ТЕХНИЧКО РЕШЕЊЕ (Нов производ уведен у производњу)

Електрични део турбинског регулатора хидрауличних турбина, дигитални турбински регулатор типа ДТР300-100

Аутори: Дане Џепчески, Владимир Станојчић, Јелена Павловић, Ђорђе Стојић, Душан Арнаутовић, Слободан Богдановић

Урађено за: Електротехнички институт „Никола Тесла” а.д.

Корисник: ПД „Електросрбија“, Краљево, ЕД „Нови Пазар“ мХЕ „Рашка”, Сопоћани

Датум пуштања првог уређаја у рад: 25.4.2014. год.

Решење примењује: Електротехнички институт „Никола Тесла” а.д.

Верификација резултата: Електротехнички институт „Никола Тесла” а.д.

Начин коришћења: Електрични део турбинског регулатора користи се као саставни део система за турбинску регулацију агрегата А2 у мХЕ „Рашка“.

1. Област на коју се техничко решење односи

Развој електричног дела турбинског регулатора хидрауличних турбина везан је системе турбинске регулације у хидроелектранама. Ради се о уређају за регулацију хидрауличних турбина општег типа. Уређај је намењен за уградњу у системе турбинске регуалције хидрауличних турбина независно од врсте хидрауличне турбине, било да је турбина Пелтонова, Францисова, Капланова, Банкијева или нека од подврста наведених турбина. Поред уобичајених захтева који се постављају пред регулациону опрему, приликом развоја турбинског регулатора типа ДТР300-100, од стране Инвеститора, постављени су и бројни захтеви везани за телекомуникације, аутоматизацију рада и обједињавање мерних и надзорних функција у систему турбинске регулације хидроагрегата.

2. Проблем који се техничким решењем решава

Уградњом новог турбинског регулатора у постројење производног хидроагрегата А2 у мХЕ „Рашка“ решено је више проблема који су у погону наведеног хидроагрегата постојали пре уградње истог:

- повећана сигурност у постројењу хидроагрегата јер је остварена дефинисана брзина затварања спроводног апарата турбине у хаваријским ситуацијама чиме је спречен неконтролисани пораст брзине обртања агрегата и пораста притиска у цевоводу након наглог растерећења генератора, односно турбине агрегата;

- повећана поузданост и расположивост постројења постигнута је уградњом две у функционалном смислу једнаке електронске регулационе јединице у редундантној конфигурацији, ДТР 300 и ДТР100, у јединствени уређај електричног дела система турбинске регулације типа ДТР300-100. Наведено повећање поузданости постројења од посебне је важности уколико се у обзир узме чињеница да од поузданости постројења зависи и поузданост напајања града Новог Пазара пијаћом водом јер је на одводној вади електране изграђена улазна грађевина постројења за прераду пијаће воде за потребе града;

- повећана ефикасност постројења јер је уградњом новог турбинског регулатора омогућена регулација по нивоу воде у водостану чиме је обезбеђено оптимално коришћење расположивих водних ресурса каптираног врела реке „Рашке“ и

последично повећање укупне производње агрегата. Пре уградње новог турбинског регулатора вршено је ручно управљање отвором спроводног апарата турбине у зависности од притиска воде у цевоводу чију је величину руковалац погоном агрегата очитавао са манометра са Бурдоновом цеви. Од промене величине оптерећења агрегата и брзине струјања воде кроз цевовод зависи и притисак воде на месту очитавања. Управљање спроводним апаратом турбине је било конзервативно, на страни сигурности, како не би дошло до могућег пражњења цевовода и могућих нежељених последица ове појаве, те је често долазило до преливања воде на водозахвату и расипања расположивих водних ресурса.

- једноставније управљање и надзор погона, са становишта руковаоца постигнуто је уградњом операторског панела осетљивог на додир на предњим вратима ормана у којем је смештен електрични део турбинског регулатора. Путем операторског панела омогућено је управљање уређајем, избор режима рада регулатора, задавање жељене вредности регулисане величине, једнозначни увид у стање целог система турбинске регулације, итд.

- једноставнија дијагностика неисправности система. Путем операторског панела руковалац има приступ архиви са текстуалним записима о догађајима, опоменама и алармима које генерише функција самонадзора и самодијагностике турбинског регулатора. Свака од текстуалних порука је у архиви похрањена хронолошки са јединственом временском одредницом. Такође, руковаоцу је омогућен и приступ архиви са трендовима процесних величина. Увидом у архиву порука и трендова процесних величина руковалац релативно једноставно може самостално извршити дијагностику евентуалне неисправности система и предузети одговарајуће радње у циљу њеног отклањања.

- даљинско управљање системом турбинске регулације које је омогућено након уградње новог турбинског регулатора дозвољава управљање са измешетног места управљања у самој електрани, управљање системом се не мора вршити из турбинског простора, или из удаљеног центра управљања који се може налазити на било којем месту које је обскрбљено интернет везом. Приступ турбинском регулатору из удаљеног центра управљања је заштићем и дозвољен је овлашћеном кориснику са дефинисаним нивоом приступа.

3. Стање решености проблема у свету

Реномирани произвођачи турбинске опреме за хидроагрегате поседују и своју линију производа која обухвата и дигиталне турбинске регулаторе. На основу доступних информација са мрежних места произвођача попут Andritz Hydro, Voith и ОАО "Силовые машины" као и на основу увида у њихова техничких решења која су рализована у оквиру електрана које раде у саставу ЈП „Електропривреда Србије“ може се закључити да се ради о тзв. систем интеграцији, где је за реализацију дигиталног турбинског регулатора коришћена готова ПЛЦ платформа реномираних произвођача опреме за аутоматизацију попут Siemens-а или Metso DNA. Укратко речено, на готовим хардверским платформама других произвођача је програмски реализован алгоритам турбинске регулације. Такође, произвођачи не нуде јединствену платформу за све типове хидрауличних турбина већ се нуди електрични део система турбинске регулације који је наменски израђен за одређену врсту хидрауличне турбине.

4. Објашњење суштине техничког решења

Израђен је дигитални турбински регулатор за регулацију хидрауличних турбина општег типа, односно за примену на хидрауличним турбинама различите конструкције. У уређају ДТР300-100 две електронске регулационе јединице су спрегнуте у редундантој конфигурацији чиме је повећана поузданост и расположивост производног хидроагрегата. Управљачка јединица ДТР100 је реализована на наменски развијаној и израђеној хардверској платформи за примену у области турбинске регулације заснованој на микроконтролеру. Управљачка јединица ДТР300 реализована је на ПЛЦ платформи произвођача Siemens из фамилије SIMATIC S7-300. Регулационе јединице су у функционалном смислу међусобно истоветне. Такође, хардверска платформа на којој је изграђена регуалциона јединица ДТР100 поседује флаксибилност и проширивост која је у потпуности упоредива са хардверском платформом ПЛЦ-а. На примеру уређаја ДТР300-100 показана је могућност повезивања у јединствену целину регулационе јединице која је наменски развијена и направљена и регулационе јединице која представља резултат систем интеграције готовог, на тржишту купљеног хардвера, и програмски имплементираног алгоритма регулације. Уградњом две регулационе јединице у редундантној конфигурацији, засноване на различитим хардверским платформама, једне наменски развијене и израђене хардверске платформе, регулациона јединица ДТР100 и друге хардверске платформе реномираног светског произвођача, регулациона јединица ДТР300, једновремено је извршена и практична верификација ваљаности наменски развијене и израђене платформе у погону електране.

5. Детаљан опис техничког решења са карактеристикама

Електрични део турбинског регулатора је испоручен, уграђен и пуштен у рад као део примарне агрегатне опреме у склопу радова на реконструкције комплетног система за турбинску регулацију, уградње новог система управљања агрегата, аутоматизације система за припрему уља под притиском, система за подмазивање лежајева и предтурбинског затварача агрегата А2 у МХЕ „Рашка“ према уговору бр. 02/5869. Радови на хидрауличном делу регулатора започети су у другој половини 2013. год. да би завршна испитивања и пуштање у рад система турбинске регулације било извршено у току првог квартала 2014. год.

5.1 Подаци о турбини и хидросистему

У МХЕ „Рашка“ уграђене су две Францисове брзоходне турбине са вертикалном осовином, произвођача „Литострој“ тип F-O, 75/110 следећих карактеристика:

- Номинални проток, Qn [m3/s] ....................................................................................... 2,5 - Номинална брзина, nn [min-1] .................................................................................... 1000 - Номинална снага, Pn [MW] (4250 KS)......................................................................... 3,2 - Дозвољени пораст брзине турбине при збацивању Pn [%nn].................................... 125

Основни подаци о хидросистему:

- Бруто пад, Hb [m] ...................................................................................................... 161,7 - Дужина тунела, Lt [m] ............................................................................................... 4267 - Дужина цевовода, Lc [m] .......................................................................................... 218,2 - Пречник тунела, Dt [mm] ........................................................................................... 2000 - Пречник цевовода, Dc [mm] ...................................................................................... 1300

5.2 Основни подаци о систему турбинске регуалције

- Номинални притисак регулацијског уља pu, [MPa].................................................... 6,3 - Тачност одржавања брзине при раду у изолованом систему и при сталном

оптерећењу агрегата, [% nn]......................................................................................... 0,2 - Тачност одржавања брзине при раду у празном ходу [% nn].................................... 0,1 - Тачност одржавања задате снаге при сталном оптерећењу агрегата и сталној учестаности, [% Pnom]....................................................................................... 1 - Неосетљивост регулатора по каналу мерења брзине обртања агерагат [mHz]......< 2,5 - Време кашњења система [s]...................................................................................... < 0,2 - Опсег задавања брзине обртања агрегата [Hz]...................................................... 45÷55 - Опсег задавања активне снаге [%].......................................................................... 0÷110

5.3 Електрични део турбинског регулатора

Електрични део турбинског регулатора је савремене израде и заснован је на микроконтролерским уређајима који су високе радне поузданости и представљају стандарну опрему у области аутоматизације у процесној индустрији. Такође, и остала опрема која је уграђена у електрични део турбинског регулатора. задовољава захтеве у вези примене у уређајима индустријске намене. Компоненте су малих димензија, мале потрошње електричне енергије, тако да примена принудног хлађења није потребна. Опрема је намењена за рад у условима када је активна и основна и помоћна опрема агрегата у електрани. Модуларност конструкције регулатора омогућава једноставну надоградњу, у смислу повећања броја улазно-излазних канала и квалитета њихових процесних особина, као и проширења комуникационих могућности са надређеним системом управљања коју је могуће практично извршити на објекту.

Веза регулатора са процесом остварена је преко улазно-излазних картица и комуникационих портова. Сигнал из процеса, било да је у питању мерени, управљачки, релејни сигнал или сигнал за индикацију неке од величина од интереса, прилагођава се и обрађује у прилагодним степенима који су саставни део регулатора. Електрична веза са давачима процесних величина, појачавачким и управљачким степенима актуатора, мерним инструментима, релејима, склопкама и тастерима, изведена је изолованим бакарним проводницима. Комуникациона веза са надређеним системом управљања остварена је информационим каблом са бакарним парицама типа UTP, применом комуникационог протокола Modbus TCP/IP.

5.4 Основне функције турбинског регулатора

Основна функција турбинског регулатора је да одржава сталну брзину обртања у празном ходу и раду агрегата на изолованом оптерећењу и да одржава задату снагу или отвор у режиму рада агрегата на мрежи паралелно са другим производним агрегатима. У случају агрегата у мХЕ „Рашка“ турбински регулатор остварује, поред наведених и функцију регулације нивоа воде у водостану повећавањем и смањивањем величине одате активне снаге генератора агрегата. Да би наведене функције биле остварене, регулатор формира сигнал за електрохидраулични пратећи систем и на тај начин управља отвором спроводног апарата турбине, односно протоком воде кроз радно коло турбине. Регулатор формира и сигнале затварања, односно заустављања агрегата, сигнал стартног отвора и остварује функцију брзинског релеја. Регулатор поседује функцију

самодијагностике, функцију приказа информација и уноса података на операторском панелу, приказ мерених величина на показним инструментима, функцију архивирања порука, стања и трендова, као и функцију формирања информација и сигнала за надређени систем управљања.

Регулатора извршава следеће функцијске подцелине:

- мерење брзине обртања агрегата, - задавање брзине обртања, - електронски брзински релеј, - детекција побега, - надзора опасно малих броја обртаја агрегата, - детекција пузања вратила, - мерење положаја клипа сервомотора спроводног апарата, - задавање положаја клипа сервомотора спроводног апарата, - мерење активне снаге генератора, - задавање активне снаге генератора, - мерење нивоа воде у водостану, - задавање жељеног нивоа воде у водостану, - блок регулације за формирање излазног сигнала према електрохидрауличном

разводнику при регулацију n, P, Y и ΔH, - формирање стартних отвора, - електронско ограничавање отварања, - формирање подесиве мртве зоне по регулисаној величини, - остваривање учешћа агрегата у примарној регулацији учестаности, - аутоматска промена режима рада регулатора, - управљање задатом брзином обртања при синхронизацији агрегата, - комуникацију са вишим нивоом управљања агрегатом, - надзор и управљање система за припрему хидрауличног уља под притиском, - контрола исправности регулатора, - формирање сигнала хаваријског затварања, - формирање звучне и светлосне сигнализације, - формирање архиве догађаја, опомена и аларма, - формирање трендова процесних величина, - формирање графичке надзорно-управљачке везе према руковаоцу.

5.5. Електрична својства уређаја

5.5.1 Напајање уређаја

У циљу повећања поузданости и расположивости агрегата, напајање електричног дела регулатора реализовано је као двострано. Регулатор се једновремено напаја из сопствене потрошње електране, једнофазно наизменичним напоном 220VAC, и из батерије, односно из развода једносмерне струје напонског нивоа 110VDC. Напајање је реализовано преко међусобно редундантних AC/DC и DC/DC претварача.

5.5.2 Врсте и својства улазних електричних сигнала

Сигнал мерене брзине обртања: -са секундара мерног трансформатора напона статора генератора, [VAC]...... 80-120

-од индуктивног давача брзине, [VDC].................................................................. 0→24 Сигнал мерене активне снаге генератора

- од мерног претварача снаге, (у опсегу 0-110%Pnom) [mA]................................. 4-20 Сигнал мереног пада нивоа воде у водостану

- од мерних претварача нивоа [mA]....................................................................... 4-20 Сигнал мереног положај сервомотора извршног органа,

- од мерног претварача положаја клипа сервомотора, [mA]............................... 4-20 Сигнал мереног притиска воде испред предтурбинског затварача,

- од мерног претварача релативног притиска, [mA]............................................. 4-20 Дискретни сигнали са вишег нивоа управљања

- сигнали СТАРТ и СТОП регулатора, [VDC]....................................................... 110 - сигнал “више” и “ниже” са синхронизатора, [VDC]........................................... 110 - сигнал “више” и “ниже” за задавање снaге, [VDC]............................................. 110 - сигнал да је процес синхронизације у току, [VDC]............................................. 110 - сигнал потврде опомене и/или аларма, [VDC]..................................................... 110 - улазни дискретни сигнали заштита и стања ген. прекидача, [VDC]................. 110

Галванска изолација улазних аналогних сигнала, [VDC]............................................... 500 Галванска изолација мереног пада нивоа воде у водостану, [VDC]........................... 1500

5.5.3 Врсте и електрична својства излазних сигнала

Регулациони сигнал према електрохидрауличном разводнику [VDC]......................... ±10 Излазни аналогни сигнали [mA] (гал. изол.500V Rizl max= 500Ω, 10 mH)...................... 4-20 Излазни дискретни сигнали са релеја [VDC]............................................................. 24, 110 Галванска изолација излазних аналогних сигнала, [VDC]............................................. 500

5.6 Орман и услови амбијента

Орман у коме је смештен електрични део турбинског регулатора је самостојећи, израђен је од челичног лима стандардне дебљине, укупних димензија 800x2230x700mm и масе од приближно 120kg. Орман је заштићен од корозије пластификацијом у боји RAL 7035. Заштита ормана од продора механичких нечистоћа и влаге је степена IP31. Eлектрична својства уређаја су гарантована при следећим условима амбијента:

- температура околне средине [ºC]........................................................................ 0-60 - релативна влажност, без кондензације [%]......................................................... 5-95 - надморска висина [m]........................................................................................ <2000

5.7. Извршни програм турбинског регулатора

Извршни програм регулатора обезбеђује извршавање програмираног алгоритма рада регулатора, односно извршава све функције управљања, регулације и обраде информација у систему турбинске регулације. Извршни програм обезбеђује аутоматски и аутономан рад система за турбинску регулацију. Програм је тестиран и рад регулатора испитан на испитном пољу у лабораторији произвођача за испитивање регулатора. Целокупан код извршног програма написан је у складу са одредбама стандарда за програмирање микроконтролера IEC61131-3.

На сликама од 1 до 4 су редом приказани блок дијаграм структуре блока регулације имплементираног у извршном програму регулатора, спољашњи и унутрашњни изглед ормана у којем је смештен електрични део система турбинске регулације и изглед графичког интерфејса почетног екрана операторског панела.

Слика 1 – Структура блока регулације

Слика 2 – Спољашњи изглед ормана са електричним делом турбинског регулатора

Слика 3 – Изглед унутрашњости ормана са електричним делом турбинског регулатора

Слика 4 – Изглед почетног екрана графичког интерфејса на операторском панелу

Датум и времеИндикатор аларма

Тастери за навођења

Радна површина ОП-а