ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS 2.6 4.5
Erőművi gőzfejlesztő vonalak folyamatirányítást segítő diagnosztikai rendszerei Tárgyszavak: erőművi gőzrendszerek; modellezés; szimuláció; diagnosztikai rendszer.
Az erőművek gyártói – tekintettel a nagyfokú automatizáltsággal és kevés személyzettel működő üzemekre – olyan diagnosztikai programokat is kínálnak, amelyek mélyebb betekintést engednek a folyamatokba, és határhelyzetekben nagy segítséget nyújtanak a kárelhárításhoz. Az eredeti terv és az utószámítás folyamatos összehasonlítása nyomán a változások korán felismerhetők, és elkerülhetők a kedvezőtlen üzemi állapotok, vagy elvégezhetők a szükséges beavatkozások, végül mód van trendek megfigyelésére is. Az égetőművek korszerű irányítását diagnosztikai rendszerek teszik lehetővé, amelyekkel a liberalizált energiapiac versenyfeltételei és a hatályos ökológiai követelmények mellett fenn lehet tartani – folyamatos felügyelettel és dokumentálással is kísérve – a berendezések gazdaságos és tudományosan megalapozott működését – hatásfok, – karbantartási ráfordítás és – élettartam-felhasználás tekintetében egyaránt. Ehhez a mai diagnosztikai rendszerek olyan módon és mértékben tömörítik a terep- és folyamatinformációkat, hogy az erőmű valamennyi szintjét érintő javaslatokat és döntéseket ugyanazon adatbázison lehessen meghozni. A diagnózis értéke a topológia modellezésétől és a méréstechnika hitelesítésétől függ, és ez dönti el azt is, hogy az eredmények felhasználhatók-e javaslatokhoz és automatikusan zárt ciklusú csatlakoztató műveletekhez. Fontos használati feltétel, hogy egységes diagnosztikai eszköz legyen használható tervezéshez, utánszámoláshoz és az ún. „mi történik ha” – („what-if”-) forgatókönyvekhez.
Modellezés Az erőmű üzemfelügyelete és -optimálása annak olyan modelljén alapul, amelyhez energiamérlegeket lehet felállítani, mégpedig minél hatékonyabb számítási módszerrel, a rendszer néhány gyors és intuitív egér-rákattintással való kiszolgálásának lehetősége mellett. A szükséges részletek adatbankban tárolhatók. A rendszerelemek mutatói, pl. a hatásfok nemcsak jelleggörbékkel, hanem jellegsíkokkal is leírhatók. Szimuláció A modellezéshez topológiailag és parametrikusan leképezett üzemet szimulálás alkalmával matematikailag meghatározott rendszerként adják meg és használják a tervezés és az említett „what-if”-forgatókönyvek céljára. Az eljárás alkalmazását német szakemberek a kieli hagyományos és az Isar 2 atomerőmű (Gemeinschaftskraftwerk Kiel és Kernkraftwerk Isar 2) példáján ismertetik, a mátrix-számítás jobb konvergenciáját a szekvenciáló eljárás hibadiagnosztikai előnyeivel kombinálva. Hitelesítés Egy adott számításhoz a szükségesnél több mérőhely pontosabb és ellentmondásmentes megállapításokat enged meg. A redundáns mérési adatok kibővítik az optimálás bázisát is, továbbá lehetővé teszik a berendezések legvalószínűbb állapotának meghatározását. A matematikai feladat az ilyen túlmeghatározott egyenletrendszerek statisztikai kiegyenlítése, amelyeket un. mellékfeltételek, azaz fizikai összefüggések kapcsolnak össze. A túlmeghatározott egyenletrendszert Gauss-transzformálással linearizálva, mátrix-bontással lehet megoldani. A mérési adatokat korrekciós tényezőkkel úgy módosítják, hogy a hibák négyzetösszege minimális legyen. Ez jeleníti meg a folyamat statisztikailag legvalószínűbb állapotát. Fontos, hogy a fizikai jelenségek leírására ugyanazon egyenleteket lehessen használni – a minimális számú mérési eredménnyel végzett szimuláláshoz és – a valamennyi rendelkezésre álló adatot feldolgozó hitelesítéshez, ezáltal az erőmű modellje egységesen használható a tervezéstől az üzemeltetésig, majd az üzemi adatoknak a következő tervezésbe való beépítéséig, továbbá a hitelesítés is összehasonlítható a „what-if” helyzetekkel.
Komponensek azonosítása A komponens-azonosítás feladata valamely építőelem (üzemegység) egy adott paraméter-tartományon belüli viselkedésének meghatározása. Leggyakrabban az építőelem kiemelt mutatóját jellemzik többváltozós egyenlettel, amely a fizikai törvényszerűségen és tapasztalatokon alapul, pl. turbina esetében a hatásfok a tömeg, valamint a be- és kimeneti nyomás függvénye: µ = F[m, (pb/pk)] Ehhez rendszerint több független változóval, ezek kapcsolódásával és ennek megfelelő számú együtthatóval rendelkező fizikai mutatót választanak. Ez utóbbiakat kell az azonosításhoz használt mérési adatok alapján meghatározni a legkisebb hibanégyzetek módszerével. Az így azonosított állapot referenciának tekintendő. Valamely komponens adott állapotának erre a referenciára vonatkoztatva képzett hányadosa a minőség mértéke, a „jósági fok”, amelyet a felügyelet alkalmával ki kell számítani. Az így nyert trendinformációkból üzemi és karbantartási programokat lehet levezetni. Prognózisok, „what-if” számítások A fiktív paraméterekkel („mi történne, ha”) végzett szimulációs számítások felhasználhatók prognózisok készítéséhez az erőmű viselkedésére vonatkozó megváltoztatott peremfeltételek mellett. Befolyásoló tényezők pl. – terhelés gőzkicsatolással, – időjárási és hűtési viszonyok. Pénzügyi adatok, pl. üzemanyagárak, villamosenergia-tarifa, szennyvízés hulladékkezelési költség bevonásával a „what-if”-számításokból következtetni lehet az üzemmódok és karbantartó beavatkozások hatásaira. A modell nagyságától függően átfogó költségelemzésre is van mód, pl. új fűtőanyag használata esetén más katalizátor, szűrő, levegőbefúvás vagy füstgáztisztítás figyelembevételére. Optimálás A „mi történne, ha” („what-if”) számítások képezik az optimálási számítások alapját is. Optimálás végezhető – on-line vagy – távolabbra is érvényes tervezéshez, off-line módon, pl. a következő irányokban: – áramveszteségi tényező, – hűtőszivattyú kikapcsolása, – koromlefúvó-használata, – párhuzamos üzemmenetek,
– erőműpark-optimálás, – hűtővízhasználati rendszer. A Sofbid-cég itt ismertetett, több éve bevált szoftvercsomagja lehetővé teszi üzemi adatok segítségével a folyamatos utószámításokat, a fontos üzemegységek diagnosztizálását, a műszakilag és gazdaságilag kritikus pontok – pl. fűtőfelületek, hűtővízáramok, szivattyúkapcsolások – optimálását. A DORA diagnosztikai rendszer Az Alstom Power cég az erőművek csaknem valamennyi működési területére – turbina, generátor, kondenzátor, víz/gőz-kör – alkalmas diagnosztikai eszközöket gyárt. Közülük fekete- és barnaszénerőművekben egyaránt kiterjedt használatban van a gőzfejlesztést és a koromlefúvást ellenőrző DORArendszer (Dampferzeugerdiagnose und Russblaseautomatik), amelyben a gőzfejlesztés termodinamikai elemzését kiegészíti a fúvók csoportjának működését automatizáló programvezérlésű logikai egység. A DORA rendszer – a mért és számított üzemi adatokból meghatározza a fűtőfelületek állapotát, a füstgáz hőmérsékletét, fűtőanyagok tömegáramát és fűtőértékét, – felismeri a szén kiégésének és szennyezettségének változásait, és ez utóbbiaknak megfelelően önállóan változtatja a tisztítási időközöket. Termodinamikai elemzés A gőzfejlesztés diagnózisához szükséges adatok: – mérési eredmények • közegoldali állapotok valamennyi fűtőfelület előtt és mögött, oxigénarány a regeneráló levegő-előmelegítő előtt és mögött, • levegő-hőmérséklet és • füstgáz-hőmérséklet a levegő-előmelegítő előtt és mögött, • levegő-hőmérséklet a kazánházban, – számított adatok • fűtőanyagáramok, a gőzfejlesztés hatásfoka, • fűtőfelületenkénti hőfelvétel, • levegő- és füstgázáram, lékek, gőztömegáramok, • füstgázoldali energiaáramok, a tűztér véghőmérséklete, • a fűtőfelületek és a tűztér minősítő tényezője (értéktényezője), • füstgáztisztítási nyomáscsökkenés. A diagnózisban legfontosabb a fűtőfelületek értéktényezőinek meghatározása, amelyből megállapítható a felülettisztítási eredmények, a felhasznált szén tulajdonságai kiégés és szennyezés tekintetében (1. ábra). Amennyire a tisztítóberendezés megengedi, a fűtőanyag-minőséggel és a koromlefúvó gáz használatával a gazdaságosság jegyében alkalmazkodni lehet a mindenkori tüzeléstechnikához.
A stacionárius működés vizsgálata A gőzfejlesztő hőtechnikai kiegyenlítése csak stacionárius terhelés mellett ésszerű. A terhelés megváltozása, pl. szénőrlő malom cseréje esetén a gőzfejlesztés dinamikája ezt nem engedi meg. Ezért a DORA rendszerbe beépítették az alábbi berendezések stacionárius működésének vizsgálatát: – frissgőzáram és -hőmérséklet, – a füstgázos tápvíz-előmelegítő (ekonomizer) kimeneti hőmérséklete, – az égetési levegő oxigéntartalma. A megengedett eltérések túllépésekor a megjelenik a kijelzés és a gőzfejlesztő kiegyenlítése megszakad. 1
fűtőfelületértéktényező
tisztított fűtőfelület
koromlefúvás
0,8
0,6
szennyezett fűtőfelület idő
1. ábra Fűtőfelületek számított értéktényezője tisztítás előtt és után Fűtőanyag-használat A gőzfejlesztő hőtechnikai kiegyenlítéséhez szükség van a tüzelő fűtőértékére és összetételére vonatkozó adatokra. Az elemi összetétel alapján végzett égési számítások és fajlagos levegő- és füstgázáram-meghatározás eredményei a tapasztalatok szerint jó egyezésben vannak a közvetlen fűtőértékmérés adataival (az eltérés barnaszénre csupán ±3%). Ha import szén bevezetése következtében nagy az eltérés a fűtőanyagok között, ez hatással van a fűtőanyag-korrekciós számításokra is, amelyek állandó tömeg szerinti adagolásra vagy állandó hatásfokra épülnek. Ezért irányozták elő a szénösszetételre vonatkozó aktuális ismeretek kézi betáplálásának lehetőségét. A szokásos szénfajtákban levő elemek analízisértékei be vannak táplálva a rendszerbe. A koromlefúvás automatizálása A fűtőfelületek korábban szokásos, szabályos időközönkénti (pl. műszakonkénti vagy heti) tisztítása nem vált be, főleg ott, ahol változik a fűtőanyag-
összetétel. Ez esetben ugyanis a tisztítási intervallumok lehetnek túl hosszúak, de túl rövidek is, fölösleges költséget okozva. A gőzfejlesztő működésének ellenőrzésébe beépített termodinamikai elemzéssel meghatározható fűtőfelület-aktivitás és kiégés alapján a lefúvás is optimálható üzemi és gazdasági igények egyeztetésével. Ilyen, az egyes lefúvócsoportok működését, ill. kikapcsolását szabályozó rendszerek kb. öt év óta vannak használatban. Ezekben az optimálási kritériumok és maguk a kritériumfajták beállíthatók, sőt a fuzzy-logika használatával a kritériumok egyidejűleg is értékelhetők. A teljes logikai rendszer az alábbi egymásra épülő kritériumosztályokból áll: 1. Az időkritériumok, a lefúvás minimális és maximális időközét veszik figyelembe, feladatuk a szilárd lerakódás megakadályozása. Ilyen réteg forró felületen már három óra alatt összetömörülhet, hidegen 36 óra vagy még több kell hozzá. 2. Az üzemi kritériumok mérési adatokon alapulnak, és az üzem által megszabott határértékek betartását szolgálják. 3. A számított értékeken (felületi tényező, lángkamra-hőmérséklet) alapuló kritériumok a tisztítóberendezés hatását képezik le. Égetéselemzés, a portüzelés őrlési diagnózisa Az elsősorban barnaszén-tüzelésnél használt FIRE diagnosztikai rendszer mért és számított értékek alapján valamennyi szénmalomra kiszámítja – a szárító őrlés, – a teljesítmény és – a levegőelosztás függőleges és vízszintes irányú változásait, elkerülendő a nem megengedett üzemi állapotokat, mégpedig – a malmok hő-túlterhelését, – kieséseket (stabilitásvizsgálat útján) és – a csereidőpontok be nem tartását. Mindehhez a FIRE-rendszer az alábbi teljesítménycsomagot nyújtja: – a szükséges mérési adatok hitelesítése az energia- és tömegárammérlegek bevonásával, – a sztöchiometriai viszonyok és az aszimmetriák képi megjelenítése az égők és a füstgázelszívás tartományában, – a kilépő levegőáramok sebességének ellenőrzése, – a malmok szárítóteljesítményének és a továbbítás-stabilitásának az ellenőrzése, – a malmok hőterhelésének ellenőrzése és az ütőlemez-csere időpontjainak előrejelzése. A FIRE-rendszer alkalmazásának barnaszén-erőművek biztonságos és gazdaságos üzemeltetését szolgáló előnyei: – a folyamatváltozások felismerése, a hiba miatti állásidők nyilvántartása, az egyes építőelemek üzemképességének meghatározása, változá
suk kiértékelése hosszú távon, mindennek közvetlen haszna az üzemképesség kibővülésében és üzemzavarok csökkenésében mutatkozik meg, – a kibocsátott gáz miatti veszteségek csökkenése a levegő egyenletesebb elosztása által, tehát kisebb levegőfölösleg, – a tüzelés és a malmok salakképződés szempontjából kedvezőtlen üzemmódjának elkerülése, ami meghosszabbítja a működési időket, – a tüzelési aszimmetriák által megkövetelt vízsugaras fal- és saroktisztítás, amely megakadályozza a forró zónákon salak leégését, – a malmok működési időinek optimálása a stabilitás ellenőrzésével, – emissziók kiegyenlítése és az órás középértékek javítása a kedvezőtlen sztöchiometriai eloszlások elkerülésével. A felsorolt megtakarítások – kevesebb állásidő, kisebb szennygázveszteség, hosszabb működés, a malmok működésének optimálása – összege egy-egy erőműnél elérheti az évi 2 M DEM-et. Ennek feltétele azonban a kellő hozzáértés és gyakorlat elsajátítása, és ehhez a rendszer bevezetését követő „tanulási idő”, mint befektetés vállalása. (Dr. Boros Tiborné) Brockmann, M., Brinkmann, K.: Kraftwerksdiagnose mit Validierung. = VDI-Berichte, 2001. 1644. sz. h.n. p. 253–260. Trautmann, G., Berndt, Th.: Diagnosesysteme für Dampferzeuger. = VDI-Berichte, 2001. 1641. sz. h.n. p. 261–271.
