PowerDemo- käyttö- ja työohje

OAMK / PohTO Toukokuu 2012 PowerDemo- käyttö- ja työohje Kattila- ja turbiinisimulaatiokoulutus Heikki Kurki ja Timo Heikkinen

1 JOHDANTO Työssä perehdytään ryhmän kanssa MetsoDNA CR Demo - voimalaitossimulaattorin toimintaan ja sen yleisimpiin säätöpiireihin sekä voimalaitoksen hallintaan. Työssä tutustutaan myös voimalaitoksen tärkeimpiin osaprosesseihin, kuten polttoaineen syöttöön, veden höyrystykseen ja tulistukseen sekä generaattorin toimintaan ja laitoksen ohjausperiaatteisiin. 2 Simulaattorin toiminnan kuvaus 2.1 Voimalaitoksen toimintaperiaate Simulaattorin prosessimalli kuvaa sähköä ja kaukolämpöä tuottavaa voimalaitosta. Kattila on luonnonkiertoinen lieriökattila. Se on varustettu kahdella syöttövesipumpulla ja kahdella syöttövesiventtiilillä. Vesi pumpataan syöttövesisäiliöstä lieriöön. Kun lieriöstä kattilakieroon lähtenyttä vettä lämmittää polttoprosessin tuottama lämpö, vesi höyrystyy ja palaa takaisin lieriöön. Höyrykierron aluksi se tulistetaan kolmessa sarjassa olevassa tulistimessa. Höyryn lämpötilan säätö suoritetaan ruiskuttamalla höyryn sekaan syöttövettä. Höyrylinjassa on paineen rajoittimina käynnistysventtiili ja varoventtiili. Päähöyryventtiilin kautta höyry ohjataan turpiinille tai kaukolämmönvaihtimelle (reduktioventtiilin kautta). Generaattorin teho määräytyy turpiinille menevästä höyrymäärästä. Turpiinilta höyry ohjautuu kaukolämmönvaihtimille, jossa höyry lauhtuu ja tiivistyy takaisin vedeksi. Kaukolämpöprosessia ei ole sisällytetty simulaattoriin, joten turpiinin säädöissä ei ole vastapainesäätöä, vaan sähkötehon säätö ja etupainesäätö toimii myös höyryn paineen rajoittimena. Normaalitilanteessa höyryn paine säädetään polttoaineella. Prosessista on mallinnettu prosessikaavionäyttöihin liittyvät prosessinosat ja toimilaitteet: prosessin dynaaminen mallinnus perustuvat viiveen ja ensimmäisen kertaluvun lineaarisiin malleihin ja ne on toteutettu viive-, laskenta- sekä LEAD- LAG- toimilohkoilla. 1

2.2 Simulaattorin käyttöliittymä Simulaattorin käyttöliittymä koostuu muutamasta valvomonäytöstä: Pääprosessia kuvaava päänäyttö 1 sekä osaprosesseja kuvaavat alanäytöt 1.1 (Polttoaineen syöttö, tuloilma ja savukaasut) ja 1.2. (Syöttövesi ja höyry). Navigointi ikkunasta toiseen tapahtuu yläpalkissa olevilla nuolinäppäimillä. Simulaattoriohjelma sisältää myös ikkunat 2 ja 4, mutta ne eivät ole aktiivitilassa. Voimalaitosta ei voi ajaa niiden avulla. Niiden avulla voi kuitenkin tutustua eri alaprosessien valvomonäyttöihin (periaatekaaviot). 2.2.1 Simulaattorin päänäyttö Kuva. Päänäyttö 1. Voimalaitoksen tärkeimmät toiminnot ja niiden prosessisuureet Savukaasu- ja tuloilmapuhaltimet: Vasen yläkulma Öljynsyöttö: vasen alakulma Hiilensyöttö: kattilan oikealla puolella. Syöttövesi: kattilan alapuolella Lauhdutuspiiri: Kattilan oikealla puolella 2

Höyrynpaine ja lämpötila: Päänäytön yläreunassa Generaattori ja sen sähkötehon säätö. Oikea yläkulma 2.2.2. Polttoaineen syöttö, tuloilma ja savukaasut Simulaattorin Alanäyttö 1.1 sisältää hiilen- ja öljynsyöttöpiirit sekä tuloilma- ja savukaasuvirtaukset. Kuva. Alanäyttö 1.1. Hiilen- ja öljynsyöttöpiirit sekä tuloilma- ja savukaasuvirtaukset Normaali polttotapa on pölypoltto, jossa polttoaine kuivataan ja jauhetaan hiilimyllyssä ennen kuin se puhalletaan kantoilmalla polttimelle. Kivihiilen käsittely- ja syöttöjärjestelmä koostuu hiilen annostelijasta, sekoittimesta, hiilimyllystä kantoilmapuhaltimesta ja kantoilman säätöpelleistä. Prosessissa on kaksi identtistä hiilen syöttöjärjestelmää. Tukipolttoaineena käytettävän öljyn syöttöjärjestelmään kuuluu tässä öljypumppu, sulkuventtiili, poltintason pikasulkuventtiili ja säätöventtiili. 3

2.2.3. Veden ja höyryn syöttö Kuva Alanäyttö 1.2. Osaprosessi Veden ja höyryn syöttö Tässä esitetään lieriöön tuleva syve-virtaus ja sieltä lähtevä höyryvirtaus. Heti lieriön jälkeen onm kolme peräkkäistä tulistinta. 2.3 Pääsäätöpiirit syöttöveden säätö höyryn lämpötilasäätö polttotehon säätö sähkötehon säätö höyrynpaineen säätö 4

3. Käynnistys ja käyttö Voimalaitossimulaattorin operointi suoritetaan samoihin kuin todellisellakin prosessilla ja harjoittelua voi tehdä itsenäisesti. Lyhyen perehdyttämisen jälkeen tämä ohje ei enää ole välttämätön, vaan käyttäjä löytää prosessikaaviotekstien infoteksteissä tarvittavan tiedon. Prosessin hallitseminen puolestaan edellyttää perustietoja voimalaitosprosessista ja säätötekniikasta. 3.1 Aloitus Käynnistä tietokone ja kirjaudu käyttäjäksi. Simulaattiron aloitus ja lopetus tapahtuu näytön vasemmasta alakulmasta: Start Demo --> Start MetsoDNA CR Demo Jonkun ajan päästä ohjelmisto on lataantunut. Sen jälkeen voit valita näytön vasemman yläkulman vihreistä painikkeista Power Jos simulaattori on päällä ja haluat aloittaa itse alusta, pysäytä ensin käynnissä oleva demo: Stop Demo --> Stop MetsoDNA CR Demo 3.2 Toimilaitteiden ohjaukset Lähes kaikki moottoreita (pumput ja puhaltimet) voi ohjata käyntiin tai pysäyttää valvomonäytöstä. Klikkaa hiiren oikealla painikkeella laitetta. Siinä aukeaa painikkeet start ja stop. Laitteiden ja säätöjen positionumerot saa näkymiin laite- /säätöikkunasta klikkaamalla hiirellä laitetta tai säätökuvaketta. 5

3.2.1 Automaatti- ja manuaalitila Kun kaikki ohjaustoiminnot ovat Automaattitilassa (A), sekvenssiohjelma suorittaa toiminnot itsenäisesti. Kun toiminto on manuaalitilassa (M), niin operaattori voi vaikuttaa sekvenssin etenemiseen 3.2.2. Säätöjen ohjausmoodit: Local, Remote, Automaatti ja Force Ohjauksen ja säädön moodi vaikuttaa siihen, miten käskyt ja asetusarvot (silloin kun ne ovat operoitavissa) määräytyvät: L eli local: operaattori määrittää, (paikallisohjaus / valvomo) R eli Remote sekä A eli Automaatti, asetusarvo tulee muualta, eli toiselta säätimeltä tai järjestelmästä F eli force, pakko-ohjaus: joissakin poikkeustilanteissa järjestelmä pakkoohjaa laitetta, jolloin sitä ei saa vaihdetuksi paikallisohjaukseen Moodin näkyy säädön ikkunassa. Klikkaamalla säätöpiirin ikkunaa hiiren oikealla näppäimellä aukeaa valintaikkuna, josta moodi valitaan. 3.3. Kuumakäynnistys 3.3.1 Aloitus Tutustuminen aloitetaan valitsemalla näyttöön kuumakäynnistyssekvenssi ja käynnistämällä se manuaalisesti Boiler Start-up Ohjaus ON 3.3.2 Kuumakäynnistyssekvenssi Simuloidun prosessin käynnistäminen ja saattaminen normaaliin ajotilanteeseen suoritetaan kuumakäynnistysohjelmalla, joka on sekvenssi. Kuumakäynnistyksen aikana voit avata hiiren oikeanpuoleisella näppäimellä ikkunan, josta näkyy missä vaiheessa sekvenssi on menossa ja kuhunkin vaiheeseen liittyvät toiminnot ja etenemisehdot. 6

. Sekvenssin ehtoja ja ohjeita noudattamalla käyttäjä käynnistää prosessin. Sekvenssin ensimmäisenä ehtona on, että kattilassa ei saa olla tulta: polton saa pysäytettyä kätevästi aiheuttamalla kattilapikasulun (lukitusikkuna) esimerkiksi pysäyttämällä puhallintyhmät (savukaasu- ja tuloilmapuhaltimet). Kuumakäynnistyssekvenssin näyttöikkuna on oheisessa kuvassa ja sekvenssin toiminnot ovat taulukoituina Taulukossa 1. Kuva. Sekvenssi-ikkuna TAULUKKO 1. Käynnistyssekvenssin rakenne Askel Toiminnot Etenemisehdot START Tulo- ja lähtöilman puhaltimet pois päältä Polttoaineen syöttö seis Tulo- ja lähtöilman puhaltimet päälle Päähöyryventtiili kiinni Päähöyryventtiilin ohitusventtiili kiinni FD/ID FANS Ilman lämmitys päälle Tuulettimet käynnissä Puhaltimet päälle VENTILATION Tuuletus 30 s FEEDWATER PUMP Käynnistä tulovesipumppu Tulovesipumppu käynnissä DRUM LEVEL Syöttöpumppu automaatille Lieriön pinnat yli -50mm Syöttöpumpun ohjaus automaatille Syöttövesiventtiili automaatille Lieriön ohjaus automaatille OIL BURNERS Poltin osasto 1 päälle Poltin osasto päällä STEAM PRESSURE Tulistin 1 automaatille Höyrynpaine yli 100bar Tulistin 2 automaatille Öljyn polttoteho yli 80MW 7

Pääpolttoaineeksi öljy COAL FEED Hiilimylly 4 START Hiilimylly 4 päällä Hiilensyöttö päällä Turbiinin ohitusventtiili automaatille BYPASS VALVE Avaa pääventtiilin ohitus Höyryn korkeapaineventtiili auki Hiilensyötön ohjaus automaatille Hiili valittu Pääpolttoaineeksi hiili MAIN STEAM VLV Päähöyryventtiili auki Hiilensyötön ohjaus automaatilla Päähöyryventtiili auki Turbiinin käynnistys vapautettu TURBINE Käynnistä turbiinin ylösajo Valmis synkronointia varten LOAD CONTROL Höyrynpaineen ohjaus automaatille Synkronissa LOAD CONTROL Kuorma 60MW FINALE. Generaattoritehoa voit säätää sen yhteydessä olevasta ikkunasta. Kuumakäynnistyssekvenssi saadaan päätökseen kun sähköteho on saavuttanut asetusarvonsa. 3.3.3. Polttoaineen vaihto Kun käynnistyssekvenssi on suoritettu ja kattilan toiminta stabiloitunut, voit käynnistää toisen hiilisyötön kattilaan. Kun toinenkin hiilisyöttö on käynnistynyt, voit sulkea öljynsyötön jolloin pääpolttoaineena on vain hiili. Tehtävä: Harjoittele polttoaineen vaihtoa! Mitä pitää huomioida kun polttoaine vaihtuu? 3.4 Prosessin normaali ajotilanne Mittaukset ajon aikana: Instrumentteihin (mittalähettimet ja toimilaitteet) pääsee syvemmälle klikkaamalla kyseistä laitetta. Esimerkkinä oheisessa kuvassa on esitetty lieriön pinnankorkeuden mittauksen piiri-ikkuna. 8

KUVA 3. Lieriön pinnanmittaus prosessin käydessä. Edelleen lisätietoihin (mm varoitus- ja hälytysrajat) pääsee tästä näyttöikkunasta klikkaamalla oikean alareunan kaksoisnuolipainiketta. Hiiren oikean painikkeen alta löytyy myös useita toimintoja, mm trendinäytöt ja historiatieto-moodi. Tutustu niihin! (trendinäytöt ym) Voimalaitoksen normaalin ajotilanteen paineet, virtaukset ja lämpötilat riippuvat generaattoritehosta. Muuta sähköteho 80 MW:iin ja anna laitoksen stabiloitua. Klikkaa ohjausikkunaa ja kirjoita uusi asetusarvo (setpoint). Näet ohjausikkunassa Mittausarvon M, asetusarvon S sekä ohjauslähdön O (eli output). Kun uusi tehotaso on saavutettu ja tilanne vakiintunut, kirjaa seuraavat lukemat ja niiden yksiköt: sähköteho 80 MW polttoaineteho MW höyryn paine höyryn loppulämpötila höyryvirtaus Totea että hiilitasot ovat käytössä ja hiili säätää totea, että öljytaso ei ole päällä syöttövesipumppu käytössä molemmat puhallinryhmät käytössä 9

Höyrynpaine / polttoainesäätäjä automaatilla käynnistysventtiili automaatilla ja kiinni reduktioventtiili automaatilla ja kiinni Mitä voit päätellä arvojen perusteella voimalaitoksen hyötysuhteesta? Operaattorina voit nyt suorittaa normaaliajoon liittyviä toimintoja: muutella generaattoritehoa vaihdella hiilitasoja käynnistää öljytason vaihtaa säätävää polttoainetta vaihtaa syve-pumppuja ohjata säätäjiä käsiohjauksella ohjata toimilaitteita jne Tehonsäätö normaalissa ajotilanteessa tapahtuu muuttamalla turbiinin tehonsäätäjän asetusarvoa muutaman MW kerrallaan ja seuraamalla, miten muu prosessi pysyy perässä. Etupainesäädölle vaihdetaan siten, että turpiinin etupainesäätäjän asetusarvo muutetaan muutaman barin alle normaalipaineen ja generaattorin tehon säätäjän asetusarvo nostetaan maksimiin (80 100 MW). Höyrynpaineen / polttoainetehon säätäjä täytyy tällöin vaihtaa manuaalille. Tehon säätö suoritetaan tässä tapauksessa ohjaamalla Höyrynpaine/polttoainetehon säätäjän lähtöä. Tehtävä: Harjoittele em tilanteita? Kirjaa havaintoja! 3.5. Operoinnit erikoistilanteissa kattilan kuumakäynnistys (tehtiin alussa, voit nyt käynnistää laitoksen halutessasi vaikka uudestaan käyttäen enemmän manuaaliohjauksia) turpiinin käynnistys ajotavan muutokset etupainesäätö: tuorehöyryn paineen asetusarvon nosto manuaalisesti, generaattorin tehonsäätö automaatilla tehonsäätö: generaattorin sähkötehon asetusarvon muutos, tuorehöyryn paineensäätö automaatilla o säätävän polttoaineen vaihto (Öljy / Hiili) ( ks kohta 3.3.3.) jne Tehtävä: Harjoittele em tilanteita! 10

3.6 Häiriöt ja Turvallisuus Kattilalaitoksissa tavoitteena on hyvä henkilöturvallisuus. Laitevauriot ja toimintahäiriöt eivät saa vaarantaa käyttöhenkilökunnan eikä sivullisten terveyttä eikä henkeä. Toinen tärkeä periaate on, että yksittäiset viat eivät saa aiheuttaa laitoksen alasajoa. Tämä tavoite pyritään saavuttamaan tyypillisesti kahdennuksella, eli järjestelmät varmennetaan rinnakkaisilla piireillä. 3.6.1. Kirjaa kattilan pikasulkuehdot Vihje: Boiler Protection- ehdot aukeavat klikkaamalla päänäytöllä olevasta pienestä ikonista, ks seuraava kuva: Kuva Kattilan suojauksen ja hiilen syötön ehdot: Hiilen syöttö kattilaan pysähtyy, jos tuloilma/savukaasupuhallinryhmä pysähtyy tai lieriön pinta laskee liian alas. Kattilan pikasulussa turpiini menee pikasulkuun kun generaattorin teho laskee alle takatehorajan (3 MW) Pikasulun jälkeen prosessi voidaan käynnistää kuumakäynnistyksellä. 3.6.2 Lukitukset (Interlockings) Joidenkin laitteiden lukitukset saa näyttöön, esimerkiksi syve-pumppu. Klikkaa toiminnon tai laitteen päällä hiiren oikeanpuoleinen näppäin ja valitse Interlockings. 11

Syöttövesipumppu pysähtyy esimerkiksi silloin, kun syöttövesipumpussa yksi esiintyy vakava laakerivika, syöttövesisäiliön pinta tippuu alle alarajan tai syöttövesisäiliön imuventtiili on kiinni. (ks. seuraava kuva) KUVA. Syöttövesipumpun lukitukset. 3.6.3 Hälytykset ja varoitukset (Alarms ja Warnings) Voit ideoida kokeilla itse erilaisia häiriö- ja vikatilanteita. Kun esim joku mittaus toteaa, että varoitus- tai hälytysraja ylittyy, se tulee esille näyttöön näytön yläreunaan orannislla tekstillä. Hälytys- ja varoitusluettelopainike löytyy myös ruudun yläosan painikkeista. Seuraavassa kuvassa on hälytyslista, josta tarkastelemalla näkee muun muassa laitteen, jolta hälytys on tullut ja mistä hälytyksestä on kyse. Esimerkkeinä voidaan mainita lieriön pinnanmittauksen alarajan alitus sekä syöttöveden virtausmittauksen ylärajan ylitys. 12

KUVA. Voimalaitoksen hälytyslista. 4 Vika- ja muutostilanteiden harjoittelu Harjoittele vika- ja muutostilanteiden hallintaa luvun 3 perusteella. Aluksi voit luottaa automaatiomoodiin, mutta voit myös vähitellen siirtyä manuaaliohjauksiin. Selvittele erilaisten prosessisuureiden keskinäisiä riippuvuuksia: mikä vaikuttaa mihinkin ja minkälainen vaikutus on. Ota huomioon se, että simulaattorissa on viiveitä, jotka simuloivat oikean prosessin toimintaa. 5. Kirjallisuus Joronen, Kovacs, Majanne: Voimalaitosautomeatio. Suomen automaatioseura ry, 2007 13