CC BY
81
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ И МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ЗАРУБЕЖНЫХ ПРОГРАММНОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
© Копылов С. А.1
Казанский государственный энергетический университет,
г. Казань
В статье рассмотрен вопрос внедрения зарубежных программнотехнических комплексов на российских теплоэлектростанциях с целью создания систем автоматического регулирования частоты и мощности. Выявлена одна из проблем, проанализированы причины ее возникновения и предлагаемые способы решения.
До не давнего времени большинство систем управления энергоблоками не модернизировалось десятки лет и безнадежно устарели не только морально, но и физически. В настоящий момент на отечественных электростанциях идет процесс внедрения современных АСУ ТП и в частности создание систем автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ). Внедрение современных технологий и подходов к регулированию в настоящее время ограничивается применением программнотехнических комплексов (ПТК), которые составляют верхний и средний уровень систем управления и подлежат модернизации, а нижний - уровень исполнительных механизмов, как правило, остается прежним или же в лучшем случае механизмы заменяются на физически новые, но морально устаревшие. Такая ситуация сложилась из-за очень высокой стоимости современных интеллектуальных регулирующих клапанов с аналоговыми или цифровыми входными сигналами. Внедрение таких регулирующих клапанов практически удваивает стоимость всей АСУ ТП, хотя модернизация верхнего и среднего уровня управления дает значительно больший эффект. В большинстве случаев модернизация только верхнего и среднего уровня систем управления энергоблоками позволяет соответствовать им современным требованиям. Однако такая ситуация не характерная для систем АРЧМ, которые создаются с целью участия энергоблоков в нормированном первичном и автоматическом вторичном регулировании частоты в энергосистеме. Это связано с тем, что к подобным системам стандартом СО-ЦДУ ЕЭС 001-2005 предъявляются очень жесткие требования по надежности и динамическим характеристикам. Для разработки и внедрения систем АРЧМ электростанциями выбираются, как правило, крупные зару-
1 Инженер ООО «КЭР-Автоматика»
бежные компании и их программно-технические решения. Такая ситуация сложилась ввиду того, что этап либерализации рынка электроэнергии большинство развитых стран (Европа, США, Канада) прошли 10-15 лет назад и к настоящему моменту компании - мировые лидеры в области автоматизации накопили достаточно большой как теоретический так и практический опыт по реализации систем АРЧМ на энергоблоках. Перед отечественными же специалистами такой задачи ранее не ставилось. На сегодняшний день наиболее распространены в России системы: Teleperm, Simatic PCS7 от Siemens, Ovation от Emerson. Однако, при применении зарубежных ПТК, разработка которых изначально подразумевала их совместное использование с интеллектуальными исполнительными механизмами, не редко возникает ряд проблем связанных с особенностями управления механизмами, применяемыми на отечественных электростанциях. Одной из таких проблем является проблема согласования выходного значения регулятора, с входным значением, требующегося для отечественных механизмов (рис. 1). Регулятор современных ПТК ориентирован на вычисление абсолютного положения, которое должен занять клапан, а расчет куда и на сколько он при этом должен переместиться т.е. его относительное положение, производит непосредственно исполнительный механизм за счет сигнала обратной связи о текущем положении клапана. Использующиеся на практике отечественные механизмы не имеют микропроцессорных средств вычисления и предназначены для работы уже с
расчитаным относительным положением клапана. -------------------------, ,--------------------------------------
I Программная реализация |
Задание--->[ пип ! unnno /V/ новое .
[?0 Л™"~,„т«пиил?
Исполнительный механизм
| Параметр-
I___________
ПИД
Регулятор
абсолютного положения /
относительное
положение
Усилитель
Эл ектродви гатеп ь
Регулирующий
Клапан
Рис. 1. Несоответствие выходного сигнала регулятора входному сигналу исполнительного механизма
Для понимания причин сложившейся ситуации рассмотрим ниже современную схему управления регулирующими клапанами и схему управления принятую на отечественных электростанциях.
| Аппаратная или программная реализация |
I Задание _ J Параметр-
ПИД
Регулятор
Исполнительный механизм
Электродвигател ь
Указатель
Положения
Рис. 2. Типичная отечественная схема управления
I
Регулирующий
Клапан
Типичная схема регулирования технологических параметров (рис. 2), разработанная несколько десятилетий назад и до сих пор применяющаяся
на отечественных электростанциях выглядит следующим образом: задание и текущее значение регулируемого параметра подаются на вход ПИД-регулятора, который высчитывает их разность и преобразует рассогласование по ПИД-закону в выходной сигнал. Этот сигнал представляет собой величину, на которую должен переместиться регулирующий орган исполнительного механизма для достижения регулируемым параметром необходимого значения. При этом выходная величина регулятора подается на вход широтно-импульсного модулятора, который формирует на своем выходе дискретные импульсы типа «больше/меньше», длина которых зависит от входного значения. Далее импульсы подаются на усилитель или пускатель, который коммутирует силовое напряжение, тем самым, включая двигатель. Время и направление вращения зависят от длины и полярности импульсов. В результате двигатель посредством повторно - кратковременного вращения перемещает регулирующий орган клапана на необходимую величину. Текущее положение клапана измеряется блоком датчика установленного на редукторе исполнительного механизма, преобразуется в унифицированный токовый сигнал и передается в систему управления. Такой сигнал принято называть сигналом «указатель положения» (УП). Он является чисто информационным и непосредственно в регулировании не участвует (за исключением случаев применения жесткой обратной связи).
Приводы и арматура являются важнейшими, базовыми элементами различных технологических систем практически во всех отраслях промышленности. Тем не менее, развитию этих устройств в России уделяется незаслуженно мало внимания [1]. Надо отметить, что большинство исполнительных механизмов эксплуатирующихся на электростанциях были изготовлены еще во времена СССР. В то время наша промышленность выпускала, как правило, исполнительные механизмы постоянной скорости вращения. Это объясняется тем, что такие исполнительные механизмы отличаются простотой исполнения. На данный момент на отечественных электростанциях используются следующие типы механизмов: механизмы электрические прямоходные (МЭП), механизмы электрические многооборотные (МЭМ), механизмы электрические однооборотные (МЭО). Все эти механизма содержат одинаковые основные конструктивные блоки, отличающиеся лишь размерами и взаиморасположением.
Современное развитие запорно-регулирующей арматуры и приводов идет по тому же пути, что и развитее первичных преобразователей - внедрению микропроцессорной техники и увеличению вычислительных способностей. При этом надежность приводов и арматуры в значительной степени определяют уровень промышленной безопасности технических систем. Неосведомленность о текущем состоянии оборудования - источник множества проблем. Известно, что на объектах с использования
большого количества регулирующей арматуры, таких как энергоблоки, выход из строя одного или нескольких устройств может остаться незамеченным, что служит источником значительных потерь в настоящем, и потенциальной причиной серьезной аварии - в будущем. Выход устройства из строя можно предотвратить, зафиксировав лишь первичные причины проявления неполадок в работе. Современное состояние микропроцессорной техники позволяет разрабатывать разнообразную диагностическую, контролирующую и управляющую аппаратуру, которая может быть применена для решения практически всех возникающих при эксплуатации оборудования задач и для предвидения возможных новых задач с целью исключения подавляющего большинства неисправностей этого оборудования и повышения его системных свойств. Таким образом, основная тенденция в области разработки новейших приводов и арматуры сегодня -обеспечить работу оборудования в течение длительных интервалов времени без ремонта или изъятия для обслуживания за счет внедрения микропроцессоров. Хотя базовые конструкции регулирующего клапана остались практически неизменными, технологические достижения привнесли интеллектуальные (smart) функции при его эксплуатации, увеличив производительность и точность регулирования. Современные регулирующие клапаны стали умнее. Разработаны новые конструкции для работы в жестких условиях, используются новые материалы корпуса и органов регулирования для уменьшения шума, но эти виды разработок не являются полностью новыми. Действительно новейшими, конструктивными элементами являются те дополнительные узлы, которые повышают уровень интеллекта регулирующего клапана. И наделяют новыми возможностями в части: «самообучения» и «самонастройки» непосредственно в рабочем процессе, диагностики двигателя и преобразователя, организации обмена данными с различными уровня систем управления, исходя из требований конкретного технологического процесса [2].
Внедрение микропроцессорной техники в исполнительные механизмы позволяет не только реализовать те возможности по контролю и управлению арматурой, которые ранее были недоступны, но и перенести часть вычислительных задач с уровня контроллеров на уровень исполнительных механизмов. Одной из таких задач является задача вычисления направления и величины перемещения регулирующего органа арматуры при регулировании какого-либо параметра технологического процесса. Если ранее все вычисления проводились регулятором, то в современных системах управления, регулятором рассчитывается лишь значение нового положения, которое должен занять регулирующий орган арматуры, а задача вычисления того, в каком направлении и на сколько передвинуть этот орган реализуется на уровне исполнительных механизмов - позиционером или схемой предусмотренной в электронных блоках управления приводом, за счет использования обратной связи по положению регулирующего органа.
Повышенные скоростные и точностные показатели управления при применении интеллектуальной арматуры во многом достигаются за счет введения дополнительной обратной связи. Таким образом, современная схема регулирования технологических параметров (рис. 3), на которую ориентированы крупные зарубежные компании, выглядит так. Задание и текущее значение регулируемого параметра подаются на вход ПИД-регулятора, который высчитывает их выходной сигнал с ПТК в виде аналогового или цифрового значения, определяющего необходимое абсолютное положение регулирующего органа, подается на позиционер либо напрямую в блок управления приводом. разность и преобразует ее по ПИД-закону.
I Программная реализация
Исполнительный механизм
і
Задание _
| Параметр------►
I_________________
ПИД
Регулятор
і
-++ -і—►
Позиционер
Серводвигатель
Регулирующий
Клапан
Положения
Рис. 3. Современная схема управления
Туда же подается сигнал значения текущего положения клапана (УП). Далее высчитывается рассогласование этих сигналов и в соответствие с ним подается выходной сигнал на серводвигатель, который с высокой скоростью и точностью передвигает регулирующий орган клапана в заданное положение. Точность может достигать 2,5 мкм. Как видно при такой схеме сигнал УП является не только информационным, но и напрямую участвует в регулировании, обеспечивая высокие динамические показатели регулирования.
Наиболее простым решением проблемы несоответствия вида выходного сигнала с регуляторов зарубежных ПТК входному сигналу, необходимому для отечественных механизмов является замена существующих исполнительных механизмов на интеллектуальные. Однако такой подход потребует практически удвоения затрат на внедрение систем АРЧМ, что в условиях ограниченных финансовых возможностей, которыми обладают электростанции, считается неприемлемым. Поэтому для отечественных электростанций больший интерес представляет программная доработка алгоритмов управления регулирующими клапанам и регулирования в целом, заложенных в зарубежных ПТК. Основное достоинство такого подхода состоит в небольших единовременных затратах, по сравнению с закупкой новых механизмов и обучением ремонтно-обслуживающего персонала. Производители ПТК для систем АРЧМ осознают наличия данной проблемы и предлагают свои решения. За исключением некоторых особенностей и нюансов реализации каждого конкретного ПТК сущность всех предложений сводится к следующей схеме (рис. 4). Выход с ПИД-
регулятора, характеризующий новое абсолютное положение клапана попадает на сумматор, на который также подается и УП. Сумматор вычисляет разность двух сигналов и далее эта разность подается на специальный блок ШИМ, который выдает дискретные импульсы типа «больше/меньше» пропорциональные подаваемой разности. Выход с ШИМ подается на усилитель и далее на исполнительный механизм, аналогично схеме принятой на отечественных электростанциях.
Программная реализация 1 | Г ■ 1 Исполнительный механизм
і Задание > пид —► ШИМ | | 1 Электродвигатель Регулирующий
1 Параметр ► Регулятор 1 1* Клапан
Ч I Указатель 1
Рис. 4. Предлагаемая схема управления
Фактически функция, выполняемая позиционером или электронным блоком управления по вычислению относительного положения клапана, теперь реализуется на стороне контроллера. Данная схема позволяет с наименьшими затратами адаптировать зарубежные ПТК к отечественным механизмам. Однако в этом случае устойчивость всего процесса управления, а значит надежность и безопасность энергоблоков, а равно и их участие в регулирования частоты в энергосистеме становятся зависимыми от надежности и достоверности сигнала УП. В принятой в настоящее время на отечественных электростанциях схеме регулирования сигнал УП не участвует в регулирование и соответственно к точности и надежности его измерения и передачи не предъявляется больших требований. Опыт практического использования предлагаемого решения показывает, что оно не всегда приносит необходимый результат. Основная причина тому высокая погрешность сигнала УП.
Причин такой ситуации несколько. Основной из них является возникновение различного рода люфтов и зазоров в исполнительных механизмах. Как было рассмотрено ранее во многих приводах используются зубчатые или червячно-зубчатые передачи, т. е. в самом устройстве механизмов уже заложены люфты, а стечением времени они только увеличиваются. У клапанов, управляемых выносными МЭО, очень быстро возникают недопустимо большие люфты в сложной системе тяг рычагов, связывающих привод с клапаном. Наличие в кинематической цепи регулятора большого количества подвижных сопряжений, имеющих малые опорные поверхности и воспринимающих значительные давления переменной величины, приводит к быстрому износу деталей, и следовательно, к увеличению зазоров в их сопряжениях. Односторонние и увеличенные зазоры во всех сопряжениях способствуют возникновению осевого люфта. Режим работы энергоблоков таков, что почти все регулирующие клапаны нахо-
дятся под постоянным действием больших сил сопротивления со стороны тех или иных физических сред (вода, воздух, топливо и т.д.) Большие усилия, необходимые для перемещения регулирующего органа, вызывают интенсивный износ резьбовой втулки, которая служит для преобразования вращательного движения выходного вала электропривода в поступательное перемещение регулирующего органа. Это приводит к образованию люфтов, негативно отражающихся на работе автоматических регуляторов, а во многих случаях к невозможности управления клапанами [3].
Кроме того, проблемой являются наводки от силовых кабелей и механизмов на каналы передачи данных, в результате которых сигнал УП также искажается. В настоящее время очень распространено оснащение дежурного обслуживающего персонала станций рациями. При всех преимуществах такого рода связи она имеет существенный недостаток. Нередки случаи наводок от электромагнитного излучения со стороны раций и сотовых телефонов непосредственно на БСПТ самих исполнительных механизмов. Примером возможных последствий таких действий может служить следующая ситуаций имевшая место на одной из ГРЭС (рис. 5, 6).
Рис. 5. Тренд значений УП, выхода регулятора
Рис. 6. Тренд значений задания регулятора, расхода воды
Дежурный обходчик совершал плановый обход котлоагрегата. Во время осмотра им регулятора питающего клапана (РПК) на рацию поступил сигнал вызова со щита управления. Активизация радиоканала связи, а следовательно, и электромагнитного излучения, привело к тому, что сигнал УП с РПК был сильно искажен, и система управления определила большое рассогласование между положением клапана, которое он должен занимать в соответствии с расчетами регулятора и текущем положением. Стараясь компенсировать создавшееся рассогласование, регулятор стал выдавать команды на прикрытие РПК. В результате действий регулятора РПК был полностью прикрыт, что явилось причиной срабатывания технологических защит на останов котлоагрегата. Таким образом, наводки от радиоканала на БСПТ находившегося в приводе РПК стали причиной аварийного останов котлоагрегата, а затем и турбины мощностью 200 МВт. В результате станция понесла большие потери, связанные невыполнением заявленных обязательств по поставке электроэнергии, а также с дополнительными расходами по растопке котла и пуску турбины. После разбора происшествия и выявления причин аварийного останова турбины руководством ГРЭС было запрещено персоналу находиться в зоне регулирующих клапанов с включенными рациями и сотовыми телефонами.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день далеко не все зарубежные подходы и технологии управления полностью адаптированы к реалиям российской электроэнергетики. Существует ряд задач по доработке, как аппаратной части, так и алгоритмов управления, и поиск решений подобных проблем является в настоящий момент весьма актуальным.
Список литературы:
1. http://www.asucontrol.ru/news/2006/june/news-06-18-2006-1.shtml.
2. Гарганев А.Г., Каркулов А.С. Интелектуальный электропривод как элемент распределенной АСУ // 1ТЕСН-интеллектуальные технологии. -2006. - № 4.
3. Какузин В.Б. Обзор рынка энергетической арматуры // Арматуро-строение. - 2008. - № 1.
