Цифровая система управления турбинами Xinhua DEH-V

Премьер-министр России Михаил Мишустин при осмотре экспозиции «Регионы России» отметил, что российские предприятия успешно развивают компетенции в производстве паровых турбин: «Это важное направление в развитии энергокомплекса страны. Наращиваются поставки паровых турбин внутри России, в Белоруссию и Казахстан».

Паровые турбины, являющиеся важнейшей частью многих энергетических установок, требуют высокоточного контроля и управления. Системы управления DEH (Digital Electro-Hydraulic Control System), EH (Electro-Hydraulic Control System) и DCS (Distributed Control System) играют здесь ключевую роль.

В последнее время все больше внимания уделяется цифровым системам управления: предприятия могут сделать выбор между собственными системами отечественной разработки и покупным программным обеспечением АСУ ТП от производителей из дружественных государств. Цифровые системы управления, такие как Xinhua DEH-V, обеспечивают эксплуатацию паровых турбин, оптимизируют производительность и позволяют сохранить работоспособность этих критически важных машин на долгий срок.

Группа компаний Xinhua обладает большим опытом создания таких систем. С момента своего основания в 1985 г. она выпустила более двух с половиной тысяч комплектов DEH и MEH для создания систем управления турбинами электростанций. В 2006 г. на базе систем XDPS400 и DEH-IIIA была изготовлена современная версия системы DEH-V, базовой платформой для которой стала Xinhua XDC800.

В новой системе DEH-V расширены области применения и функции АСУ ТП турбинного блока, основанной на DEH-IIIA. Система включает не только систему DEH, но и MEH (Mechanical Electro-Hydraulic Control — механо-электрогидравлическое управление), BPC (Boiler pressure control — регулятор давления пара котлоагрегата), ETS (emergency trip system — систему противоаварийной защиты), TSI (Turbine supervisory instrument — средство мониторинга состояния турбины) и SCS (вспомогательное оборудование турбины).

Система управления Xinhua DEH-V может применяться в следующих областях:

• системы управления различными типами турбин тепловых электростанций: промежуточными подогревателями, средствами отбора пара, конденсаторами, вакуумными установками, турбинами питательных насосов;
• система управления турбинами атомных электростанций;
• управление турбоагрегатами всех классов: турбины питательных насосов, турбины от 25 до 600 МВт и турбины большей мощности (включая управление турбинами атомных электростанций);
• системы управления турбинами промышленного применения: турбины для привода компрессоров, вентиляторов, насосов, судовые турбины;
• управление гидротурбинами.

Состав Xinhua DEH-V

Цифровая система управления турбинами Xinhua DEH-V состоит из двух основных частей — электронной цифровой системы управления турбинами DEH-V и электрогидравлической системы позиционирования EH, которая осуществляет физическое воздействие на турбину.

DEH-V использует аппаратное и программное обеспечение цифровой системы управления Xinhua серии XDC, включая вычислительный блок XCU, рабочие станции инженера и операторов, а также полевые системы ввода/вывода. Электрогидравлическая система EH Xinhua поддерживает два типа гидравлических систем с разными рабочими средами.

Цифровая система управления турбинами DEH-V имеет иерархическую структуру с четким разделением ролей и уровней элементов (рис. 1). Система регулирует частоту вращения и мощность турбины, позиционирует сервомоторы паровых клапанов, обрабатывает команды оператора и обеспечивает связь между системой управления турбинами и сетью управления электростанцией.

Рис. 1. Блок-схема цифровой системы управления турбинами DEH-V

У системы DEH-V есть следующие функциональные возможности:

• оптимизация управления технологическими процессами на основе изучения потребностей пользователей в области управления турбинами;
• высокопроизводительный 32-раз­ряд­ный процессор в качестве ядра контроллера Xinhua XCU;
• интеллектуальные модули ввода/вывода для критически важных задач с резервированными входами и выходами;
• модульная система ввода/вывода устраняет необходимость в дополнительных клеммных шкафах;
• технология разгрузки потоков данных и бессерверная (serverless) архитектура;
• поддержка промышленных сетей Ethernet и шин данных;
• работа в сети на базе веб-техно­логии, отображение информации и данных в реальном времени в окне браузера, передача файлов и данных по сети;
• графическое конфигурационное программное обеспечение со средствами визуального программирования.

Архитектура цифровой системы управления турбинами DEH-V включает систему управления турбинами DEH, систему управления установкой для подачи питательной воды MEH, систему управления байпасом турбины BPC, систему защиты ETS и мониторинга турбин TSI, которые образуют единую систему управления турбинами на электростанции.

Технические характеристики системы DEH-V

Системе DEH-V свойственны следующие технические характеристики:

• диапазон регулирования оборотов: до 15 000 об/мин;
• точность поддержания оборотов: ±1 об/мин;
• регулирование мощности от начальной нагрузки до 110% номинальной;
• точность поддержания мощности: 0,5%;
• статизм регулирования: 5% (настраиваемый в диапазоне 3–6%), коэффициент временной неравномерности настраивается в пределах 3–20 000%;
• коэффициент замедления: ≤ 0,06%;
• превышение скорости при сбросе номинальной мощности: < 7%;
• надежность: MTBF (средняя наработка на отказ) контроллера: > 150 000 ч;
• MTBF электрогидравлической системы EH: > 50 000 ч.

Конфигурация оборудования DEH-V

Аппаратный комплекс DEH-V включает шкаф управления, станцию инженера, станцию оператора и сегмент сети (рис. 2). Шкаф управления содержит резервируемый контроллер XCU, модуль измерения числа оборотов xSD, модуль сервопривода xSV и функциональные модули ввода/вывода. DEH-V для крупных блоков имеет два комплекта XCU для системы регулирования и технологической автоматики турбины ATC.

Рис. 2. Блок-схема контроллеров шкафа управления и сегмента сети

Станции инженера и оператора формируют человеко-машинный интерфейс (ЧМИ). Инженерная станция предназначена для параметризации и технического обслуживания, операторская — для контроля и управления турбиной. В DEH-V предусмотрена сеть уровня управления XDCNET и резервированная сеть полевого уровня IONET для передачи данных в реальном времени.

В системе DEH-V используются все интеллектуальные модули серии XDC800 для выполнения функций обработки сигналов. Модуль ввода/вывода состоит из процессора, гальванической развязки, АЦП/ЦАП, усилителя, защиты от перегрузки по току/напряжению, источника питания на входе в модуль, коммуникационных средств и других устройств, выполненных по технологии поверхностного монтажа.

Основные модули системы DEH-V:

• модуль измерения скорости вращения xSD;
• модуль сервопривода клапана турбины xSV;
• модуль ввода/вывода xAI: 8 аналоговых входов;
• модуль ввода/вывода xDI: 16 дискретных входов;
• модуль ввода/вывода xAO: 8 аналоговых выходов;
• модуль ввода/вывода xDO: 16 дискретных выходов;
• модуль автономного регулирования xLC: 4 аналоговых входа, 1 аналоговый выход, 4 дискретных входа, 4 дискретных выхода;
• модуль логической защиты xLP: 24 дискретных входа, 6 дискретных выходов.

Машинный контроллер XCU

Контроллер Xinhua XCU — ключевой компонент системы DEH-V, использующий резервированные шины IONET для управления вводом/выводом и сеть XDCNET для объединения XCU. Настройка ПО выполняется на станции инженера и может изменяться как в онлайн-, так и в офлайн-режиме. DEH-V может иметь один или два резервированных комплекта XCU.

Контроллер XCU имеет следующие особенности:

• Распределение функций: фун­кционально-децентрализо­ванная архитектура повышает доступность и надежность, распределяя риски отказа.
• Настройка резервирования: XCU может быть в резервированной конфигурации с горячим резервом, повышая надежность и время безотказной наработки.
• Графический редактор ПО: интуитивный графический редактор соответствует международному стандарту IEC61131-3, обеспечивая удобное программирование.
• Многозадачная операционная система: поддерживает многопоточную обработку данных, позволяя контроллеру одновременно управлять объектами с различными требованиями.
• Онлайн-настройка: XCU поддерживает настройку в режиме онлайн без перекомпиляции и загрузки всего ПО, упрощая конфигурацию и отладку.
• Мощные процессорные функциональные модули: встроенные функциональные блоки алгоритмов поддерживают разнообразные функции управления и пользовательские настройки.
• Автоматический переход при включении: XCU автоматически переходит в нормальный режим при включении питания.
• Горячая замена: XCU можно подключать и отключать при работе системы, упрощая обслуживание.

Модуль измерения скорости вращения xSD

Модуль xSD для автономного управления турбиной в составе XCU предоставляет интеллектуальные функции измерения и защиты от превышения скорости вращения. Он построен на базе высокопроизводительного 16-разрядного процессора RDC8830 с широкими возможностями обработки данных. Максимальное адресуемое пространство памяти — 1 Мбайт, пространство ввода/вывода — 64 кбайт, также предусмотрены три 16-разрядных таймера/счетчика и многоуровневая система прерываний.

Модуль измеряет частоту вращения турбины, обеспечивает защиту от превышения частоты и выполняет функции определения сброса нагрузки и дисбаланса электрической мощности. В системе DEH-V используется до шести модулей xSD для надежного регулирования частоты и защиты от превышения скорости, предотвращая ошибочное срабатывание защиты.

Технические характеристики модуля xSD:

• 1 канал измерения частоты (0~10 кГц);
• точность: 0,1 об/мин;
• минимальное пороговое входное напряжение: 100 мВ;
• цикл измерения: <20 мс;
• 8 дискретных входов;
• 4 дискретных выхода.

Модуль обеспечивает полную гальваническую изоляцию входов/выходов, низкое энергопотребление, поддержку горячего подключения/отключения и индикацию состояния.

Модуль сервопривода клапана турбины xSV

Модуль xSV предназначен для системы DEH-V и обеспечивает ПИД-регулирование через гидравлические распределители, используемые для позиционирования сервоприводов клапанов турбины. Один модуль xSV управляет одним сервоприводом. Для ввода сигнала положения используются операционные усилители (ОУ) с высоким входным сопротивлением и 16-разрядный АЦП. Процессор RDC8830 обеспечивает различные операции по выборке, обработке сигналов, ПИД-регулированию клапана и связи с главным процессором.

Модули xSV поддерживают дублированный режим, что исключает потерю управляемости клапана в случае отказа модуля xSV. Они работают совместно с интегрированной платой управления гидравлических распределителей, имеющей собственный замкнутый контур.

Технические характеристики модуля xSV:

• погрешность измерения: < 0,1%;
• 2 аналоговых выхода 0~20 мА с погрешностью < 0,2%;
• 7 дискретных входов;
• 1 релейный выход 1 A/30 В пост. тока;
• гальваническая изоляция: 3000 В;
• время цикла управления: 10 мс в резервированном режиме;
• точность позиционного регулирования: 1%;
• время переключения: 30 мс.

Для надежного резервирования применяется отключение выхода при отказе источника питания и отсоединении кабеля.

Имеется самодиагностика процессора, контроль сигнала обратной связи, калибровка выхода ЦАП, обнаружение неисправности выхода усилителя. Два резервированных модуля синхронизируются через независимые каналы связи, включая выдачу команд управления. Выход формируется на основе оценки состояния основного и резервного модуля.

Станции человеко-машинного интерфейса (ЧМИ)

Станции инженера ENG и оператора OPS составляют ЧМИ системы DEH-V с использованием промышленного ПК под управлением Windows, монитора и принтера. DEH-V обладает простым и интуитивно понятным интерфейсом оператора, при этом станция ENG может выступать в роли резервной для оператора.

OnXDC — программный пакет Xinhua Group для ЧМИ и XCU (контроллера) системы XDC800. OnXDC и аппаратная часть разработаны как единое целое, включая программное обеспечение для разработки графического интерфейса xHMI и графического программирования алгоритмов xCU, соответствующего стандарту IEC 61131-3.

OnXDC использует единую распределенную базу данных в сети передачи данных, без промежуточных серверов-шлюзов, что исключает узкие места в архитектуре системы DCS. В реальном времени отображается информация через браузер, поддерживаются мультимедийные приложения, есть предустановленные и пользовательские функциональные блоки для удобного программирования.

Инженеры могут следить за процессами управления, модифицировать алгоритмы, проводить отладку и генерировать отчеты. Система обладает продвинутой функцией само­диагностики для точного определения отказов.

Станция оператора (OPS) DEH-V оснащена многооконным интерфейсом для мониторинга работы турбоагрегата в реальном времени через блок-схемы, гистограммы, графики трендов и другие формы. Она отображает текущее состояние системы, сигнализацию, историю, тренды изменения параметров и событий.

Станция инженера (ENG) предоставляет средства программирования и управления: конфигурацию системы, генерацию баз данных, редактирование графического интерфейса, алгоритмов управления, создание отчетов и ведение журнала. Программное обеспечение позволяет реализовать 3D-графику процессов; создание отчетов можно настроить на генерацию периодических, условных и исторических отчетов.

Электрогидравлическая система позиционирования EH

Система ЕН состоит из трех основных частей: маслонапорной установки, блоков управления и системы аварийного отключения.

Маслонапорная установка (рис. 3) содержит блок подачи масла, регенерационную установку и систему масло­проводов. Работает ЕН при давлении 14,5 МПа, обеспечиваемом парой регулируемых насосов. Внутренняя независимая система фильтрации и система охлаждения поддерживают масло в рабочем состоянии. Маслонапорная установка имеет емкость для одновременного обслуживания гидравлических систем управления DEH, MEH и BPC, то есть три системы DEH, MEH и BPC могут использовать один и тот же гидроаккумулятор.

Рис. 3. Маслонапорная установка

Примеры блоков управления для турбин разной мощности:

• Турбина мощностью 1000 МВт с 9 паровыми клапанами, включая стопорные и главные, управляемые электромагнитными клапанами. Система имеет 9 приводных механизмов. Система для турбины мощностью 900 МВт аналогична, но отличается размерами.
• Система для турбины мощностью 600 МВт содержит 12 приводных механизмов, управляемых электромагнитными приводами и сервоприводами для контроля стопорных и регулирующих клапанов.
• Гидравлическая система управления для паровой турбины мощностью 300 МВт включает 12 приводных механизмов. Два электромагнитных привода управляют стопорными клапанами СД, а десять сервоприводов контролируют открытие стопорных и регулирующих клапанов ВД и СД.
• Гидравлическая система для турбины мощностью 100 МВт имеет пять приводных механизмов. Один электромагнитный клапан отвечает за открытие стопорного клапана, а четыре сервопривода управляют открытием четырех регулирующих клапанов ВД.

Система аварийного отключения (ETS) реагирует на аварийные ситуации или выход рабочих параметров блока за предельные значения. При срабатывании электромагнитного клапана AST EH снижает давление в предохранительной линии, закрывает стопорный клапан вводного пара, автоматически отключая установку. Работа электромагнитных клапанов AST параллельно обеспечивает резервный механизм для максимально безопасного отключения.

Система ETS интегрирована с DEH, оказывая воздействие через компоненты EH и маслопровод. После срабатывания ETS блокируются все элементы DEH. Кроме того, электромагнитный клапан AST быстро закрывает стопорный клапан и сбрасывает сигнал задания на контроллер DEH и модуль сервопривода клапана.

Энергосберегающая гидравлическая система

Энергосберегающая гидравлическая система с противоизносным маслом рекомендуется для установок мощностью более 100 МВт с электрогидравлическим регулятором высокого давления. Для установок мощностью менее 100 МВт применяется электрогидравлический регулятор низкого давления. Характеристики управления обеих систем схожи, но система высокого давления обеспечивает лучшую эффективность регулирования и уровень безопасности отключения, особенно для крупных агрегатов.

Сервопривод высокого давления обладает высокой точностью управления, динамикой и компактностью, но требует специфического обслуживания из-за использования фосфорсодержащих антипиренов.

Система с противоизносным маслом, напротив, более экологична, экономически эффективна и обеспечивает высокий уровень безопасности. Она представляет собой новое поколение оборудования с независимым источником масла, стандартизованное в проектировании и легкое в обслуживании, что снижает риски отказов и упрощает процесс модернизации системы низкого давления. Энерго­сберегающая гидравлическая система с противоизносным маслом может полностью заменить классические сервомоторы для управления регулирующими клапанами турбины в системе DEH.

Обеспечение надежности DEH-V и резервирование

Резервирование управления системой включает:

• резервирование контроллера XCU с отказоустойчивым программным обеспечением для двух станций;
• резервирование высокоскоростной сети передачи данных;
• резервный источник питания модулей ввода/вывода;
• резервирование критически важных сигналов, резервирование модулей ввода/вывода;
• выбор канала измерения скорости по логике «два из трех»;
• выбор канала скорости по логике «два из трех» в OPC для контроля и защиты от превышения скорости;
• два независимых ввода переменного тока;
• резервирование функций управления сервоприводами.

Итоговый сигнал, сформированный путем выбора двух из трех, считывается через три отдельных модуля ввода/вывода, при этом каждый модуль ввода/вывода размещается в отдельном интерфейсе связи с центральным процессором.

Таким образом, обработку проходят сигналы по следующим параметрам:

• давление пара;
• давление в регулирующей сту­пени;
• давление отбора;
• скорость вращения турбины с автоматическим управлением скоростью;
• работа противоразгонной защиты OPC;
• мощность генератора;
• останов турбины;
• подключение к сети (генераторный выключатель);
• регулирование скорости.

Защитные механизмы управления турбиной предусматривают:

• проверку трения турбины (длительность выбега ротора);
• противоразгонную защиту;
• автоматический набор нагрузки;
• регулирование отвода тепловой нагрузки;
• контроль и ограничение давления пара;
• контроль исправности клапанов;
• меры подавления вибрации;
• индикацию аварийных сигналов на станциях оператора и инженера.

Цифровой промышленный контроллер паровой турбины XTC-M800

Контроллер Xinhua XDC800 подходит для малых и средних турбо­генераторных установок, может быть интегрирован в локальную систему управления.

Основные характеристики:

• диапазон регулирования скорости: 30–3400 об/мин, точность: ±1,5 об/мин;
• диапазон регулирования нагрузки: 0–115%, точность регулирования нагрузки: ±0,5%;
• точность регулирования давления отбора паров: ±1%;
• статизм регулирования по частоте настраивается в диапазоне 3–6%, мощность теплофикационного отбора: 0–20%;
• превышение скорости вращения при сбросе номинальной нагрузки: < 6%;
• коэффициент готовности системы, не менее: 99,9%;
• устройство XTC-M800 работает при температуре –10…+60 °C и относительной влажности воздуха 10–90% (без образования конденсата).

Возможности расширения системы DEH-V:

• DEH-V расширяется для управления различными системами электростанций, такими как управление турбинами, питательными насосами, перепускными клапанами, аварийной остановкой турбины, вспомогательным управлением и системами диагностики.
• Децентрализованное управление по Ethernet, операторская и инженерная станции на платформе Windows.
• DEH-V использует три канала для регулирования и требует меньше масла, благодаря чему достигается лучшая экономическая эффективность.
• Контроль и защита от превышения скорости OPC и DEH-V, включая аварийную остановку ETS, выполнены с использованием трех измерительных каналов.
• Дополнительные технологии включают: автооператор, станционный координатор, автоматическое вторичное регулирование и технологическую автоматику.
• Автоматический пуск-останов ATC обеспечивает автоматизацию процессов и синхронизацию.
• Резервирование основных контуров управления XCU, включая регулирование скорости, мощности и давления пара.
• Дублированный сигнал обратной связи для предупреждения отказа и интеллектуальные модули серво­привода клапана.
• Управление клапанами, их линеаризация и поддержка различных типов клапанов.
• Испытание клапана на полный ход включает проверку хода и посадки, а демпфирование EH предотвращает столкновения.
• Электрогидравлическая система EH обеспечивает независимую систему фильтрации, циркуляции и контроля качества масла, проходит полнофункциональные проверки.

Сотрудничество с Xinhua Group

Xinhua Group является лидером в производстве систем управления (DEH), электрогидравлических систем (EH) и распределенных систем управления АСУ ТП (DCS) в Китае и отличается высокой репутацией на рынке. Система управления самостоятельно разработана Xinhua Group с полностью независимыми правами на интеллектуальную собственность.

Система DEH-V — это новейшее поколение сетевой цифровой системы управления паровыми турбинами, разработанной компанией Xinhua Group с учетом конструкторских разработок, опыта НИОКР и практик эксплуатации систем AEH (с 1975 г.) и систем DEH (с 1990 г.) в Китае.

Все оборудование имеет многочисленные международные сертификаты и разрешено к использованию.