novi digitalni regulator i sistem zaštita za parne turbine

NOVI DIGITALNI REGULATOR I
SISTEM ZAŠTITA ZA PARNE TURBINE
Mihailo Nikolić, Željko Gagić, Savo Bezmarević
Termoeletrana “Nikola Tesla- A” Obrenovac
Milenko Nikolić, Bojan Papić, Nebojša Radmilović
Institut “Mihajlo Pupin -Automatika” Beograd

1. UVOD
U TE „Nikola Tesla-A“ u Obrenovcu u proteklih 7 godina stari sistemi za regulaciju i upravljanje na svih 6 blokova
zamenjeni su novim savremenim računarskim distribuiranim sistemima (Distributed control system - DCS), od kojih su 4
Instituta "Mihajlo Pupin".
Izuzetno složeni zahtevi, koji podrazumevaju visok nivo multidisciplinarnih znanja u oblasti turbina, kao i strogi zahtevi za
pouzdanost takvih sistema, nisu pružali sigurnost da se u sistemima, gde je u sklopu modernizacija vršena i zamena turbinskog
regulatora, pokuša sa domaćim tehnološkim rešenjima. Nove regulatore su isporučivali renomirani svetski proizvođači, a stari
koji nisu menjani uz određenu adaptaciju integrisani su u novi sistem upravljanja na bloku. Iskustva i znanja stečena na tim
projektima, u dugom periodu eksploatacije elektrane, kao i saradnja Elektroprivrede i Instituta „Mihajlo Pupin”, stvorili su uslove
za razvoj sistema za upravljanje, regulaciju i zaštitu parnih turbina - turbinskog regulatora.
Razvoj novog sistema, turbinskog regulatora i sistema turbinskih zaštita, odvijao se prema utvrđenom programu koji je
imao više faza, celina ili oblasti:
‣ Razvoj mikroprocesorkskog kontrolera na bazi
dokazanog ATLAS- MAX sistema Instituta „Mihajlo
Pupin”, uz unapređenje sistemskog softvera i
hardverskih ulazno/izlaznih modula i komponenti za
procesuiranje analognih i digitalnih signala, u skladu sa
zahtevima obimnog i složenog algoritma, a naročito,
prema zahtevu za brzinom izvršenja kritičnih regulacionih
i zaštitnih funkcija.
‣ Razvoj modula za merenje brzine turbine, kao jedne od
najvažnijih komponenti u sistemu turbinske regulacije,
kao i ostalih komponenti karakterističnih za funkcije
turbinskog regulatora.
‣ Razvoj algoritma za upravljanje, regulaciju i zaštitu
turbine.
‣ Projekat uklapanja modernizovanog sistema turbinske
regulacije i turbinskih zaštita u postojeće sisteme za
upravljanje, regulaciju, monitoring i zaštitu.
‣ Projektovanje novih upravljačkih sekvenci startovanja i
zaustavljanja turbine, adaptacija ili projektovanje novih
algoritama upravljanja tehnoloških podstistema turbine
po principu funkcionalnih grupa.
‣ Ispitivanje, puštanje u rad i podešavanje kompletiranog
sistema turbinskog regulatora i sistema turbinskih
zaštita, integrisanih u sistem upravljanja turbinom i
blokom u celini.

Novi sistem turbinske regulacije, kako je navedeno, implementiran je na bloku A2, na turbini K-200-130-1 1 proizvođača
LMZ- Lenjingrad. Zastarjelost i dotrajalost starog hidrauličko-mehaničkog sistema turbinske regulacije, kao i problemi u
održavanju su osnovni razlozi za rekonsturkciju i modernizaciju istog.
Osim olakšavanja procesa održavanja, modernizacijom sistema turbinske regulacije podiže se pouzdanost, raspoloživost i
sigurnost turboagregata u celini, pošto napredniji sistem omogućuje:
‣ precizan, siguran i pojednostavljen proces startovanja, opterećivanja i isključenja turbine,
‣ precizniju kontrolu položaja, bolje dinamičke karakteristike regulacionih ventila i time bolje performanse sistema
u celini,
‣ uvođenje novih naprednijih funkcija u sistemu vođenja turbine i monitoringa,
‣ korišćenje trokanalne elektronske nadbrzinske zaštite,
‣ uz bolji sistem vođenja i monitoringa i trokanalni sistem turbinske zaštite- veću sigurnost turbine u radu.

2. PARNA TURBINA K-200-130-1
Na bloku A2 termoelektrane „Nikola Tesla A“ u Obrenovcu ugrađena je kondenzaciona parna turbina K-200-130-1
proizvođača LMZ- Lenjingrad koja ima sledeće karakteristike:
‣ Nominalna snaga: 210 MW
‣ Brzina: 3000 min - 1
‣ Pritisak sveže pare: 127,5 bar
‣ Temperatura sveže pare: 535OC
‣ Pritisak međupregrejane pare: 23,7 bar
‣ Temperatura međupregrejane pare: 535 O C
‣ Maksimalni protok sveže pare: 645 t/h
Parna turbina K-200-130-1 je jednoosovinski agregat sa međupregrevanjem pare i ima 3 cilindra: cilindar visokog pritiska
(CVP), cilindar srednjeg pritiska (CSP) i cilindar niskog pritiska (CNP) sa 2 izlaza pare.
Za potrebe toplifikacije, ispred obe strane protočnih delova CNP ugrađene su dijafragme za regulaciju pritisaka na
oduzimanju za toplifikaciju.
Sistem raspodele pare je sapničkog tipa i uključuje 2 stop i 2 zaštitna ventila i po 4 regulaciona ventila CVP i CSP.
Upravljanje stop i zaštitnim ventilima ostvaruje se individualnim servomotorima, regulacionim ventilima VP i SP upravlja se
jednim zajedničkim servopogonom i sistemom mehaničkih poluga, dok dijafragma ima svoj servopogon.
Parna turbina, originalno, opremljena je hidrauličko-mehaničkim sistemom regulacije i zaštite. Osnova sistema su
centrifugalni regulator brzine, regulator pritiska i nadbrzinska zaštita sa mehaničkim isključivačima. Regulator brzine vrši
regulaciju brzine turbine do izvođenja na nominalnu brzinu, a nakon sinhronizacije reguliše snagu po statizmu snaga-fekvencija
od 4,5%, pri čemu se snaga može ograničiti graničnikom snage. Regulator pritiska u toplifikacionom režimu prema zahtevanoj
toplotnoj snazi reguliše zadati pritisak na oduzimanju za toplifikaciju.

3. MODERNIZACIJA HIDRAULIČKOG DELA TURBINSKE REGULACIJE I
SISTEMA TURBINSKIH ZAŠTITA
Opseg rekonstrukcije starog hidrauličko-mehaničkog sistema turbinske regulacije i turbinske zaštite definisan je na bazi
finansijskih mogućnosti, kao i vremena potrebnog za realizaciju predloženih varijanti. Vremensko ograničenje je vezano za
trajanje planiranog remonta Bloka A2 2010. godine od 75 dana. U skladu sa navedenim, odabrana je optimalna varijanta
rekonstrukcije kojom je kroz detaljan projekat definisano: koja se hidraulička oprema uklanja, koje se nove komponente
ugrađuju, kao i koje se komponente zadržavaju u funkciji uz prilagođenje na modernizovani koncept turbinske regulacije. Ovaj
deo projekta poveren je renomiranoj svetskoj firmi „Alstom Power“-Elblag iz Poljske. Slika 1. prikazuje modenizovani hidraulički
sistem.
Oprema koja je demontirana, pošto je njene funkcije
preuzeo novi sistem:
‣ Hidrauličko- mehanički regulator brzine
‣ Hidrauličko- mehanički regulator pritiska za
toplifikacju
‣ Mehanička nadbrzinska zaštita
‣ Upravljačke elektro-mehaničke komponente
Nova oprema:
‣ Sistem merenja brzine turbine sa 3 senzora za
sigurnosni sistem i regulaciju i 2 rezervna senzora
‣ Elektronska nadbrzinska zaštita
‣ PID regulatori položaja glavnog servopogona
regulacionih ventila VP/SP i servopogona NP za
toplifikaciju
‣ Trokanalni sigurnosni zaštitni blok koji deluje na
principu i 2od3
‣ Uljni filter i uljni razvod
‣ Nova analogna merenja i novi digitalni signali
Oprema koja je zadržana u funkciji uz modernizaciju i
prilagođenje na novi koncept:
‣ Servopogon regulacionih ventila VP/SP, kao i
servopogon NP za toplifikaciju, opremljeni su
komponentama za zatvaranje kruga regulacije
položaja:
• proporcionalni elektrohidraulički ventil
• davač za merenje položaja
‣ Rekonstruisan je prednji ležajni blok, gde je bio
smešten stari upravljački, zaštitni i regulacioni
sistem.

Slika 3.1.- Hidraulički sistem nakon rekonstrukcije (merenja: MW– merenje električne snage, n– merenje brzine turbine, S 1 –
merenje položaja glavnog servopogona, S 2 – merenje položaja servopogona dijafragme, P R – merenje pritiska sigurnosnog
ulja, P M – merenje pritiska sveže pare ispred turbine, P 1 – merenje pritiska pare u regulacionom stupnju CVP , P C – merenje
pritiska pare u kondenzatoru, P C – merenje pritiska pare oduzimanja za toplifikaciju

4. STRUKTURA NOVOG SISTEMA TURBINSKE REGULACIJE I TURBINSKIH ZAŠTITA
4.1. Opšta struktura novog sistema turbinske regulacije i sistema turbinske zaštite
ISKLJUČNI KRUG
NAPONI
NAPAJANJA
+
+
+ + + + +
DCS
NADBRZINSKA
ZAŠTITA
ELEKTRIČNE
ZAŠTITE
2/3
MEHANIČKA
MERENJA
PRITISAK
ULJA
>1
1/1
TURBINSKI
REGULATOR
TURBINSKE
ZAŠTITE
2/2
POGON
POGON
TEST
DO 1
DO 2
DO 3
DO 1
DO 2
DO 3
>1
>1
>1
2/3
REGULATORI
POLOŽAJA
SERVOPOGONA
LOKALNO
TASTERI
ZA NUŽNO
ISKLJUČENJE
>1
PULT 1/1
ISKLJUCENJE
KOTLA
+
I
U
U
h
E
H
I
h
REGULACIONI
VENTIL
NAPAJANJE
REGULACIONIM
FLUIDOM
TRIP BLOCK
2/3
SVEŽA
PARA
STOP
VENTIL
PREMA
MEĐUPREGREJAČU
DAVAČI Č
BRZINE
Slika 4.1.- Struktura novog sistema regulacije turbine i sistema turbinskih zaštita

4.2. Digitalni turbinski regulator i turbinske zaštite
Nakon višegodišnjeg iskustva u razvoju i uspešnoj primeni ATLAS-
MAX sistema u upravljanju i monitoringu rada termoenergetskih
postrojenja, za potrebe realizacije turbinskog regulatora sa svim
specifičnih zahtevima, javila se potreba za intezivnijom upotrebom nove
generacije ovog sistema – ATLAS RTL. Na ovoj platformi su izvršena
poboljšanja u bržoj akviziciji ulaznih analogno/digitalnih signala, sa
unapređenim monitoringom ispravnosti IO modula. ATLAS RTL je
baziran na Real Time Linux (RTL) platformi, koja pruža punu podršku
pri radu velikog broja slave uređaja, a telnet i ftp servisi mu daju
izuzetnu portabilnost i konektivnost prema drugim platformama. RTL
ima sledeću hardversku platformu:
‣ Procesor Pentijum III na 1GHz,
‣ FLASH memorija 1 Gb ( koristi se umesto harddiska )
‣ SDRAM memorija 512 MB
‣ 2 mrežne karte
‣ 4 standardna RS232 serijska izlaza,
‣ Video izlaz(VGA)
Zahvaljujući ovakvoj konfiguraciji i prednostima RTL operativnog
sistema it obezbeđeno b đ je drastično smanjenje j trajanja j lederskog ciklusa i
povećana konfigurabilnost kontrolera u odnosu na ATLAS-MAX.
Sistem turbinskog regulatora sastoji se od 10 ATLAS-RTL
kontrolera od kojih su 4 namenjena za upravljačko/regulacione funkcije,
4 za turbinske zaštite i 2 za komunikacioni interfejs ka postojećem DCS
sistemu.

Regulacioni kontroleri su raspoređeni u dve dualne master/slave konfiguracije tako koncipirane da se kompletan upravljački
algoritam izvršava na jednoj dualnoj platformi, dok se druga dualna master/slave konfiguracija nalazi u praćenju stanja,
monitoringu ispravnosti vodećeg kontrolera i preuzimanja upravljačkih funkcija u slučaju detektovanog otkaza.
Turbinske zaštite su realizovane tako se algoritam izvršava uporedno na obe dualne master/slave konfiguracije i dovoljno je
aktiviranje zaštite na barem jednoj konfiuraciji da dovede do prorade istih.
Interval trajanja lederskog ciklusa na regulacionom kontroleru je 30ms, dok se detekcija prorade pojedinih zaštita vrši na svakih
10ms.
Svi moduli analogno/digitalni ulazno/izlaznih signala su redudantni sa monitoringom ispravnosti, tako u slučaju otkaza
jednog od modula dolazi do automatskog prelaska na ispravan modul.
Kontroleri namenjeni za komunikacioni interfejs podržavaju sledeće protokole: IEC 870-5-101 Master i Slave, IEC 870-5-103
Master, MODBUS Master i Slave, NEO MASTER, SPA MASTER, 61-850 Server-Client.
Novi turbinski regulator je opremljen posebnim modulima za merenje brzine turbine (BPC02) koje je Institut „Mihajlo Pupin”
namenski razvio za potrebe novog sistema. Tačnost, brzina i rezolucija novog sistema merenja obezbeđuju pouzdan i siguran rad
vitalnih funkcija turbinske regulacije, i to:
‣ vođenje brzine turbine do praznog hoda i u fazi sinhronizacije
‣ detekciju ubrzanja (limiteri, zaštite)
‣ primarnu regulaciju (formiranje signala kΔf)
‣ granične vrednosti brzina za logiku funkcionalnih grupa i pobudni sistem generatora
‣ rezervna nadbrzinska zastita
Modul BPC02 se sastoji od dva merna kanala, galvanski odvojena od procesa. Svaki kanal dobija ulazni signal preko sonde
induktivnog blizinskog i prekidača. č Mikroprocesor na ploči meri vreme između đ svaka dva susedna impulsa ulaznog signala i na
osnovu izmerenih vrednosti računa broj obrtanja vratila sa preciznošću od 0.01%.
Brzina akvizicije modula je 1ms, što omogućuje da se na PLC izvršava algoritam turbinske regulacije. Signal sa induktivnog
blizinskog prekidača se baferiše na modulu, pa ga je moguće dovesti do još jednog modula BPC02. Omogućeno je izdavanje
lokalnih komandi, uz mogućnost podešavanja pragova, čime se postiže funkcija zaštite. Bitna karakteristika je što modul može
raditi i kao stand-alone uređaj i rezultat merenja prikazivati na LCD displeju.

4.3. Regulatori položaja servopogona
Regulatori položaja servopogona, kao zasebni elektronički moduli sa PID regulatorom i pojačavačem snage, preko
proporcionalnog ventila i davača položaja, zatvaraju regulacioni krug položaja servopogona. Podešavanje regulacionog kruga,
statički i dinamički, vrši se fabrički na ispitnom stolu, a u toku ispitivanja, podešavanja i puštanja u rad kompletiranog i povezanog
sistema sve se proverava u realnim uslovima. Posebno se proverava vreme zatvaranja regulacionih ventila.
Regulacioni i krug položaja servopogona opremljen je i sistemom nadzora. Trajno se kontrološe:
Prisustvo napona napajanja elektronike.
‣ Smetnja u krugu merenja položaja servopogona.
‣ Smetnja u krugu regulacije koja dovodi do prevelike greške regulacionog odstupanja.
‣ Proporcionalni ventil, u konkretnoj realizaciji, ima dva elektromagneta. Jedan elektromagnet deluje u smeru otvaranja
servopogona i isti je u normalnom pogonu trajno pobuđen. Elektromagnet koji deluje u smeru zatvaranja servopogona
otvara sliv ulja i tako vrši pritvaranje ili potpuno zatvaranje ventila. Posebno je važno da se obezbedi sigurno
zatvaranje kod prorade limitera ubrzanja ili prorade turbinske zaštite. Stoga se trajno nadzire hardverska ispravnost
stujnog kruga elektomagneta koji deluje na zatvaranje servopogona, posebnim modulom razvijenim za tu svrhu.
U k k t j li iji d i j d l i til i j d dij f
U konkretnoj realizaciji gde imamo samo jedan servopogon za sve regulacione ventile i jedan servopogon za dijafragmu,
svaka smetnja u regulaciji položaja servopogona je ujedno i turbinska zaštita.

4.4. Trokanalni 2od3 sistem turbinskih zaštita
Slika 4.2.- MMI prikaz sistema turbinskih zaštita

5. SIMULATOR PARNE TURBNE SA POMOĆNIM SISTEMIMA
Osnovna funkcija simulatora parne turbine je da zatvaranjem upavaljačko- regulacionih petlji prema pogonu i DCS sistemu
omogući proveru ulazno/izlaznog interfejsa i gotovo svih funkcija i performansi novog regulatora, stoga je isti korišćen:
‣ u toku izrade i optimizacije algoritma
‣ za fabričko primopredajno ispitivanje
‣ na objektu, u toku ispitivanja i puštanja u pogon kompletiranog i povezanog sistema
‣ za obuku pogonskog osoblja pre prvog kretanja turbine sa novim sistemom regulacije
‣ za inicijalno parametriranje regulatora
‣ za estimaciju pobega i ponašanje sistema kod isključenja turbine sa punog opterećenja
Osnova simulatora je dinamički model sistema bloka A2 koji u svojoj strukturi sadrži:
‣ model kotla, parne turbine i generatora
‣ model regulacionih ventila sa karakteristikom linearizacije protoka pare kroz turbinu
‣ model međupregrajača i reducir stanice (RSH1)
‣ model zagrejača visokog pritiska
‣ model sopstvene potrošnje bloka
‣ simulator sinhronizatora i statusa učinskih prekidača
Za rad modela u realnom vremenu upotrebljena je PXI-1044 platforma National Instruments. sa periodom izvršavanja koda
od d1ms. Korisnički ički interfejs, odnosno operatorski panel je odvojen od real-time kontrolera simulatora i nalazi se na posebnom PC
računaru sa Windows operativnim sistemom i LabWIEW aplikativnim softverom. Operatorski panel simulatora omogućuje
pokretanje ili zaustavljanje real-time simulacije, zadavanje ulaznih digitalnih ili analognih veličina, uključenje pojednih delova
sistema (ZVP, RSH, prekidača,...) i praćenje izlaznih signala modela.
Kako se ispostavilo dobro koncipiran i na bazi realnih pogonskih merenja parametriran simulator bio je važan element
Kako se ispostavilo, dobro koncipiran i na bazi realnih pogonskih merenja parametriran simulator, bio je važan element
uspešne realizacije projekta.

6. ALGORITAM TURBINSKOG REGULATORA
Razvijeni algoritam turbinskog regulatora, zajedno sa hardverskim okruženjem, ima sve funkcije koje obezbeđuju sigurno
vođenje turbine i bloka u celini u svim režimima rada, u normalnom pogonu kao i kod poremećaja u sistemu proizvodnje sveže
pare, elektroenergetskom sistemu ili samoj merno-regulacionoj-upravljačkoj opremi. MMI prikaz turbinskog regulatora dat na slici
6.1. prikazuje ujedno i strukturu algoritma, tako imamo:
‣ Regulator brzine
‣ Regulator snage
‣ Formiranje komponente učešća bloka u primarnoj regulaciji (k∆f)
‣ Regulator pritiska
‣ Regulator pritiska u oduzimanju za toplifikaciju
‣ Regulatore položaja servopogona sa pomoćnim funkcijama nadzora ispravnosti, kao i za podešavanje i proveru
statičkih i dinamičkih karakteristika regulacionih ventila
‣ Limiter pada pritiska
‣ Limiter pritiska u regulacionom stupnju
‣ Limiter po vakumu
‣ Limiter ubrzanja
‣ Procesuiranje i nadzor ispravnosti merenja
‣ Stanicu za vođenje turbine koja vrši koordinaciju regulatora i omogućuje ručni režim rada, odnosno ručno zadavanje
položaja regulacionih ventila
‣ Interfejes i koordinaciju sa DCS i ostalim sistemima: funkcionalne grupe turbine, regulacija kotla, pobuda,
sinhronizator, turbinske zaštite
‣ Sinhronizaciju između kontrolera u master/slave konfiguraciji
‣ Sigurnosni sistem koji vrši nadzor nad celim sistemom, formira zaštite iz turbinskog regulatora i definiše status
spremnosti turbinskog regulatora za rad
‣ Rezervnu nadbrinsku zaštitu koja je podešena nešto iznad glavne nadbrzinske zaštite

Slika 6.1.- MMI prikaz turbinskog regulatora

7. PERFORMANSE NOVOG SISTEMA REGULACIJE TURBINE
Slika 7.1.- Izvođenje turbine na nominalnu brzinu, sinhronizacija, opterećivanje (Opis signala: Nzad– zadana
brzina turbine, Nmer– merena brzine turbine, MWzad– zadana snaga, MW– merena snaga, POLgsp– položaj
glavnog g servopogona, PRITsp– pritisak sveže pare ispred turbine, PRITmp– pritisak međupregrejane pare)

Slik 7 3 D l j t bi k štit h t j t bi “ i đ j i l b i i h i ij
Slika 7.3.- Delovanje turbinske zaštite, „hvatanje turbine“, izvođenje na nominalnu brzinu, sinhronizacija,
preuzimanje opterećenja (Opis signala: Nzad– zadana brzina turbine, Nmer– merena brzine turbine, MWzad–
zadana snaga, MW– merena snaga, POLgsp– položaj glavno servopogona, PRITsp– pritisak sveže pare ispred
turbine, PRITmp– pritisak međupregrejane pare)

Slik 7 2 I đ j t bi i l b i ć d t lj d i l k i k itič ih b t j d d đ j
Slika 7.2.- Izvođenje turbine na nominalnu brzinu- uvećan detalj od izlaska iz kritičnih obrtaja do dovođenja na
nominalnu brzinu i promenu brzine tokom sinhronizacije (Opis signala: Nzad– zadana brzina turbine, Nmer–
merena brzine turbine, POLgsp– položaj glavnog servopogona, PRITsp– pritisak sveže pare ispred turbine)

Slik 7 4 R d l t k di i ži l ij k tl (O i i l MW d d
Slika 7.4.- Rad regulatora snage u koordinisanom režimu sa regulacijom kotla (Opis signala: MWzad– zadana
snaga, MW– merena snaga, POLgsp– položaj glavno servopogona, PRITsp– pritisak sveže pare ispred turbine)

Slik 7 5 Od i i t k d d l j li it d iti k (O i i l MW d d MW
Slika 7.5.- Odziv sistema kod delovanja limitera pada pritiska (Opis signala: MWzad– zadana snaga, MW–
merena snaga, POLgsp– položaj glavno servopogona, PRITsp– pritisak sveže pare ispred turbine)

8. ZAKLJUČAK
Realizovano rešenje novog integrisanog sistema turbinske regulacije i sistema turbinskih zaštita ima sve funkcije,
karakteristike i performanse koje se od jednog modernog sistema za upravljanje, regulaciju i zaštitu parne turbine očekuju. Uz
adekvatna prilagođenja može se primenti na kondenzacione parne turbine svih snaga i ima mogućnost integracije u bilo koji
nadređeni sistema upravljanja. Sistem je u proteklom periodu, od puštanja u pogon 01.07.2010. godine dokazao projektovanu
funkcionalnost, kako prikazuju priloženi dijagrami.
U narednom periodu sistem će se još unaprediti uvođenjem uticaja termičkog naprezanja turbine. U originalnom dizajnu
parne turbine K-200-130-1 nije bio predviđen poseban sistem termičkog monitoringa, postoje samo tehničke preporuke za
vođenje turbine. Ideja je da se sistem unapredi kalkulatorom mehaničkih naprezanja rotora turbine koja nastaju usled brzih
promena opterećenja turboagregata g i uvođenje tog uticaja na funkcije turbinskog regulatora u smislu održavanja termičkih
naprezanja u prihvatljivim marginama.