Voimalaitokset asettavat ominaiset haasteensa automaatiojärjestelmille johtuen

Transkriptio

1 69 7 Voimalaitosautomaation järjestelmät 7.1 Voimalaitosautomaation erityispiirteitä Voimalaitokset asettavat ominaiset haasteensa automaatiojärjestelmille johtuen voimantuotannon varmuusvaatimuksista, järjestelmältä vaadittavasta suorituskyvystä ja korkeasta automaatioasteesta sekä vaatimuksista hallita voimalaitosprosessin häiriö- ja vaaratilanteita. Käytössä ovat pääasiallisesti samat automaatiojärjestelmät kuin prosessiteollisuudessakin. Järjestelmien toteutuksessa korostuvat kuitenkin voimalaitosten erityisvaatimukset. Esimerkiksi suurten lauhdevoimalaitoksien automaatiossa vasteaikavaatimukset ovat tiukat. Teollisuusvoimalaitoksissa (esimerkiksi metsäteollisuuden vastapainelaitoksissa) on käytetty lähes poikkeuksetta samoja ratkaisuja kuin prosessiteollisuudessakin. Voimalaitosautomaation rakentamisessa on tavallista, että nojaudutaan jo hyväksi koettuun. Uusien järjestelmäratkaisujen kokeileminen ensimmäisenä ei ole kovin suosittua. Esimerkiksi kenttäväyläratkaisujen käyttöönotto on ollut voimalaitoksilla hidasta ja rajoittunut lähinnä uudempiin teollisuusvoimalaitoksiin, jossa taajuusmuuttajat ja/tai moottoriohjaukset on kytketty esimerkiksi Profibus DP-väylällä järjestelmään. Voimalaitoksen automaatioon vaikuttavat mm. seuraavat tekijät: nopea prosessi tehoa pystyttävä säätöjen avulla muuttamaan suhteellisen nopeasti ylös- ja alasajojen tulee olla riittävän nopeita monimutkainen kokonaisuus, jossa säädöt ovat suoraan tai prosessin kautta vuorovaikutuksessa kiinteät polttoaineet aiheuttavat hankaluuksia säädölle höyryturbiiniin syötettävän höyryn paineen ja lämpötilan säätötoleranssit ovat melko pienet o pyrkimys mahdollisimman korkeaan hyötysuhteeseen, jolloin toimitaan materiaalien kestokyvyn äärirajoilla o materiaalien rasittumisen välttäminen pitämällä paine ja lämpötila toleransseissaan järjestelmällä oltava hyvä vikasietoisuus prosessin hallinta vähäisellä miehityksellä tai jopa kaukokäytöllä o korkea automaatioaste erilaisten ajotapojen määrä on suuri, erityisesti sähkön ja lämmön yhteistuotannossa 7.1 Voimalaitosautomaation järjestelmät Voimalaitoksen automaatio toteutetaan harvoin yhdessä järjestelmässä. Tavallisimmin hankitaan yksi pääautomaatiojärjestelmä, jolla toteutetaan pääosa voimalaitoksen valvonnasta, ohjauksesta ja säädöstä. Lisäksi laitoksen järjestelmiin kuuluvat turvallisuuteen liittyvä järjestelmä (TLJ), erilliset ohjausjärjestelmät ja prosessitietojärjestelmä (PTJ). Koulutussimulaattoreita käytetään operaattorien harjaannuttamisessa erilaisiin ajotilanteisiin. Voimalaitoksilla on korkeat käytettävyysvaatimukset, jotka edellyttävät hyvää häiriötilanteisiin varautumista. Myös alas- ja ylösajo täytyy hallita hyvin.

2 Pääautomaatiojärjestelmä Pääautomaatiojärjestelmä on tyypillisesti DCS (digitaalinen hajautettu automaatiojärjestelmä ). Siihen liitetään kaikki tavanomaiset pääprosessin mittaukset, ohjaukset ja säädöt. Säätö-, ohjaus- ja valvontatoiminnot toteutetaan prosessiasemien sovellusohjelmistoissa Laitteistot Pääautomaatiojärjestelmän osajärjestelmät, laitteistot ja komponentit: valvomolaitteet (operaattorityöasemat, kirjoittimet) prosessiasemat keskusyksikköineen ja I/O-liityntöineen väyläjärjestelmät järjestelmäkaapit virransyöttölaitteet suunnittelutyöasemat, muut suunnittelu- ja huoltolaitteet raportointi-/historia-asema (PC- tai palvelinlaitteisto) Perusvaatimuksia Vikasietoisuus Tunnistettu yksittäinen vika ei saa aiheuttaa turhaa alasajoa tai tehonrajoitusta, estää turvallista alasajoa tai antaa virheellistä vapautusta toiminnalle. Häiriöiden leviämisen esto Jos järjestelmässä esiintyy häiriöitä, ne on pystyttävä rajaamaan mahdollisimman pienelle alueelle. Kun suojaukset (käytetään laitteiden pakko-ohjaamiseen turvalliseen tilaan) toimivat, laukaistaan vain minimimäärä laitteita ja pyritään pitämään prosessi käynnissä. Muistien varmistus Järjestelmämuistit varmistetaan niin, että mitään tietoja ei menetetä sähkökatkoissa tai muissa häiriöissä pidemmälläkään aikavälillä. Systeemiaika ylläpidetään niin, että kellonaika säilyy erilaisissa häiriötilanteissa. Riittävä informaationkeruu Häiriöiden ja alasajojen syyt ja seuraukset on voitava selvittää automaatiojärjestelmän tuottaman informaation avulla. Ohjauskäskyt on voitava varmistaa. Vasteaikojen on oltava lyhyitä Joissain säädöissä toimilaitteen ajoaika on muutamia sekunteja. Moottoriventtiilien ohjauksissa momenttikytkimen tulee ohjata jännite pois alle 50 ms:ssa (0,05 s). Kytkinlaitoksen (joka hoitaa sähköliikunnat mm. verkkoon) hälytykset on pystyttävä ilmaisemaan riittävällä resoluutiolla. Perusvasteajan tulee olla 1 s tai nopeampi. Yksittäisiä käyttö- ja toimilaitteita on voitava operoida myös käsin yksittäisohjauksella.

3 71 Vianhaun on oltava nopeaa (kehittyneen laitetekniikan, vianhakuohjelmien ja järjestelmähälytyksien käyttö) Tiedon saanti vaaditussa ajassa Jokaisella väylään liitetyllä asemalla on voita lukea mitä tahansa prosessitietoa. Kaikkien tietojen on oltava vaaditussa sykliajassa käytettävissä seurantaan, laskentaan, ohjauksiin ja säätöihin riippumatta siitä missä ne fyysisesti sijaitsevat. Järjestelmän joustavuus ja laajennettavuus Järjestelmän on oltava muuteltavissa ja laajennettavissa kaikkiin sovelluksiin. Mikä tahansa prosessiasema on voitava ohjelmoida, muuttaa, siirtää tai poistaa väylältä ilman muiden asemien häirintää. Varayksiköihin on voitava tehdä muutoksia laitoksen käydessä. I/O-yksiköitä on voitava lisätä/ purkaa ilman käytön keskeytystä. Tietoturvaongelmat minimoitava Joko järjestelmän verkkorakenteella tai muilla teknisillä ratkaisuilla. Automaatiojärjestelmän verkot on erotettava toimistoverkosta ja muista verkoista reitittimen tai muun vastaavan tekniikan avulla. Järjestelmässä on oltava valmiit toimilohkot monimutkaistenkin säätöjen ja sekvenssien toteutuksiin Vikasietoisuuden luominen ja häiriöiden selvittäminen Vikasietoisuuden luominen: redundanssi (kahdentaminen, kolmentaminen) hajautus impulssiohjausperiaate ohjauskäskyjen varmistus Häiriöiden ja vikojen selvittämiseksi suoritetaan toimenpiteet: hälytysten ja tapahtumien ilmaisu näytöissä ja tulostuksissa, rekisteröinti järjestelmän muistiin vähintään 10 ms resoluutiolla (kytkinlaitokselle vielä tarkempi resoluutio) alkusyyn selvittämiseksi käytetään hyväksi järjestelmän selauskykyä, tarkastellaan tiettyä aikaväliä tai prosessialuetta häiriötilanneraporttien käyttö Järjestelmän syöttöakustot mitoitetaan tavallisesti kestämään vähintään puolen tunnin sähkökatkoksen ajan. 7.3 Turvallisuuteen liittyvä järjestelmä - TLJ TLJ on suojausjärjestelmä, joka keskeyttää prosessin tai ohjaa sen turvalliseen tilaan prosessin ajautuessa vaaralliseen tilaan. TLJ käsittää koko suojausketjun anturit-logiikka-toimilaitteet, ja toimii itsenäisesti erillään pääautomaatio- ja muista järjestelmistä. Sen toiminta testataan määräajoin.

4 72 Muutamissa automaatiojärjestelmissä turvajärjestelmät muodostuvat turvallisuuskäyttöön sertifioiduista automaatiojärjestelmän komponenteista, jotka voidaan sijoittaa automaatiojärjestelmän kaappeihin muun elektroniikan joukkoon. Kuva 47. TLJ toimii itsenäisesti erillään muista järjestelmistä Turva-automaatiolla toteutetaan mm. Kattilasuoja o Hätäpysäytys, kuiviinkiehumisen valvonta, savutien sulkeutumisen valvonta, tulipesän paineen valvonta, tuuletuksen valvonta Poltinsuoja o Palamisilman riittävyyden valvonta, palamisen valvonta Turbiinin ylikierrossuoja, muut suojat o Ylikierrossuoja osa turbiinitoimitusta, vastapainesuoja, voiteluöljyn painesuoja, aksiaalisen siirtymän valvonta, laakerilämpötilojen valvonta Erilliset järjestelmät Erilliset ohjausjärjestelmänsä on säännönmukaisesti osaprosesseilla ja laitteistoilla kuten turbiineilla generaattoreilla savukaasun puhdistuslaitteilla (esim. sähkö- ja letkusuodattimet) Nämä liitetään tavallisesti pääautomaatiojärjestelmään niin, että niitä voidaan operoida ja valvoa pääautomaatiojärjestelmän operointiasemien kautta päävalvomosta.

5 73 Sivu- ja apuprosessien automaatio voidaan toteuttaa joko pääautomaatiojärjestelmässä, erillisellä ohjelmoitavalla logiikalla (PLC) tai jollain muulla erillisjärjestelmällä. Tällaisia ovat mm. vedenkäsittelylaitos (lisäveden valmistus, lauhteen käsittely) kiinteän polttoaineen vastaanotto- ja kuljetuslaitteistot pneumaattiset kuljetuslaitteistot (esim. lentotuhkalähettimet) LVI-laitteet (pääprosessitilat, sähkö- ja automaatiotilat) Taloudelliset ja hankinnalliset syyt voivat puoltaa näiden automaation toteuttamista erillisjärjestelmissä, kokonaisuuden hallinta ja automaation kunnossapito taas toteutusta pääautomaatiojärjestelmässä. Joka tapauksessa erillisjärjestelmätkin liitetään osaksi pääautomaatiojärjestelmää ainakin valvonnan ja operoinnin vuoksi. Hankinnoissa syntyy näin tiettyä päällekkäisyyttä verrattuna toteutukseen pääautomaatiojärjestelmässä. Jotta voimalaitoksen kunnossapito pysyisi paremmin hallinnassa, erillisjärjestelmien määrä ja laitevalikoiman kirjavuus tulisi pyrkiä minimoimaan. 7.5 Prosessitietojärjestelmä - PTJ Prosessitietojärjestelmien (PTJ) avulla pyritään käyttöhistorian tallentamiseen ja laitoksen käyttötalouden, käytettävyyden ja turvallisuuden parantamiseen. Käyttäjille ja eri sidosryhmille tuotetaan ja jaellaan infromaatiota PTJ:n kautta. PTJ on yleensä yhteydessä ainakin toimistoverkkoon ja mahdollisesti suojatun yhteyden yli myös esimerkiksi konsernitason hallintajärjestelmään. Prosessitietojärjestelmän toimintoja ovat prosessihistorian ja mittaustietojen keruu, tallennus ja halinta hälytys-, tapahtuma- ja operointitietojen tallennus (häiriötilanteiden analysointiin) tase- ja käyttötuloslaskennat, tunnusluvut erilaiset laskennat, visualisoinnit ja raportoinnit sisäiseen käyttöön ja sidosryhmille (esim. päästöraportointi viranomaisille) 7.6 Laskentasovellukset Voimalaitoksen laskentasovelluksilla jalostetaan informaatiota perusdatasta. Käyttötarkoituksia sovelluksille ovat suorituskyvyn ja kunnon valvonta, tuotannon valvonta, päästöjen valvonta jne. Sovellusten laajuus riippuu laitoksesta ja sen tarpeista. Laskentasovellusten tarvetta ovat lisänneet sähkömarkkinoiden reaaliaikaisuus ja laitosten ajotavan muutokset, jotka vaativat myös käyttötalouden reaaliaikaista seurantaa. Muutoksia on tapahtunut myös kunnossapidon organisoinnissa ja laitoksille asetettavissa vaatimuksissa, joten prosessin ja laitteiden kunnon tulee olla jatkuvasti tarkasti selvillä.

6 74 Laskenta toteutetaan yleensä prosessitietojärjestelmässä (PTJ), ja sovellusten tuloksia käyttävät käyttöhenkilöstön lisäksi esimerkiksi kunnossapitohenkilöstö ja viranomaiset. Laitoskohtainen laskenta voi liittyä myös koko yrityksen järjestelmiin (esimerkiksi energianhallinta). Laskentasovellusten lähtötietoina käytetään tietoa mm. seuraavista: Prosessihistoriatietokanta (Päästö)mittaukset Laboratorioanalyysit Polttoaineiden kuorma- ja laatutiedot Hintatiedot (polttoaine ja tuotettu energia) Laskentaan käsin syötetyt kertoimet Tuloksena laskentasovelluksista saadaan mm. Tuotanto- ja kulutustiedot: laskutusperusta, erityisesti yhteistuotannossa (lämpö, sähkö, prosessihöyry) Suorituskykyä ja kuntoa kuvaavat tunnusluvut: laitoksen ja komponenttien toiminnan seuraaminen, puhdistustarpeen seuranta (esim. kattilan nuohous), tärkeimpien metallikomponenttien viruminen ja väsyminen... Päästölaskenta: valvonnan toteuttaminen EU-direktiivien ja viranomaisten vaatimuksien mukaan Tulokset voidaan esittää prosessikohtaisesti muokatuilla näytöillä tai niistä voidaan laatia erilaisia raportteja, trendejä ja visualisointeja. Laskentasovellukset voidaan ryhmitellä käyttötarkoituksen mukaan: 1. Käytön- ja tuotannonvalvonta 2. Suorituskyvyn valvonta 3. Kunnonvalvonta 4. Päästövalvonta 5. Energianhallinta ja optimointi Käytön- ja tuotannonvalvonta Käytön- ja tuotannonvalvonta kattaa tyypillisesti koko laitoksen eli taseraja kulkee laitoksen ympärillä. Sen avulla voidaan suorittaa tuotannon ja kulutusten valvonta (polttoaineen kulutus; höyryn, lämmön ja sähkön tuotanto; häviöt; lämmönsiirto; suorituskykyparametrit kuten kokonaishyötysuhde ja rakennusaste) kustannusten jako, jos laitoksella on useampia omistajia polttoainetietojen hallinta (vaaka-asemien tiedot; laboratorioanalyysit; toimittaja-, tuote- ja muut perustiedot; raportit toimittaja- ja tuotekohtaisista polttoainemääristä, polttoaineiden lämpöarvot ja kustannukset) ylös- ja alasajoanalyysi (tapahtuma- ja tilatiedot; prosessimittaushistoria; laskennalliset suureet kuten ylösajon kesto,

7 75 omakäyttö ja polttoaineen kulutus; laitevalmistajien antamien ohjekäyrien ja rajoitusten noudattaminen) Suorituskyvyn valvonta Suorituskyvyn valvonta pureutuu tarkemmin yksittäisten komponenttien toimintaan. Taseraja on komponentin (esim. kattila, turbiini) ympärillä. Suorituskyvyn valvontaan kuuluvat Kattilan suorituskyvyn seuranta Turbiinin suorituskyvyn valvonta Pumppujen, puhaltimien ja lämmönsiirtimien suorituskyvyn valvonta (nostokorkeus, ominaiskulutus, hyötysuhde, lämmönläpäisykerroin jne.) Kattilan suorituskyvyn valvonta perustuu DIN 1942 standardiin. Kattilalle määritetään lämpötase: SISÄÄN ULOS Polttoainetehot kattilaan (kiinteät, nesteet, kaasut) Polttoilman lämpöteho kattilaan Apulaitteiden tuoma lämpöteho Syöttöveden ja ruiskutusveden tuoma lämpöteho Korkeapainehöyryn lämpöteho Välitulistushöyryn lämpöteho kattilaan ja kattilasta Säteily- ja konvektiohäviöt Hajotus- ja nuohoushöyryn lämpöhäviöt Savukaasuhäviöt CO-häviöt savukaasussa Tuhkan ja palamattomien häviö Kattilalle lasketaan myös suorituskykyparametrit, tärkeimpänä kattilahyötysuhde, joka voidaan määrittää suorasti (mitataan kattilasta saatu hyötylämpövirta ja verrataan sitä kattilaan syötettyyn energiavirtaan) tai epäsuorasti (häviöiden kautta). Höyryturbiinin suorituskyvyn valvonta tehdään DIN ja ASME PTC 6-standardien mukaisesti massa- ja lämpötaseiden kautta. Määritettäviä suorituskykyparametreja ovat mm. Isentrooppiset hyötysuhteet Höyryn ominaiskulutus Rakennusaste Kaukolämpöteho

8 Kunnonvalvonta Kunnonvalvonnan laskentasovellukset pureutuvat laitoskomponenttien sisälle. Niiden tarve kasvaa laitoskoon ja komponenttikoon kasvaessa. Suorien mittausten ja standardien mukaisesti voidaan laskea kuntoa kuvaavia tunnuslukuja ja ennakoida huoltotarpeita. Tunnuslukuja vertaillaan laitevalmistajien antamiin takuuarvoihin ja ohjekäyriin, jolloin voidaan havainnoida poikkeamat laitteiden kunnossa tai toiminnassa. Kattilan likaantumisen valvonta seuraa lämmönsiirtopintojen todellista lämpötehoa. Jos pinnoille muodostuu kerrostumaa, lämmönsiirto heikkenee. Likaantumisenvalvonta vertaa todellisen lämmönsiirron tunnuslukuja vertailuarvoihin. Laskentasovelluksen avulla voidaan määrittää optimaalisen nuohousvälin ja laajuus ja havaita pysyväksi muuttuvat kerrostumat, joita ei saada poistettua nuohouksella. Kattilan eliniän valvontaa voidaan käyttää kunnossapidon suunnitteluun ja erilaisten ajotapojen vaikutusten vertailuun. Sen seuraamia asioita ovat Paksuseinämäisten komponenttien virumis- ja väsymistasot (lämpötilagradientit, keskilämpötilat, muutosnopeudet, toiminta-ajat kussakin lämpötilaluokassa, jännitys, virumis- ja väsymistaso) Tulistin- ja välitulistinputkien lämpötilat (min, max, ka) Lämpötilaprofiilit Ylös/alasajot, kuorman muutokset ja niiden nopeudet - vaikuttavat materiaalien kestävyyteen Kaasuturbiinin referenssianalyysi korjaa suoritusarvot referenssitilaan, koska kaasuturbiinilla olosuhteet vaikuttavat huomattavasti suoritusarvoihin. Kunnonvalvonta voi seurata mm. kompressorin ja suodattimen likaantumisesta aiheutuvia menetyksiä (tehollisia ja taloudellisia) Päästöjen valvonta ja raportointi Kuten jo aiemmassa kappaleessa kerrottiin, päästöjen valvonta ja raportointi tehdään tarkkojen määräysten mukaisesti. Päästöjenvalvontasovellus seuraa mittauslaitteiden käytettävyyttä. Se tallentaa kalibrointi-, häiriö- ja huoltoajat. Liian pitkät katkokset mittauksissa voivat aiheuttaa koko vuorokauden tuloksen hylkäämisen. Raja-arvoon verrattavan pitoisuuden laskennassa huomioidaan vain mittaukset normaalissa käyntitilassa. Tämä tieto saadaan yleensä automaatiojärjestelmästä. Kokonaispäästöt summataan kuitenkin koko käyntiajalta. LCP-laitoksella mitataan jatkuvasti savukaasuista SO 2, NO x ja hiukkaset (pitoisuudet NTP-olosuhteissa, kuivassa savukaasussa, happiredusoituna). Päästöjenvalvontasovellus laskee kokonaispäästöt, ajan jolloin pitoisuus on ollut alle rajan sekä mittausjärjestelmän ja puhdistuslaitteistojen häiriöajat. Jätteenpolttolaitoksen raporttiin kuuluvat SO 2, NO x, hiukkaset + CO, TOC, HCl, HF (pitoisuudet NTPolosuhteissa, kuivassa savukaasussa, 11 % O 2) sekä raskasmetallien, dioksiinien ja furaanien kokonaispäästöt. Sovellus laskee kokonaispäästöt, ajan jolloin pitoisuus on ollut alle rajan (valvonta 10 min tasolla), pitoisuuksien ylitysajat sekä mittausjärjestelmän ja puhdistuslaitteistojen häiriöajat.

9 Energianhallinta ja optimointi Energianhallintasovellukset ovat tyypillisesti yhtiönlaajuisia järjestelmiä, joihin on liitetty useita laitoksia. Järjestelmässä on reaaliaikaiset tuotanto- ja kulutustiedot laitosten automaatio- ja prosessitietojärjestelmistä. Jos energianhallintasovellusta ei ole, yksittäisellä laitoksella voidaan toteuttaa pienemmässä mittakaavassa esimerkiksi tuotannon ja kulutusten ennustaminen ja tuotannon optimointi, jos käytettävissä on vaihtoehtoisia tuotantoresursseja. Kuva 48. Energianhallinta ja optimointi - huomiotavat virrat Tuotannon optimointi on sen ajotavan etsintää, joka minimoi kustannukset ja maksimoi tuotot. Voimalaitoksella minimoidaan funktiota f( polttoainekustannukset + ostosähkö tuotot sähkön myynnistä + lisäkustannukset ) Optimointisovelluksen osia ovat Lähtötiedot: energiantarve, hinnat (polttoaine ja ostosähkö), rajoitteet Malli: hyötysuhteet ja rajoitteet, höyryverkon rakenne, energia- ja massataseet Lineaarinen optimointi Energianhallinta ja optimointi voi toimia online (lukee ajastetusti tietokantaa ja tekee päätöksiä) tai offline ("mitä jos" -skenaariot). Energianhallinta- ja optimointisovelluksen tuloksia voidaan käyttää mm. Tuotannon ja toiminnan suunnitteluun, kuorman jakoon laitosten tai yksiköiden kesken Lyhyen aikavälin optimointiin (turbiinien, kattiloiden jne. alas/ylösajot) Pitkän aikavälin optimointiin (budjetointi, sähkönostosopimusten optimointi) Suunnittelu, analyysi (toteutettavuus, mitoitus...)