Niezawodna, elastyczna i bezpieczna praca elektrociepłowni z systemem sterowania


Stanisław Waglowski, Enerbit, Marek Wilaszek, EC Katowice, Krystian Stryczek, EC Katowice
DZIAŁ SPONSOROWANY PRZEZ

Tematem artykułu są doświadczenia zebrane z projektowania, uruchamiania i eksploatacji automatyki bloku BCF-100 w EC Katowice – bazujące na systemie sterowania firmy Honeywell.

Dlaczego został wybrany system sterowania DCS? Obecność sterowania cyfrowego w automatyzacji elektrociepłowni nie jest kwestionowana, natomiast w realizacji można zaobserwować dwa krańcowo różne sposoby podejścia polegające na tym, że:

  • lokalne układy sterowania (PLC) dla zadań i węzłów technologicznych scalane później układem wspólnych konsoli operatorskich SCADA/HMI,
  • system sterowania prowadzi większość zadań sterowania i regulacji w jednolitej platformie sprzętowo-programowej. W EC Katowice na etapie ustaleń kontraktowych nowego bloku przy wyborze systemu wzięto pod uwagę wiele czynników, w tym m.in.:
  • występowanie magistrali zapewniającej szybką i łatwą w konfiguracji wymianę informacji między elementami składowymi systemu,
  • wielodostęp operatorski oraz inżynierski (możliwość równoległego wykonywania prac operatorskich oraz inżynierskich z wielu konsoli systemu),
  • możliwość konserwacji, rozbudowy systemu i oprogramowania bez przerwy w pracy sterowanego obiektu (modyfikacja online),
  • łatwość stworzenia architektury redundantnej systemu sterowania redukującej możliwość zakłóceń produkcyjnych spowodowanych awariami sprzętowymi,
  • łatwość wykorzystania magistral dla powiązań funkcjonalnych między elementami systemu
  • możliwość synchronizacji czasu elementów systemu i stworzenia wspólnej bazy alarmów, zdarzeń i historyzacji zmiennych procesowych.

Wszystkie te cechy są ważne na wszystkich etapach życia projektu automatyki.
Redundancja i niezawodność
Dla uzyskania niezawodności rozbudowanego systemu sterowania podstawą jest pewność zasilania elektrycznego systemu i automatyki obiektowej oraz zasilania pneumatycznego (obiekt). Uzyskuje się to przez redundancję źródeł zasilania, zasilaczy i wprowadzenie podtrzymania bateryjnego. Dla pewności zasilania stacji procesorowych i stacji operatorskich wprowadzono dwa pracujące niezależnie UPS-y. Gwarantują one 30-minutową pracę systemu po awaryjnym zaniku zewnętrznego napięcia zasilającego.
Urządzenia pomiarowe i automatykę zasila się redundantnie napięciem 24 V DC, podtrzymywanym za pomocą baterii.
Dużym ułatwieniem eksploatacyjnym jest standardowe zabezpieczenie indywidualne torów pomiarowych i wykonawczych systemu przed przeciążeniem. Indywidualna izolacja galwaniczna sygnałów uniezależniła pracę systemu od zagrożeń, jakie mogą nieść obwody zewnętrzne.
Niezawodność pomiarową bloku uzyskano się wprowadzając podwójne lub potrójne pomiary podłączone do różnych kart systemu, standardy selektora 1 z 2 lub 1 z 3 wybierające najlepsze pomiary do monitorowania i regulacji oraz logikę 2 z 3 dla zabezpieczeń.
Redundancję systemową zapewniono dla procesorów sterowania, konsoli, magistral systemowych oraz tych magistral, które monitorują pracę regulatora turbiny.
Zabezpieczenia technologiczne
Ważne zabezpieczenia bloku ciepłowniczego, takie jak: zapewnienie niskiego poziomu wody w walczaku, obecność płomienia czy dopuszczalną temperaturę w złożu fluidalnym, powinny być realizowane z dużą niezawodnością – określoną normami bezpieczeństwa funkcjonalnego PN-61511, PN-61508. Żeby te zabezpieczenia okazały się skuteczne, należy postawić wymagania dla toru pomiarowego i wykonawczego oraz sterownikowi logicznemu. Dla tych zadań w systemie Honeywella stosowany jest dedykowany sterownik bezpieczeństwa FSC.
 
Zabezpieczenia indywidualne pomp i wentylatorów realizowane są w standardowych procesorach systemu.
Tu ważna jest elastyczność systemu, która pozwala opracować standard logiczny sterowania, zgodny z wymaganiami branży elektrycznej, zawierający logikę Pierwszej Przyczyny /PP/ zadziałania zabezpieczenia oraz standardy graficzne diagnostyki zabezpieczeń. Działanie zabezpieczeń powoduje zakłócenia lub przerwy produkcyjne. Korzystając z diagnostyki operator szybciej podejmuje decyzje o akcji naprawczej, co minimalizuje straty. W przypadku rezerw technologicznych system umożliwia automatyczne załączenie rezerwy. 
Regulacja
Szybkie nadążanie za żądanymi zadaniami produkcji energii elektrycznej i cieplnej, stabilizacja procesu podczas rozruchu i odstawiania bloku, zrzuty obciążenia przy zakłóceniach produkcyjnych, kontrola spalania fluidalnego dla zmiennego paliwa (węgiel kamienny, muły węglowe, olej opałowy) to zadania, których sprawna realizacja wymaga dobrych standardów dla budowy złożonych układów regulacji. Opcje standardowego regulatora PID pozwalają zrealizować w tym samym bloku:

  • regulację nadążną,
  • kompensację zakłócenia w torze sterowania i wartości zadanej,
  • opcje regulatora ze strefą nieczułości dla odchyłki lub wyjścia.

Standardowe bloki funkcyjne systemu rozwiązują automatycznie następujące problemy układów złożonych: skalowanie zmiennych, śledzenie trybów regulacji i ograniczeń – we wszystkich regulatorach struktury pracy, przy zakłóceniach pomiarowych i technologicznych; ułatwiając w ten sposób: projektowanie, uruchamianie i eksploatację złożonych struktur regulacji. Uniwersalność tych bloków ułatwiła implementację założeń funkcjonalnych, pochodzących od różnych dostawców technologii (kocioł, turbina, urządzenia pomocnicze).

Historyzacja, optymalizacja i powiązanie z warstwą biznesową
Obecnie w coraz większym stopniu sterowanie powiązane jest z warstwą informatyczną elektrowni. Wynika to głównie z konieczności zapewnienia ekonomicznej eksploatacji urządzeń, sprawnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, a także z potrzeby rozszerzenia zakresu zarządzania produkcją – a wszystko to w celu zwiększenia konkurencyjności zakładu. Poniżej krótko o elementach tej warstwy.
Baza danych PHD jest podstawowym ogniwem systemu informatycznego. Ogniwo to łączy warstwę procesową z warstwą biznesową systemu. Relacyjna baza danych została zastosowana do historyzacji wielkości mierzonych oraz do ich udostępniania w wymaganym przez użytkowników formacie. Dodatkowe narzędzia umożliwiają wykorzystanie danych do tworzenia trendów (czasowych przebiegów wielkości mierzonych), obliczeń statystycznych, a także obliczenia funkcji gęstości widmowej. Użyteczne w praktyce narzędzia do określania korelacji w przystępny sposób umożliwiają badanie złożonych wielowymiarowych relacji pomiędzy wielkościami cieplnymi. Użyteczna jest też funkcja tworzenia regresji, co umożliwia skuteczną identyfikację własnościstatycznych procesu.
Moduł sprawności kotła jest aplikacją, która monitoruje sprawność przetwarzania energii chemicznej paliwa na ciepło w produkowanej parze.
Moduł sprawności turbiny monitoruje proces przetwarzania energii dostarczonej w parze na energię elektryczną i ciepło eksportowane do aglomeracji miejskiej. Zastosowany program do wyznaczania krzywej rozprężania pary stanowi podstawę obliczeń bilansowych dla obiektu z upustami ciepłowniczymi zasilanymi parą mokrą.

Schemat konfiguracji systemu nadrzędnego dla bloku BCF-100 w EC Katowice
Moduł sprawności bloku umożliwia wyznaczenie wszystkich istotnych wielkości charakteryzujących pracę bloku w układzie skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła.
Moduł kontroli uruchamiania kotła oblicza naprężenia termiczne w najważniejszych elementach grubościennych kotła, określa na bieżąco wartości dopuszczalne tych naprężeń i wyznacza marginesy naprężeń.
Moduł strat rozruchowych monitoruje na bieżąco wielkość strat ciepła i zużywanej energii elektrycznej podczas uruchamiania bloku. Umożliwia wyznaczenie statystycznych kosztów uruchomień bloku ze stanu zimnego, ciepłego i gorącego.
Moduł laboratoryjny zainstalowany w laboratorium chemicznym przekazuje wyniki badań do bazy danych PHD, skąd dane te są pobierane przez użytkowników jak i przez inne aplikacje,
Moduł raportów i logów generuje okresowe raporty, zawierające dane o stanie urządzeń i produkcji energii, które są wykorzystywane w codziennej praktyce eksploatacyjnej elektrociepłowni.
Moduł rozpowszechniania wyników przesyła wyniki obliczeń do wybranych komputerów w Intranecie.
Podsumowanie
Kolejne lata eksploatacji systemu przekonują nas, że mamy do czynienia z systemem niezawodnym.
Zakłócenia były szybko diagnozowane i usuwane w czasie pracy bloku energetycznego. Nie wystąpił przypadek odstawienia instalacji z powodu awarii systemu.
Z sympatią obserwujemy pomyślne aplikacje systemu w kolejnych elektrociepłowniach krajowych. www.honeywell.com.pl