Автоматизированная система управления котлом НЗЛ-110 Самарской ГРЭС на базе ПТК «КРУГ-2000»

Введение.

Самарская ГРЭС – одно из старейших предприятий теплоэнергетического комплекса России (рис.1.). Станция была введена в эксплуатацию в июне 1900 г.

Мощность станции в то время составляла 210 кВт. В настоящее время Самарская ГРЭС совместно со своими структурными подразделениями обеспечивают теплом около 800 тысяч жителей г. Самары. Среднегодовой суммарный отпуск тепла по ГРЭС составляет 3,3 млн. Гкал. Не так давно Самарская ГРЭС отметила столетие со дня своего рождения. Несмотря на почтительный возраст, станция постоянно обновляет своё оборудование, вводит новые производственные мощности, проводит реконструкцию старых. В 1994 г. на Самарской ГРЭС, одной из первых в России, началось создание автоматизированной системы управления технологическими процессами. АСУТП СамГРЭС создавалась как информационно-управляющая система, полностью заменяющая традиционные средства КИПиА. Частью этой работы является создание АСУТП котлоагрегата №4 на базе ПТК "КРУГ-2000", которая позволила вывести процесс управления котельным агрегатом на принципиально новый уровень.

Цели и задачи.

Создание АСУТП осуществлялось в связи с реконструкцией газопровода с внедрением блоков газового оборудования БГ-8 производства ЗАО "ХК АМАКС".

Целями автоматизации управления котла, выполняемой в комплексе с оснащением горелок котла блоками газооборудования, являются: повышение безопасности розжига и работы котла на газе и реализация требований действующих нормативных документов РАО "ЕЭС России" и Госгортехнадзора РФ; повышение надежности работы оборудования за счет уменьшения вероятности ошибочных действий персонала; повышение экономичности работы оборудования за счет оптимизации нестационарных режимов работы, сокращения  времени пусковых операций; повышения коэффициента готовности оборудования.

Поставленные цели определили следующие задачи создания АСУ ТП: полностью автоматизировать процесс управления котлом, в т.ч. реализовать главную функцию АСУ ТП – управление процессом производства пара требуемого количества и качества с учетом требований безопасности; полностью автоматизировать процесс розжига горелок котла; обеспечить персонал своевременной, достоверной и достаточной информацией о ходе технологического процесса и состоянии основного оборудования для возможности оперативного управления; обеспечить персонал необходимой информацией для анализа, оптимизации, планирования работы оборудования и ведения технической отчетности, включая регистрацию событий, расчет технико-экономических показателей и диагностику состояния оборудования; обеспечить персонал информацией о работоспособности технических средств АСУ ТП.

Объект управления.

Котел НЗЛ-110 – вертикально-водотрубный барабанный котел, паропроизводительностью 110 т/ч. Котел работает на паровую закольцованную магистраль (два общих паропровода перегретого пара с давлением 3,0 МПа и температурой 420 0С). Котлы такой производительности получили достаточно широкое распространение на предприятиях теплоэнергетики России. Как правило, уровень автоматизации таких котлов невысок, а оборудование системы автоматизации устарело морально и физически. Вследствие этого, работа котла становится неэффективной и даже не безопасной. Также, зачастую, не полностью соблюдаются требования по охране окружающей среды.

Функции системы.

АСУ ТП котлоагрегата выполняет следующие функции:

• измерение и контроль технологических параметров; обнаружение, сигнализация и регистрация отклонений параметров от установленных границ; ручной ввод данных; формирование и выдача оперативных данных персоналу в виде мнемосхем, таблиц, графиков и трендов; формирование и печать отчетных документов; архивирование предыстории параметров; расчетные задачи; контроль и регистрация действия защит
• регулирование технологических параметров с помощью программных регуляторов, использующих корректирующие сигналы по отдельным параметрам, возможность задания параметров автоматического режима
• дистанционное управление отдельными механизмами с возможностью одновременного управления сразу несколькими исполнительными механизмами
• обеспечение действия защит и блокировок в соответствии с требованиями нормативных документов
• автоматическое управление процессом розжига горелок котла (розжиг можно осуществлять как со станции оператора так и с местного поста управления)
• ведение протоколов предаварийных и послеаварийных ситуаций
• защита от несанкционированного доступа к функциям системы
• диагностика состояния программно-технического комплекса; проверка достоверности информационных сигналов; информирование инженера АСУ ТП при отказе технических устройств с указанием устройства, места, времени и вида отказа с точностью до одного входа/выхода; регистрация ошибок, отказов, неисправностей и действий по их устранению
• автоматическое поддержание системного времени на станциях оператора и контроллерах

Состав системы.

АСУ ТП котла №4 Самарской ГРЭС на базе ПТК "КРУГ-2000" строится как интегрированная человеко-машинная система, работающая в темпе технологического процесса (реальном времени).

Структурная схема АСУ ТП Самарской ГРЭС приведена на рис. 2.

Система управления на базе ПТК "КРУГ-2000" состоит из трёх иерархических уровней. В 1-й (нижний) уровень входят датчики измеряемых параметров, запорная и регулирующая арматура совместно с исполнительными механиз-мами и устройствами. Во 2-й уровень системы входят микропроцессорные устройства (контроллеры) для автоматического сбора и первичной обработки измеряемых параметров, выполнения функций автоматического регулирования, технологических  защит и блокировок, дистанционного управления, а также оборудование для розжига горелок котла по месту - шкафы управления УСО-1 производства ЗАО «ХК АМАКС». В 3-й уровень (условно «операторский») системы входят средства для вычислительной обработки информации, ее регистрации, архивирования, отображения, документирования и диалога с системой.

Возможность работы оборудования АСУТП второго уровня в жёстких условиях эксплуатации позволила разместить шкафы с контроллерами рядом со щитом управления в непосредственной близости от котла, что значительно уменьшило общую длину кабельных линий. Оборудование АСУТП третьего уровня находится в операторной, расположенной на другом этаже здания КТЦ.

В состав АСУ ТП входят: шкафы управления УСО-1 производства ЗАО «ХК АМАКС»; шкаф управления (1 шт.) с микропроцессорными контроллерами TREI-05-02 (2 шт.); станция оператора (СО) - 2 шт.; станция инженера АСУ ТП – 1 шт.; станция инжиниринга (СИ) – 1шт.; принтер; оборудование локальной вычислительной сети.

АСУ ТП включает в себя один сегмент высокоскоростной локальной вычислительной сети на базе 10/100-Мбитной технологии "промышленного" Ethernet со 100%-ым "горячим" резервированием. В качестве базового протокола сетевого и межсетевого взаимодействия используется протокол TCP/IP (UDP/IP). При этом, реализована программная «надстройка» протокола, обеспечивающая его адаптацию к специальным требованиям, предъявленным системами реального времени при обмене данными, и, таким образом, реализована детерминированность алгоритма обмена данными по сети.

Дополнительно в состав каждого рабочего места включены: технологическая функциональная клавиатура – для быстрого непосредственно прямого вызова всех видеокадров системы, выбора и управления запорной и регулирующей арматурой, модифицированные звуковые колонки - для функции сигнализации и устройство автоматического перезапуска – для повышения бесперебойности работы станций оператора.

Станция инжиниринга обеспечивает обслуживание микропроцессорных контроллеров, их программирование, наладку и настройку, сбор информации об отказах и сбоях, а также обслуживание рабочих станций - их программирование, наладку и настройку, контроль за работоспособностью.

Контроллер К1 предназначен для реализации функций контроля. Контролер К2 в комплекте с каркасами расширения К2.1 и К2.2 предназначен для реализации функций технологических блокировок, защит и авторегулирования. Следует отметить, что ПТК "КРУГ-2000"32 позволяет выполнить как 100%-ое "горячее" резервирование (дублирование) контроллеров, так и 100%-ое "горячее" резервирование вычислительного блока, отдельных плат и, даже, отдельных узлов ввода/вывода. В данном случае в контроллере К2 принято решение о 100%-ом "горячем" резервировании вычислительного блока и 100%-ом "горячем" резервировании выходных модулей с широтно-импульсной модуляцией.

Контроллеры и промежуточные клеммники, блоки питания контроллеров и датчиков конструктивно размещены в шкафу №1.

Количество входных/выходных сигналов рассчитано с учетом 20% резерва для расширения системы. Общее количество физических входных/выходных сигналов – 1019, в том числе: аналоговых входных (4..20 мА, сигналы термопар и термометров сопротивления) – 187; аналоговых выходных (с широтно-импульсной модуляцией)– 16; дискретных входных – 584; дискретных выходных – 216. Общее количество алгоритмов защит и блокировок – 18. Общее количество контуров регулирования – 16. Общее количество запорной и регулирующей арматуры – 33. Общее количество мнемосхем – 230. Общее количество трендов – 922.

Примеры видеокадров системы приведены на рисунках 3 и 4.

Структура системы электропитания выполнена согласно нормативному документу «Общие технические требования к программно-техническим комплексам для АСУТП тепловых электростанций» РД153-34.1-35.127-2002. Отключение системы электропитания не приводит к полной потере всех жизненно важных функций АСУ ТП в том числе защит и блокировок. Ввод переменного электропитания осуществляется от двух независимых фидеров, а все абоненты ПТК подключаются по схеме АВР. Для повышения надежности основную и резервную станции каждого рабочего места машиниста, шкаф с контроллерами, а также станция инжиниринга подключаются через промышленные источники бесперебойного питания, обеспечивающие стабилизацию частоты и напряжения, а также поддержание бесперебойного питания в течение 30 минут.

В функциональной структуре ПТК с точки зрения пользователей выделяются следующие функциональные подсистемы: сбора и первичной обработки информации; автоматического регулирования; технологических защит и блокировок; дистанционного и логического управления; представления информации оперативному персоналу; инструментальная (для сопровождения системы, настройки прикладных программ, информационной базы, программирования).

Реализация в полном объёме всех необходимых для управления котлоагрегатом функций системы с учетом высокой надёжности ПТК позволило полностью отказаться от традиционной релейной системы защит, традиционных вторичных приборов, преобразователей и ключей управления на щите.

Персонал службы АСУ ТП Самарской ГРЭС прошёл в ООО "НПФ КРУГ" десятидневные курсы обучения. После завершения обучения был проведён экзамен и выданы соответствующие свидетельства о прохождении обучения. Следует отметить, что простота инструментальной системы позволяет Заказчику, при необходимости, проводить изменения в графической части, базе данных и программах пользователя (контроллеров и станций оператора) после сдачи системы в промышленную эксплуатацию без привлечения Поставщика ПТК, т.е. своими силами. Причём, большинство из перечисленных операций можно производить без останова технологического оборудования.

Основные особенности программно-технического комплекса.

Основные особенности ПТК «КРУГ-2000» состоят в следующем: все программные и технические компоненты сертифицированы Госстандартом РФ и Госгортехнадзором РФ; ПТК метрологически аттестован и внесен в Госреестр средств измерений; ПТК разрешён к применению на объектах РАО "ЕЭС России"; обеспечена высокая надежность благодаря применению элементной базы ведущих зарубежных фирм, глубокого тестирования и жесткого технологического прогона; полное удовлетворение стандартам России, МЭК и других действующих нормативных документов, в частности, принятых для ПТК в РАО «ЕЭС России», в т.ч. РД-34.35.127; открытость системы при наращивании и внесении изменений; ориентация на особо опасные отрасли промышленности; поддержка 100%-го «горячего» резервирования станций оператора, контроллеров, сетей; поддержка международных стандартов сетевых протоколов; наличие специализированных сертифицированных версий: ПТК «КРУГ-2000/Т» (коммерческий учет тепла и теплоресурсов), «КРУГ-2000/Г» (коммерческий учет газов) и др.; ремонтопригодность и эффективное сопровождение на объектах России; мощные инструментальные средства и САПР.

Отдельно следует отметить следующие основные достоинства одного из важнейших компонентов ПТК – контроллеров серии TREI-05: наличие "интеллектуальных" модулей ввода-вывода; модульность - 1, 2, 4 вход/выход; надежность (от 75 000 до 150 000 ч); индивидуальная гальваническая изоляция всех входов/выходов – от 1500 до 3500 В; «горячая» замена модулей (без выключения питания); непосредственный ввод-вывод более 180 типов сигналов; экономичная схема горячего резервирования вычислительного модуля и др.

Программные и технические средства системы обеспечивают глубокую степень диагностики и самодиагностики компонентов технических средств. С помощью средств самодиагностики фиксируются, как минимум, следующие ситуации: отказ источников питания; отказ контроллера; отказ рабочей станции; обрыв цепи аналогового датчика с сигналом 4-20 мА; обрыв цепи управления дискретных выходных сигналов; обрыв цепи управления дискретных входных сигналов; несоответствие текущего состояния дискретных выходов для релейных модулей состоянию, задаваемому пользовательской программой (обеспечивается встроенной схемой самодиагностики модуля ввода-вывода контроллера); отклонение сигналов за установленные диапазоны.

Все средства самодиагностики определяют конкретный адрес неисправного модуля. Диагностические сообщения поступают в станцию инжиниринга, операторскую станцию и квитируются оперативным персоналом. Средства самодиагностики обеспечивают среднее время восстановления работоспособности компонентов ПТК при отказе одного из модулей не более 2-х минут (без учёта времени доставки ЗИП), причём замена модуля не требует отключения питания и перезапуска контроллера.

Динамические характеристики системы управления

• Максимальное время реакции системы на изменения аналоговых и дискретных сигналов не превышает 100 мсек.
• Точность регистрации аварийных ситуаций – не более 10 мсек.
• Цикл обновления видеокадров –0,5 сек.
• Цикл смены кадров – не более 1 сек.
• Максимальное время реакции на команду оператора – 0,2 сек.

Краткие сведения о разработчике.

Генеральный разработчик и поставщик системы - научно-производственная фирма «КРУГ» (г. Пенза). Решающий вклад в успех работы внесли субподрядчики – стратегические партнёры ООО "НПФ "КРУГ". Проектные работы, а также, комплексная наладка системы выполнены ООО "Энергоавтоматика" (г.Уфа), проект блоков "АМАКС" выполнило АООТ "ЦКБ "Энергоремонт" (г. Москва), поставку и наладку подсистемы автоматического розжига выполнило АО "ХК "АМАКС" (г. Москва).

Выводы.

Приведение системы управления к требованиям действующих норм и правил Госгортехнадзора РФ и РАО "ЕЭС России", а также резкое сокращение эксплуатируемого оборудования системы автоматизации обеспечили увеличение надежности и экономичности работы котлоагрегата НЗЛ-110. Кроме того, обеспечен легкий перевод с одного вида топлива на другое, достигнута значительная экономия кабеля, снижены эксплуатационные и производственные расходы. Внедрение АСУТП позволило полностью автоматизировать технологический процесс, реализовать более сложные алгоритмы контроля и управления, в том числе автоматический розжиг горелок котла, обеспечить персонал более полной и своевременной информацией.

Фирма "КРУГ" выражает глубокую признательность за участие в работе специалистам Самарской ГРЭС, ООО "Энергоавтоматика", АООТ "ЦКБ "Энергоремонт", АО "ХК "АМАКС", в частности, Хасияталлину А.М., Волкову К.Б., Ермакову А.А., Чупрунову В.П., Магрупову Р.У., Лопатину В.В., Давлятову М.Р., Альмисакову Р.А., Исаеву Д.Г., Будилову К.В, Петрову В.А., Неприну И.