Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Systém pro sledování stavu stroje CoDiS nainstalovaný v přečerpávací elektrárně s výkonem 185 MW

Zadáním projektu bylo vytvořit řešení „na míru“ pro online sledování parametrů a významných změn v chování 185MW generátoru v největší přečerpávací elektrárně ve Slovinsku. V rámci jeho řešení byl instalován systém pro online sledování provozních parametrů a ukládání měřených hodnot do databáze. Systém integruje měření mnoha veličin z různých hardwarových a softwarových modulů, které byly navrženy pro sledování parametrů, jako jsou vibrodynamika rotoru (relativní vibrace hřídele a absolutní vibrace ložisek), vibrace krytu turbíny, vzduchová mezera generátoru a magnetické pole rotorového pólu, vyosení rotoru ve dvou pozicích, teplota ložisek, kvalita elektrické energie (vektor kvality elektrické energie, záznam přechodových elektrických dějů), záznam hodnot získaných ze systému SCADA (celkem 54 hodnot zahrnujících teplotu statoru, teplotu ložisek a hodnoty provozních veličin), částečného vybití, kavitace, hydraulických veličin a 32 hodnot pro záznam přechodových dějů (tlaky, průtoky, stavy relé).

 

Online monitorovací systém nainstalovaný v elektrárně může nepřetržitě sledovat provozní podmínky, což je krok nezbytný k predikci mechanického chování soustrojí. Reálnou výhodu představuje používání predikce poruch pro detekci a identifikaci nepravidelností v chování systému, což usnadňuje plánování oprav a umožňuje předcházet možným poškozením. Současné monitorovací systémy zahrnují monitorování vibrací, vzduchové mezery v generátoru a sledování hodnot elektrických a provozních veličin (teplota, tlak, průtok a další).

 

Základní údaje o přečerpávací elektrárně

Přečerpávací elektrárna Avče je největší vodní elektrárna ve Slovinsku a má důležitý vliv na stabilitu dodávek elektrické energie. V období s nízkými cenami za elektrickou energii (v noci a o víkendech) elektrárna přečerpává vodu do akumulační nádrže. V období s vysokou cenou energie (špičky během pracovního týdne) může být elektrárna použita pro výrobu a prodej elektřiny.

 

Proto má zařízení čtyři provozní režimy (generátor stabilní, generátor kondenzační, čerpadlo a kondenzační čerpadlo) a obvykle prochází denně třemi až čtyřmi cykly náběhu a doběhu. Z toho důvodu je průběžný sběr dat poměrně náročný úkol. Neustálé sledování stavu zařízení je velmi důležité, protože v elektrárně nejsou trvale přítomni žádní operátoři a elektrárna je plně řízena ze vzdáleného dispečerského stanoviště. V elektrárně a v dispečerské síti je dostupný systém pro monitorování stavu stroje (MCM) a klientský software CoDiS přenáší všechna data na vzdálená PC uživatelů (obr. 1).

 

Více o monitorovací platformě CoDis

Systém CoDis od společnosti Veski zahrnuje ochranný modul pro vibrační a mechanické veličiny (CoDiS RT), diagnostický modul s SQL databází (CoDiS DM), monitorování kvality elektrické energie (CoDiS TR) a monitorování hydraulických přechodových jevů (CoDiS CV jakožto součást modulu DM). Blokové schéma systému znázorňuje obr. 2. Uživatel získává celkový přehled o provozních podmínkách stroje a o kvalitě generované energie a všechny významné hodnoty jsou průběžně ukládány do databáze, aby bylo možné vytvářet historické přehledy, zobrazovat časové průběhy hodnot a analyzovat provoz elektrárny.

 

Moduly CoDiS RT a CoDiS TR jsou založeny na robustních modulech CompactRIO, protože bylo třeba, aby byly schopné nepřetržité funkce v elektrárnách či podobném průmyslovém prostředí. V přečerpávací elektrárně Avče společnost Veski nainstalovala CoDiS RT a CoDiS TR ve shodné konfiguraci s řídicím modulem cRIO-9024 RT a šasi FPGA cRIO-9113. Pro sběr dat byly použity moduly NI 9205 a NI 9234, pro ochranu relé stroje modul NI 9481. Modul CoDiS DM komunikuje s moduly CoDiS RT a CoDiS TR prostřednictvím protokolu TCP/IP, stará se o přenos online dat uživateli a ukládá data do SQL databáze pro off-line analýzu a sledování historického vývoje.

 

Ochrana v reálném čase: CoDiS RT

CoDiS RT realizuje ochranu v reálném čase prostřednictvím programovatelných hradlových polí (FPGA) s vysokou prioritou. K dispozici je dále 45 vstupních kanálů se standardní (konfigurovatelnou) vzorkovací frekvencí 2 048 Hz na kanál. Systém dokáže rozpoznat provozní režim (v závislosti na otáčkách a sledování činného a jalového výkonu) a přizpůsobuje mu ochranné funkce (mezní hodnoty a časové konstanty). To je velmi důležité, protože vibrační a hydraulická odezva se v režimech generátoru a čerpadla liší, takže hodnoty pro alarmy musí být automaticky upraveny.

 

Systém neustále snímá všechny signály a z průběhů vstupních signálů kontinuálně počítá hodnoty významných veličin. Vypočtené hodnoty (tvořící podmínkový vektor) jsou porovnávány s hodnotami nastavenými pro daný provozní režim. V případě odchylek systém sepne relé a zastaví stroj. Synchronně jsou všechna data přenášena na server pro další analýzu a archivaci. Uživatel s administrátorským oprávněním může všechny hodnoty nastavit prostřednictvím administračního softwaru.

 

Záznamník přechodových elektrických dějů CoDiS TR

Modul CoDiS TR měří 22 elektrických veličin se vzorkovací frekvencí 5 000 Hz na kanál. Systém průběžně snímá všechny signály a porovnává hodnoty se spouštěcími podmínkami pro rychlé přechodové děje. Při výskytu přechodového jevu systém zaznamená hodnoty na pevný disk, a sice úsek o délce 10 s s počátkem 1 s před výskytem spouštěcí podmínky. Průběhy signálů jsou v modulu CompactRIO podrobovány procedurám pro analýzu kvality elektrické energie. Vypočtené hodnoty jsou synchronně ukládány do databáze pro všechny měřené veličiny na serveru, kde je uložen i podmínkový vektor pro kvalitativní parametry.

 

Diagnostický systém CoDiS DM

Diagnostický systém běží na serveru a komunikuje s distribuovanými procesory reálného času na jedné straně a s uživateli na straně druhé. CoDiS DM získává každou sekundu data ze systémů reálného času a vybírá příslušný typ úložiště v závislosti na provozním režimu stroje (obr. 3). Nejprve systém rozpozná, o jaký provozní režim jde (režim generátoru nebo čerpadla), a následně vyhodnotí data, aby určil typ analýzy (pro ustálený nebo přechodový děj). Při ustáleném stavu systém počítá průměr hodnot a ukládá je do databáze s periodou průměrování nastavenou uživatelem (pro hydrogenerátor se používá průměrování za 1 min nebo 2 min). Naopak v případě režimu přechodového děje (náběh, doběh) systém zaznamenává hodnoty s plným rozlišením (obr. 4, obr. 5). Jakmile se vyskytne určitá událost, systém automaticky uloží průběhy sledovaných veličin, provede dodatečné analýzy signálů a uloží tyto údaje do databáze událostí (vytvořené automaticky nebo uživatelem).

 

Současně modul DM distribuuje hodnoty v reálném čase i všem připojeným klientům. Server také komunikuje se systémem SCADA a aktualizuje hodnoty každou sekundu, takže databáze rovněž obsahuje provozní hodnoty, jako jsou výška hladiny vody, teplota statoru, tlak a další. Databáze pro elektrické a mechanické veličiny je unikátní a systém je synchronizován s interními GPS hodinami pro elektrárnu, takže lze na základě časových značek porovnávat hodnoty ze systémů SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) a DCS (Distributed Control System).

 

CoDiS DM – standardní nástroje pro analýzu dat

Modul pro monitorování hydraulických přechodových jevů umožňuje použít výstupy mechanických a elektrických měření a pokročilé nástroje pro analýzu (tab. 1).

 

Nestandardní monitorovací moduly CoDiS CV

Kromě modulu CoDiS DM je v elektrárně Avče nainstalován také modul CoDiS CV pro hydraulické přechodové děje, který sleduje 32 hodnot. Je umístěn na dvou lokacích, pracuje vždy se vzorkovací frekvencí 1 024 vzorků za sekundu, umožňuje automatický záznam 1 min před spouštěcí podmínkou, 5 min po ní a na vyžádání neomezený záznam. Modul monitoruje deformace a teploty spodního i vrchního uložení ložisek.

 

Software pro vzdálenou klientskou aplikaci

Klientský software je součástí diagnostického systému a běží na vzdáleném počítači uživatele, popř. je přístupný jako webová aplikace. Klientské rozhraní zahrnuje hierarchický pohled na elektrárnu s nejdůležitějšími údaji, včetně stavu všech alarmů. Podrobnosti o strojích jsou přístupné v online přehledových panelech, které ukazují hodnoty z měření v reálném čase (tento modul se nejčastěji používá pro operátory v dispečerských centrech). Jde o velmi užitečnou funkci při dálkovém startování strojů. Technici z elektrárny používají databázi a analytický software k plánování údržby a detekci nepravidelného chování.

 

Automatické protokoly a detekce problémů

Pro podporu správných rozhodovacích procesů u zákazníka nabízí společnost Veski konzultace a podporu na dálku, popř. může nabídnout modul pro automatickou tvorbu protokolů a detekci selhání. Tyto nástroje vyvinula společnost Veski s pomocí velkého množství znalostí o hydrogenerátorech, které získala díky zkušenostem techniků provádějících údržbu na mnoha elektrárnách ve světě. Systém dokáže detekovat selhání a předvídat je ve velmi raném stadiu. Výsledky jsou zobrazeny jako zpráva pro uživatele s podrobným popisem problému (lokalizace, typ a pravděpodobnost). Systém dokáže generovat automatické protokoly a denně je zasílat uživateli. V elektrárně Avče je tento modul nainstalován, takže uživatel dostává nejdůležitější údaje získané z databáze každý den. Protokoly mohou obsahovat jak analýzu selhání, tak statistickou analýzu z údajů za časové období určené uživatelem.

 

Ozren Oreskovic,

Veski d. o. o.

 

Tab. 1. Výstupy a analytické nástroje modulu CoDiS DM

Typ měření

Výstupy a analytické nástroje

mechanická měření

Bodeho diagram, Nyquistův diagram,

2D a 3D orbitální analýza,

2D a 3D graf výchylky středu hřídele,

kompenzace doběhu,

polární graf vzduchové mezery a geometrie statoru,

profil pólu magnetického pole a polární zobrazení,

FFT spektrum, CPB spektrum,

Waterfall graf a kaskádové spektrum

elektrická měření

detekce přechodových dějů s vibračními signály,

kvalita elektrické energie,

zátěžný úhel generátoru,

tuhost torzního magnetického pole

pokročilé nástroje pro analýzu

identifikace ztuhlosti ložisek a struktur,

identifikace kritické rychlosti,

statistická analýza provozu stroje,

identifikace torzních vibrací,

automatická detekce a predikce poruch

 

 

Obr. 1. Klientský software CoDiS přenáší data na vzdálená PC uživatelů

Obr. 2. Blokové schéma systému CoDis

Obr. 3. Diagnostický systém CoDiS

Obr. 4. Záznam hodnot v průběhu přechodového děje

Obr. 5. Sledování teplotní dilatace