Электрическая часть системы регулирования и защиты паровой турбины

Аннотация

В статье описывается программно-технический комплекс электрической части системы регулирования и защиты (ЭЧСРиЗ), предназначенный для автоматизации функций системы регулирования новых или реконструируемых паровых турбин. Приводятся архитектура, принципы работы и особенности системы, краткое описание математической модели паровой турбины.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ 

Предпосылкой к отказу от механо-гидравлической системы регулирования паровых турбин в теплоэнергетике и созданию электрической части системы регулирования и защиты (ЭЧСРиЗ) в 2005 году стал ряд причин, среди которых:

• развитие технической базы вычислительной техники и её массовое применение в других отраслях;

• повышение требований к качеству электрической и тепловой энергии, достижение которых традиционными средствами затруднительно;

• повышение требований к надёжности систем защиты турбоагрегатов;

• стремление упростить производство, испытания, наладку, а также эксплуатацию системы регулирования;

• необходимость создания универсальной системы, пригодной для использования с различными типами паровых турбин, а также с широкими возможностями расширения функционала при наличии такой потребности;

• невозможность реализации современной технологии работы турбины средствами механогидравлических систем автоматического регулирования и защиты. Работы проводились специалистами НПФ «Ракурс» в тесном сотрудничестве с отделом микропроцессорных систем управления ЗАО «Уральский турбинный завод». В качестве основы элементной базы выбраны средства промышленной автоматизации фирмы OMRON. При выборе в первую очередь учитывались надёжность компонентов, их технико-экономические показатели, а также имеющийся у исполнителей опыт по реализации систем управления на базе подобных средств.

НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЭЧСРиЗ

ЭЧСРиЗ предназначена для формирования сигналов регулирования и защиты паровой турбины в соответствии с заложенными алгоритмами во всём возможном диапазоне эксплуатационных и аварийных режимов работы, в том числе:

• толчок;

• разворот;

• холостой ход;

• работа в сети под нагрузкой;

• сброс электрической нагрузки;

• режим останова (как нормального, так и аварийного);

• испытания и снятие характеристик.

Объектом автоматизации является паровая турбина, предназначенная для привода электрического генератора с частотой вращения 50 с^–1 (3000 об/мин) и отпуска теплоты для нужд производства, отопления и горячего водоснабжения. Паровая турбина может быть как новой, так и модернизируемой с заменой системы регулирования. ЭЧСРиЗ позволяет осуществлять регулирование различных типов паровых турбин, работающих:

• в схеме с поперечными связями по свежему пару;

• в блоке с котлом;

• в составе энергоблока парогазовой установки ПГУ (газотурбинная установка, котел-утилизатор, паротурбинная установка);

• в составе энергоблока паротурбинной установки (предвключённая/приключённая турбина).

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ

Структура ЭЧСРиЗ в общем виде приведена на рис. 1. ЭЧСРиЗ представляет собой многоуровневую распределённую систему управления, выполненную на базе программируемых логических контроллеров и средств вычислительной техники. Верхний уровень ЭЧСРиЗ образует рабочая станция оператора (РСО. Средний уровень – резервированный контроллер, нижний – сервоприводы, которые реализуют управление электрогидравлическими преобразователями в качестве усилителей сигналов от контроллеров. Питание системы осуществляется от вводов переменного и постоянного тока. Для обеспечения бесперебойным питанием силового оборудования организован быстродействующий АВР. Связь между контроллерами и РСО осуществляется по сети Ethernet. В общем случае используется проводное соединение, при необходимости могут быть применены оптические каналы связи.

Рис.1. Структура ЭЧСРиЗ в общем виде

Получение информации от полевых устройств (датчиков, исполнительных механизмов) осуществляется посредством аналоговых, дискретных и импульсных сигналов. Состав сигналов зависит от типа турбины, при этом контроллер обладает необходимыми ресурсами для работы со всеми требуемыми типами сигналов. Все входные цепи имеют обязательную гальваническую развязку. Для реализации местного управления в состав системы включён сенсорный терминал. В целом архитектура системы не зависит от типа автоматизируемой турбины и не претерпела существенных изменений с момента создания до настоящего времени.

ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА 

Как уже было сказано, основу системы исторически составляли средства промышленной автоматизации OMRON.  В настоящее время выпускаются системы на базе техники Siemens, ABB, ПРОСОФТ.

Управление ЭГП осуществляется с помощью сервоприводов Control Techniques Unidrive M700. С учётом особенностей схемы важной характеристикой данных устройств является то, что их питание может осуществляться от напряжения как переменного, так и постоянного тока.  ЭГП представляют собой электрические серводвигатели с постоянными магнитами либо с вращательным перемещением штока, либо с поступательным (Exlar, Диаконт). Схема питания и управления унифицирована, поэтому использование того или иного типа двигателя не отражается на остальном оборудовании.

Измерение частоты вращения производится датчиками Braun. Сигнал от датчиков для преобразования и обеспечения функции защиты от разгона поступает на модули CCD FMD-RS422 производства ГК «Ракурс». Модуль осуществляет расчёт частоты вращения на основании полученных данных, сравнение значения с уставками срабатывания защиты и передачу данных в управляющий контроллер, где они используются для функций регулирования.

Для программного обеспечения рабочей станции оператора применена SCADA-система RSP также собственной разработки ГК «Ракурс». Такое решение обусловлено тем, что ЭЧСРиЗ представляет собой автономную локальную систему со специфическим и весьма ограниченным набором функций, и использование распространённых многофункциональных пакетов SCADA-систем в данном случае представляется технически и экономически неоправданным. При этом RSP хорошо зарекомендовала себя в подобных локальных системах и успешно внедрено и эксплуатируется на десятках объектов в РФ и за её пределами. На сегодняшний день с использованием RSP разработано 11 систем контроля вибрации, более 50 ЭЧСРиЗ, более 100 систем технологического контроля.

Контроллеры, сервоприводы и другое оборудование размещаются в шкафах Rittal. Шкафы устанавливаются на площадке обслуживания турбины вблизи переднего подшипника. Внешний вид шкафов с оборудованием ЭЧСРиЗ, установленных на одном из объектов, представлен на рис. 2. 

Рис.2. Внешний вид шкафов с оборудованием ЭЧСРиЗ, установленных на одном из объектов

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

ЭЧСРиЗ выполняет следующие основные функции:

• регулирование частоты вращения турбины (ПИ-регулирование при работе на холостом ходу, П-регулирование при работе в сети под нагрузкой со степенью неравномерности 4,5±0,5%);

• регулирование активной электрической мощности с частотной коррекцией;

• регулирование давления/расхода производственных и отопительных отборов пара;

• регулирование температуры или нагрева сетевой;

• обеспечение безопасной эксплуатации турбины и защиты от ошибочных действий персонала (ограничения по минимальному давлению свежего пара, максимальному давлению в регулирующей ступени, максимальному давлению в камерах производственных и отопительных отборов, ухудшению вакуума в конденсаторе и т. д.);

• защита турбины от разгона (многоканальный электронный автомат безопасности ЭАБ обеспечивает останов турбины при достижении ротором предельной частоты вращения с учётом величины ускорения ротора);

• обеспечение приёма и отработки сигналов электрических защит турбоустановки;

• обеспечение приёма и отработки сигналов противоаварийной автоматики энергосистемы;

• контроль основных параметров ЭЧСРиЗ и изменение параметров настройки;

• контроль датчиков, линий связи с объектом и цепей питания;

• тестирование каналов электронного автомата безопасности, совмещённое с расхаживанием золотников защит;

• безударное включение и выключение регуляторов во всех режимах эксплуатации;

• безударное изменение алгоритмов регулирования при обнаружении отказов;

• обеспечение проведения необходимых испытаний (разгон, повышение давления в регулируемых отборах и др.) и определения характеристик;

• оповещение, регистрация и архивирование сообщений об изменении режимов и отклонениях в работе турбины (в том числе аварийных);

• обеспечение связи с системами верхнего уровня (АСУ ТП).

Управление может осуществляться как с рабочей станции оператора (дистанционный режим), так и с местного пульта, расположенного на двери шкафа управления (местный режим).

Внешний вид управляющего экрана приведён на рис. 3. Функции регулирования осуществляются путём управления электрогидравлическими преобразователями в зависимости от задания, текущего значения параметра и соответствующего закона регулирования.

Рис. 3. Внешний вид экрана рабочей станции (основной управляющий экран)

Система построена по принципу каскадного регулирования: внутренним (подчинённым) контуром является контур положения сервомотора регулирующего органа, внешним – программный регулятор (регулятор частоты вращения, электрической мощности, давления и др.). Допускается задание как непосредственно положения сервомотора, так и технологического параметра в зависимости от режима работы. Включение/отключение регуляторов, а также изменение их параметров происходит безударно. Возможна одновременная работа нескольких регуляторов в случае, если их действие распространяется на разные исполнительные механизмы. Взаимное влияние контуров друг на друга исключается путём выполнения соответствующих настроек закона регулирования, в том числе с использованием математической модели объекта.

Кроме функций регулирования, системой выполняются функции защиты. Подсистема защит выполняется многоканальной (3 или 5 каналов) с логикой срабатывания на останов на гидравлическом уровне. Возможна проверка каждого канала в отдельности без останова, независимо от текущего режима работы основного оборудования, в том числе при работе под нагрузкой.

Важной особенностью является то, что подсистема защит выполнена полностью независимой от управляющего контроллера, который в данном случае дублирует её действия. При этом существенно повышается надёжность и снижается вероятность отказа типа «пропуск аварии». Тестирование защиты осуществляется формированием тестового сигнала от встроенного генератора, который подключается вместо датчиков. Таким образом, проверке подвергается весь канал подсистемы защиты, начиная от измерителя и заканчивая исполнительным механизмом. Процедура полностью автоматизирована и может выполняться как по команде оператора, так и с за данной периодичностью с формированием необходимой сигнализации. Время срабатывания защиты не превышает 30 мс. Подобная структура системы, а также применение высоконадёжных аппаратных средств позволили добиться уровня полноты безопасности SIL3 согласно ГОСТ Р МЭК 61508 (IEC 61508).

МОДЕЛЬ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

При разработке, испытаниях и наладке ЭЧСРиЗ широко используются методы математического моделирования, что позволяет проводить полный комплекс предпоставочных испытаний ЭЧСРиЗ. Математическое обеспечение модели паровой турбины представляет собой систему дифференциально-разностных уравнений, описывающих динамическое поведение турбины во всех технологических режимах, а также описание гидравлической части системы управления турбиной и энергосистемы, на которую работает турбина. Описание основной части турбины состоит из взаимосвязанных подпрограмм, состав которых может меняться в зависимости от конфигурации конкретной турбины. Возможность варьирования набора вызываемых подпрограмм позволяет быстро настраивать модель для имитации турбин, обладающих следующими параметрами:

• различный состав проточных частей турбины (часть высокого давления, одна или две части среднего давления, промежуточный отсек ступеней, часть низкого давления), а также различный состав регулирующих органов (клапаны и диафрагмы);

• наличие производственных отборов и блока защитно-регулирующих клапанов (БЗРК);

• наличие отопительных отборов различных типов (работа на общий коллектор или на сетевые подогреватели).

Описание гидравлической части турбины позволяет моделировать изменение давления масла в линии защиты и работу золотников защиты.

В модели также реализовано управление сервомоторами высокого, среднего и низкого давления посредством соответствующих золотников согласно их натурным характеристикам с учётом зон нелинейной работы. Математическое описание энергосистемы включает в себя закономерности поведения турбины при работе на изолированный район и на мощную энергосистему в зависимости от параметров потребления электроэнергии. Конструктивно модель выполнена в виде передвижной стойки, на которой расположены все аппаратные элементы: основной микропроцессорный модуль, модули ввода и вывода сигналов, блоки питания и клеммники для физического подключения модели к шкафам ЭЧСРиЗ. Это позволяет проводить испытания без использования в программном обеспечении ЭЧСРиЗ каких- либо режимов, предназначенных только для тестирования. Все связи ЭЧСРиЗ и модели турбины выполняются таким же образом, как и в условиях электростанции. Главным вычислительным устройством модели является контроллер OMRON CJ2, производительность которого позволяет обрабатывать сложную математику, описывающую поведение паровой турбины, с постоянным циклом длительностью 10 мс. 

Автор: Главный конструктор группы анализа данных и машинного обучения - Кузнецов М.Н.