Optimization of the Operation of Thermal Power Plants Based on the Use of Motor Mode

Authors

  • Эдик [Edik] Койрунович [K.] Аракелян [Arakelyan]
  • Сергей [Sergey] Витальевич [V.] Мезин [Mezin]
  • Александр [Aleksandr] Васильевич [V.] Андрюшин [Andryushin]
  • Кирилл [Kirill] Александрович [A.] Андрюшин [Andryushin]

DOI:

https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-4-169-187

Keywords:

low steam modes, motor mode, steam turbine, modeling, increased maneuverability, expansion of the adjustment range, reliability, load failure, GTU-CHP mode, control, temperature condition, flow part, reduction, starting operations, efficiency

Abstract

The review and analysis of previously conducted computational and experimental studies of the motor mode use on steam turbines of traditional thermal power plants and the results of the ongoing work on the implementation of this mode on high-power CCGT power units are presented. The operational features and advantages of using the motor mode on steam turbines of thermal power plants and nuclear power plants are noted. Considerable attention is paid to the problem of modeling hydrodynamic and thermal processes and the features of the operation of steam turbine stages and turbines in general in steamless and motor modes. The generalized results of computational and experimental studies on the development of thermal circuits, parameters and flow rates of cooling steam, and the temperature state of the flow parts of condensing and heating steam turbines when operating in motor mode are presented. Data are presented on improving the maneuverability characteristics of turbines with their participation in power regulation, including when passing gaps in power consumption schedules. Special attention is paid to the application of the motor mode on steam turbines of modern CCGT using the example of PGU-450 when operating in condensation and heating modes, in particular, when operating PGU-450 in the GTU-CHP mode. It is shown that taking into account the design features of the steam turbine T-125/150 PGU-450 requires the modernization of previously developed models for calculating steam and metal temperatures of the turbine flow section in the motor mode. The description of the gentle technology developed by the authors for the operation of the PGU-450 in the GTU-CHP mode with the transfer of the steam turbine to the motor mode is given. It is indicated that the use of motor mode on all considered steam turbines with their participation in regulating the electrical load, in particular, when reserving power during periods of daily failures of electrical load schedules leads to a significant increase in their maneuverability characteristics, such as the duration of starting operations and loading speed, both by eliminating a significant part of starting operations, this is also due to a reduction in the loading time of steam turbines. It is determined that with various combinations of the cost of conventional fuel and electricity on the market, the tariff for heat, the operating time of the PGU-450 in the motor mode ranges from 7.0-8.0 hours for the condensation mode and 10.0- 18.0 hours for the GTU-CHP mode.

Author Biographies

Эдик [Edik] Койрунович [K.] Аракелян [Arakelyan]

Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Worker of Higher Education, Professor of Automated Control Systems for Thermal Processes Dept., NRU MPEI, e-mail: Edik_arakelyan@inbox.ru

Сергей [Sergey] Витальевич [V.] Мезин [Mezin]

Ph.D. (Techn.), Assistant Professor, Acting Head of the Automated Control Systems for Thermal Processes Dept., NRU MPEI, e-mail: MezinSV@mpei.ru

Александр [Aleksandr] Васильевич [V.] Андрюшин [Andryushin]

Dr.Sci. (Techn.), Professor of Automated Control Systems for Thermal Processes Dept., NRU MPEI, e-mail: AndriushinAV@mpei.ru

Кирилл [Kirill] Александрович [A.] Андрюшин [Andryushin]

Ph.D. (Techn.), Deputy Director of LLC «Intertechelectro – Project»

References

1. СТО 59012820.27.100.004—2012. Нормы участия парогазовых установок в нормированном первичном регулировании частоты и автоматическом вторичном регулированиичастоты и перетоков активной мощности.
2. Мадоян А.А. и др. Применение моторного режима на тепловых электрических станциях. М.: Энергия, 1980.
3. Аракелян Э.К., Старшинов В.А. Повышение экономичности и маневренности оборудования тепловых электростанций. М.: Изд-во МЭИ, 1993.
4. Трухний А.Д. и др. Малоцикловая надежность роторов турбины К-200-130 при различных способах и вывода в ночной резерв // Теплоэнергетика. 1982. № 10. С. 50—54.
5. Куличихин В.В. и др. Исследование работы турбины типа Т-100-130 в беспаровом режиме // Теплоэнергетика. 1976. № 12. С. 48—51.
6. Куличихин В.В., Гуторов В.Ф. Использование моторного режима турбоагрегатов на ТЭС. М.: СПО ОРГРЭС, 1977.
7. Аракелян Э.К., Куличихин В.В., Тажиев Э.К. Целесообразность моторного режима для турбоагрегата Т-100-130 // Электрические станции. 1979. № 9. С. 25—28.
8. Кобзаренко Л.Н. Современные вопросы повышения маневренности ТЭС путем перевода турбоагрегата в моторный режим и режим синхронного компенсатора // Надежность и безопасность энергетики. 2009. № 1(4). С. 50—53.
9. Шапиро Г.А. Повышение эффективности работы ТЭЦ. М.: Энергоиздат, 1981.
10. Маховка Ю.М. Исследование беспарового режима ЦВД мощных паровых турбин с целью повышения маневренности в условиях двухбайпасной пуско-сбросной системы энергоблока: автореф. дисс. … канд. техн. наук. Л.: ЛМЗ, 1978.
11. Мадоян А.А., Кобзаренко Л.Н. О целесообразности моторного режима на турбоагрегатах АЭС // Теплоэнергетика. 1986. № 3.
12. Мадоян А.А. Преобразование ГРЭС с поперечными связями в пиковый полиблок // Энергетика и электрификация. 1979. № 4. С. 41—43.
13. Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах. М.: Энергоиздат, 1982.
14. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубок турбомашин. М.: Энергия, 1970.
15. Аракелян Э.К., Ильин Е.Т. О моторном режиме для турбоагрегатов сверхкритического давления // Теплоэнергетика. 1990. № 5.
16. Щегляев А.В. Паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1993.
17. Кириллов И.И. Исследование пространственной структуры потока на переменных режимах работы в ступенях большой веерности // Известия вузов. Серия «Энергетика». 1974. № 8.
18. Богомолова Т.В. К вопросу о возникновении отрывных зон в турбинной ступени большой веерности // Теплоэнергетика. 1975. № 9. С. 77—79.
19. Усачёв И.П., Неуймин В.М., Жученко Л.А. О прикорневом отрыве в осевой турбинной ступени // Энергомашиностроение. 1979. № 3. С. 9—12.
20. Грибин В.Г. Разработка методов воздействия на режим течения и потери энергии в каналах комбинированных турбоустановок: автореф. дисс. … докт. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2002.
21. Шаргородский В.С., Левченко Б.Л. Тепловое состояние ЦНД при работе турбины К-300-240 на холостом ходу // Энергомашиностроение. 1969. № 9. С. 5—8.
22. Бузин Д.П. и др. Исследование температурных полей последних ступеней турбины при малом объёмном расходе пара // Теплоэнергетика. 1970. № 2. С. 20—24.
23. Лагун В.П. и др. Особенности работы последних ступеней ЦНД на малых нагрузках и холостом ходу // Теплоэнегетика. 1971. № 2. С. 21—24.
24. Алехина С.В., Симбирская О.А. Особенности исследования тепловых и газодинамических процессов в выходных патрубках паровых турбин // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. 2012. № 09(103). С. 34—40.
25. Tajc L., Bednar L. Experimental Investigation of Low-pressure Steam turbine Exhayst Hood // Turbomachinery. 2002. V. 22. Pp. 1—18.
26. Паймухин В.Б, Аракелян Э.К., Мадоян А.А. Влияние переменных нагрузок на экономичность энергоблоков 150 и 200 МВт // Электрические станции. 1981. № 6. С. 24—27.
27. Старшинов В.А., Церазов А.Л., Маркарян Л.В., Аракелян Э.К. Энергетические характеристики турбогенератор в ТЭС в режиме синхронного генератора // Электрические станции. 1982. № 32. С. 22—24.
28. Старшинов В.А. Исследование режима синхронного генератора на турбине К-100-90: автореф. дисс. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 1978.
29. Bauman K. Der Anvarmvorgung in Dampfturbinen VIEN. Frankfurt am Nein, 1962.
30. Powell E.B. Sunehernenos, Condensos Operation of Turbogenerators. CIGRE Rep. and Power. 1960. No. 16.
31. Bjoorgard A.B. Economic Problems in Connection with Production Reactiw Power. CIGRE Rep. and Power. 1962. No. 109.
32. Пикина Г.А., Аракелян Э.К., Пащенко Ф.Ф., Филиппов Г.А. Разработка моделей тепловых процессов турбины в малопаровых и моторных режимах // Теплоэнергетика. 2021. № 8. С. 26—32.
33. Неуймин В.М. Методы оценки вентиляционных потерь мощности в ступенях паровых турбин ТЭС // Теплоэнергетика. 2014. № 10. С. 73—80.
34. Pikina G.A. e. a. Developing Models of Turbine Thermal Processes in Low-steam and Motor Modes // Thermal Eng. 2021. V. 68(8). Pp. 612—618.
35. Радин Ю.А. Исследование и улучшение маневренности парогазовых установок: автореф. дисс. … докт. техн. наук. М.: ВТИ, 2013.
36. Андрюшин К.А. Выбор оптимальных эксплуатационных режимов теплофикационных ПГУ в условиях переменных графиков энергопотребления (на примере ПГУ-450): автореф. дисс. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2020.
37. Сахаров К.В. Выбор оптимальных режимов эксплуатации энергоблоков ПГУ при участии их в регулировании мощности энергосистемы: автореф. дисс. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2013.
38. Аракелян Э.К, Андрюшин К.А., Безделгин И.Ю. Исследование температурного состояния проточной части паровой турбины Т-125/150 при работе ее в беспаровом и моторном режимах // Электрические станции. 2015. № 6. С. 21—26.
39. Аракелян Э.К., Андрюшин А.В., Бурцев С.Ю., Андрюшин К.А. Техническая и экономическая целесообразность перевода паровой турбины ПГУ-450 в моторный режим // Электрические станции. 2017. № 6. С. 25—29.
40. Arakelyan E.K., Andryushin A.V., Andryushin K.A. Increased Reliability, Manoeuvrabity and Durability of Steam Turbines Through the Implementation of the Generator Driving Mode // WIT Trans. Ecology and The Environment. 2016. V. 205. Pp. 95—105.
41. Аракелян Э.К., Ильин Е.Т., Рогалев Н.Д. Режимы работы и эксплуатация ТЭС. М.: Изд-во МЭИ, 2021.
42. Аракелян Э.К., Андрюшин А.В., Бурцев С.Ю., Андрюшин К.А. Исследование технической целесообразности перевода паровой турбины Т-125/150 в моторный режим при работе ПГУ-450 в режиме ГТУ–ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2018. № 12. С. 25—28.
43. Аракелян Э.К. Пути повышения маневренных характеристик ПГУ при работе в режимах регулирования нагрузки (на примере ПГУ-450) // Известия вузов. Серия «Проблемы энергетики». 2023. Т. 25. № 1. С. 72—88.
44. Аракелян Э.К. и др. Повышение маневренности ПГУ-450Т с обеспечением надежности и экономичности в режимах переменных нагрузок // Теплоэнергетика. 2024. № 2. С. 15—24.
---
Для цитирования: Аракелян Э.К., Мезин С.В., Андрюшин А.В., Андрюшин К.А. Оптимизация работы тепловых электрических станций на базе применения моторного режима // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 169—187. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-169-187
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. STO 59012820.27.100.004—2012. Normy Uchastiya Parogazovykh Ustanovok v Normirovannom Pervichnom Regulirovanii Chastoty i Avtomaticheskom Vtorichnom Regulirovaniichastoty i Peretokov Aktivnoy Moshchnosti). (in Russian).
2. Madoyan A.A. i dr. Primenenie Motornogo Rezhima na Teplovykh Elektricheskikh Stantsiyakh. M.: Energiya, 1980. (in Russian).
3. Arakelyan E.K., Starshinov V.A. Povyshenie Ekonomichnosti i Manevrennosti Oborudovaniya Teplovykh Elektrostantsiy. M.: Izd-vo MEI, 1993. (in Russian).
4. Trukhniy A.D. i dr. Malotsiklovaya Nadezhnost' Rotorov Turbiny K-200-130 pri Razlichnykh Sposobakh i Vyvoda v Nochnoy Rezerv. Teploenergetika. 1982;10:50—54. (in Russian).
5. Kulichikhin V.V. i dr. Issledovanie Raboty Turbiny Tipa T-100-130 v Besparovom Rezhime. Teploenergetika. 1976;12:48—51. (in Russian).
6. Kulichikhin V.V., Gutorov V.F. Ispol'zovanie Motornogo Rezhima Turboagregatov na TES. M.: SPO ORGRES, 1977. (in Russian).
7. Arakelyan E.K., Kulichikhin V.V., Tazhiev E.K. Tselesoobraznost' Motornogo Rezhima dlya Turboagregata T-100-130. Elektricheskie Stantsii. 1979;9:25—28. (in Russian).
8. Kobzarenko L.N. Sovremennye Voprosy Povysheniya Manevrennosti TES Putem Perevoda Turboagregata v Motornyy Rezhim i Rezhim Sinkhronnogo Kompensatora. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2009;1(4):50—53. (in Russian).
9. Shapiro G.A. Povyshenie Effektivnosti Raboty TETS. M.: Energoizdat, 1981. (in Russian).
10. Makhovka Yu.M. Issledovanie Besparovogo Rezhima TSVD Moshchnykh Parovykh Turbin s Tsel'yu Povysheniya Manevrennosti v Usloviyakh Dvukhbaypasnoy Pusko-sbrosnoy Sistemy Energobloka: Avtoref.Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. L.: LMZ, 1978. (in Russian).
11. Madoyan A.A., Kobzarenko L.N. O Tselesoobraznosti Motornogo Rezhima na Turboagregatakh AES. Teploenergetika. 1986;3. (in Russian).
12. Madoyan A.A. Preobrazovanie GRES s Poperechnymi Svyazyami v Pikovyy Poliblok. Energetika i Elektrifikatsiya. 1979;4:41—43. (in Russian).
13. Samoylovich G.S., Troyanovskiy B.M. Peremennye i Perekhodnye Rezhimy v Parovykh Turbinakh. M.: Energoizdat, 1982. (in Russian).
14. Deych M.E., Zaryankin A.E. Gazodinamika Diffuzorov i Vykhlopnykh Patrubok Turbomashin. M.: Energiya, 1970. (in Russian).
15. Arakelyan E.K., Il'in E.T. O Motornom Rezhime dlya Turboagregatov Sverkhkriticheskogo Davleniya. Teploenergetika. 1990;5. (in Russian).
16. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
17. Kirillov I.I. Issledovanie Prostranstvennoy Struktury Potoka na Peremennykh Rezhimakh Raboty v Stupenyakh Bol'shoy Veernosti. Izvestiya Vuzov. Seriya «Energetika». 1974;8. (in Russian).
18. Bogomolova T.V. K Voprosu o Vozniknovenii Otryvnykh Zon v Turbinnoy Stupeni Bol'shoy Veernosti. Teploenergetika. 1975;9:77—79. (in Russian).
19. Usachev I.P., Neuymin V.M., Zhuchenko L.A. O Prikornevom Otryve v Osevoy Turbinnoy Stupeni. Energomashinostroenie. 1979;3:9—12. (in Russian).
20. Gribin V.G. Razrabotka Metodov Vozdeystviya na Rezhim Techeniya i Poteri Energii v Kanalakh Kombinirovannykh Turboustanovok: Avtoref.Diss. … Dokt. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2002. (in Russian).
21. Shargorodskiy V.S., Levchenko B.L. Teplovoe Sostoyanie TSND pri Rabote Turbiny K-300-240 na Kholostom Khodu. Energomashinostroenie. 1969;9:5—8. (in Russian).
22. Buzin D.P. i dr. Issledovanie Temperaturnykh Poley Poslednikh Stupeney Turbiny pri Malom Ob'emnom Raskhode Para. Teploenergetika. 1970;2:20—24. (in Russian).
23. Lagun V.P. i dr. Osobennosti Raboty Poslednikh Stupeney TSND na Malykh Nаgruzkakh i Kholostom Khodu. Teploenegetika. 1971;2:21—24. (in Russian).
24. Alekhina S.V., Simbirskaya O.A. Osobennosti Issledovaniya Teplovykh i Gazodinamicheskikh Protsessov v Vykhodnykh Patrubkakh Parovykh Turbin. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit. 2012;09(103):34—40. (in Russian).
25. Tajc L., Bednar L. Experimental Investigation of Low-pressure Steam turbine Exhayst Hood. Turbomachinery. 2002;22:1—18.
26. Paymukhin V.B, Arakelyan E.K., Madoyan A.A. Vliyanie Peremennykh Nagruzok na Ekonomichnost' Energoblokov 150 i 200 MVt. Elektricheskie Stantsii. 1981;6:24—27. (in Russian).
27. Starshinov V.A., Tserazov A.L., Markaryan L.V., Arakelyan E.K. Energeticheskie Kharakteristiki Turbogenerator v TES v Rezhime Sinkhronnogo Generatora. Elektricheskie Stantsii. 1982;32:22—24. (in Russian).
28. Starshinov V.A. Issledovanie Rezhima Sinkhronnogo Generatora na Turbine K-100-90: Avtoref.Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 1978. (in Russian).
29. Bauman K. Der Anvarmvorgung in Dampfturbinen VIEN. Frankfurt am Nein, 1962.
30. Powell E.B. Sunehernenos, Condensos Operation of Turbogenerators. CIGRE Rep. and Power. 1960;16.
31. Bjoorgard A.B. Economic Problems in Connection with Production Reactiw Power. CIGRE Rep. and Power. 1962;109.
32. Pikina G.A., Arakelyan E.K., Pashchenko F.F., Filippov G.A. Razrabotka Modeley Teplovykh Protsessov Turbiny v Maloparovykh I Motornykh Rezhimakh. Teploenergetika. 2021;8:26—32. (in Russian).
33. Neuymin V.M. Metody Otsenki Ventilyatsionnykh Poter' Moshchnosti v Stupenyakh Parovykh Turbin TES. Teploenergetika. 2014;10:73—80. (in Russian).
34. Pikina G.A. e. a. Developing Models of Turbine Thermal Processes in Low-steam and Motor Modes. Thermal Eng. 2021;68(8):612—618.
35. Radin Yu.A. Issledovanie i Uluchshenie Manevrennosti Parogazovykh Ustanovok: Avtoref. Diss. … Dokt. Tekhn. Nauk. M.: VTI, 2013. (in Russian).
36. Andryushin K.A. Vybor Optimal'nykh Ekspluatatsionnykh Rezhimov Teplofikatsionnykh PGU v Usloviyakh Peremennykh Grafikov Energopotrebleniya (na Primere PGU-450): Avtoref. Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MEI», 2020. (in Russian).
37. Sakharov K.V. Vybor Optimal'nykh Rezhimov Ekspluatatsii Energoblokov PGU pri Uchastii Ikh v Regulirovanii Moshchnosti Energosistemy: Avtoref. Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MEI», 2013. (in Russian).
38. Arakelyan E.K, Andryushin K.A., Bezdelgin I.Yu. Issledovanie Temperaturnogo Sostoyaniya Protochnoy Chasti Parovoy Turbiny T-125/150 pri Rabote Ee v Besparovom i Motornom Rezhimakh. Elektricheskie Stantsii. 2015;6:21—26. (in Russian).
39. Arakelyan E.K., Andryushin A.V., Burtsev S.Yu., Andryushin K.A. Tekhnicheskaya i Ekonomicheskaya Tselesoobraznost' Perevoda Parovoy Turbiny PGU-450 v Motornyy Rezhim. Elektricheskie Stantsii. 2017;6:25—29. (in Russian).
40. Arakelyan E.K., Andryushin A.V., Andryushin K.A. Increased Reliability, Manoeuvrabity and Durability of Steam Turbines Through the Implementation of the Generator Driving Mode. WIT Trans. Ecology and The Environment. 2016;205:95—105.
41. Arakelyan E.K., Il'in E.T., Rogalev N.D. Rezhimy Raboty i Ekspluatatsiya TES. M.: Izd-vo MEI, 2021. (in Russian).
42. Arakelyan E.K., Andryushin A.V., Burtsev S.Yu., Andryushin K.A. Issledovanie Tekhnicheskoy Tselesoobraznosti Perevoda Parovoy Turbiny T-125/150 v Motornyy Rezhim pri Rabote PGU-450 v Rezhime GTU–TETS. Teploenergetika. 2018;12:25—28. (in Russian).
43. Arakelyan E.K. Puti Povysheniya Manevrennykh Kharakteristik PGU pri Rabote v Rezhimakh Regulirovaniya Nagruzki (na Primere PGU-450). Izvestiya Vuzov. Seriya «Problemy Energetiki». 2023;25;1:72—88. (in Russian).
44. Arakelyan E.K. i dr. Povyshenie Manevrennosti PGU-450T s Obespecheniem Nadezhnosti i Ekonomichnosti v Rezhimakh Peremennykh Nagruzok. Teploenergetika. 2024;2:15—24. (in Russian)
---
For citation: Arakelyan E.K., Mezin S.V., Andryushin A.V., Andryushin K.A. Optimization of the Operation of Thermal Power Plants Based on the Use of Motor Mode. Bulletin of MPEI. 2024;4:169—187. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-169-187
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest

Published

2024-06-18

Issue

Section

Automation and Control of Technological Processes and Production (2.3.3)