Inovatívne projekty

Komplexný riadiaci systém parnej turbíny


Riadenie a monitorovanie výroby elektrickej energie v kondenzačnom režime z biomasy, Bučina, a.s. Zvolen


V rámci operačného programu „Konkurencieschopnosť a hospodársky rast“ bol v Bučine Zvolen, a.s. s podporou Európskej únie v rokoch 2010 – 2011 realizovaný projekt výroby elektrickej energie v kondenzačnom režime z biomasy. Projekt spočíval v rekonštrukcii a modernizácii spaľovacieho procesu parných kotlov K3, K4 a nahradení protitlakej parnej turbíny o výkone 0,7 MW kondenzačnou parnou turbínou s jedným regulovaným odberom o elektrickom výkone generátora 5,4 MW. Kondenzácia výstupnej pary z parnej turbíny sa uskutočňuje vo vzduchovom kondenzátore pary.

Spracovateľom projektu merania a regulácie parnej turbíny, jej by-passu, vzduchovej kondenzácie a chladiacej mikroveže bol dodávateľ parnej turbíny, firma EKOL a.s. Brno. Subdodávateľom aplikačného programového vybavenia riadiaceho systému parnej turbíny, vzduchovej kondenzácie a chladiacej mikroveže bola firma URAP-AUTOMATIZÁCIA, s.r.o. Žilina.

Technické prostriedky riadiaceho a informačného systému a ich štruktúra

Technologický komplex výroby elektrickej energie v kondenzačnom režime bol z hľadiska riadenia a regulácie formálne rozdelený na dva technologické celky:

  • parná turbína a mikrochladič chladiacej vody,
  • vzduchová kondenzácia pary.

Každý z týchto technologických celkov má samostatný PLC systém s lokálnym 15“ vizualizačným a ovládacím panelom z produkcie rakúskej firmy Bernecker & Rainer. Jedná sa o vysoko sofistikovaný a modulárny systém programovateľných automatov rady X20 s ovládacími panelmi typu Power Panel s TFT farebnou dotykovou (touch screen) obrazovkou.
Pri návrhu štruktúry technických prostriedkov sa s výhodou využila možnosť priestorovej distribúcie I/O modulov PLC systému X20, ktoré sú vzájomne prepojené komunikačnou zbernicou Ethernet Powerlink. Vstupno / výstupné moduly PLC systému tak tvoria v podstate inteligentné priestorovo rozmiestnené svorkovnice, umiestnené v oceľoplechových svorkovnicových skrinkách v bezprostrednej blízkosti skupiny logicky súvisiacich snímačov. Takto vytvorené miesta ukončenia signálov na úrovni ich analógovej interpretácie sú vzájomne prepojené komunikačným káblom s kruhovou topológiou komunikačným protokolom Ethernet Powerlink©.
Súčasťou reťazca zariadení na komunikačnej zbernici Ethernet Powerlink© sú aj frekvenčné meniče výrobcu B&R, prostredníctvom ktorých sa ovládajú čerpadlá chladiacej vody, ventilátor mikrochladiča a pretáčacie zariadenie rotora parnej turbíny.
Servopohony akčných členov AUMA sú ovládané prostredníctvom komunikačného rozhrania Profibus DP. Uvedeným moderným a progresívnym riešením sa výrazne zvýšila efektívnosť  inštalácie a činnosti v procese oživovania a testovania systému pred jeho uvedením do prevádzky.

Riadiaci systém spravuje aj lokálny archív všetkých analógových, dvojhodnotových vstupov/výstupov a dôležitých logických veličín v sekundovom intervale. Takisto archivuje zoznam aktuálnych a historických alarmov. Tento lokálny archív je realizovaný prostredníctvom sieťového HDD. Archivované dáta sú vo formáte CSV diaľkovo prístupné po pripojení sa do siete riadiaceho systému (a to aj napr. prostredníctvom internetu!!!). Tento diaľkovo prístupný lokálny archív je veľmi dôležitý v etape oživovania a nastavovania technológie, ako aj pri posudzovaní príčin odstavenia, resp. havárie technológie.

Funkcie riadiaceho systému

Riadiaci systém parnej turbíny a vzduchového kondenzátora pary zabezpečuje tieto funkcie:

  • Ovládanie vstupného regulačného hydraulického ventilu, ktorý pozostáva s troch nezávislých ventilov, špeciálne navrhnutých na zabezpečenie lineárnej charakteristiky zdvihov ventilov a prietoku vstupnej pary.
    Rozdelenie zdvihov ventilov je plne konfigurovateľný nábehovým technikom (začiatok otvárania V2 a V3, lineárne časti ventilov, koeficienty zrýchlenia, celkové zdvihy ventilov...)
  • Regulácia otáčok turbíny pri štarte pred prifázovaním podľa výrobcom definovaného nábehového a záťažového diagramu v závislosti od tepelného stavu telesa turbíny so zrýchleným prekonávaním kritických otáčok turbíny.
    Nábehový a záťažový diagram je plne konfigurovateľný nábehovým technikom.
  • Riadenie otáčok turbíny podľa požiadaviek fázovacieho automatu počas prifázovávania na elektrickú sieť.
  • Reguláciu výkonu podľa záťažového diagramu do času úplného prehriatia turbíny s obmedzovacími reguláciami na minimálny a maximálny vstupný tlak.
  • Reguláciu tlaku (po prehriati turbíny) s obmedzovacou reguláciou minimálneho a maximálneho výkonu.
  • Reguláciu výkonu (po prehriati turbíny) s obmedzovacou reguláciou minimálneho a maximálneho tlaku.
  • Ovládanie hydraulickej regulačnej clony, ktorá udržiava konštantný tlak v regulovanom odbere.
  • Reguláciu hladiny v expandéri sekundárneho kondenzátu.
  • Obeh mazacieho oleja na ložiská turbíny s reguláciu jeho teploty a kontrolou tlaku. V prípade núdzového zastavenia je obeh zabezpečený núdzovým olejovým čerpadlom.
  • Reguláciu tlaku regulačného oleja dvomi čerpadlami pracujúcimi v záskoku s príslušnými solenoidmi. Algoritmus spínania solenoidov kontroluje dostatočné množstvo dusíka v akumulátoroch.
  • Obeh chladiacej vody cez mikrochladič. Tlak v okruhu je regulovaný dvomi čerpadlami v záskoku. Teplota je regulovaná otáčkami ventilátora umiestneného v mikrochladiči. Zasolenie chladiacej vody sa udržiava v stanovených medziach vypúšťacím a doplňovacím ventilom čerstvej pitnej vody.
  • Ochrany parnej turbíny – odstavenie sústrojenstva z prevádzky, ak nie sú splnené podmienky pre jeho bezpečnú prevádzku, s vyhodnotením a odpamätaním prvej došlej ochrany.
  • Ochrany vzduchového kondenzátora pary.
  • Automatické záskoky cirkulačných a kondenzačných čerpadiel.
  • Blokovanie možnosti štartu turbíny do prevádzky, ak nie sú splnené predpísané podmienky a úspešne vykonané testy pohyblivosti a tesnosti príslušných armatúr a systémov mazacieho a regulačného oleja.
  • Prepínanie režimu kondenzácie vzduchového kondenzátora z priameho na deflegmačné a naopak v závislosti od teploty okolia.

Analógové vstupy (4 – 20 mA, Pt100, termočlánok): 136
Binárne vstupy (24 VDC): 312
Analógové výstupy (4 – 20 mA): 8
Binárne výstupy (24 VDC/0.5 A): 108
Servopohony (Profibus DP): 14
Frekvenčné meniče (Ethernet Powerlink): 4
Sériová linky RS485 (Panelové prístroje, Microscada): 2

Obrazovky riadiaceho systému

Základné obrazovky sledovania a obsluhy technológie:

Základná obrazovka - Para - Voda

Základná obrazovka - Mazací olej

Okrem základných sledovacích obrazoviek, monitorovací systém na báze ovládacieho panelu obsahuje nasledovné obrazovky:

Ochrany - obrazovka obsahuje zoznamom ochrán v tabuľkovej forme s hodnotami medzí binárnych a analógových vstupných veličín, pri prekročení ktorých dochádza k pôsobeniu ochrany (okamžitému odstaveniu z prevádzky) pre turbínu a generátor. Systém ochrán vyhodnocuje a zaznamenáva prvú došlú ochranu, ktorá spôsobila výpadok sústrojenstva z prevádzky.

Testy - pred uvedením turbíny do prevádzky je nutné vykonať testy pre overenie funkčnosti technológie:
Test regulačného oleja – testuje sa záskok čerpadiel s kontrolou tlaku regulačného oleja.
Test mazacieho oleja – testuje sa záskok čerpadiel s kontrolou tlaku mazacieho oleja.
Test pohyblivosti rýchlouzatváracieho hydraulického ventilu – testujú sa koncové snímače počas otvárania a zatvárania ventilu.
Test pohyblivosti regulačného hydraulického ventilu – testuje sa reakcia na žiadanú polohu reprezentovaná spätnou väzbou polohy ventilu.
Test tesnosti rýchlouzatváracieho ventilu – pri otvorení regulačného ventilu (je umiestnený za rýchlouzatváracím ventilom) otáčky nesmú presiahnuť hraničnú hodnoty a zároveň trend nárastu otáčok musí byť pod zadanou medzou.
Test tesnosti regulačného ventilu – pri otvorení rýchlouzatváracieho ventilu (je umiestnený pred regulačným ventilom) otáčky nesmú presiahnuť hraničnú hodnoty a zároveň trend nárastu otáčok musí byť pod zadanou medzou.

Nábeh turbíny - testy

Nábeh turbíny – na obrazovke je uvedený zoznamom krokov a splnených resp. nesplnených podmienok pre nábeh turbíny.

Nábeh turbíny

Na obrazovke je zároveň signalizovaný tepelný stav turbíny pred štartom – studená, teplá, horúca a v závislosti od neho po splnení požadovaných podmienok je možné turbínu uviesť do prevádzky podľa predpísaného nábehového a záťažového diagramu. Nábehový a záťažový diagram môže nábehový technik parametrizovať (trend zvyšovania otáčok, časy predohrevu, ...) podľa výsledkov skúšok a meraní v procese uvádzania turbíny do prevádzky.

Nábehový a záťažový diagram

Alarmy – zoznam aktuálnych alarmových správ s údajom o dátume a čase ich vzniku. Z tejto obrazovky má obsluha možnosť prepnúť sa na zobrazenie historických alarmov, kde sú archivované alarmové správy s časmi vzniku a zániku alarmov. Zobrazenie historických alarmových správ je možné filtrovať podľa daných kritérií a listovať v zoznamoch po stránkach.

Obrazovka trendov:

Trendy

Charakteristiky – zobrazenie charakteristík predpísaných výrobcom turbíny a aktuálnu polohu pracovného bodu:

  • parametre vstupnej pary,
  • oblasť povolenej prevádzky,
  • charakteristika turbíny,
  • tlak za regulačným stupňom,
  • polohovanie,
  • maximálny tlak v odbere.

Charakteristiky

Diaľkové ovládanie funkcií riadiaceho systému

Všetky sledovacie obrazovky riadiaceho systému interpretované na 15“ TFT farebnom dotykovom terminály sú prístupné aj diaľkovo z PC s OS Windows cez VNC prístup. Podmienkou je pripojenie PC do siete riadiaceho systému je znalosť hesla na prihlásenie do diaľkovej správy riadiaceho systému.

Vlastnosť diaľkovej správy funkcií riadiaceho systému je užívateľom bohato využívaná prostredníctvom PC na velíne obsluhy technológie ako Back-up ovládanie technológie (mimo SCADA systému technológie).

V aplikácii použité dotykové displeje vo funkcii ovládacej a informačnej konzoly obsluhy výrazným spôsobom ovplyvnili zvyklosti používateľov a ergonomiu ovládania akčných členov technologického procesu a umožnili realizovať užívateľsky priateľské, intuitívnejšie a bezpečnejšie ovládanie predmetného technologického procesu.