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.
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.
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.
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.