa de energie primară utilizată la
producerea de energie electrică;
- ciclul transformărilor energiei primare în energie electrică;
- rolul centralei electrice în sistemul electroenergetic (de bază, vârf sau
rezervă);
- puterea totală şi puterea unitară a grupurilor centralei;
- felul curentului electric generat şi frecvenţa;
- tensiunea de producere şi tensiunea de livrare a energiei electrice;
- factorul de putere nominal.
III.2. Centrale termoelectrice cu abur
Centralele termoelectrice cu abur (CTE) produc energie electrică sau
energie electrică şi termică în urma arderii în cazane a unor combustibili (solizi,
lichizi, gazoşi) şi transformarea energiei chimice a acestora în energie termică,
urmată de transformarea energiei termice în energie mecanică, prin intermediul
turbinelor cu abur şi a energiei mecanice în energie electrică prin intermediul
generatoarelor electrice (Fig.3.1).
85

Fig.3.1. Lanţul transformărilor în CTE
Conversia energiei chimice în energie termică se realizează, de regulă, cu
randamente de peste 90%, transformarea energiei termice în energie mecanică se
realizează cu randamente ale ciclului termic sub 50%, iar transformarea energiei
mecanice în energie electrică are randamente de peste 96%. În aceste condiţii,
randamentul global se apropie cu greu de 40%, bilanţul termoenergetic pentru o
CTE de mare putere prezentându-se astfel (valori aproximative) [7]:
- 9% pierderile cazanului;
- 2% pierderi prin radiaţie;
- 47% pierderi prin condensaţie;
- 2,5% servicii interne;
- 1,5% pierderi electrice şi mecanice;
- 38% putere utilă furnizată.
Se constată că aprox. 58% din energia consumată reprezintă pierderi
datorate proceselor termoenergetice şi numai 1,5% sunt pierderi electrice şi
mecanice; rezultă deci necesitatea reglării şi automatizării proceselor termice, în
principal a cazanelor şi turbinelor, pentru o funcţionare sigură şi cu pierderi
minime.
Centralele termoelectrice continuă să deţină ponderea puterii şi cantităţii
energiei produse în sistemele electroenergetice, aproape 50% din energia
electrică produsă azi în lume fiind obţinută în centralele termoelectrice cu abur.
Puterile pe un grup modern cazan – turbină – generator (la bornele
generatorului), se încadrează între (100…1000) MW, la parametrii aburului de
(80…190) at, temperaturi de (480…560) 0 C şi debite de (200…3000) t/h. Până la
cca. 600 MW turbinele se construiesc cu un singur ax, iar peste 600 MW cu două
axe.
Funcţionarea CTE are la bază principiul al doilea al termodinamicii,
conform căruia o maşină termică ciclică poate produce lucru mecanic numai dacă
este în contact cu două surse de căldură (una caldă şi una rece), ciclul termic
ideal fiind format din două izoterme şi două adiabate (Carnot). Particularităţile
termodinamice ale fluidelor de lucru modifică substanţial forma ciclului termic
ideal, CTE funcţionând după un ciclu termic real (Hyrn - Rankine) [7,12,23,26,32].
Schema termică de principiu pentru CTE este prezentată în figura 3.2. În
cazanul de abur 1, combustibilul (solid, lichid sau gazos) arde în prezenţa aerului
introdus din exterior. Aburul supraîncălzit în supraîncălzitorul 2 se destinde în
turbina 3, lucrul mecanic produs fiind preluat de generatorul trifazat 4 (la 3000
rot/min, 50 Hz sau 3600 rot/min, 60 Hz).
Cea mai mare cantitate de abur se condensează în condensatorul 5, la
presiunea (0,04…0,02) at, căldura de vaporizare a acestuia fiind preluată de apa
de răcire a condensatorului. Pompa de condensat 6 antrenează apa la degazorul 7,
unde se încălzeşte cu ajutorul aburului din conducta 8, preluat de la o priză a
turbinei. Apa încălzită în degazor îşi evacuează gazele conţinute, iar apoi este
86

antrenată de pompa de alimentare 10 în cazan, prin intermediul uneia sau mai
multor trepte de încălzire regenerativă 11. Încălzirea acestor preîncălzitoare ale
apei de alimentare se face printr-o altă priză de abur, din conducta 9, iar
condensul rezultat este drenat în degazor prin conducta 12.
u
t
Qtot
Fig.3.2. CTE - schema termică de principiu
Randamentul termic al circuitului principal poate fi exprimat prin relaţia:
Q
(3.1)
unde: Qu este căldura utilă, reprezentând energia transformată în lucru mecanic;
Qtot – căldura generată prin arderea combustibilului.
În realitate circuitul termic al CTE este mult mai complex, conţinând
preîncălzitoare de apă, supraîncălzitoare intermediare de abur, turbină cu mai
multe corpuri şi alte elemente destinate creşterii randamentului.
III.2.1. Reglarea automată a cazanelor cu abur
Elementul central al sistemului termic este cazanul de abur cu sistemul de
reglare aferent şi are sarcina de a produce abur la valori optime ale presiunii şi
temperaturii şi cu debitul solicitat de turbină.
În funcţie de circulaţia apei în cazan se deosebesc:
- cazane cu circulaţie naturală (cu tambur), în care circulaţia apei se
realizează datorită diferenţei de greutate specifică între faza lichidă şi emulsia
apă – abur;
- cazane cu circulaţie forţată multiplă, în care apa este deplasată în ţevile
fierbătorului cu ajutorul unui sistem de pompe;
- cazane cu circulaţie forţată unică, în care apa este împinsă de pompa de
alimentare, parcurgând sistemul de ţevi o singură dată, ceea ce înseamnă că
87

vaporizarea apei, uscarea aburului şi supraîncălzirea acestuia se realizează de-a
lungul ţevilor fierbătoare;
- cazane cu circulaţie forţată unică cu recirculare, care au intercalate în
circuitul apă – abur butelii separatoare, datorită cărora vaporizarea are loc la un
punct fix, iar la pornire, apa poate circula din separator într-un expandor şi apoi
înapoi în rezervorul degazorului, soluţia fiind favorabilă funcţionării cu sarcini
parţiale.
Cel mai utilizat tip de cazan în centralele termoelectrice clasice este
cazanul cu circulaţie naturală (cu tambur), astfel că în acest material se vor face
referiri numai la acesta. Schema de principiu a unui cazan cu circulaţie naturală
este prezentată în figura 3.3.
Fig.3.3. Cazan cu circulaţie naturală
Combustibilul intră prin conducta 1, se amestecă cu aerul primar
preîncălzit şi este antrenat prin arzătorul 2 spre focarul 3, unde se aprinde.
Căldura produsă prin ardere se transmite prin radiaţie şi convecţie, la suprafeţele
de schimb de căldură ale focarului, căptuşit cu ţevile fierbătoare (ascendente) 4.
Apa necesară vaporizării este antrenată de pompa de alimentare 10,
trecută prin preîncălzitorul de apă 9 şi trimisă în tamburul 6 al cazanului. Din
tambur apa coboară liber printr-un sistem de ţevi (neîncălzite) descendente 5 în
colectoarele 14, plasate în exteriorul focarului, apoi intră în ţevile fierbătoare,
unde, datorită căldurii de radiaţie se vaporizează. Datorită diferenţei de greutate
specifică ( g h ), amestecul abur-apă se ridică în tambur, unde apa se separă
de aburul saturat, care este antrenat în supraîncălzitorul de radiaţie 7, apoi în cel
de convecţie 8, după care este dirijat spre magistrala de abur a centralei.
88

În sistemele în care turbinele au mai multe corpuri, aburul uscat pleacă din
supraîncălzitorul de radiaţie la corpul de înaltă presiune al turbinei, unde se
destinde parţial, apoi este readus în cazan, la un supraîncălzitor intermediar situat
tot în zona de radiaţie.
Aerul necesar arderii este aspirat din atmosferă de ventilatorul de aer 12,
încălzit în preîncălzitorul de aer 13 şi antrenat în canalul arzătorului.
Gazele arse sunt antrenate şi evacuate la coş prin ventilatorul de gaze
arse 11, după ce, în prealabil, cedează căldura supraîncălzitoarelor,
preîncălzitorului de apă şi preîncălzitorului de aer. Cea mai joasă temperatură a
gazelor de ardere la coş se înregistrează la gaze naturale (100…110 0 C), iar cea
mai ridicată la arderea lignitului (140…160 0 C). Coşul de evacuare favorizează o
bună dispersie a gazelor arse în atmosferă şi un tiraj natural puternic.
Deoarece la presiuni ridicate circulaţia naturală nu mai este eficientă,
apărând pericolul circulaţiei inverse în sistemul fierbător, a apărut necesitatea
introducerii unor pompe pe ţevile descendente pentru a asigura circulaţia normală
a apei, obţinându-se astfel cazanul cu circulaţie forţată (cazan La Mont).
Cazanele cu circulaţie naturală (cu tambur) şi cele cu circulaţie forţată
(fără tambur) posedă circuite de reglare automată care prezintă unele
particularităţi, datorită unor principii diferite de funcţionare.
Sistemul de reglare automată a unui cazan cu circulaţie naturală trebuie să
asigure în principal:
a) Condiţii tehnologice:
- asigurarea debitului de abur consumat;
- menţinerea constantă a presiunii aburului la ieşirea din cazan sau
modificarea ei după o lege dată, în funcţie de sarcină. Depăşirea presiunii este
periculoasă, iar coborârea ei micşorează calitatea destinderii în turbină;
- menţinerea constantă a temperaturii aburului la ieşirea din cazan,
indiferent de sarcină sau de alte perturbaţii. Depăşirea temperaturii este
periculoasă pentru primele palete ale turbinei, iar scăderea ei înrăutăţeşte
randamentul turbinei;
- menţinerea nivelului apei din tambur între anumite limite.
Depăşirea nivelului poate antrena picături de apă în aburul supraîncălzit, iar
coborârea lui poate solicita termic ţevile fierbătoare;
- menţinerea constantă a unei depresiuni la partea superioară a
focarului. Creşterea depresiunii duce la creşterea debitului de aer rece din
exterior spre focar.
b) Condiţii economice:
- asigurarea unui regim optim de ardere în focar;
- inerţiile echivalente ale cazanului prevăzut cu instalaţii de reglare
să fie cât mai reduse.
Într-o formă simplificată, un cazan se poate considera alcătuit din două
elemente în serie: focarul şi tubulatura cazanului, unde se au în vedere
următoarele variaţii mici, suprapuse peste valorile de regim staţionar (nominal)
de funcţionare (Fig.3.4):
Faer, Fco – modificarea controlată a debitului aerului de combustie,
respectiv a combustibilului;
89

Faer z, Fco z – perturbaţiile interne;
Q – modificarea corespunzătoare a cantităţii de căldură produsă în focar;
Fab – variaţia debitului de abur cerut de consumator.
Fig.3.4. Cazanul – reprezentare simplificată
Exprimarea analitică exactă a fenomenelor termice dintr-un cazan este
foarte complicată şi se aproximează, în general, prin ecuaţii diferenţiale de
ordinul I sau II, liniarizate în jurul punctului static de funcţionare.
Pentru stabilirea principalelor circuite de reglare automată ale unui cazan
cu circulaţie naturală, se consideră schema bloc simplificată, (Fig.3.5), care
cuprinde principalele circuite tehnologice.
Fig.3.5. Cazan – schema bloc simplificată
Condiţiile impuse în regim staţionar circuitelor de reglare sunt:
1. - egalitatea între debitul de abur produs şi cel consumat de turbină,
respectiv Fab = Ft, semnalul reglat fiind Fab;
2. - menţinerea valorilor P = constant şi T = constant. Pentru stabilizarea
lui P, care se consideră semnal reglat, se comandă fie debitul de abur saturat Fab,
fie debitul consumat de turbină Ft, respectiv PFab sau PFt. Săgeata indică
sensul, în timp, de la cauză la efect.
Pentru stabilizarea lui T, care se consideră semnal reglat, se comandă
debitul de apă, respectiv TFapă.
3. - egalitatea între căldura preluată prin vaporizare şi căldura generată
prin ardere în focar. Se consideră că debitul de abur saturat se poate regla direct
prin debitul de combustibil, adică Fab = k1Fco. Dacă Fab = Ft = const., atunci,
practic, debitul acţionează proporţional asupra presiunii P a aburului, adică
P = k2Fco.
90

4. - pentru o ardere completă, debitul de aer trebuie să fie proporţional cu
debitul de combustibil, adică Faer = k3Fco;
Deci FcoFaer, dar PFco astfel că PFaer.
5. – debitul de gaze arse este proporţional cu debitul de aer şi debitul de
combustibil, adică Fgaze = k4Faer;
În practică se preferă ca debitul de gaze arse să fie comandat în raport cu
depresiunea h din focar, adică hFgaze. Comanda debitului de gaze arse se face
acţionând asupra ventilatorului de gaze arse.
6. – trebuie respectată condiţia Fapă = Fab + Fpurjă;
În practică se urmăreşte menţinerea nivelului apei în tambur, adică:
H = constant. Deci FabFapă sau HFapă sau Fab+HFapă.
7. – menţinerea unui nivel scăzut de salinitate al apei în tambur, respectiv
Sal = const., ceea ce impune una din următoarele scheme: SalFpurjă sau
FabFpurjă sau Sal + FabFpurjă.
Din analiza condiţiilor (1…7) se constată că un cazan cu tambur poate fi
reglat pe baza următoarelor acţiuni directe, de la semnalul reglat spre semnalul de
execuţie [7]:
PFco
P sau FcoFaer
hFgaze
Fab + HFapă (3.2)
TFapă
Sal + FabFapă.
Din relaţiile (3.2) rezultă principalele circuite de reglare pentru cazanele
cu circulaţie naturală.
III.2.1.1. Reglarea sarcinii cazanului
În practică, reglarea debitului de abur produs în funcţie de debitul aburului
cerut de consumator, se numeşte reglarea sarcinii cazanului. Menţinerea egalităţii
între cele două debite trebuie să se realizeze păstrând constanţi parametrii de
calitate ai aburului (presiunea şi temperatura) şi folosind un consum cât mai
redus de combustibil.
În regim staţionar, debitul de abur Fab al unui cazan fără supraîncălzire
intermediară poate fi exprimat prin bilanţul caloric (3.3), în condiţiile unui debit
de purjă nul. Astfel, relaţia debit abur – debit combustibil este dată de egalitatea:
i i Fco
Pci
caz
Q
Fab
2 1
(3.3)
în care: Q este cantitatea de căldură generată sau preluată de abur;
Fab – debitul de abur [t/h];
Fco – debitul de combustibil [t/h];
91

i2, i1 – entalpia aburului, respectiv a apei de alimentare [kcal/t]; noţiunea
de entalpie este utilizată în sensul căldurii specifice pe unitate de timp. Valoarea
ei pentru diferite temperaturi şi stări de agregare este dată în tabele;
Pci – puterea calorică a combustibilului [kcal/t];
caz - randamentul cazanului.
Din relaţia (3.3) se constată că între debitul de abur produs şi debitul de
combustibil există o dependenţă liniară:
F
ab
f
F
co
Fco
Pci
i i
2
1
caz
. (3.4)
Semnalele reglate în circuitul de reglare a combustibilului pot fi: presiunea
aburului în tambur şi la ieşire, debitul aburului, temperatura aburului la ieşire şi
sarcina termică a cazanului, Q.
Alimentarea cu combustibil şi aer de combustie trebuie să fie în strânsă
corelaţie cu debitul de abur consumat. Debitul teoretic de aer, necesar arderii
optime, poate fi determinat cu relaţia:
F
aer t
Pci
Fco
a
b
1000
92
(3.5)
unde a şi b sunt constante date în tabele, în funcţie de natura combustibilului ars.
aer r
Debitul real de aer prevede un exces de aer , astfel încât:
F F
(3.6)
aer t
Excesul de aer se determină prin măsurarea conţinutului de O2, CO2 şi
CO+H2 din gazele arse. Valorile optime ale lui depind de natura
combustibilului, de modul de ardere, de construcţia focarului şi de sarcina
termică (ex. pentru combustibili gazoşi, 1,
1).
Randamentul termic al
cazanului, în funcţie de coeficientul de exces de aer, prezintă un maxim
dependent de debitul de abur produs.
În regim dinamic, apar variaţii ale temperaturii tubulaturii prin care se
realizează transferul caloric, precum şi variaţii ale entalpiei apei, ecuaţia
diferenţială (aproximativă) care descrie aceste fenomene fiind:
Q Q Q Q
(3.7)
ab
M
apa
în care: Q este debitul caloric introdus [kcal/h];
Qab = Fab(i2-i1) – debitul caloric evacuat prin aburul viu [kcal/h];
QM = GMcMdTM/dt – variaţia debitului caloric acumulat în masa metalică
[kcal/h];

Qapa = Gapadi/dt - variaţia debitului caloric acumulat în apa din cazan
[kcal/h];
GM – greutatea metalului [t];
cM – căldura specifică a metalului [kcal/t];
TM – temperatura metalului [ 0 C];
Gapa – greutatea apei [t];
i – entalpia apei în zona de fierbere [kcal/t].
Variaţia entalpiei apei şi variaţia de temperatură a metalului pot fi
considerate proporţionale cu variaţia de presiune:
i
di dP , (3.8)
P
respectiv:
T
dT dP . (3.9)
P
Pentru variaţii mici de presiune se pot accepta ipotezele:
i
T
const şi const
P
P
astfel că:
dP
Q Fab
i i1
K P
dt
2 (3.10)
în care: KP dP/dt reprezintă variaţia debitului caloric care se acumulează în masa
metalică şi a apei, în regim tranzitoriu.
Viteza de variaţie a presiunii aburului în tambur exprimă dezechilibrul
caloric între debitul caloric introdus în cazan şi debitul caloric evacuat prin
aburul viu.
Pentru descrierea comportării în regim dinamic a focarului, fenomenele se
aproximează prin ecuaţii diferenţiale de ordinul I de forma:
dF
F F K Fu
t
,
(3.11)
dt
T F
respectiv prin funcţia de transfer:
H
F
s F
U
s s F
K F
e
T s 1
F
s
93
(3.12)

în care: F este cantitatea de căldură introdusă în focar (mărimea reglată);
uF – semnalul de comandă, care acţionează simultan asupra debitului de
combustibil şi de aer;
KF = Fst/uF0;
TF, - constante de timp dependente de tipul focarului (tipul
combustibilului, modul de antrenare a combustibilului, etc.); pentru gaze cu
putere calorică ridicată 0 2 sec .
Calitatea arderii poate fi urmărită fie direct, prin măsurarea şi menţinerea
constantă a conţinutului de O2 din gazele arse, fie indirect, prin menţinerea unui
raport constant între debitul de aer şi cel de combustibil.
III.2.1.2. Reglarea temperaturii aburului viu
Cu cât temperatura aburului este mai ridicată, cu atât randamentul termic
este mai mare. Depăşirea unei limite date favorizează însă efectul de fluaj (peste
550 0 C). Scăderea cu 10 0 C a temperaturii aburului micşorează randamentul
ciclului termic cu cca. 0,5% şi este cauzată de:
- creşterea debitului de abur consumat;
- depunerea de murdărie pe suprafeţele de încălzire;
- creşterea excesului de aer;
- creşterea temperaturii apei de alimentare.
Metodele de stabilizare a temperaturii aburului se bazează pe:
- injecţia de apă de alimentare sau de condensat;
- utilizarea de schimbătoare de căldură pentru răcirea aburului;
- reglarea debitului de gaze arse a supraîncălzitorului de convecţie;
- utilizarea arzătoarelor cu unghi variabil;
- recircularea parţială a gazelor de ardere spre focar.
Metoda cea mai utilizată este injecţia de apă sau abur saturat în
supraîncălzitor, cu reglarea debitului de apă sau abur saturat (Fig.3.6).
Fig.3.6. Schema de reglare a temperaturii aburului viu
94

Apa de alimentare a cazanului trece prin schimbătorul de căldură 1,
condensează aburul saturat din conducta 2, care se colectează în vasul de
presiune 3, la nivel constant, preaplinul fiind evacuat în tamburul 4. Ventilul
comandat de regulatorul de temperatură TC, injectează apa condensată în punctul
P, situat între supraîncălzitorul de radiaţie 5 şi cel de convecţie 6.
Dintre schemele de reglare a temperaturii aburului supraîncălzit, cele cu
injecţie de apă condensată prezintă o mare varietate de soluţii. În cele mai multe
cazuri, regulatoarele sunt de tip PI, iar elementele de execuţie sunt ventilele de
injecţie a apei condensate. Cea mai simplă schemă de reglare este prezentată în
figura 3.7a, dar datorită constantelor de timp mari, performanţele dinamice sunt
reduse. Varianta prezentată în figura 3.7b utilizează un reglaj în cascadă, ieşirea
din primul regulator PI fiind semnalul de referinţă pentru al doilea regulator PI.
a. b.
Fig.3.7. Scheme de reglare a temperaturii
Schema bloc corespunzătoare acestei variante de reglare este prezentată în
figura 3.8, în care se consideră următoarele perturbaţii de temperatură:
Tp1 – la intrarea în primul supraîncălzitor, înaintea punctului de injecţie;
Tp2 – aplicată supraîncălzitorului datorită perturbaţiilor de transfer caloric
prin convecţie de la gazele arse sau prin radiaţie;
Tp3 – aplicată supraîncălzitorului datorită perturbaţiilor debitului de abur.
Fig.3.8. Schema de reglare în cascadă
În general, abaterile maxime admise faţă de temperatura nominală sunt de
10 0 C, iar în regim dinamic [7]:
0 dT
0
- pentru Tmin
500 C 2 3
C min ;
dt
max, adm
0 dT
0
- pentru Tnom
530 C 1,
5 C min ;
dt
max, adm
95

- pentru Tnom
0 dT
0
650 C 0,
5 C min .
dt max,
adm
Se recomandă ca o treaptă de încălzire a supraîncălzitorului să nu aibă o
supraîncălzire mai mare de (50…60) 0 C.
Parametrii cei mai importanţi ai unui supraîncălzitor sunt:
- presiunea medie: (40…180) at;
- temperatura medie: (440…540) 0 C;
- viteza medie a aburului: (10…20) m/sec;
- diametrul ţevilor: (25…50) mm;
- lungimea ţevilor: (15…30) m.
III.2.1.3. Reglarea automată a procesului de ardere
Reglarea procesului de ardere în focarul cazanului constă în comanda
alimentării cu combustibil şi aer şi comanda tirajului, astfel că sistemul de reglare
automată trebuie să asigure:
- reglarea cantităţii de combustibil necesară producerii debitului de abur
cerut de consumator (reglarea sarcinii termice);
- reglarea cantităţii de aer necesar arderii economice a combustibilului;
- menţinerea constantă a depresiunii în partea superioară a focarului;
În acest caz, mărimile reglare sunt: presiunea aburului (la ieşirea din
cazan, în conducta colectoare sau în tamburul cazanului), raportul economic aercombustibil
şi depresiunea în partea superioară a cazanului.
În schema din figura 3.9, semnalul xF comandă “în paralel” debitul de aer
şi combustibil, existând şi variante de reglare “în serie” cu semnalul xF
comandând debitul de combustibil, care apoi comandă debitul de aer (sau invers).
Fig.3.9. Schema de comandă “în paralel” pentru Faer şi Fco
În schemele de reglare “directe” semnalul intensităţii focului xF, comandă
în mod proporţional regulatoarele de aer şi combustibil.
Perturbaţiile principale care pot interveni sunt variaţiile debitului de
combustibil şi ale debitului de abur cerut de consumator. Perturbaţia provenită de
la consumator şi concretizată prin modificarea debitului de abur cerut de
consumator este denumită perturbaţie externă (perturbaţie de sarcină), pentru că
acţionează în afara schemei de reglare. Perturbaţia care provine din partea
combustibilului este denumită perturbaţie internă, deoarece sistemul de reglare
acţionează chiar asupra debitului de combustibil, pentru a restabili valoarea
mărimii reglate. Perturbaţiile interne care acţionează asupra sistemului de reglare
automată pot fi cantitative (modificări ale debitului de combustibil, datorită
96

variaţiilor de presiune pe conducta de alimentare) şi calitative (modificări ale
puterii calorice ale combustibilului).
La funcţionarea în paralel a tuturor cazanelor din centrală pe o conductă
comună (colectoare) de abur, o parte din cazane funcţionează în regim de bază,
cu alimentare constantă cu combustibil, iar altele formează un grup în regim de
reglare, care participă la reglarea sarcinii centralei. În acest caz, regulatorul de
presiune a aburului menţine constantă presiunea în conducta colectoare de abur şi
comandă şi repartizarea sarcinii între cazane.
Presiunea aburului – mărimea care sesizează cel mai rapid dezechilibrul
de sarcină – acţionează ca semnal de intrare pentru regulatorul de sarcină
termică, direct sau prin intermediul altui regulator. Semnalul care acţionează
asupra regulatorului de sarcină termică este denumit semnal de intensitate a
focului. Alegerea locului în care se reglează presiunea aburului se face în funcţie
de locul de apariţie şi de natura perturbaţiilor, pe baza unor criterii economice şi
de siguranţă în funcţionare.
În cazul schemei din figura 3.10, regulatorul principal primeşte ca mărime
reglată presiunea P a aburului de pe conducta colectoare şi emite semnalul de
comandă a cantităţii de căldură introdusă în focar. Semnalele de comandă
elaborate acţionează asupra debitelor de aer şi combustibil (Faer, Fco).
Fig.3.10. Funcţionarea cazanelor în paralel
În practică, există scheme de reglare care introduc reacţii suplimentare
dependente de debitul de abur al fiecărui cazan şi de variaţiile de presiune din
conducta colectoare sau de la turbină.
Reglarea debitului gazelor de ardere urmăreşte păstrarea unei depresiuni
(tiraj) de cca. (1…3) mmCol.H2O în partea superioară a focarului, care asigură
evacuarea debitului de gaze rezultate din arderea combustibilului. Creşterea
depresiunii poate duce la o creştere importantă a aerului fals, ceea ce micşorează
randamentul cazanului, prin creşterea pierderilor prin gazele evacuate şi a
consumului de energie electrică pentru tiraj.
Funcţiile de transfer pentru focar pot fi aproximate sub forma:
Lapl.
{ h}
K1
H F 1s
(3.13)
Lapl.
{ n } T s 1
VGA
1
97

Lapl.{
h}
K 2
H F 2 s
(3.14)
Lapl.
{ F } T s 1
aer
2
în care: h este depresiunea în focar;
Faer – debitul de aer de combustie;
nVGA – turaţia ventilatorului de gaze arse.
III.2.1.4. Reglarea debitului apei de alimentare
Sistemul de reglarea automată a debitului apei de alimentare îndeplineşte
următoarele funcţii:
- evită rămânerea ţevilor fără apă;
- asigură debitul de apă necesar vaporizării;
- evită intrarea apei în supraîncălzitor;
- asigură egalitatea debitelor de apă şi abur;
- menţine constant nivelul apei în tambur (eroare admisă 75…100 mm).
Menţinerea constantă a nivelului din tamburul cazanului este necesară din
motive tehnologice şi de siguranţă în exploatare. Atât supraalimentarea cât şi
subalimentarea cazanului produc perturbaţii în funcţionarea acestuia şi pot pune
în pericol integritatea instalaţiei tehnologice. Prin menţinerea constantă a
nivelului în tambur se asigură şi echilibrul masic între cantitatea de abur produs
şi cantitatea de apă cu care este alimentat cazanul.
Variantele moderne de reglare utilizează reacţii în funcţie de nivelul L din
tambur (mărimea reglată), debitul de abur Fab şi debitul apei de alimentare Fapa şi
acţionează asupra ventilului V de la refularea pompei de alimentare (Fig.3.11).
a.
b.
Fig.3.11. Reglarea automată a nivelului în tambur
98

Această schemă permite regulatorului să intre în acţiune înainte ca
mărimea reglată să fie modificată prin efectul perturbaţiilor externe de sarcină
sau al perturbaţiilor interne datorate pompelor de alimentare. Variaţia sarcinii
cerute de turbină produce un dezechilibru care conduce la modificarea debitului
apei de alimentare până când acesta corespunde noii sarcini. Debitul apei de
alimentare se poate modifica fie prin modificarea poziţiei ventilului de reglare,
fie prin schimbarea turaţiei pompei de alimentare.
Mărimile perturbatoare sunt:
- debitul de abur produs de cazan;
- temperatura apei de alimentare;
- debitul apei de purjare;
- debitul de gaza arse pentru încălzirea economizorului.
Reglarea purjei se aplică numai pentru purje continue, pentru a elimina
din tambur apa cu un bogat conţinut de săruri şi deci a menţine o salinitate sub un
anumit nivel impus. Variantele uzuale reglează debitul purjei, Fpurjă în funcţie de
salinitatea S (cu performanţe dinamice reduse) sau utilizează o reacţie în funcţie
de debitul de abur, cu referinţa dată de salinitate.
III.2.2. Sisteme de gestiune tehnică în centrale termoelectrice
Complexitatea procesului tehnologic şi a utilajelor din CTE a impus o
modernizare continuă a instalaţiilor de automatizare şi a concepţiei de conducere
operativă a echipamentelor. În acelaşi timp este necesară o mare fiabilitate şi
disponibilitate atât a tuturor componentelor ce formează lanţul tehnologic cât şi a
celor care contribuie la funcţionarea în siguranţă a acestora.
Cele mai mari progrese s-au făcut în automatizarea cazanelor, sporind
eficienţa şi micşorând cheltuielile de întreţinere, numărul personalului angajat şi
emisiile toxice.
Acest lucru a devenit posibil prin utilizarea tehnicii de calcul, sub forma:
- regulatoarelor implementate soft în microcontrolere, cu redundanţă dublă
şi triplă;
- soft-urilor de monitorizare şi reglaj, care rulează pe staţii de lucru (staţii
de inginerie) şi pot înlocui un întreg panou dintr-o cameră de comandă.
În acelaşi timp, s-au dezvoltat şi celelalte echipamente de automatizare
(senzori, elemente de execuţie), întreg sistemul devenind mai fiabil, mai compact
şi mai ieftin. Se remarcă tendinţa puternică de a trece de la termocentralele pe
cărbune la cele pe gaz metan, datorită factorului economic şi impactului ecologic.
Marile firme (ABB, Hartmann & Braun, Honeywell, Siemens, etc.) au
conceput şi realizat echipamente şi sisteme integrale specifice domeniului
energetic.
Ansamblul de servicii asigurate prin sistemele de automatizare şi
informatizare, care pot fi interconectate între ele şi la reţele interne sau externe de
comunicaţie, constituie aşa-numita gestiune tehnică [20,40].
Sistemul de gestiune cuprinde o serie de elemente funcţionale:
- gestiunea tehnică în care sunt incluse, în principal, funcţiile de prelucrare
şi centralizare a informaţiilor utile precum şi de realizare a interfeţei cu
utilizatorii;
99

- automatizarea instalaţiei sau a unor părţi din instalaţie, în funcţie de
rezultatele globale;
- echipamente specifice instalaţiei.
Concepţia sistemului de gestiune presupune o structură ierarhizată, pe
niveluri de funcţionare, cărora le corespund niveluri de decizie. O astfel de
arhitectură ierarhizată cuprinde:
- nivelul echipamentelor (instalaţii termice, cazane, pompe, etc.);
- nivelul automatizărilor locale, care asigură comenzile echipamentelor
locale precum şi măsurile locale de programare şi optimizare;
- nivelul gestiunii tehnice, care permite gruparea informaţiilor provenite
de la nivelul automatizărilor locale în unul sau mai multe puncte, asigurând
stocarea şi transmiterea acestora la distanţă;
- nivelul utilizării, care asigură legătura spre reţeaua informatică,
informaţiile şi mijloacele de comandă fiind utilizate de serviciul de exploatare.
Toate aceste niveluri funcţionale sunt percepute şi coordonate la
dispecerizare, sub formă de niveluri de decizie:
- nivelul sursei energetice;
- nivelul dispeceratului central, care concentrează toate datele primite prin
intermediul dispeceratelor locale; pe baza datelor primite transmite noi comenzi,
supervizează global şi optimizează funcţionarea întregului proces tehnologic;
- nivelul dispeceratului de zonă, care conduce şi supraveghează
informaţiile primite de pe o anumită arie geografică de la una sau mai multe surse
energetice.
Fluxul informaţional se realizează prin intermediul instalaţiilor locale,
echipamentelor de achiziţie, transmisie, control şi comandă, aferente fiecărui
nivel.
Pentru realizarea automatizării locale se utilizează aparate de măsură şi
control (AMC) a parametrilor tehnologici, amplasate local, pe conducte şi utilaje
(traductoare, senzori, contoare, robinete, vane, etc.).
Dispeceratele zonale pot supraveghea şi controla unul sau mai multe
centrale termoelectrice, permiţând concentrarea de date la un prim nivel, prin
intermediul interfeţelor de comunicaţie.
În figura 3.12 se prezintă schema unui sistem centralizat, care asigură
controlul, acţionarea şi gestiunea, fără a avea posibilitatea realizării reglării şi
optimizării procesului. Un calculator central primeşte informaţiile din S1, S2, S3,
colecţionează datele primite şi le prelucrează. Informaţiile sunt emise de
numeroasele traductoare de măsură, care citesc temperaturile, presiunile,
debitele, etc. Schemele logice compară datele primite cu cele existente şi trimit
semnalele de comandă în vederea corectării parametrilor.
Într-un sistem de gestiune descentralizată toate informaţiile sunt tratate
local, calculatorul elaborează comenzi şi controlează funcţionarea procesului,
rezultatele fiind trimise la dispecerat. De asemenea, există posibilitatea ca toate
funcţiile logice să fie tratate cu aparatură clasică, iar sistemele de supraveghere şi
gestiune să transmită la centru doar informaţiile de stare. Într-un sistem de
gestiune descentralizată cu informaţii limitate, inteligenţa sistemului este
concentrată pe punctul tehnic de supraveghere şi gestiune (Fig.3.13).
100

Fig.3.12. Schema unui sistem centralizat de control
Fig.3.13. Sistem descentralizat cu tratarea locală şi informaţii limitate
101

Particularităţile unei asemenea scheme sunt următoarele:
- calculatorul central asigură automat toate funcţiile de reglare,
programare, înregistrare, efectuare de calcule de consum şi randament;
- datele primite din proces (cazane, grupuri, pompe, etc.) sunt prelucrate şi
comparate cu valorile lor de referinţă, acţionându-se automat pentru (re)stabilirea
regimului normal de funcţionare;
- datele legate de gestiunea energiei sunt retransmise centrului de recepţie
pentru a fi memorate în vederea unei prelucrări ulterioare.
Sistemul de gestiune descentralizată cu posibilităţi multiple permite un
ansamblu de operaţii ca: pornirea cazanelor în cascadă, schimbări de turaţii,
optimizarea condiţiilor de pornire, transmiterea datelor de la punctul tehnic la
dispecerat, pentru memorare, prelucrare şi înregistrare, etc.
III.2.2.1. Sistemul de gestiune tehnică - CTE Iernut
Centrala Termoelectrică Iernut (Mureş) (Fig.3.14) asigură producerea
energiei electrice în generatoare şi livrarea acesteia prin transformatoarele
ridicătoare de tensiune spre barele de 110 kV şi 220 kV ale SEN, având o putere
instalată de 800 MW, realizată cu 6 grupuri energetice (4 grupuri de 100 MW şi
2 grupuri de 200 MW) [40,49].
Fig.3.14. Distribuţia principalelor CET şi CTE din România
CTE Iernut este echipată cu 4 cazane cu circulaţie naturală de 330 t/h, în
care se produce aburul supraîncălzit la 550 0 C şi 13,8 MPa, pentru 4 turbine,
respectiv cu 4 cazane cu străbatere forţată de 320 t/h, în care se produce aburul
102

supraîncălzit la 550 0 C şi 13,8 MPa pentru 2 turbine (câte 2 cazane pe grup).
Toate cazanele utilizează pentru ardere gazul metan.
Aburul livrat de cazane antrenează rotoarele turbogeneratoarelor pentru a
produce la bornele acestora energie electrică ce urmează a fi transmisă în SEN
prin intermediul transformatoarelor ridicătoare de tensiune de 13,8/110 kV,
13,8/220 kV şi 15,75/220 kV.
Apa brută se captează din râul Mureş şi se foloseşte pentru condensarea
aburului destins la ieşirea din corpul turbinelor, completarea pierderilor din
turnurile de răcire, prepararea apei demineralizate şi prepararea apei pentru
circuitele de termoficare şi apă caldă menajeră.
La CTE Iernut, conducerea operativă a grupurilor energetice echipate cu
cazane este organizată pe mai multe niveluri şi cuprinde ansamblul activităţilor
desfăşurate de către personalul de exploatare cu ajutorul instalaţiei de
automatizare pentru a conduce procesul tehnologic în toate regimurile de
funcţionare.
Structura ierarhică pe baza căreia este organizată întreaga conducere
operativă este următoarea:
Conducerea individuală locală – la acest nivel sunt cuprinse operaţii
individuale simple, de supraveghere, executate local de personalul din instalaţie
în perioadele de pornire, revizie, probe sau cazuri de avarii.
Conducerea de la tablourile de comandă locale – acest nivel de
centralizare locală se organizează pentru unele instalaţii sau utilaje auxiliare
complexe. Tablourile de comandă locale pot fi încadrate într-o structură de
conducere organizată sau pot constitui un nivel de conducere independent.
Conducerea centralizată din camera de comandă – la acest nivel sunt
centralizate majoritatea operaţiunilor de conducere pentru instalaţiile principale şi
pentru instalaţiile auxiliare de complexitate ridicată. Operaţiunile de conducere
sunt supravegheate de către personalul de exploatare permanent.
Conducerea din camera dispecer şef de tură – coordonarea operaţiunilor
de conducere pe ansamblul termocentralei se efectuează de către dispecerul şef
de tură. Nivelurile de conducere subordonate sunt: camera de comandă şi
tablourile de comandă independente funcţional iar nivelurile de conducere
supraordonate sunt dispecerul energetic (teritorial sau naţional) şi/sau dispecerul
zonal de termoficare.
CTE Iernut este echipată parţial cu un sistem de automatizare şi control
ABB (Advant Power), complet ierarhic. Nivelurile acestui sistem sunt prezentate
în figura 3.15.
Centrul de control se află în camera de comandă, supravegherea şi reglajul
procesului tehnologic fiind concentrate pe două calculatoare la fiecare grup
energetic. În camera de comandă se află şi staţia de inginerie care asigură
reprogramarea regulatoarelor. Staţia de inginerie este de fapt un PC configurat
pentru sistemul de operare Windows şi rulează mediile de programare AMPL şi
AdvaSoft.
La primul nivel sunt poziţionate elementele de execuţie (electrice) şi
senzorii. La acest nivel se găsesc şi elementele de control de la distanţă de tip
S800, controlere de tip Advant Controller AC70, AC110, respectiv interfeţele
103

pentru conectarea cu calculatoarele portabile de tip Advant Station AS100,
folosite pentru diagnostic, control şi revizie. Controlerele oferă o gamă totală de
funcţii de proces şi control, cu protocoale pentru transmisie serială de date
(proprii ABB). Acest nivel are o magistrală proprie de tip Advanced Fieldbus
AF100, cu max. 80 de noduri, redundantă. Redundanţa este realizată prin
dublarea fiecărui controler şi prin autodiagnosticarea implementată în controlere.
Fig.3.15. Sistemul de automatizare ABB
Al doilea nivel este cel al controlerului de proces, care are o magistrală
proprie, de tip MB300. Elementele incluse sunt controlere AC450, AC410 şi
staţii de lucru AS100. Controlerele de la acest nivel conţin regulatoarele soft.
Al treilea nivel este cel al supravegherii operaţiunii, adică nivelul camerei
de comandă, de unde se face majoritatea intervenţiilor şi reglărilor.
Cel mai înalt nivel este cel al reţelei locale administrative, cu rol de
supraveghere, de aici nefiind posibil nici un fel de control. De la acest nivel se
trimit indicaţiile cu privire la capacitatea la care trebuie să funcţioneze centrala.
Pentru exemplificare, în figurile 3.16 şi 3.17 se prezintă circuitul aerului
de ardere pentru un cazan, respectiv schema de reglare a sarcinii unui bloc, aşa
cum sunt prezentate la nivelul camerei de comandă.
104

105

Fig.3.16. Circuitul aer Cazan A
Fig.3.17. Schema de reglare a sarcinii
106

III.3. Centrale electrice cu termoficare
Randamentul general al unei CTE se menţine la valori scăzute datorită
randamentului ciclului termic care este scăzut, prin însăşi principiul său de
funcţionare. În conformitate cu diagrama Rankine, randamentul ciclului termic al
unei centrale termoelectrice cu condensaţie se poate exprima în funcţie de
cantităţile de căldură schimbate de cele două surse de căldură: sursa caldă care
cedează căldura Q1 şi sursa rece căreia fluidul îi cedează căldura Q2, pierdută de
fapt. Diferenţa Q1-Q2 (care este mai mică de 50% din Q1), se transformă în lucru
mecanic util [12,15,32,39].
Q Q
1 2
t
(3.15)
Q1
Acelaşi randament se poate exprima în funcţie de ariile corespunzătoare
cantităţilor de căldură primite de la sursa caldă, respectiv cedate sursei reci sau în
funcţie de entalpiile diverselor stări.
În condiţiile în care randamentul global este scăzut, se impune adoptarea
unor măsuri pentru îmbunătăţirea randamentului ciclului termic. Aceste măsuri
acţionează fie pentru creşterea lui Q1, fie pentru micşorarea lui Q2 şi anume:
- ridicarea parametrilor iniţiali ai aburului (creşterea presiunii iniţiale a
aburului, creşterea temperaturii iniţiale, creşterea simultană a presiunii
şi temperaturii iniţiale);
- supraîncălzirea intermediară (directă, cu focar separat);
- utilizarea ciclurilor suprapuse;
- utilizarea ciclurilor binare;
- preîncălzirea regenerativă a apei de alimentare;
- termoficarea.
III.3.1. Creşterea randamentului termic prin utilizarea termoficării
Termoficarea pleacă de la ideea utilizării căldurii Q2 în procese de
încălzire industrială (centrale de termoficare industrială) sau urbană (centrale de
termoficare urbană). O astfel de centrală cu termoficare (CET) produce atât
energie electrică cât şi căldură. Teoretic, în această variantă, randamentul ciclului
termic poate ajunge la 100%; practic, sunt necesare calcule tehnico-economice,
cu privire la investiţiile suplimentare implicate.
La o centrală cu termoficare urbană sau industrială, o parte din căderea
disponibilă de entalpie a aburului nu se foloseşte pentru producerea de energie
electrică, ci pentru furnizarea de căldură consumatorilor. În mod conştient se
acceptă o micşorare a cantităţii de energie electrică produsă, pentru ca, în schimb,
să se efectueze în mod economic diferite procese de încălzire.
Presiunea până la care se destinde aburul înainte de a ceda căldura depinde
de condiţiile de exploatare ale consumatorilor. Cea mai mare destindere este
posibilă la CET urbană, deoarece instalaţiile de încălzire racordate la ele au
nevoie de temperaturi de până la 180 0 C. La CET industrială, care furnizează
căldură pentru procese industriale (diverse transformări chimice), presiunea
107

aburului trebuie să fie în mod corespunzător mai ridicată, iar căderea de entalpie
care se transformă în lucru mecanic trebuie să fie micşorată corespunzător.
O problemă importantă a utilizării termoficării este legată de faptul că, în
general, pe parcursul unei zile, curbele de sarcină termică şi electrică nu coincid;
o concordanţă mai bună se constată la consumatorii industriali de energie
termică. Pentru aprecierea gradului de termoficare se utilizează indicele de
termoficare, care măsoară energia pe care o produce fiecare gigacalorie produsă:
P
i (3.16)
T
T
QT
unde: PT este energia electrică produsă [kWh];
QT – energia termică produsă [Gcal].
Indicele de termoficare depinde de căderea de entalpie până la obţinerea
aburului de încălzire, adică de parametrii aburului viu şi ai aburului de încălzire.
Livrarea căldurii la consumator se poate face cu ajutorul turbinelor cu
contrapresiune sau al turbinelor cu condensaţie şi prize reglabile de abur.
În primul caz, debitul de abur al turbinei şi deci puterea sa este
determinată de temperatura de ducere a agentului termic. Întrucât aceasta variază
în funcţie de temperatura exterioară, turbina funcţionează cu contrapresiune
variabilă, adică cu contrapresiune mai mare când temperatura exterioară este
scăzută şi invers. Regimul cu condensaţie şi prize oferă posibilitatea, dacă
structura internă a centralei este corespunzătoare, să se furnizeze căldură şi
energie electrică în orice proporţii, putându-se ajunge chiar la acoperirea sarcinii
maxime de încălzire concomitent cu sarcina maximă electrică la borne.
În varianta prezentată în figura 3.18, turbina nu are condensator şi se mai
numeşte turbină cu contrapresiune. Aburul se destinde în turbină până la o
entalie i2, situată încă în zona aburului supraîncălzit, şi este trimis la
consumatorul de căldură; condensatul se întoarce apoi în circuitul termic.
Teoretic, căldura transformată în lucru mecanic şi căldura folosită de
consumatorul de căldură pot egala căldura Q1, primită de la combustibil în cazan
şi randamentul poate ajunge la 1.
În varianta prezentată în figura 3.19, termoficarea este realizată cu o
turbină cu condensaţie şi prize reglabile pentru consumatorii industriali de
căldură (ex. 5…15 bar şi peste 200 0 C) şi pentru consumatorii urbani (ex.
0,5…2,5 bar şi cca. 100 0 C). Chiar dacă nu se apropie de 1, randamentul termic al
unei astfel de centrale creşte substanţial cu creşterea consumului de agent termic
la prizele reglabile.
Echiparea cu turbine de termoficare se face ţinându-se seama de natura şi
parametrii agentului termic impuşi de consumatorul de căldură. Astfel, turbina cu
contrapresiune se recomandă pentru consumuri de abur cu durate anuale de
utilizare mai mari de 6000 h. Pentru consumuri de abur cu durate mai mici şi
pentru consumul de apă fierbinte se preferă turbinele cu condensaţie cu una sau
două prize reglabile. Într-o centrală electrică cu termoficare este posibilă
instalarea mai multor tipuri de turbine, astfel că turbina cu contrapresiune va fi
108

prima încărcată, urmând ca diferenţele de consum de abur să fie preluate de
turbinele cu condensaţie şi prize reglabile.
Fig.3.18. Schema de principiu a CET – turbină cu contrapresiune
Fig.3.19. Schema de principiu a CET – turbină cu condensaţie şi prize reglabile
Realizarea termoficării este posibilă pe trei căi:
- cu abur, în special pentru termoficarea industrială;
- cu apă caldă (temperatura pe tur 90 0 C, iar pe retur 70 0 C), utilizată
numai pentru reţele scurte;
- cu apă fierbinte (temperatura la ducere 130…180 0 C, iar la întoarcere
70 0 C), fiind cea mai folosită la termoficarea urbană în România.
În aceste condiţii, avantajele utilizării termoficării sunt evidente:
- economie de combustibil (aproximativ 100 kg la o Gcal livrată), în
raport cu producerea separată a căldurii;
109

- reducerea poluării atmosferei, deoarece gazele arse sunt evacuate prin
coşuri înalte;
- descongestionarea zonelor urbane prin amplasarea CET în afara oraşelor;
- uşurarea sarcinii consumatorilor.
Cel mai important dezavantaj al acestei soluţii îl reprezintă costul reţelei
termice de distribuţie a agentului termic.
III.3.2. Centrala electrică cu termoficare - “Azomureş”
Pe platforma Combinatului de îngrăşăminte chimice S.C. “Azomureş”
S.A. există în funcţiune două centrale electrice de termoficare industriale, CET–1
şi CET–2, care alimentează cu energie termică şi electrică consumatorii proprii şi
ai unor unităţi industriale învecinate. Prin legătura cu Sistemul Energetic
Naţional, surplusul de energie electrică, sau după caz, necesarul suplimentar de
energie electrică, este cedat sistemului, respectiv primit din sistem [15,39].
Centrala electrică cu termoficare, CET – 1 este echipată cu 3 cazane cu
abur şi cu 2 turbine, având o putere totală instalată de 9 MW, astfel:
- 1 cazan CR 5 de 20 t/h, 36 bar, 435 0 C;
- 2 cazane CR12 de 50 t/h, 36 bar, 435 0 C;
- 1 turbină AS 3, 3 MW, cu condensaţie şi priză ;
- 1 turbină AKSR 6, 6 MW, cu priză şi contrapresiune.
Centrala electrică cu termoficare, CET – 2 este echipată cu 5 cazane cu
abur CR 12B de 50 t/h, 40 bar, 435 0 C şi cu 4 turbine, având o putere totală
instalată de 19 MW, astfel (Fig.3.20):
- 1 turbină AKTR 4, 4 MW, cu priză şi contrapresiune;
- 1 turbină AT 3, 3 MW, cu condensaţie şi priză;
- 2 turbine PR 6, 6 MW, cu priză şi contrapresiune.
Livrarea aburului la consumatori se realizează pe următoarele nivele de
presiuni şi temperaturi:
- 24 bar, 250 0 C – consumatorii din secţiile NRK (azot-fosfor-potasiu) şi
Uree;
- 16 bar, 330 0 C – consumatorii din secţiile Melamină, Azotat III, Uree,
Azotat II;
- 11 bar, 280 0 C – consumatorii din secţia Azotat I, platforma învecinată
MIU (Fabrica de pielărie, Ţesătoria de mătase şi Ţesătoria de bumbac);
- 5 bar, 200 0 C – consumatorii din secţiile Azotat I, II, NPK, Amoniac III,
IV, Depozitul de îngrăşăminte lichide, consumatori ai fabricii ILEFOR
(prelucrarea lemnului) şi boilerele de termoficare;
- 2,5 bar, saturat – servicii interne.
Toate cazanele din CET sunt cu circulaţie naturală, funcţionează cu gaze
naturale şi debitează pe bara colectoare de abur viu, din care sunt alimentate
turbinele cu termoficare (instalaţii de bază pentru livrarea căldurii) şi instalaţiile
de reducere-răcire IRR (instalaţii de vârf). În schema termică de principiu se
observă legătura între barele colectoare ale celor două centrale.
Cazanele CR 12B, sunt protejate cu un înveliş metalic şi sunt echipate cu
arzătoare de gaz natural AGP/1000. Pentru fiecare cazan, aerul necesar arderii
110

111

este asigurat de un ventilator de aer cu presiunea de 380 mmH2O, iar evacuarea
gazelor de ardere se realizează cu un exhaustor, care asigură depresiunea
necesară în focar.
Un cazan CR 12B are următoarele caracteristici funcţionale:
- debit nominal: 50 t/h;
- debit minim: 20 t/h;
- presiune maximă în tambur: 46 bar;
- presiune nominală: 40 bar;
- temperatura nominală: 450 +10/-15 0 C;
- temperatura apei de alimentare: 150 +/-10 0 C;
- temperatura gazelor de ardere, fine focar: 1039 0 C;
- debit de aer la 50 t/h: 95000 Nmc/h;
- debit de gaze arse la 50 t/h: 60000 mmH2O;
- presiune gaze naturale în arzător max/min: 3000/300 mmH2O;
- consum gaze naturale: 4175 Nmc/h.
Principalii indicatori ai turbinei AKSR 6 sunt următorii:
- turaţia: 3000 rot/min.;
- presiunea aburului viu: 11 bar
- debitul maxim de abur la priză: 40 t/h;
- debitul de abur la priză în rg. economic: 20 t/h;
- debitul maxim de abur la contrapresiune: 60 t/h;
- presiunea aburului la contrapresiune: 6 bar.
La baza reglării puterii centralei stă curba de sarcină termică, curba de
sarcină electrică fiind asigurată prin legătura la SEN. Fiecare cazan este echipat
cu sisteme de reglare pentru: debitul de abur, procesul de ardere, depresiunea în
focar, temperatura de supraîncălzire a aburului şi alimentarea cu apă.
Automatizarea şi protecţia asigură cazanul împotriva depăşirii nivelului
maxim şi minim al apei în tambur, depăşirii limitelor de presiune a gazului
natural, a nefuncţionării ventilatorului şi exhaustorului şi stingerii focului în
focar. Turbinele sunt echipate cu următoarele sisteme de reglare automată:
regulator de viteză cu sincronizator, regulator pentru presiunea aburului la priză
şi la contrapresiune şi sistem pentru decuparea turbinei, în cazul deplasării axiale
a rotorului.
III.4. Reglarea turbinelor cu abur şi a blocului cazan – turbină
Turbinele cu abur folosite în CTE sunt de o mare diversitate ca tipuri şi
puteri, în funcţie de utilizarea lor pentru antrenarea generatoarelor electrice
(termogeneratoare) sau pentru antrenarea unor consumatori de putere
(compresoare, ventilatoare).
Turbina cu abur transformă energia termică a aburului, prin destindere, în
energie mecanică. Pe măsură ce aburul se destinde în treptele turbinei, volumul
său specific creşte, astfel că pentru tranzitarea debitului de abur de la intrarea în
turbină este necesară mărirea dimensiunilor paletelor finale şi a diametrului
turbinei, aceasta având o formă tronconică (Fig.3.21).
Debitul de intrare al aburului se reglează (prin ventil) fie cu un regulator
electronic, fie cu unul mecanic centrifugal şi pătrunde în camera de distribuţie
112

adială 1; ajutajele 2 asigură destinderea şi creşterea vitezei aburului. Prima roată
cu palete mobile 3 (roată Curtis) este dimensionată pentru temperaturi şi presiuni
foarte ridicate. Pe carcasa turbinei sunt dispuse grupuri de palete fixe 4, iar pe
rotorul 6 sunt dispuse grupuri de palete mobile 5 între care, odată cu destinderea,
rezultă o succesiune de schimbări de direcţie ale jetului de abur. De la burajul
turbinei 11, aburul ajunge în condensator. Axul turbinei 7 este legat prin cuplaj
mecanic cu generatorul [7,12,26,27].
Fig.3.21. Turbina cu abur - schema constructivă
Labirinţii de etanşare 8 nu permit pătrunderea aerului în interiorul
turbinei, în condensator fiind o presiune de cca. 0,04 at şi o temperatură de cca.
30 0 C; labirinţii de etanşare 9 nu permit ieşirea aburului în exteriorul turbinei.
Priza de prelevare 10 asigură aburul pentru preîncălzirea regenerativă a apei de
alimentare, prizele unei turbine putând fi reglabile sau fixe.
Prizele fixe nu au un organ de reglare, presiunea şi debitul aburului la
acestea fiind variabile în funcţie de sarcina cazanului (ex. priza 10). Prizele
reglabile au prevăzute organe de reglare care menţin presiunea aburului extras la
o valoare constantă, în orice regim de funcţionare a turbinei; aburul extras prin
prizele reglabile este folosit în scopuri de termoficare industrială sau urbană.
Din punct de vedere al principiului de funcţionare de disting:
- turbine cu acţiune, la care destinderea aburului are loc numai în ajutajele
fixe, montate pe stator, în canalul paletelor mobile realizându-se numai abaterea
jetului de abur (presiunea rămâne constantă);
- turbine cu reacţiune, la care destinderea aburului are loc atât în ajutajele
turbinei cât şi în paletele mobile ale rotorului;
- turbine combinate, la care primele trepte lucrează cu acţiune, iar ultimele
trepte lucrează cu reacţiune.
După traseul parcurs de abur în turbine, de deosebesc:
- turbine axiale, în care destinderea aburului are loc în lungul axului;
- turbine radiale, în care destinderea aburului are loc perpendicular pe ax.
113

În funcţie de valoarea presiunii aburului la ieşirea din turbină, se disting
următoarele tipuri de turbine:
- turbine cu condensaţie, pentru generarea exclusivă de energie electrică;
- turbine cu termoficare, respectiv:
- cu condensaţie şi prize reglabile, la care presiunea aburului la
ieşirea din turbină este mai mică decât presiunea atmosferică (Fig.3.22a);
- cu contrapresiune, cu sau fără prize reglabile, la care destinderea
aburului se opreşte la valoarea de 1,2…5 bar, aburul evacuat fiind utilizat la un
consumator termic (Fig.3.22b).
a. b.
Fig.3.22. Simbolizarea turbinelor:
a. - cu condensaţie; b. – cu contrapresiune
Turbinele cu abur folosite în CTE sunt construite (de obicei) din mai
multe corpuri: de înaltă presiune IP, de medie presiune MP şi de joasă presiune
JP. Când aburul din corpul de IP are un volum prea mare este necesar ca acesta
să fie evacuat prin mai multe căi (fluxuri). Principiul turbinelor cu flux multiplu
constă în mărirea secţiunii de trecere a aburului în ultimele trepte, situaţie în care
puterea turbinei creşte proporţional cu numărul fluxurilor.
În figura 3.23 sunt prezentate schemele unor turbine cu dublu flux,
respectiv cu patru fluxuri. În cazul turbinei cu dublu flux, aburul se destinde în
corpul de IP apoi trece, printr-un supraîncălzitor intermediar, în corpurile de MP
şi JP şi iese pe la capetele corpului de JP. Astfel de turbine se folosesc pentru
puteri de (100…300) MW. În practică există şi turbine cu şase fluxuri, care se
folosesc la grupurile de (500…700) MW.
Pentru puteri mai mari decât cele menţionate se utilizează soluţii
constructive pe două linii de arbori cu turaţie egală, pe fiecare linie fiind montat
câte un generator.
a. b.
Fig.3.23. Turbine cu mai multe fluxuri: a.-cu dublu flux; b.-cu patru fluxuri
114

În timpul exploatării, puterea turbinei cu abur se poate modifica de la zero
la puterea nominală şi se poate exprima cu relaţia:
P
t k Fab
i0
t [kW], (3.17)
în care: Fab – debitul de abur viu, [Kg/h];
i0 – căderea adiabatică de entalpie, (fără schimb de căldură cu exteriorul),
[Kcal/Kg];
t – randamentul efectiv al turbinei.
În conformitate cu relaţia (3.17), puterea turbinei se poate modifica pe
baza celor două mărimi: debitul de abur şi căderea adiabatică de entalpie. În
practică se utilizează reglarea cantitativă (numai a debitului de abur) şi reglarea
calitativă (modificarea debitului de abur şi a căderii adiabatice prin laminare).
Schemele de reglare se proiectează astfel încât să se realizeze un raport
determinat între puterea dezvoltată de turbină şi turaţia rotorului acesteia. Astfel,
se defineşte caracteristica statică a sistemului de reglare, ca fiind relaţia între
turaţia [rot/min] şi puterea [kW] turbinei.
Reţeaua electrică de conexiune la SE impune frecvenţa sa
turbogeneratorului, iar puterea pe agregat rezultă după statismul ales.
Se numeşte grad de statism (grad de neuniformitate al reglării), raportul
dintre diferenţa de turaţie între mersul în gol, n0 şi plină sarcină, nmin şi turaţia
nominală, nnom:
n0 nmin
n
. (3.18)
nom
Gradul de statism (de regulă, între 3…5%) determină repartiţia automată a
variaţiilor de sarcină între agregatele care funcţionează în SE în regim de
interconexiune.
Abaterile admisibile ale frecvenţei, prevăzute de norme, sunt sensibil mai
reduse decât cele admise pentru tensiune (unde se admit abateri de chiar până la
10%). Astfel, se acoperă variaţii ale frecvenţei de cel mult (+/-) 0,5 Hz faţă de
frecvenţa etalon (de consemn) f 0 de 50 Hz, revenind procentual o abatere
admisibilă de frecvenţă de până la 1%.
Între frecvenţă şi turaţia agregatelor generatoare există dependenţa:
p n
f (3.19)
60
în care: f este frecvenţa;
n – turaţia agregatului;
p – numărul de perechi de poli ai generatorului electric.
115

Reglarea turaţiei (vitezei) agregatelor generatoare din centrale se
realizează automat, cu ajutorul regulatoarelor automate de viteză ale turbinelor
care antrenează generatoarele sincrone. Pentru a face posibilă preluarea univocă
şi modificarea, după necesităţi, a repartiţiei mărimilor perturbatoare (ceea ce
echivalează cu modificarea încărcării diferitelor agregate generatoare), reglarea
automată a vitezei (RAV) este o reglare statică. Reglarea automată a vitezei are
drept scop menţinerea turaţiei în limite prestabilite, slab dependentă de
perturbaţia reprezentată de variaţia sarcinii active.
Dependenţa turaţie-putere, în cazul folosirii unui regulator automat de
turaţie (viteză) este dată de relaţia:
n0
nmin
n n0
P
(3.20)
P
nom
în care: n 0 - turaţia de mers în gol;
n min - turaţia minimă, la funcţionarea în rg. de sarcină maximă, nom
116
P P .
Schema bloc pentru RAV cuprinde minimum o buclă convenţională de
reglaj, regulatorul automat de viteză comandând, prin intermediul elementului de
execuţie, mărimea debitului de agent primar.
În RAV se consideră inclus şi elementul de execuţie, respectiv ventilele de
admisie a agentului primar (abur, apă) în turbină.
Considerând funcţia de transfer a regulatorului automat de viteză RAV,
H RAV s şi funcţia de transfer a turbinei, H T s se realizează schema din
figura 3.24, fiind valabile relaţiile:
H
H
RAV
T
s RAV
s ;
Fig.3.24. Schema de reglare a turaţiei (vitezei)
K
(3.21)
1 s TRAV
KT
1
s T
T
, (3.22)
în care: T RAV este constanta de timp a RAV, cu valorile TRAV 0, 2 0,
6s
pentru
turbinele cu abur şi 0,
6s
pentru cele hidraulice;
T RAV

K ( 1
100)
- factorul de amplificare al reglării proporţionale;
RAV
8 15rot
t abur
KT
.
pentru turbinele cu abur;
TT=(5…20) s - timpul de accelerare a turbinei, de la o turaţie n, la turaţia
nominală nnom, la debit maxim de agent motor admis în turbină;
- şocul de putere mecanică.
PM
Abaterea staţionară a turaţiei este cu atât mai mică cu cât factorul de
proporţionalitate KRAV este mai mare, iar turbina este cu parametri mai ridicaţi
(temperatură şi presiune, pentru care KT este mai mare).
III.4.1. Reglarea turbinelor cu condensaţie
Turbinele cu abur necesită instalaţii care să regleze debitul de abur astfel
încât, în orice moment, puterea dezvoltată să fie egală cu puterea cerută de
consumator, cu menţinerea turaţiei în limite strânse (Fig.3.25).
a. b.
Fig.3.25. Reglarea turbinelor cu condensaţie: a. - turbine fără supraîncălzire
intermediară; b. - turbine cu supraîncălzire intermediară
Deci, pentru a obţine o anumită putere a grupului turbină-generator, se
acţionează asupra ventilelor de reglare ale turbinei şi implicit asupra debitului de
abur admis în turbină, ca mărime reglată considerându-se turaţia turbinei,
respectiv a generatorului. La turbinele cu supraîncălzire intermediară sunt
prevăzute ventile de admisie la intrarea în corpul de înaltă presiune şi ventile de
modelare la intrarea aburului întors de la supraîncălzitor, în corpul de joasă
presiune.
Cele mai răspândite regulatoare sunt cele de tip centrifugal (Watt), bazate
pe variaţia forţei centrifuge cu turaţia.
În funcţie de modul în care se transmite semnalul de comandă de la
regulator la ventile, sistemele de reglare pot fi:
- directe, când comanda se transmite prin intermediul unui sistem de
pârghii (Fig.3.26a);
- indirecte, când se utilizează servomotoare care amplifică semnalul de
comandă, folosind o sursă de energie din exterior (Fig.3.26b).
117

a. b.
Fig.3.26. Scheme de principiu pentru reglarea turaţiei:
a. – reglarea directă; b. – reglarea indirectă
În cazul reglării directe, la scăderea turaţiei, sferele regulatorului
centrifugal 1 se apropie de axa de rotaţie, manşonul regulatorului coboară şi, prin
intermediul unei pârghii, deschide ventilul de reglare; ca urmare, creşte debitul
de abur la intrarea în turbină, turaţia revenind la valoarea iniţială. Schema are
avantajul simplităţii constructive dar necesită o forţă mare pentru deschiderea şi
închiderea ventilului de reglare, ceea ce reduce sensibilitatea.
Reglarea indirectă se utilizează pentru turbinele de putere ridicată, unde
forţele necesare pentru manevrarea ventilelor sunt mari. Când funcţionarea
turbinei este stabilă, pistoanele distribuitorului de ulei 2 acoperă canalele care
unesc camera distribuitorului cu camera servomotorului 3, situaţie în care
ventilul de reglare are o poziţie fixă. În funcţie de direcţia de deplasare a
manşonului regulatorului, distribuitorul de ulei va permite trecerea uleiului fie în
camera superioară, fie în camera inferioară a servomotorului hidraulic
bidirecţional, care va deschide sau va închide ventilul de reglare în scopul
menţinerii constante a turaţiei turbinei.
Forţa de acţionare a ventilului de reglare este aproape nelimitată,
depinzând de presiunea de ulei şi de suprafeţele active ale pistonului
servomotorului hidraulic.
Dacă regulatorul centrifugal se înlocuieşte cu un regulator electronic,
turaţia este măsurată prin frecvenţa tensiunii la bornele generatorului, aceasta
fiind comparată cu o frecvenţă etalon. Abaterea rezultată se prelucrează după o
lege P sau PI, iar semnalul de ieşire (o tensiune) se converteşte într-un semnal
hidraulic (o presiune) care acţionează asupra elementului de execuţie.
Sistemul de reglare a turbinelor cu condensaţie asigură: creşterea turaţiei,
sincronizarea generatorului la reţea şi încărcarea generatorului (în perioada de
pornire), respectiv reglarea puterii (în perioada de exploatare).
118

III.4.2. Reglarea turbinelor cu termoficare
Pentru turbinele cu contrapresiune există două variante de reglare:
A. Grupul livrează într-un sistem energetic puternic, care admite variaţii
ale puterii debitate de acest grup în sistem. Reglarea debitului în turbină se
realizează printr-o reglare de presiune, prin care se asigură prioritar consumul
termic la presiune constantă. Modificarea debitului prin turbină modifică
proporţional şi energia electrică livrată în sistemul energetic. Bucla de turaţie are
rolul de protecţie (Fig.3.27a).
B. Grupul livrează într-un sistem energetic izolat, care impune prioritar
acoperirea consumului electric variabil al acestuia. Reglarea sarcinii active se
face printr-o buclă de turaţie, iar dacă nu se poate acoperi simultan şi consumul
termic, prin scăderea presiunii se comandă deschiderea staţiei de reducere-răcire
SRR (Fig.3.27b).
a. b.
Fig.3.27. Reglarea turbinelor cu contrapresiune:
a. – SE puternic; b. – SE izolat
Pentru turbinele cu condensaţie şi priză reglabilă, există două variante:
A. Grupul livrează energie electrică într-un sistem energetic puternic, care
admite variaţii ale puterii debitate de acest grup în sistem, deci frecvenţa şi turaţia
grupului sunt constante. Reglarea asigură presiunea constantă la barele de
alimentare ale consumatorului termic CT. În acest caz, regulatorul centrifugal nu
este necesar (Fig.3.28).
Pentru a asigura presiunea constantă, se utilizează regulatorul de presiune
cu acţiune proporţională, care comandă ventilul dintre turbina de înaltă presiune
IP şi cea de joasă presiune JP.
B. Grupul livrează într-un sistem energetic izolat, care impune acoperirea
consumului electric variabil al acestuia. Se impune reglarea a doi parametri:
presiunea şi turaţia, ceea ce presupune utilizarea regulatorului centrifugal de
turaţie care acţionează asupra debitului aburului de admisie.
119

Fig.3.28. Reglarea turbinelor cu condensaţie şi priză reglabilă
III.4.3. Reglarea blocului cazan – turbină
Schemele de reglare depind de regimurile de funcţionare ale acestor
blocuri, cele mai importante fiind următoarele:
– regimul în sarcină de bază;
– regimul la putere constantă;
– regimul de reglare a puterii cu sarcină variabilă.
În cazul regimului în sarcină de bază presiunea aburului de intrare în
turbină se menţine constantă prin regulatorul de combustibil BC, iar turaţia este
menţinută constantă, cu un anumit grad de statism, prin regulatorul centrifugal
(Fig.3.29a). Dacă frecvenţa sistemului scade, sarcina grupului cazan – turbină
creşte, cu efect de stabilizare a frecvenţei.
a. b.
Fig.3.29. Scheme de reglare a blocului cazan – turbină:
a. - sarcină de bază; b. - putere constantă.
În cazul regimului la putere constantă, regimul termic al cazanului se
fixează la un nivel constant (ex. P = constant şi B = constant). Pentru limitele
120

admise ale turaţiei, respectiv frecvenţei, bucla de reglare a turaţiei nu este în
funcţiune. Aceasta are rol de protecţie, pentru a modifica sarcina cazanului, la
abateri ale frecvenţei de la valoarea nominală (Fig.3.29b).
În cazul regimului de reglare a puterii cu sarcină variabilă, se folosesc
trei bucle de reglare:
- în raport cu puterea activă măsurată la bornele generatorului;
- în raport cu frecvenţa măsurată pe barele centralei;
- în raport cu presiunea aburului de intrare în turbină.
Toate funcţiile sistemelor de reglare automată trebuie realizate în
condiţiile unor caracteristici precise, cu comenzi locale sau de la distanţă, manual
sau automat.
121