1. Consideraţii generale
Utilajele folosite în cadrul centralelor termoelectrice (cazanele şi turbinele cu abur) sunt agregate scumpe, cu durată lungă de exploatare. Evoluţia rapidă a metodelor şi tehnologiilor de producere a energiei electrice face ca – de multe ori – utilajele să fie depăşite moral de progresul ştiinţei, chiar dacă nu şi-au încheiat durata de viaţă. Investiţiile mari ce sunt necesare pentru înlocuirea utilajelor din CET-uri, mai ales în condiţiile specifice României, fac ca acestea să nu poată fi schimbate rapid. În consecinţă, ele trebuiesc exploatate în continuare încă o bună perioadă de timp. La aceste considerente se adaugă faptul că atât cazanele de abur cât şi turbinele cu abur au fost proiectate şi construite cu circa 15 ÷ 20 de ani în urmă.
Având în vedere situaţia prezentată mai sus, se pune problema găsirii unor metode de exploatare optimă, cu consumuri minime de combustibil, care să elimine pe cât posibil incidentele neprevăzute (opriri accidentale datorită unor avarii).
O soluţie a acestor probleme este dată de evoluţia rapidă a calculatoarelor, a sistemelor de achiziţie de date şi, nu în ultimul rând, a programelor specializate de prelucrare a informaţiilor obţinute din sistem.
2. Modalităţi de reducere a consumului de combustibil
În CET-uri se obţine energie electrică pe baza transformării energiei termice provenite din arderea combustibililor fosili. Această transformare are la bază un ciclu termodinamic. Urmărind toate fazele transformării energiei în instalaţiile centralei, randamentul global al centralei termoelectrice cu abur – considerând energia utilă ca fiind aceea de la bornele generatoarelor – este dat de relaţia:
unde:
Consumul specific de combustibil realizat este invers proporţional cu randamentul CET-ului.
Instalaţiile dintr-o centrală termică sunt deosebit de complexe, funcţionarea lor fiind definită de mulţi parametri. Unii dintre ei sunt măsuraţi în mod direct în instalaţie (presiuni, debite, temperaturi), alţii sunt determinaţi prin formule de calcul (randamente, consumuri etc.).
Metoda clasică de calcul – având la bază diagrame şi tabele termodinamice sau chiar programe pentru determinarea entalpiei aburului – este laborioasă, rezultatele obţinându-se după un timp îndelungat în comparaţie cu desfăşurarea proceselor din instalaţie. În acest context poate fi amintită metodologia propusă în lucrarea [2] – de Grupul de Studii, Cercetare şi Inginerie a RENEL-ului – pentru calculul consumului de combustibil. Aceasta ste o metodă de post-calcul, metodă prin care se determină consumul specific realizat la sfârşitul unei perioade de timp (o saptămână, o lună etc.). Informaţiile obţinute în acest fel nu permit luarea unor decizii în timp util pentru a corecta funcţionarea instalaţiilor.
O soluţie a problemei constă în utilizarea analizei în timp real a proceselor termoenergetice, analiză care se poate face prin intermediul unui Sistem de monitorizare în timp real a cazanelor de abur şi turbinelor cu abur (RTMS) din centralele electrotermice.
Realizat de firma ROMCONVERT, RTMS – prezentat în lucrarea [1] – este un sistem complex de achiziţie şi prelucrare a datelor (figura 1). El realizează culegerea automată a datelor din instalaţie (presiuni, temperaturi, debite) şi – pe baza unor module-program specializate – calculează rapid, într-un interval de 10 ÷ 15 secunde, toate mărimile utile exploatării.
Echipamentele hardware folosite în vederea achiziţiei datelor sunt înglobate într-un sistem dublu redundant, ceea ce permite o funcţionare sigură a instalaţiei.
Programele se individualizează pentru fiecare instalaţie (CET) în parte. Prin intermediul lor se realizează bilanţuri masice şi energetice pe fiecare utilaj şi pe ansamblul CET-ului, determinând randamente, consumuri şi pierderi.
În figura 1 este prezentată schema de ansamblu a unui CET, cu indicarea datelor momentane de funcţionare ale centralei. RTMS monitorizează fiecare utilaj în parte (fiecare cazan, turbină şi circuitele de încălzire regenerativă aferente).
Valorile momentane ale randamentului şi consumului specific realizate în centrală sunt redate în figura 2. Toate aceste mărimi au un corespondent real în costuri.
Figura 3 prezintă modulul economic al programului, ce permite determinarea preţului momentan al fiecărui kWh produs, precum şi beneficiul momentan. Programul face şi o estimare pe scurtă durată a tendinţei de evoluţie a preţului pe kWh produs de CET.
Accesul operatorului la toate aceste date cât şi analiza predicţiilor pentru principalele mărimi ale fiecărui utilaj şi a CET-ului pe ansamblu, permit conducerea proceselor tehnologice urmărind realizarea unor criterii economice şi maximizarea beneficiului.
Concentrarea tuturor parametrilor achiziţionaţi din instalaţie sau calculaţi într-un sistem informatic complex RTMS, permit determinarea precisă a influenţei fiecăruia asupra criteriului utilizat şi optimizarea în timp util a funcţionării utilajelor.
La programele de exploatare înglobate de RTMS se pot adăuga module de optimizare momentană a funcţionării instalaţiei în funcţie de diferite criterii economice, module care determină în timp real valorile de reglaj ale parametrilor de funcţionare care satisfac criteriul avut în vedere.
Pe lângă acestea – la solicitarea beneficiarului – se poate introduce un program de urmărire permanentă a reglajelor făcute de operator şi avertizare optică şi/sau sonoră în caz de neîndeplinire a comenzilor, indiferent de situaţia care le generează.
Un alt avantaj al utilizării RTMS constă în faptul că el generează automat fişiere ce conţin date despre funcţionarea instalaţiilor (rapoarte de lucru). Acestea se pot constitui în baze de date care să reflecte funcţionarea instalaţiilor pe perioade mai îndelungate de timp. Tot automat – la intervale de timp stabilite de comun acord cu beneficiarul – se pot tipări rapoate de exploatare.
3. Posibilităţi de exploatare cu consumuri minime de combustibil oferite de RTMS
Cunoaşterea în fiecare moment a principalilor parametri şi a performanţelor instalaţiilor permite conducerea proceselor tehnologice cu anumite obiective precise, operatorul putând să ia decizii în timp util.
În acest paragraf se face analiza a două aspecte majore ale procesului de transformare a energiei termice în energie mecanică, aspecte care urmărite în timpul exploatării cu RTMS conduc la economie de combustibil.
Primul aspect la care se va face referire îl constituie urmărirea permanentă a procesului de ardere. RTMS analizează în permanenţă trei componente din gazele de ardere: CO, CO2 şi O2. Pe baza acestor valori măsurate se calculează compoziţia gazelor de ardere, aerul real al arderii, coeficientul de exces de aer, se determină conţinutul de carbon al combustibilului utilizat (sau a amestecului de combustibili) şi se calculează randamentul arderii definit conform [6]. Cu toate aceste date se trasează diagrama Ostwald şi punctul curent de funcţionare.
Un element important în luarea deciziilor îl constituie modulul de predicţie pentru tendinţa de evoluţie a coeficientului de exces de aer (figura 4).
Toate aceste informaţii despre procesul de ardere sunt oferite în timp real operatorului şi îi permit acestuia corecţii eficiente cu scopul menţinerii unui randament ridicat al arderii. Dacă instalaţiile cazanului au elemente de comandă pentu reglarea fină a aerului de ardere, sistemul RTMS poate conduce singur procesul de ardere. În cazul în care elementele de reglare din teren nu satisfac cerinţele sistemului, ROMCONVERT oferă soluţii de reglare fină a aerului de ardere prin introducerea unor variatoare electronice de turaţie pentru ventilatoarele de aer.
Menţinerea unui randament ridicat al arderii pe întreaga durată de exploatare a cazanului este o garanţie a utilizării eficiente a combustibilului. Orice dereglare a procesului de ardere înseamnă consum suplimentar de combustibil şi implicit poluare.
Al doilea aspect investigat îl constituie analiza randamentului transformării căldurii în energie mecanică, energie transformată ulterior în energie electrică. Dacă se examinează cu atenţie termenii din formula (1), se constată că randamentul termodinamic este termenul cel mai important, termen ce poate fi influenţat prin modificarea parametrilor de funcţionare ai instalaţiei. Toţi ceilalţi termeni reprezintă caracteristici ale maşinilor şi nu mai pot fi influenţaţi în timpul procesului.
Pe baza parametrilor culeşi din instalaţie, RTMS determină în fiecare moment valoarea randamentului termodinamic (la cererea beneficiarului se poate introduce un modul de estimare a tendinţei de evoluţie a randamentului). Orice modificare a unui parametru se reflectă imediat în valoarea randamentului, ceea ce permite luarea rapidă a unor decizii de corectare a funcţionării instalaţiei. Menţinerea unui randament termodinamic ridicat în exploatare constituie pricipala sursă de economisire a combustibilului.
4. Concluzii
RTMS este un sistem informatic complex de achiziţie şi prelucrare a datelor ce se poate implementa pe instalaţiile existente. El oferă informaţii utile operatorului.
Sistemul de monitorizare a grupurilor energetice permite obţinerea în timp real a informaţiilor necesare unei exploatări cu randamente maxime, consumuri minime şi încadrarea în normele de poluare a mediului.
RTMS asistă eficient operatorii instalaţiilor, 24 de ore din 24, semnalând vizual şi acustic ori de câte ori parametrii instalaţiilor se apropie de valorile critice sau când personalul tehnic execută manevre greşite. El poate fi programat să semnaleze creşterea consumului de combustibil peste anumite valori limită prestabilite.
Sistemul reprezintă primul pas în introducerea conducerii automate după criterii de optimizare energetică şi economică a proceselor termoenergetice.
RTMS foloseste tehnologie occidentală pentru partea de achiziţie a datelor, prelucrarea fiind făcută cu un pachet de programe original conceput în cadrul firmei ROMCONVERT, ceea ce conduce la un preţ de cost mai scăzut faţă de produsele similare ale altor firme.
RTMS are o concepţie modulară astfel încât – cu minim de efort – se poate adapta pe orice configuraţie a CET-urilor.
Bibliografie:
Neacşu, S.; Chiper, L.; Florea, T.: Monitorizarea în timp real a grupurilor termoenergetice cazan-turbină, Conferinţa Naţională de Termotehnică Piteşti, vol. I, pag. 271-277, Editura Universităţii Piteşti, mai 1998.
Goliciu, D.; Simionescu, C.; Săndulescu, I.; Popescu, C.; Predescu, N.; Topolscki, S.: Metodologie pentru analiza consumului total de combustibil în centralele termoelectrice RENEL.
Popa, G.; Leca, A.: Tabele, nomograme şi formule termotehnice, vol. I, Editura Tehnică, Bucureşti, 1987.
Dobrinescu, D.: Procese de transfer termic şi utilaje specifice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.
Van Wylen, G.; Sonntag, R.; Borgnakke, C.: Fundamentals of Classical Thermodynamics, John Wiley & Sons Inc., New York, 1994.
Feidt, M.: Thermodynamique et Optimisation Energétique de Systèmes et Procedés, Technique et Documentation (Lavoisier), Paris, 1987.
