GÁZTURBINA-OPERÁTOROK TOVÁBBKÉPZÉSÉRE SZOLGÁLÓ SZIMULÁTOR FEJLESZTÉSE HAZÁNKBAN LITÉREN, SAJÓSZÖGEDEN ÉS LÔRINCIBEN HÁROM NYÍLTCIKLUSÚ GÁZTURBINÁS CSÚCSERÔMÛ LÉTESÜLT. EZEK A GYORSINDÍTÁSÚ TARTALÉK EGYSÉGEK A HAZAI ENERGIAFOGYASZTÁSI CSÚCSOK ÉS ESETLEGES TELJESÍTMÉNYKIESÉSEK KISZABÁLYOZÁSÁRA SZOLGÁLNAK. AZ EDDIGI TAPASZTALATOK SZERINT AZ ILYEN ERÔMÛVEK INDÍTÁSÁRA CSAK RITKÁN KERÜL SOR, EZÉRT AZ OPERÁTOROK GYAKORLATBAN TARTÁSÁRA ÉS TOVÁBBKÉPZÉSÉRE A LEGJOBB SEGÍTSÉGET A SZIMULÁTOROK NYÚJTHATJÁK. AZ ERÔMÛVEK LÉTESÍTÉSEKOR KIDERÜLT, HOGY A SAJÓSZÖGEDI ÉS LITÉRI PG 9171E TÍPUSÚ GÉPHEZ A SZÁLLÍTÓ EGT NEM RENDELKEZIK SZIMULÁTORRAL. ÍGY MERÜLT FEL, HOGY AZ MVM RT. MEGBÍZÁSÁBÓL EGY SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁTORT (SZOFTVER ÉS GRAFIKA) FEJLESSZEN KI A VEIKI RT. BENEDEK SÁNDOR, ORMAI LÓRÁNT
A munka elsô fázisában a gázturbinás erômû dinamikai viselkedésének fizikai-matematikai modelljét írtuk le. Ez a modell az indítási, leállítási és a teljesítmény üzemi dinamikát foglalta magában. Ezek után készítettük el a szimulációs szoftvert, majd változó üzemállapotokra (indítás-leállítás, felterhelés-leterhelés) számított tranziensek eredményeit mutattuk be [1, 2]. Külön köszönetet szeretnénk mondani Lázár Róbertnek, a litéri erômû munkatársának, aki a gázturbinás csúcserômû üzemével kapcsolatos információkkal munkánkat segítette.
SZÁMÍTÓGÉPI MATEMATIKAIFIZIKAI SZIMULÁCIÓS MODELL KÉRDÉSEI A nyíltciklusú erômû fôberendezése 120 MW teljesítményû European Gas Turbines cég által gyártott PG 9171E típusú gázturbina. E típust a General Electric fejlesztette ki és az EGT licenc alapján gyártja. Jelenleg olajtüzeléssel használják, de gáztüze-
54
Tüzelôanyag (olaj) ellátás Vízbefecskendezés Levegô
Levegôellátó rendszer
Égôkamra
G Kompresszor C
Generátor
T Gázturbina Gáz
1. ÁBRA NYÍLTCIKLUSÚ GÁZTURBINÁS ERÔMÛ FÔ ELEMEI
lésre is alkalmas.A nyíltciklusú gázturbinás erômû szimulációs modelljének kialakításánál [3, 4, 5] fôleg arra voltunk tekintettel, hogy modellünk alkalmas legyen az indítási, leállítási és a normál teljesítményüzem szimu-
A rendszer inputjai u üzemanyagáram u levegôáram u külsô levegôhômérséklet u vízbefecskendezés árama
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
lálására. Az alapul vett nyíltciklusú gázturbinás erômû fô elemei az 1. ábrán láthatók. Az egyes szerkezeti elemekben lezajló folyamatok matematikai-fizikai elméleti modelljeit az [1, 2] jelenté-
u u u u
outputjai villamos teljesítmény fordulatszám kilépô gázáram kilépô gáz hômérséklete
Kompresszor kilépô nyomás, bar
Szimulátor Mérés
Külsô levegô hômérséklet teljesítmény beállítás korlátozások üzemanyag-áram
14 12 10 8 6 4 2 0
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Villamos teljesítmény, MW
162 142 122 102 82 62 42
Fordulatszám (-)
22 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
Gáz tömegáram (kg/s)
2. ÁBRA SZÁMÍTÁSI SÉMA, EMPIRIKUS KARAKTERISZTIKÁK RÉVÉN
170
160 Villamos teljesítmény, MW
sünkben ismertettük. Az átmeneti állapot egyes fázisainak szimulációjához azonban sem analitikai, sem mérési úton nyert karakterisztikák nem álltak rendelkezésre. Ezeket a szállító nem adta át, azonban a hazai erômûvi mérési eredmények [6] részben segítséget nyújtottak. Így a lényeges „kompresszor nyomásviszony – gáz tömegáram karakterisztikát” empirikus úton a [6] eredményei alapján tudtuk meghatározni. Sajnos, kis közegáram (kis teljesítmény) tartományban nincsenek eredmények, javasoljuk ezek jövôbeli elvégzését. Ugyancsak nincsenek összefüggések az alacsony fordulatszámoknál, kis tömegáramoknál (teljesítményeknél) a kompresszió nyomásviszony és a tömegáram közti karakterisztikára. E tartományra, Traupel nyomán [3], durva közelítésként a tömegáram, a relatív fordulatszám 1,5 hatványával került meghatározásra. Minden esetben a fô nehézséget az jelenti, hogy a levegô/gáz tömegáramot nem mérik, és ez csak pontatlanul számolható vissza a többi mért változó értékeibôl. Nehezíti a helyzetet, hogy az IGV (levegôrendszer) nyitottsági foka és a levegô tömegáram közti kapcsolat is csak becsülhetô a [3] alapján. A szimulációs modellben két differenciálegyenlet van. Az egyik a rotor és a generátor fordulatszám idôbeli változását modellezi, a másik pedig az üzemanyag-áram idôbeli változását írja le. A fordulatszám változását egytárolós szakasz, az üzemanyagáram változását pedig integráló szakasz írja le. Az utóbbi változás modellezése a vártnál egyszerûbb lett, a jól kialakított logikai feltételek használatával. A modell a gázturbina indító motor vezérlését, a névleges fordulatszám elérése után a generátor szinkronizálását, a teljesítmény növelését és csökkentését, leállítását is tartalmazza. A valóságban lehetséges változatok kijelölését, így az alap (base load) és csúcsterhelés (peak load), valamint a normál és a gyorsított felterhelés beállítását a modell tartalmazza. A turbinából kilépô hômérséklet megengedett értékei (540 vagy 570 °C) korlátozzák a max üzemanyagáramot. A következôkben a számítási sémát mutatjuk be a 2. ábrán. Ehhez
150
140
130
120
110
100 -10
-5
Szimulátor
0
5
10
15
20
25
30 35 Hômérséklet, °C
Mérés
3. ÁBRA KÖRNYEZETI HÔMÉRSÉKLET HATÁSA A TELJESÍTMÉNYRE (ALAPTERHELÉS, VÍZ BEFECSKENDEZÉSE NÉLKÜL)
az eddig ismeretlen, de szükséges karakterisztikákat empirikus úton, a mért tranziensek visszaellenôrzésével határoztuk meg a gáz tömegáram függvényében. Ezek a karakterisztikák azon munkapontok trajektoriája, ahol a kompresszor és a gázturbina saját karakterisztikái
metszik egymást. A litéri erômû garanciális mérési eredményeit [6] is feltüntettük összehasonlításképpen. A sajószögedi erômûben végzett mérések is hasonló eredményt adtak [6]. A számítási ciklus a villamos teljesítmény (fordulatszám) felvételével
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
55
(pl. indítómotor) indul. A kiadódó közegáram segítségével a kompresszor nyomásviszony ismertté válik. Ez, valamint a külsô levegô hômérséklete, a teljesítmény elérésének választott módja, s egyéb korlátozások szabják meg az üzemanyagáramot és végül a villamos teljesítményt, és így tovább. A fordulatszámot és az üzemanyagáramot – mint említettük – differenciálegyenlettel határozzuk meg. Az integrálásra az Euler-módszert használjuk. A lépésköz fix 0,01; s így a számítási sebesség sokszorosa a valódi folyamatok sebességének. A real-time üzemmód biztosítását a számítógép belsô CPU-ja vezérli. További lehetôség van a szimuláció 10-szeres gyorsítására.
Kompresszor kilépô nyomás (bar)
Fordulatszám (-) 1
14 12
0,8 10 0,6
8 6
0,4
4 0,2
2
0
0 0
1000
2000
3000
0
4000 s
Gáz tömegáram (kg/s)
1000
2000
3000
4000 s
Kompresszor kilépô hômérséklet (°C) 350
450 400
300
350 250
300 250
200
200
150
150
100
100 50
50
SZIMULÁTORRAL NYERT EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA A MÉRÉSI EREDMÉNYEKKEL
0
0
1000
2000
3000
4000 s
Szimulátor
0
0
1000
2000
3000
4000 s
Mérés
4. ÁBRA IDÔBELI FOLYAMATOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA
STACIONER ÜZEMÁLLAPOTOK Az elôzôekben említett (litéri és sajószögedi erômû) garanciális mérések [6] eredményeivel érdemes szimulátorunk eredményeit összehasonlítani. Az összehasonlítást az alapterhelésen (base load, kb. 125 MW), és részterhelésen (90 és 60 MW) végeztük el. Azonos környezeti hômérsékletet feltételezve a villamos teljesítményt, a kompresszor kilépô nyomását, a turbina kilépô hômérsékletét, és az üzemanyagáramot hasonlítottuk össze. Megállapítható, hogy az eredmények jó egyezést mutatnak [2]. Ismeretes, hogy a környezeti belépô levegô hômérséklete jelentôsen hat a villamos teljesítményre. Ezért a 3. ábrán ennek hatását mutattuk be alapterhelésû üzem esetén.
Tüzelôolaj tömegáram (kg/s)
Villamos teljesítmény (MW) 160 140
12 10
120 8
100
6
80
4
60 40
2
20 0
0 -20
-2 0
1000
2000
3000
A szimulátor mûködésének ellenôrzésére Litéren néhány dinamikai mérést [7] is végrehajtottak 2001-ben. Ezek az alapterhelésû (normál felterhelésû) üzemben készültek. A 4. és
56
1000
2000
3000
4000 s
Kompresszor kilépô hômérséklet °C
Turbina belépési hômérséklet (°C) 1400
600
1200
500
1000
400
800 300 600 200
400
100
200
TRANZIENS ÜZEMÁLLAPOTOK
0
4000 s
0
0
1000
2000
Szimulátor
3000
4000 s Mérés
5. ÁBRA IDÔBELI FOLYAMATOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
0
0
1000
2000
3000
4000 s
6. ÁBRA LITÉR 01 GT BLOKK – SZIMULÁTORRAL KAPOTT ÉRTÉKEK VÁLTOZÁSA
5. ábrákon a mérésekkel és a szimulátorral kapott eredmények hasonlóságát mutattuk be az idô (s) függvényében. Összefoglalva, a vizsgált stacioner és a tranziens üzemállapotokban a szimulátor – annak ellenére, hogy számos becslést kellett alkalmazni – jó eredményt adott. Az esetenkénti néhány százalékos eltérés a fô célkitûzést, az operátorok sikeres treníroztatását nem befolyásolja.
A SZIMULÁTORRAL KAPOTT EREDMÉNYEK KÜLÖNBÖZÔ ÜZEMI HELYZETEKBEN A következôkben valódi szimulátorral kapott képet mutatunk be. A 6. ábrán a csúcsteljesítményû (peak load) és gyors felterhelésû (30 MW/min) üzem indítása, majd leállítása, és újbóli indítása normál felterheléssel látható. Alul a nyolc mérési helyen mért pillanatnyi értékek is láthatók.
Az indítómotort 100 s-nál kapcsoljuk be, s a fordulatszám 580 s-nál eléri a névlegeset. A generátort szinkronizáljuk. Érdekes, hogy a turbina belépô és kilépô hômérsékletek 500 s környékén újból visszaesnek, ez a közben kinyitó IGV miatti levegôáram hirtelen növekedése miatt áll elô. A névleges teljesítményt 900 s-nál érjük el, majd a teljesítményt tartva 1300 s-nál a gépet elkezdjük leterhelni. Minimális teljesítménynél a generátor legerjesztésével a generátort leválasztják a hálózatról és azután kifut a forgórész, majd újból indítjuk a gépet.
INTERAKTÍV GRAFIKUS KEZELÔI FELÜLET KIALAKÍTÁSA A gázturbina szimulátor kezelô felülete a Microsoft Visual Basic 5.0 Professional programfejlesztési környe-
zetében készült. A Visual Basic szabványos elemkészletén kívül a Windows API (Application Interface) rutinjait használja, a 32 bites Windows (Windows 2000, Windows NT 4.0, Windows Me, Windows 98, Windows 95) operációs rendszerek egyikében mûködtethetô. Mivel grafikus felületet használ, képeket jelenít meg, a képernyô felbontásával kapcsolatban azzal a megkötéssel élünk, hogy 1024 x 768 képpontos felbontásra kell beállítva lennie legalább 8 (inkább 16 vagy több) bites színmélységgel. A GT Windows-os program, amelynek kezeléséhez egérre is szükség van. Indításakor a címlapkép jelentkezik. Megjelenik – az erômûvihez hasonló – kezelôfelület (7. ábra). Ezen jobb oldalt felül a dátum és a pontos idô, alul a képmezô éppen kijelölt pontjának (amelyre az egér mutat) koordinátái láthatók. 15 nyomógomb képe helyezkedik el a jobb szélsô oszlopban:
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
57
7. ÁBRA ERÔMÛVI KEZELÔFELÜLET
1. A legfelsô nyomógombbal a reteszelést lehet feloldani, ugyanis a beavatkozást a program csak arra jogosult személynek engedi meg. 2. A befecskendezett víz mennyiségének (az olaj tömegáram százalékában), valamint a környezeti levegô hômérsékletének beállítása. (Mellesleg az ezek beállítására megjelenô felületen kérhetô az a szolgáltatás is, hogy a szimulátor tízszeresen felgyorsítva mûködjék.) 3. A gázturbinás erômû kapcsolásának megjelenítése. Ezen az ábrán a fekete hátterû téglalapok egyikére kattintva párbeszédablak (ez egy újabb felület) jelenik meg. 4. A gázturbina porlasztó levegô és víz befecskendezési rendszere ábrájának megjelenítése. 5. A gázturbina tüzelôanyag körei és szûrôállványa technológiai ábrájának megjelenítése.
58
6. A gázturbina hidraulika olajellátási rendszere technológiai ábrájának megjelenítése. 7. Nyolc tetszôlegesen kijelölhetô technológiai változó értéke idôbeli változásának követésére diagram. A gombot megnyomva elôször egy lista látható: a technológiai változók listája. Rákattintva egy sorra, a sor kijelöltté válik. Nyolc mérôhelyet lehet ilyen módon kijelölni. A Kijelölve feliratú gombra kattintva a párbeszédablak bal oldalán látható, hogy melyik csatorna milyen színû vonalként lesz látható a diagramon. A vonalszíneket a színes szövegdobozba való kattintással megjelenô paletta segítségével módosítani lehet. A Mehet feliratú gombra kattintva a diagram képzése és megjelenítése elkezdôdik. (A Mégsem gombra kattintva a diagramra kigyûjtött technológiai változók kijelölését újra kezdhetjük.) A diagram
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
8.
9.
10.
11.
pontjait a program akkor is tovább gyûjti, ha más ábrára kapcsoljuk át a megjelenítést. Újra a diagramot megjelenítô gombra kattintva a diagramon való megjelenítésre kijelölt (legfeljebb 8) technológiai változó utolsó 4000 másodpercét (400 pontját) láthatjuk. A diagramnak a képernyôn látható állapota nyomtatható is. A diagramra kijelölt csatornák törlése (az elôzô gomb megnyomásával a diagramon való megjelenítésre új technológiai változók kérhetôk). Az éppen megjelenített ábra nyomtatása (elsô nyomtatás elôtt a nyomtató kijelölhetô). Az indítómotor bekapcsolva, illetve kikapcsolva állapot váltása (a megjelenítés tesztelése érdekében). A tüzelôanyag szabályozó szelep állapotának változtatása (rajzolás tesztelése céljából).
12. A generátor megszakító állapotának változtatása (tesztelés lehetôségének biztosítására). 13. Kilépés a szimulátor programból. Erre a gombra kattintva a program mûködése félbemarad, a Windows asztalhoz tér vissza a vezérlés. 14. Koordináták kiírásának be-/kikapcsolása. 15. Dátum és idôpont be-/kikapcsolása. (A dátum-idô megjelenítésének kikapcsolásakor a szimulátorprogram belsô órájának mûködése is leáll, a dátum-idô megjelenítésének visszakapcsolásáig szünet van a szimulátor „életében”.) A programban 21 technológiai változót kezelünk egységesen. Az éppen megjelenített ábrán látható technológiai változók értékét a program egy másodperces ciklussal frissíti. A figyelt kapcsolók, szelepek állapotát pl. a 7. ábrán követhetjük nyomon. A gázturbina folyamatábra fekete, téglalap alakú részleteire kattintva képet válthatunk, gázturbinát indíthatunk, illetve leállíthatunk, megadhatjuk a felterhelés sebességét, módját. A programhoz környezetérzékeny súgó tartozik. Ez a bonyolult kifejezés arra utal, hogy a GT program éppen elért állapotának megfelelô sú-
gólapot látjuk, ha az F1 billentyût megnyomjuk. A képernyôn látható nyomógombokra pedig az egérrel 12 másodpercig rámutatva felirat jelenik meg (ToolTipText), amely a nyomógomb feladatára utal.
A GT SZOFTVER A Visual Basic program egy osztály modulból, három közös modulból és tíz felületbôl áll. Az osztály (clsGTRajz) modul a rajzolást végzi. Egy-egy újabb példányát létrehozva hol a képernyôre, hol pedig egy Windows metafájlba (ennek névkiterjesztése „wmf”) ír. Utóbbi speciális esete a nyomtatás, a PaintPicture metódus segítségével a *.wmf fájl a Printer objektumon kiíratható. Az osztály modulban nem csupán a szabványos geometriai alakzatok (vonal, téglalap, kör, körcikk, körszelet, trapéz stb.) rajzolásához szükséges eljáráskészletet, hanem az adott feladatban szereplô valamennyi ismétlôdô képrészlethez (pl. ventilátor, szivattyú, szabályozószelep) kívülrôl hívható rajzoló eljárást is elkészítettük. A közös modulok egyike (modGTAdatok) az adatokat tartalmazza. Ebben a modulban található a technológiai változók mindegyikének leírása. A szimulációhoz szüksé-
ges további adatokat és a technológiai változók értékét is ebben a modulban tároljuk. Másik közös modul (modGTRajz) a Windows metafájlok kezeléséhez nyújt segítséget, tartalmazza a metafájlok megnyitásakor és lezárásakor hívott eljárásokat. Szintén közös modul (modWinAPI) tartalmazza a használt Windows API (Application Interface) eljárások adatstruktúráinak, illetve hívásának definícióját.
IRODALOM [1]
[2]
[3] [4] [5]
[6]
[7]
Benedek, S.: Gázturbina operátorok továbbképzésére alkalmas szimulátor fejlesztése (I). VEIKI 62.11-901 sz. jelentés, 1999 Benedek, S.: Gázturbina operátorok továbbképzésére alkalmas szimulátor fejlesztése (II és III). VEIKI 62.11-001 sz. jelentés, 2000–2001 Traupel, W.: Thermische Turbomaschinen (Vol. II), Springer Verlag, Berlin, 1968 Fülöp, Z.: Gázturbinák, Mûszaki Könyvkiadó, 1975 Tóth, Zs. és Fenyves, I.: Gázturbinák és energetikai alkalmazásuk, BME Továbbképzô Intézete, 4782 sz. elôadás, 1971 A Litéri és a Sajószögedi Erômûvekben végzett garanciális mérések eredményei. MVM információ, 1998 A Litéri Erômûben végzett dinamikai mérések. Személyes információk, 2001.
HÍREK
AZ MVM A MAGYAR CSAPAT TAGJA LETT A Magyar Villamos Mûvek is csatlakozott a legkiválóbb magyar sportolókat és szakágakat tömörítô Magyar Csapat programhoz. Az évi 48 millió forintos támogatásról szóló megállapodást december 22-én írta alá a legnagyobb hazai villamosenergia-vállalat elnök-vezérigazgatója. „A sportban a csapatmunka hozhatja meg a sikereket. De a legjobb legtehetségesebb sportolók és csapatok sem lehetnek önmagukban erôsek, ha nem áll mögöttük egy erôs támogatói csapat. Örülök, és büszke vagyok arra, hogy az energetika területérôl egyedül az MVM felelt meg a Magyar Csapat nevû program elvárásainak, és így hama-
rosan más kiemelkedô magyar vállalatokkal együtt szoríthatunk a sikerekért.” – mondta Katona Kálmán az aláírás kapcsán. A 12 kiemelt sportág (atlétika, birkózás, kézilabda, kajak-kenu, kosárlabda, labdarúgás, öttusa, tenisz, torna, úszás, vízilabda, vívás) sikereit elôsegítsék olyan cégek, amelyek a magas színvonalat nemcsak saját munkájukban, hanem támogatási elveikben is fontosnak tartják. A Magyar Villamos Mûvek (MVM) eddig elsôsorban tömegsport rendezvényeket és eseményeket támogatott, mert a hazai sportéletben nehezen tudott volna olyan egyedi célt megtalálni, amely jól illeszkedik céljaihoz. „A Magyar Csapat tagjának azért jó lenni, mert a cél az, hogy minden hazai iparágból a legjobbak álljanak a sport legjobbjai mögé. Ez
csapatmunka mindkét oldalon.” – tette hozzá Katona Kálmán. A sportszponzoráció a világ fejlettebb gazdasággal rendelkezô országaiban évek óta nagyszerû üzlet a sportnak, a szponzoroknak és a médiának egyaránt. A villamos energetikai piacnyitásra készülô MVM ebbôl nem maradhat ki. Ezzel a kezdeményezéssel az érintett támogatókkal együtt azt próbáljuk meg elôsegíteni, hogy a sportszövetségek bevételeiknek nagy részét hamarosan már piaci forrásokból teremtsék elô. A Magyar Villamos Mûvek neve a két ünnep között, december 29-én a Nemzetközi Vízilabda Szövetség által megrendezésre került vízilabda Szuper Kupa döntôn (Dominó BHSE–Vasas Plaket mérkôzés) már olvasható volt a támogatók között.
A MAGYAR VILLAMOS MÛVEK KÖZLEMÉNYEI n 2001/04
59
