VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

UVÁDĚNÍ DO PROVOZU PLYNOVÉ SPALOVACÍ TURBÍNY

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER‘S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2012

BC. JAN TRTÍK

Bibliografická citace práce: TRTÍK, J. Uvádění do provozu plynové spalovací turbíny. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 57 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D.

Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

.……….……………………

Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Petru Mastnému, Ph.D. za trpělivost, cenné rady a připomínky při zpracování mé diplomové práce. Dále bych rád poděkovat rodině a společnosti B:Tech za poskytnutou podporu při studiu.

V Brně dne ……………………………

Podpis autora ……………………………

Abstrakt

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

UVÁDĚNÍ DO PROVOZU PLYNOVÉ SPALOVACÍ TURBÍNY COMMISSIONING OF GAS TURBINE

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER´S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. JAN TRTÍK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BRNO 2012

doc. Ing. PETR MASTNÝ, Ph.D.

5

Abstrakt

6

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá plynovými spalovacími turbínami společnosti Siemens. Práce se skládá ze dvou hlavních částí. První část popisuje typy turbín, jejich parametry a využití v praxi. Následuje podrobný popis jednotlivých částí a systémů největší průmyslové plynové turbíny SGT-800. Druhá část pojednává o náležitostech potřebných pro uvedení turbosoustrojí do provozu. Těmito náležitostmi jsou tvorba řídícího softwaru, testování, najíždění turbíny a fázování generátoru na distribuční síť. Závěr práce je věnován příkladu výpočtu návratnosti investic vložených do celkového projektu plynové turbíny.

KLÍČOVÁ SLOVA:

Plynová turbína, Braytonův oběh, uzavřený cyklus, SGT 800, Simatic PCS7

Abstract

7

ABSTRACT Master thesis is concerned with gas turbines from Siemens company. The thesis consists of two main parts. In the first part describes the different types of turbines, their characteristics and use in practice. The following is a detailed description of components and systems the biggest industrial gas turbine SGT-800. The second part discusses about the necessary steps for commissioning turbine. These particulars are managing software, testing, commissioning and phasing of the turbine generator to the distribution network. The conclusion is devoted to the example of calculating return investment on the overall gas turbine project.

KEY WORDS:

Gas turbine, Brayton cycle, closed cycle, SGT 800, Simatic PCS7

Obsah

8

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ..................................................................................................................................9 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................10 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK .......................................................................................................11 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................12 2 CÍLE PRÁCE ..........................................................................................................................................13 3 PRINCIP FUNKCE PLYNOVÝCH TURBÍN .....................................................................................14 3.1 BRAYTONŮV CYKLUS .......................................................................................................................14 4 PLYNOVÉ SPALOVACÍ TURBÍNY SGT ..........................................................................................16 4.1 TYPY SPALOVACÍCH TURBÍN ...........................................................................................................16 4.2 SGT-800............................................................................................................................................22 4.2.1 HISTORIE .................................................................................................................................22 4.2.2 POPIS HLAVNÍCH KOMPONENT ................................................................................................23 4.2.3 POPIS SYSTÉMŮ .......................................................................................................................29 5 ŘÍDICÍ SYSTÉM ....................................................................................................................................31 5.1 HARDWARE.......................................................................................................................................31 5.2 SOFTWARE ........................................................................................................................................33 6 UVÁDĚNÍ SGT-800 DO PROVOZU ....................................................................................................39 6.1 DOKUMENTACE ................................................................................................................................39 6.2 TESTOVÁNÍ SGT-800 .......................................................................................................................39 6.2.1 WORKSHOP TESTY ..................................................................................................................40 6.2.2 COMMISSIONING NA STAVBĚ ..................................................................................................41 6.3 NAJÍŽDĚNÍ ........................................................................................................................................43 6.4 FÁZOVÁNÍ ALTERNÁTORU ...............................................................................................................44 7 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ NÁVRATNOSTI INVESTICE ....................................................47 8 ZÁVĚR .....................................................................................................................................................49 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................50 SEZNAM PŘÍLOH ....................................................................................................................................51

Seznam obrázků

9

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1 Otevřený oběh plynové turbíny ........................................................................................ 14 Obr. 3-2 Uzavřený oběh plynové turbíny ....................................................................................... 14 Obr. 3-3 p-V diagram Braytonova cyklu ....................................................................................... 15 Obr. 3-4 T-s diagram Braytonova cyklu ........................................................................................ 15 Obr. 4-1 Plynová turbína SGT-100 ................................................................................................ 17 Obr. 4-2 Plynová turbína SGT-200 ................................................................................................ 17 Obr. 4-3 Plynová turbína SGT-300 ................................................................................................ 18 Obr. 4-4 Plynová turbína SGT-400 ................................................................................................ 18 Obr. 4-5 Plynová turbína SGT-500 ................................................................................................ 19 Obr. 4-6 Plynová turbína SGT-600 ................................................................................................ 19 Obr. 4-7 Plynová turbína SGT-700 ................................................................................................ 20 Obr. 4-8 Plynová turbína SGT-750 ................................................................................................ 20 Obr. 4-9 Plynová turbína SGT-800 ................................................................................................ 21 Obr. 4-10 Grafické porovnání STG turbín z hlediska elektrického výkonu ................................... 21 Obr. 4-11 Turbínový komplex ........................................................................................................ 22 Obr. 4-12 Vstupní skříň přívodu vzduchu do kompresoru ............................................................. 23 Obr. 4-13 Průřez kompresorem...................................................................................................... 24 Obr. 4-14 Proudění vzduchu ve spalovací část .............................................................................. 25 Obr. 4-15 Popis hlavních součástí hořáku ..................................................................................... 26 Obr. 4-16 Průřez turbínovou částí ................................................................................................. 26 Obr. 4-17 Olejová soustava............................................................................................................ 29 Obr. 5-1 PLC S7-400...................................................................................................................... 31 Obr. 5-2 Programovací prostředí Simatic Manager ...................................................................... 33 Obr. 5-3 Automation License Manager .......................................................................................... 34 Obr. 5-4 CFC diagram ................................................................................................................... 35 Obr. 5-5 Vlastnosti podmínek a sekvenčních bloků v SFC diagramu ............................................ 36 Obr. 5-6 Uživatelské prostředí WinCC Explorer ........................................................................... 38 Obr. 5-7 Synchronizační obrazovka ............................................................................................... 38 Obr. 6-1 Startovací sekvence při studeném startu ......................................................................... 43 Obr. 6-2 Teplota a množství spalin při najíždění ........................................................................... 44 Obr. 6-3 Synchroskop ..................................................................................................................... 45

Seznam tabulek

10

SEZNAM TABULEK Tab. 4-1 Parametry SGT-100 ......................................................................................................... 17 Tab. 4-2 Parametry SGT-200 ......................................................................................................... 17 Tab. 4-3 Parametry SGT-300 ......................................................................................................... 18 Tab. 4-4 Parametry SGT-400 ......................................................................................................... 18 Tab. 4-5 Parametry SGT-500 ......................................................................................................... 19 Tab. 4-6 Parametry SGT-600 ......................................................................................................... 19 Tab. 4-7 Parametry SGT-700 ......................................................................................................... 20 Tab. 4-8 Parametry SGT-750 ......................................................................................................... 20 Tab. 4-9 Parametry SGT-800 ......................................................................................................... 21 Tab. 4-10 Parametry generátoru ASM 1250A LF .......................................................................... 28 Tab. 4-11 Parametry výfukového systému ...................................................................................... 30

Seznam symbolů a zkratek

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK SGT

Siemens Gas Turbine

DLE

Dry Low Emission

PLC

Programmable Logic Controller

CPU Central Processing Unit I/O

Input / Output

SM

Signal Modules

FM

Frequency Modules

CP

Communication Ports

PS

Power Supply

IM

Interface Module

DCS

Decentralized Control System

AS

Automation Station

MCC Motor Control Cubicle AVR Automatic Voltage Regulation UPS

Uninterruptible power supply

FTP

File Transfer Protocol

TIA

Totally Integrated Automation

SCL

Structured Control Language

CFC

Continuous function chart

SFC

Sequential function chart

GCB Generator Circuit Breaker KKS Kraftwerk Kennzeichen System

11

Úvod

12

1 ÚVOD Z mechanického i energetického hlediska jde vývoj turbín stále kupředu. Setkáváme se s čím dál větší efektivitou přeměn energií, s novými materiály, s menšími rozměry a všeobecně s větší účinností. Toto vše nám napomáhá ke spokojenosti zákazníka i koncového uživatele. Turbíny jsou označovány za vrchol strojařské práce. Jedná se o mechanické stroje složené z jednoho, nebo více lopatkových kol umístěných na jedné hřídeli. Mezi lopatkami proudí kapalina, nebo plyn mající kinetickou, tepelnou a tlakovou energii. Působením těchto energií na lopatky dochází k jejich přeměně na rotační pohyb hřídele. Tohoto otáčení se využívá k pohánění rotoru generátoru, který vyrábí elektrickou energii. Diplomová práce se zabývá plynovými spalovacími turbínami vyráběnými společností Siemens. Pojednává o současných trendech a možnostech využití plynových turbín SGT v energetice. Konkrétně seznamuje s jedním z nejvyšších typů plynových spalovacích turbín a to SGT 800, jejími částmi, principem funkce a postupem při uvádění do provozu. Jedná se o turbínu navrženou tak, aby splňovala požadavky na vysokou spolehlivost, vysokou úroveň bezpečnosti, vysoký výkon a nízkou emisivitu. Mezi další výhody patří možnost instalace na poměrně malé ploše a tím i možnost umístění v blízkosti průmyslových oblastí. Její uvádění do provozu neboli oživování, je prováděno podle předem určených postupů. Jedná se například o testování senzorů, ventilů, funkčních celků, nastavování ochran, fázování generátoru atd. Vzhledem k velkému množství ovládacích prvků je nutné využití programovatelných automatů. Tento program je vytvořen specificky podle typu turbíny a požadavků zákazníka. S plynovými turbínami jsou spojeny vysoké nároky na přesnost, spolehlivost, odolnost, ovladatelnost a s těmito vlastnostmi souvisejí nemalé investice. V případě nefunkčnosti některé z částí přichází investor o velké množství peněz a tím se zvyšuje doba návratnosti. Závěrečná část práce je věnována výpočtu průměrné doby návratnosti investic do plynové spalovací turbíny.

Cíle práce

13

2 CÍLE PRÁCE Cílem této práce je vytvořit srozumitelný přehled o plynových spalovacích turbínách. Více se zaměřit na konkrétní typ plynové turbíny SGT-800, objasnit z jakých částí se skládá a jakou cestou putuje od výroby až po uvedení do provozu. Dále vytvoření základního přehledu o programovacím prostředí a tvorbě programu. Závěr práce je zaměřen na zhodnocení ekonomické návratnosti investice vložené do projektu plynové spalovací turbíny.

Princip funkce plynových turbín

14

3 PRINCIP FUNKCE PLYNOVÝCH TURBÍN V této kapitole je popsán princip, kterého je využito pro provoz turbín. Jedná se o základní princip tepelného oběhu, kterého je nejčastěji využito v soustrojích s plynovou turbínou. Základní funkcí tepelného oběhů je zajistit přeměnu práce v tepelnou energii. Vztah mezi teplem a prací je vyjádřen pomocí I. zákona termodynamiky (1.1). Jedná se o zákon zachování energie – „Změna vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu tepla dodaného soustavě a práce vykonané na soustavě.“ [1] Matematický zápis prvního zákona termodynamiky v diferenciálním tvaru je znázorněn níže. Q = U + W

[J]

(1.1)

Q je změna tepla, U je změna vnitřní energie a W je změna objemové práce. Plynové turbíny primárně využívají pro svůj provoz ideální tepelné oběhy. Pro turbíny vyráběné společností Siemens je nejčastěji využito otevřeného oběhu Braytonova cyklu.

3.1 Braytonův cyklus Termodynamický cyklus popisující práci spalovací turbíny je pojmenován po bostonském vědci George Braytonovi (1830-1892), který rozvinul původní práci Johna Barbera. Cyklus je také občas označován jako Joule-Braytonův nebo Jouleův cyklus podle Jamese Prescotta Joula, který byl významným anglickým fyzikem. Nyní se cyklus využívá pro spalovací turbíny, kde se komprese a expanze uskutečňují v rotačním stroji. Hlavními oblastmi použití jsou letecké pohony a výroba elektrické energie. Braytonův oběh se uskutečňuje v několika zařízeních tvořících celek systému. V případě spalovacích plynových turbín se jedná o kompresor, spalovací komory a turbínu. Pracovní látka je v plynném skupenství a pohybuje se v otevřeném (obr. 3-1), nebo uzavřeném oběhu (obr. 3-2). Pro turbíny SGT je typický otevřený oběh. [2]

Obr. 3-1 Otevřený oběh plynové turbíny

Obr. 3-2 Uzavřený oběh plynové turbíny

Princip funkce plynových turbín

15

U otevřeného oběhu je okolní vzduch nasán přímo do kompresoru, Teplo je získáváno spalováním paliva ve spalovací komoře. Expanzí vzniklé spaliny působí na lopatky turbíny, kde předávají svojí kinetickou energii rotačnímu soustrojí. Spaliny jsou odvedeny do okolí a proces se opakuje. Komprese a expanze u otevřeného i uzavřeného oběhu jsou stejné. U uzavřeného oběhu je spalovací komora nahrazena výměníkem tepla, ve kterém je předáváno teplo ze spalin. Po výstupu z turbíny je pracovní plyn veden přes výměník, který odebírá teplo a následně proudí zpět do kompresoru. Termodynamické děje u ideálního Braytonova cyklu jsou znázorněny v p-V (obr. 3-3) a T-s (obr. 3-4) diagramech.

Obr. 3-3 p-V diagram Braytonova cyklu

Obr. 3-4 T-s diagram Braytonova cyklu

W12

práce vykonaná kompresorem při stlačování vzduchu

Q23

teplo dodané spalováním paliva

W34

odvedená práce spalin na lopatkách turbíny

Q41

teplo odvedené do okolí

Atmosférický vzduch je stlačen v kompresoru (adiabatická komprese 1-2). Tímto stlačením vzduchu dojde k nárůstu tlaku, teploty a snížení objemu. Následuje ohřátí vzduchu ve spalovací komoře při konstantním tlaku (izobarický přívod tepla 2-3). Ohřátí je docíleno vstřikem paliva do spalovací komory, kde se ve stlačeném vzduchu spaluje. Energie získaná spálením paliva se přemění hlavně na tepelnou a kinetickou energii spalin. Získaná energie se přemění na lopatkách turbíny na mechanickou energii. Část této energie je použita na roztáčení rotoru turbíny, část je použita na pohon kompresoru a část je odvedena hřídelí. Přeměnou energie dochází ke snižování teploty, tlaku a zvyšování objemu spalin (adiabatická expanze 3-4). Přebytečná část zůstává ve formě tepelné a kinetické energie spalin, která je odvedena výfukovým potrubím do ovzduší (adiabatický odvod tepla 4-1) tudíž nejsou nutné chladiče. Tyto faktory dělají plynové elektrárny kompaktnější a levnější než parní elektrárny o stejném výkonu.

Plynové spalovací turbíny SGT

16

4 PLYNOVÉ SPALOVACÍ TURBÍNY SGT Na trhu se spalovacími turbínami je pouze několik celosvětově působících dodavatelů. Nejvýznamnějším zástupcem amerického trhu je společnost General Electric sídlící ve státě Connecticut. Největším zástupcem asijského trhu je Japonská společnost Kawasaki Heavy Industries. Na evropském kontinentu jsou k dispozici společnost Alstom a Siemens. Siemens je nadnárodní společností, která patří mezi přední světové dodavatele produktů, služeb a řešení pro výrobu přenos a distribuci elektrické energie. Kapitola popisuje druhy plynových turbín vyráběných společností Siemens. Jedná se o široké spektrum spalovacích turbín s výkonem od 4 – 375 MW pro všechny typy aplikací. Dále se kapitola zabývá podrobným popisem konkrétního druhu a to SGT-800.

4.1 Typy spalovacích turbín Společnost Siemens v současnosti vyrábí 15 typů plynových spalovacích turbín. V nabídce je 9 průmyslových typizovaných turbín, výkonově pokrývajících rozsah 4 – 47 MW. Dále jsou v nabídce turbíny pro energetické provozovny se jmenovitými výkony v rozsahu 166 – 375 MW. Tím společnost Siemens pokrývá rozsah výroby elektrické energie od průmyslově založených oblastí až po čistě energetické provozovny. [3] Celé portfolio turbín splňuje požadavky na účinnost, spolehlivost a vliv na životní prostředí při nízkých provozních nákladech a nejlepší možné návratnosti investic. Typy SGT:         

SGT-100 SGT-200 SGT-300 SGT-400 SGT-500 SGT-600 SGT-700 SGT-750 SGT-800

     

SGT5-2000E SGT5-4000F SGT5-8000H SGT6-2000E SGT6-5000F SGT6-8000H

V levém sloupci jsou uvedeny nejčastěji využívané druhy turbín. V pravém sloupci jsou turbíny, jejichž parametry dosahují nadměrných rozměrů, výkonů a s tím spojenou obtížností uvádění do provozu. Turbína je z výrobny k dispozici jako kompaktní celek, připravený k montáži na daném místě. Celek je snadno přenosný. Na jednotném rámu je umístěno nasávání vzduchu, kompresor, plynová turbína, převodovka, generátor a všechny mechanické pomocné systémy. Prvky pro ovládání turbosoustrojí jsou umístěny v rozvodně, která je jako celek součástí turbínového komplexu. Vše dohromady tvoří kompaktní celek s vynikajícím poměrem výkon/hmotnost.


17

SGT turbíny určené pro průmyslové oblasti jsou jednohřídelového, nebo dvouhřídelového typu. Jednohřídelové verze jsou určeny pro výrobu elektrické energie pomocí generátorů. Dvouhřídelové verze se používají jako pohon jiných rotačních strojů. Těchto vlastností SGT využívají hlavně v ropném a plynárenském průmyslu. Parametry jednotlivých typů SGT turbín jsou popsány níže. 

SGT-100 Tab. 4-1 Parametry SGT-100 JEDNOTKA

VÝROBA E.

POHON

MW

4,35-5,4

5,7

%

31

32,9

Tepelný výkon

kJ/kWh

11613

10948

Otáčky turbíny

ot/min

17384

13000

Průtok výf. plynů

kg/s

20,6

19,7

Teplota výf. plynů

°C

531

543

Výkon Účinnost

Obr. 4-1 Plynová turbína SGT-100

SGT-100 je průmyslová plynová turbína pracující v jednoduchém i kombinovaném cyklu s výstupním výkonem v rozmezí 4,35MW - 5,7MW. Jednohřídelová verze se používá v průmyslové výrobě elektrické energie v ropném a plynárenském průmyslu, na těžebních plošinách a plavidlech. Dvouhřídelová verze je vhodná pro mechanický pohon v ropném a plynárenském průmyslu. Je určena pro aplikace, kde se pracuje v širokém rozsahu otáček a zatížení, např. pro čerpání ropy a ostatních ropných produktů, nebo jako pohon pro odstředivé kompresory používané v plynárenství. [3] SGT-200

Tab. 4-2 Parametry SGT-200 JEDNOTKA

VÝROBA E.

POHON

MW

6,75

7,68

%

31,5

33

Tepelný výkon

kJ/kWh

11418

10906

Otáčky turbíny

ot/min

11053

10950


kg/s

29,3

29,5


°C

466

Výkon Účinnost


Kompaktní a robustní průmyslová plynová turbína SGT-200 nabízí vynikající spolehlivost, efektivitu a udržovatelnost. V ropném a plynárenském průmyslu je převážně využíváno jednohřídelového systému pro výrobu elektrické energie a kogenerace. Používá se na těžebních plošinách a plovoucích zásobovacích plavidlech po celém světě. Na pobřeží je SGT-200 využíváno na ropných polích a jako záložní zdroje energie. Slouží jako pohon pro čerpadla a kompresory v ropném a plynárenském průmyslu. Dvouhřídelové zapojení se využívá u aplikací, kde se liší rychlosti a zatížení, např. čerpání ropy, pohon odstředivých kompresorů v plynárenství atd. [3]

Plynové spalovací turbíny SGT 

SGT-300

Tab. 4-3 Parametry SGT-300 JEDNOTKA

VÝROBA E.

POHON

MW

7,9

8,2

%

30,6

34,6

Tepelný výkon

kJ/kWh

11773

10400

Otáčky turbíny

ot/min

14010

11500


kg/s

30,2

29


°C

542

498

Výkon Účinnost


18

SGT 300 je kombinací pokročilé technologie s robustním vzhledem. Je vhodná pro kombinovanou výrobu energie a tepla. Používá se pro stejné aplikace jako nižší typy SGT a taktéž jako nouzové a záložní zdroje elektrické energie. Jednohřídelová verze slouží pro výrobu elektrické energie do výkonu 7,9MW. Dvouhřídelová verze se používá jako mechanický pohon čerpadel a kompresorů v ropném a plynárenském průmyslu. [3]




VÝROBA E.

POHON

MW

12,9

13,4

%

34,8

36,2

Tepelný výkon

kJ/kWh

10355

9943

Otáčky turbíny

ot/min

9500

9500


kg/s

39,4

39,4


°C

555

555

Výkon Účinnost


Ve výrobě elektrické energie se v jednoduchém cyklu SGT-400 vyznačuje vysokou účinností 34,8%. V kogeneračních cyklech přispívá výkon páry k mimořádně vysoké efektivnosti zařízení. Jako vysoce efektivní jednotka se SGT-400 používá pro výrobu na ropných polích, plošinách a také na plavidlech. U mechanických pohonů se používá dvouhřídelové verze, která nabízí rozsah otáček 4800 až 10000 ot/min tudíž není nutná převodovka. [3]




19


VÝROBA E.

POHON

MW

19,1

19,52

%

33,8

34,5

Tepelný výkon

kJ/kWh

10664

10432

Otáčky turbíny

ot/min

3600

3450


kg/s

97,9

97,9


°C

369

369

Výkon Účinnost


Plynová spalovací turbína SGT-500 je lehká turbína s vysokou účinností. Pracuje spolehlivě v rozmezí 15-20MW. Je vhodná pro výrobu elektrické energie i jako mechanický pohon. SGT500 úspěšně prošla komplexním testovacím programem na těžké topné oleje pro námořní aplikace. Je vhodná pro použití na ropných plošinách i ropných polích. Je ideální pro námořní aplikace, protože dokáže pracovat na těžký topný olej. Vlivem nízkých spalovacích teplot dosahují součástky delší životnosti. [3]



Tab. 4-6 Parametry SGT-600

SGT-600

JEDNOTKA

VÝROBA E.

POHON

MW

24,77

25,4

%

34,2

35,1

Tepelný výkon

kJ/kWh

10533

10258

Otáčky turbíny

ot/min

7700

7770


kg/s

80,4

80,4


°C

543

543

Výkon Účinnost


SGT-600 je určena do těžkých provozních prostředí. Dosahuje výkonu 25MW s účinností 34,2% v otevřeném cyklu. Jednotka nabízí dlouhou životnost a snadnou údržbu. Je navržena pro výrobu elektrické energie i jako mechanický pohon. Dvouhřídelový stroj obsahuje deseti stupňový kompresor. První dva stupně kompresoru mají natáčecí vodící lopatky. Spalovací část je tvořena 18 spalovacími komorami. Pro korigování tlaku v kompresoru turbína obsahuje dva hlavní odvzdušňovací ventily. [3]




20


VÝROBA E.

POHON

MW

31,21

32,04

%

36,4

37,4

Tepelný výkon

kJ/kWh

9882

9629

Otáčky turbíny

ot/min

6500

6500


kg/s

94

94


°C

528

528

Výkon Účinnost


SGT-700 je vylepšená verze SGT-600 navržená pro výkon 31,21MW s účinností 36,4%. Obsahuje jedenáctistupňový kompresor s dvěma natáčecími stupni vodících lopatek. Dvouhřídelové turbíny může být využito pro výrobu elektrické energie i pro mechanický pohon. Jednotka nabízí vysokou spolehlivost a snadnou údržbu. Těchto vlastností je nejčastěji využito na zařízeních na volném moři. [3]




VÝROBA E.

POHON

MW

35,93

37,11

%

38,7

40

Tepelný výkon

kJ/kWh

9296

9002

Otáčky turbíny

ot/min

6100

3050-6405


kg/s

113,3

113,3


°C

462

462

Výkon Účinnost


SGT-750 je nejnovějším typem turbíny společnosti Siemens. Tato univerzální jednotka je určena pro výrobu elektřiny a pro pohon ostatních zařízení. Hlavními rysy této turbíny jsou vysoká spolehlivost, dostupnost, účinnost a nízká emisivita. Kombinuje řadu kvalitních vyzkoušených materiálů, součástí a konstrukčních zásad k vytvoření nejmodernější a nejúspornější turbíny tohoto typu. Skládá se ze 13 stupňového axiálního kompresoru. V nízkotlaké a vysokotlaké části jsou použity různé druhy oceli. Spalovací systém se skládá z osmi spalovacích komor. Dvou stupňový kompresor turbíny tvoří stator s vodícími lopatkami. Nominální otáčky turbíny pro výrobu elektrické energie jsou 6100 ot/min. Pro mechanický pohon se otáčky pohybují v rozmezí 50105% nominální rychlosti otáčení. [3]

Plynové spalovací turbíny SGT 

21


VÝROBA E.

MW

47

%

37,5

Tepelný výkon

kJ/kWh

9597

Otáčky turbíny

ot/min

6608


kg/s

131,5


°C

544

Výkon Účinnost


Průmyslová plynová turbína SGT-800 slučuje bezpečný průmyslový návrh s vysokým výkonem a nízkou úrovní emisí. Vysoký výkon plynové turbíny má za následek snížení konstrukčních nákladů a dovoluje vhodné umístění v blízkosti průmyslových oblastí. Podrobnějšímu popisu turbíny SGT-800 je věnována kapitola 4.2. [3]

Porovnání výkonů jednotlivých turbín je znázorněno ve výkonnostním grafu na obr. 4-10.

Výkon [MW]

50Hz nebo 60Hz

0

25

SGT-100

4

SGT-200

7

SGT-300

8

SGT-400 SGT-500 SGT-600 SGT-700 SGT-750 SGT-800

50

75

100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

13 19 25 31 36 47

50Hz

SGT5-2000E

166

SGT5-4000F

292

SGT5-8000H

60Hz

SGT6-2000E SGT6-5000F SGT6-8000H

375 112 208 274

Obr. 4-10 Grafické porovnání STG turbín z hlediska elektrického výkonu


22

4.2 SGT-800 Cílem neustálého zlepšování produktů je nabídnout uživatelům plynových turbín vysokou účinnost, spolehlivost a kvalitu při nízkých nákladech na chod a údržbu. SGT-800 splňuje jak požadavky na kvalitu, tak ekonomickou výhodnost pro všechny typy procesů. V této kapitole můžeme nalézt podrobný popis jednotlivých částí, jejich umístění, funkci, atd. Podrobný nákres turbínového celku je znázorněn na obr. 4-11, obsahuje plynovou turbínu, generátor, a dále pak veškerá strojní, řídicí a elektrická zařízení potřebná k jejich bezpečnému a spolehlivému provozu

4.2.1 Historie Vývoj SGT-800 (původně známé jako GTX100) byl zahájen v roce 1994. Původní parametry výkonu a elektrické účinnosti byly 45MW a 37% u otevřeného cyklu a 64MW a 53% v kombinovaném cyklu. První jednotka byla instalována v roce 1997. Do roku 2008 bylo nainstalováno 85 jednotek. [4] V roce 2006, po získání zkušeností z předchozích aplikací, dosáhla inovovaná verze SGT800 výkonu 47MW s 37,5% elektrickou účinností. Touto modernizací se taktéž dosáhlo prodloužení intervalů údržby z 20 000 na 30 000 provozních hodin.

Turbína

Kompresor

Obr. 4-11 Turbínový komplex


23

4.2.2 Popis hlavních komponent Plynová turbína pracuje v jednoduchém otevřeném cyklu s přímým vstupem vzduchu a průtoku plynu přes turbínu. Správný chod turbíny zabezpečuje regulérní chod hlavních částí turbosoustrojí. Jedná se o kompresor, spalovací komoru, turbínu, převodovku a generátor. Hlavní části turbíny jsou mechanicky propojeny hřídelí s převodovkou, která komprimuje otáčky na požadovanou rychlost otáčení rotoru generátoru. Výkon jednotky je řízen teplotou spalování a průtokem vzduchu přes turbínu.

Nasávání vzduchu Vstupní skříň pro přívod vzduchu je jako celek vytvořen z kompozitu (obr. 4-12), který je lehký a příznivě redukuje hluk. Hlavní funkcí je plynule usměrnit vzduch na lopatky kompresoru. Vstupní skříň je opatřena skleněným průzorem a obsahuje trysky sloužící k mytí kompresoru. Na skříň se montuje přívodní potrubí vzduchu, které je opatřeno vzduchovými filtry a ohřívákem vzduchu. Nasávání vyúsťuje ven obvykle do výšky 10m, kde je opatřeno krycími žaluziemi. Při chodu turbíny na 100% je hmotnostní průtok vzduchu 130kg/s což odpovídá přibližně 100m3/s vzduchu. [5]

Obr. 4-12 Vstupní skříň přívodu vzduchu do kompresoru


24

Kompresor Axiální patnáctistupňový kompresor, který je umístěný na hřídeli společně s turbínou a převodovkou, má 3 hlavní části. Těmito částmi jsou tlakový kryt prvních deseti stupňů, vnitřní kryt dalších pěti stupňů a rotor s lopatkami. Průřez je znázorněn na obr. 4-13.

Obr. 4-13 Průřez kompresorem První tři stupně vodicích lopatek jsou variabilní, jejich natáčením dochází k regulaci průtoku vzduchu a výkonu. Za 3, 5, 8 a 10 stupněm se nachází odvody vzduchu sloužící k chlazení a utěsnění ložisek turbíny. Kryt kompresoru, který pokrývá celou kompresorovou část, je vertikálně rozdělen z důvodu usnadnění přístupu pro servis a výměnu součástek. Kryt nese vodící lopatky pro prvních deset stupňů a obsahuje zadní vodící lopatky. Zadní vnitřní část statoru kompresoru, která nese jedenáctý až čtrnáctý stupeň, je vyrobena z materiálů s nízkou tepelnou roztažností. Vodící lopatky jsou článkově řazeny v tangenciálním tvaru. Rotor kompresoru je sestaven z řady elektronových disků, které jsou přivařeny ke střední hřídeli. První čtyři řady lopatek rotoru jsou vyrobeny z chromované oceli, z důvodu odolnosti vůči korozi. Čepele lopatek mají vysokou povrchovou hladkost pro malé poškození. Listy rotoru jsou zasunuty do disků přišroubovaných k hřídeli. [5]


25

Spalovací komora Spalování paliva je prováděno 32 spalovacími částmi, které jsou umístěnými za kompresorovou částí okolo trupu turbíny. Kruhové spalovací komory jsou vyrobeny ze svařeného silnostěnného plechu. Vnitřní povrch má termoizolační nátěr, který redukuje úroveň přenosu tepla a prodlužuje dobu životnosti komory. Spalovací komory se skládají z vnějšího obalu, spalovací komory a hořáku viz obr. 4-14.

Obr. 4-14 Proudění vzduchu ve spalovací část

V obalu je obsažen difuzor sloužící k rozdělení vzduchu kolem spalovací komory. Studený vzduch proudí mezi vnějším obalem a spalovací komorou, kde přejímá teplo a proudí otvory v krytu spalovací komory do hořáku, kde se mísí s palivem a probíhá spalování. Horké spaliny proudí ze spalovací komory na lopatky turbíny. Jelikož spalovací komora není uzavřená, probíhá spalování za teploty 1200°C při přibližně konstantním tlaku okolo 20bar. Zapálení zajišťuje jiskrový zapalovač umístěný v jedné ze spalovacích komor. Do ostatních komor se plamen samovolně rozšiřuje. Zažehnutí plamene detekuje termočlánek pro měření teploty a optický snímač hlídající funkčnost zapalovací jiskry. [5]


26

Hořáky jsou navrženy ke spalování směsi vzduchu s palivem. Tato technologie se používá pro získání jednotné teploty plamene v maximálním možném rozsahu. Pro stabilní plamen nad rozsah zatížení, je nutné použít pomocného plynu přiváděného do hořáku. Popis částí hořáku třetí generace je znázorněn na obr. 4-15.

Obr. 4-15 Popis hlavních součástí hořáku

Turbína Na obrázku 4-16 je znázorněn průřez turbínovou částí. Skládá se ze statoru, který nese vodící lopatky, šroubovaného rotoru turbíny a výstupního krytu. Tlak dosažený v kompresorové a spalovací části je zde rozdělen na 3 stupně turbíny.

Obr. 4-16 Průřez turbínovou částí


27

První a druhý stupeň vodících lopatek statoru obsahuje jednu řadu lopatek, zatímco třetí stupeň je složen z dvojitého systému lopatek. Dvojité lopatky slouží k minimalizaci nevyužitých spalin. Listy rotoru jsou zasunuty do slotů vytvořených v diskách. Všechny tři disky jsou chlazeny vzduchem. První dva stupně vodících lopatek a listů rotoru jsou chlazeny stejně jako listy rotoru. Stator je ve tvaru válce. Aerodynamické ztráty jsou minimální a při vyšších teplotách nedochází k deformaci. Příruby na statoru jsou chlazeny pro snížení teplotní roztažnosti a zvýšení efektivity. [5]

Převodový systém Hlavní funkcí převodového systému je snížit rychlost otáčení turbíny na rychlost potřebnou pro elektrický generátor. Snížení otáček je dosaženo zařazením převodovky mezi turbínu a generátor. Převodová skříň redukuje rychlost z 6600 ot/min až na 1500 ot/min. K převodové skříni je připojen najížděcí motor. Tento motor je připojen přes vlastní převodovou skříň a spojku k hlavní převodové soustavě. Využívá se k roztáčení hřídele turbíny na otáčky potřebné pro zažehnutí paliva při startu a pro udržení minimálních otáček turbíny (200 ot/min) při ochlazování turbíny. Převodovka se skládá z hnací a hnané hřídele, ložisek, pastorku a ozubených kol vyrobených z vysoce legované ocele a skříně. Skříň je vyrobena ze svařované vany a víka. Mazání je provedeno přívodem tlaku oleje.

Generátor Elektrický generátor je stroj, sloužící k přeměně jiných typů energie na energii elektrickou. Jedná se o točivý stroj, který využívá točivého magnetického pole a cívek, ve kterých se indukuje elektrické napětí. Plynové turbíny SGT-800 nejčastěji pohánějí čtyřpólové rychloběžné alternátory ASM 1250A LF, tzv. turboalternátory s hladkým rotorem. Jmenovité parametry generátoru jsou zobrazeny v tab. 4-10. Jelikož se jedná o čtyřpólový stroj, dokáže stroj vytvořit dva kmity střídavého proudu během jedné otáčky. To znamená, že pro maximální výkon stačí poloviční otáčky oproti dvoupólovému stroji. Výpočet nominálních otáček je znázorněn v rovnici 4.1. [6]

(4.1)

kde

p…počet pólových dvojic f…frekvence [Hz]


28

Hlavními součástmi elektrického generátoru jsou rotor a stator. Rotor vytváří točivé magnetické pole a ve statoru jsou umístěny cívky, ve kterých se indukuje elektrické napětí. Neméně důležitými částmi jsou ložiska, mazací systém, chladicí systém, budící soustava a další strojní příslušenství související s generátorem. Provedení statoru Statorové vinutí je dvouvrstvé šablonové. Konstrukce synchronních alternátorů na vysoké napětí vyžaduje vyšší stupeň izolace, která ovšem kromě izolace elektrické, působí zároveň jako izolace tepelná, tudíž se z vinutí hůře odvádí teplo způsobené proudem protékajícím vodičem. Zároveň rostou i ztráty ve vinutí, ztráty vířivými proudy a také ztráty magnetizační. Všechny tyto ztráty musejí být kompenzovány chlazením, které je nejčastěji prováděno prouděním vzduchu. Provedení rotoru U turboalternátorů konstruovaných pro vysoké výkony je nutné vzhledem k mechanické pevnosti použít rotor, který je vykován pouze z jednoho kusu za použití nejkvalitnějších materiálů, jako je např. zušlechtěná chromniklová ocel. Rotorové vinutí bývá provedeno z hliníkových nebo měděných pásků, přičemž se častěji využívá hliníku vzhledem k jeho menší hmotnosti a tudíž menšího namáhání nemagnetických klínů a obručí, které drží rotorové vinutí v drážkách. Dále je nutno u rotoru dbát na přesné vyvážení dynamických nerovnováh, které by jinak v provozu způsobily poruchu. Chlazení Teplo vznikající ve vnitřku generátoru je odváděno proudem vzduchu. Proudění je způsobeno dvěma ventilátory umístěnými na hřídeli generátoru. Horký vzduch je ochlazen ve výměnících tepla, odkud cirkuluje zpět do generátoru. Buzení Při dosažení přibližně synchronních otáček (1500ot/min ±1%) se připojuje budící soustava. Budící soustavou se reguluje jmenovité napětí pomocí budícího proudu tekoucího ze stejnosměrného budiče do magnetů alternátoru.

Tab. 4-10 Parametry generátoru ASM 1250A LF Výstupní zdánlivý výkon Frekvence Účiník Napětí Proud Budící výkon Otáčky Hmotnost generátoru celkem Hmotnost statoru Hmotnost rotoru

56250 kVA 50 Hz 0,80 11 000 V 2952 A 114 kVA 1500 ot/min 73200 kg 33900 kg 24600 kg


29

4.2.3 Popis systémů Olejová soustava Oleková soustava zajišťuje dopravu oleje o správném tlaku a teplotě za účelem mazání a chlazení zařízení, jako jsou například ložiska točivých strojů. Je jedinou soustavou, která musí bezchybně pracovat od začátku až do úplného zastavení turbíny. Jedná se o soustavu složenou z olejové nádrže, potrubí, filtrů, čerpadel, ohříváků, ventilů a dalších měřících zařízení viz obr. 4-17.

Obr. 4-17 Olejová soustava Olej se nachází v nádrži umístěné ve spodní části rámu plynové turbíny. V nádrži je olej zahřát na teplotu přibližně 65°C. Z nádrže je olej čerpán dvěma čerpadly do distribučního olejového potrubí. V případě poruchy jednoho z čerpadel automaticky převezme funkci záložní čerpadlo. Dále je za pomoci trojcestného ventilu upravena teplota oleje na požadovaných 45°C. Z trojcestného potrubí vede olej přes filtrační zařízení na ložiska. [5]


30

Při startu turbíny je využito vysokotlakého čerpadla pro přívod vysokotlakého oleje na ložiska turbosoustrojí. Po přivedení dochází k nadlehčení ložisek a tím k menšímu počátečnímu tření při roztáčení turbosoustrojí.

Palivová soustava Účelem palivového systému je dodávat palivo ve správném množství do spalovacích částí během startu a provozu turbíny. K jejímu automatickému spuštění dochází po startu ventilace a mazacího oleje. Palivo z vnějšího palivového systému protéká přes vnější ventil, filtr, rychlouzavírací ventil a regulační ventil před vstupem do palivových trysek. Poloha regulačního ventilu určuje množství vstřikovaného paliva do spalovací komory. Rychlouzavírací ventil se používá pro zastavení přívodu paliva při odstavení turbíny. Skládá se z kulového ventilu a rychlouzavíracího pneumatického pohonu. Je otevřen pouze v případě, že jsou všechny systémy turbíny připraveny k uvedení turbíny do provozu. V případě úniku vzduchu z pneumatického ventilu dochází k automatickému uzavření ventilu. Průtok zemního plynu v jednom hořáku je 0,0015 kg/s což při hustotě plynu 0,70 kg/m3 činí přibližně 2,14 l/s. [5]

Chladicí a utěsňovací soustava vzduchu Cílem tohoto systému je rozvést stlačený vzduch. Stlačený vzduch se přivádí k turbíně a ke všem ložiskům. V turbínové části slouží jako chladicí médium, zatím co u ložisek slouží k vnějšímu utěsnění z důvodu možného úniku oleje a vniku nečistot do ložisek. Vzduch je odváděn z 3, 5a 10 stupně kompresoru. Z 3 stupně je vzduch použit pro vnější chlazení statoru turbíny. Z 5 stupně je použit pro chlazení třetího stupně rotoru turbíny a pro utěsnění ložisek. Z 10 stupně kompresoru se využívá stlačený vzduch pro chlazení druhého stupně rotoru turbíny.

Výfukový systém Výfukový systém slouží k odvedení spalin z turbíny. Výfukový systém je tvořen výfukovým potrubím s tlumičem. Nízko emisní spaliny mohou být odvedeny výfukovým potrubím do venkovního ovzduší, nebo využity jako zdroj tepla v kombinovaném cyklu plynové a parní turbíny. Parametry systému jsou znázorněny v tab. 4-1.

Tab. 4-11 Parametry výfukového systému Teplota spalin

620°C

Tlak spalin

5000 Pa

Maximální průtok spalin

155 kg/s

Optimální průtok spalin

130 kg/s

Životnost

160 000h / 20 let

Množství startů

10 000

Řídicí systém

31

5 ŘÍDICÍ SYSTÉM Řídicí systém plynové turbíny zajišťuje plně automatický provoz jednotky, její najetí a odstavení z provozu. Obsluha vykonává pouze před najetím a v průběhu provozu vizuální kontrolu stavu zařízení, veškeré potřebné veličiny pro sledování provozu a vyhodnocování stavu zařízení jsou k dispozici ve vizualizaci na pracovišti operátora, kde je také zajištěna archivace důležitých dat pro vyhodnocení provozu a monitoring případných poruch zařízení.

5.1 Hardware Systémy regulace, ochran a řízení všech částí plynové turbíny zajišťuje programovatelný automat. V současné době se nejčastěji jedná o modulový řídicí systém PLC Simatic S7-400 znázorněný na obr. 5-1. Průmyslový řídicí systém Simatic S7-400 je určen především pro náročnější automatizační úlohy velkého rozsahu. Hlavní využití nachází především ve velkých výrobnách navazujících na celopodnikové řízení zdrojů a systémy pro sběr, archivaci a zpracování technologických dat, jež jsou typické např. pro energetiku, farmacii, chemii, potravinářský průmysl apod. Oproti nižším řadám PLC (S7300; C7; S7-200) vyniká svou modularitou a výkonností.

Obr. 5-1 PLC S7-400

Charakteristickými vlastnostmi řady S7-400 jsou: 

Multicomputing – multicomputing umožňuje provoz více, než jednoho procesoru CPU v centralizované konfiguraci řídicího systému. Znamená to možnost rozdělení výkonu podle technických funkcí, jako jsou řízení, výpočetní operace, nebo komunikace, které lze tímto způsobem navzájem oddělit a přiřadit je samotným procesorům. Každý z procesorů může mít dále připojeny vlastní lokální I/O moduly a může zpracovávat vlastní program.



Izochronní režim – jednoduše řečeno se jedná o současný chod procesů. Díky přesnému taktování lze spolehlivě obsluhovat i rychlé procesy a vzdálené periferie po profibusové sběrnici.

 Změna konfigurace za chodu – díky této systémové funkci lze bez jakýchkoliv negativních dopadů na provozované technologické zařízení za plného provozu připojit nové senzory či akční členy. Není třeba provoz a výrobní zařízení zastavovat a poté znovu spouštět pokaždé, když se mění hardware. Je možné velmi pružně reagovat na změny v procesu a velmi snadno jej různými způsoby optimalizovat. Značně se tak zkracuje doba potřebná k vykonání servisního zásahu a klesají náklady spojené s přerušením výroby. Distribuované sestavy I/O i jednotlivé moduly I/O připojené na profibusové sběrnici v systémech ET 200M lze bez problému přidávat a odebírat a přiřazovat jim nové parametry.

Řídicí systém

32

Díky řadě nejrůznějších funkčních modulů lze řídicí systémy Simatic S7-400 přizpůsobovat širokému spektru aplikací. K dispozici jsou: 





 

signálové moduly (SM) - digitální a analogové moduly I/O pro téměř všechny typy signálů s diagnostickými i hardwarovými přerušeními, s označením Ex určené k použití v prostředí s nebezpečím výbuchu funkční moduly (FM) - se specifickými funkcemi, které zpracovávají náročné, a komplexní úlohy nezávisle na procesoru. Jsou určeny např. pro rychlé čítání, měření frekvence a všechny druhy funkcí spjatých s nastavováním polohy, regulací atd., komunikační moduly (CP) – slouží pro přenosy dat z bodu do bodu (PtP – Point to Point) nebo po sběrnicích AS-Interface, Profibus a Industrial Ethernet (také s funkcemi jako e-mailový klient, FTP server a webový server), zdroje (PS) – pro napájení zdrojových modulů je použito 24 V DC. připojovací moduly (IM) - pro rozšíření konfigurace Simatic S7-400/300 do víceřadých centralizovaných uspořádání. [7]

Příklad konkrétního zapojení řídicího systému plynové turbíny je znázorněn v komunikačním schématu zapojení viz Příloha A. Jsou v něm znázorněny všechny prvky podílející se na bezpečném chodu plynové turbíny, jako jsou např. operátorská stanice, PLC, funkční moduly, Bently Nevada, komunikační periferie, převodníky atd. Popis jednotlivých označení zařízení a rozvaděčů je znázorněn níže.

MCR

Hlavní řídící místnost

OCS

Nadřazený řídicí systém

ES

Programovací a řídicí stanice

OS

Operátorská stanice

CJD

Rozvaděč s řídicím systémem

CHA

Rozvaděč pro ochranu generátoru a transformátoru

BPA, MBV

Napájení frekvenčních měničů pro olejová čerpadla

BFA

Distribuce nízkého napětí

CJP

Instrumentační a řídící rozvaděč pro plynovou turbínu

Conv.

Převodník

DP/DP

Spojovač umožňující přenos dat mezi dvěma sítěmi

Řídicí systém

33

5.2 Software Programovací prostředí SIMATIC PCS7 Platforma SIMATIC PCS 7 je součástí konceptu TIA (kompletně integrované automatizace). Nabízí modulární, otevřenou architekturu, propojitelnost a rozšiřitelnost. SIMATIC PCS 7 je rozšiřitelný z malého jednoduchého systému o počtu několika procesních tagů (měřících bodů), který je použitelný například v laboratoři nebo v testovacím centru, až po distribuovaný systém s rozsáhlou architekturou až s 60 000 I/O. Všechny nástroje pro tvorbu aplikačního software, hardwarové komponenty a komunikační funkce jsou volány z centrálního správce projektu Simatic Manageru (obr. 5-2). Simatic Manager je základním programem pro vytváření a správu projektu. Při programování lze využít všechny funkce, které jsou dostupné v programovacím softwaru Step7 pro diskrétní řízení. PCS7 obsahuje navíc oproti Step7 možnosti využití SCL (strukturovaný jazyk), zobrazení procesních objektů a programování pomocí kontinuálních funkčních diagramů CFC. Pro kontinuální a dávkovou výrobu je možné využít programování pomocí sekvenčních funkčních diagramů SFC. [8]

Obr. 5-2 Programovací prostředí Simatic Manager

Řídicí systém

34

V Simatic Manageru exustují tři možná zobrazení. Prvním z nich je Component view (obr. 5-2), ve kterém je zobrazena hardwarová konfigurace systému, její konfigurace a propojení s operátorskou stanicí. Druhým zobrazením je Plant view (obr. 5-2), kde je zobrazena hierarchická struktura projektu. Zde lze projekt rozdělit do jednotlivých částí, ve kterých je přehledně vidět, do které části projektu patří příslušné funkční diagramy a procesní obrazovky. Třetím zobrazením je Process object view (obr. 5-2), ve kterém jsou vidět detaily k jednotlivým objektům projektu. Toto zobrazení je vhodné pro nastavování hodnot parametrů u většího množství objektů, jejich propojování a přidávání popisů. [8] Pro jednoduchou orientaci v softwaru je označení jednotlivých senzorů, měření, zařízení atd. v softwaru provedeno stejně jako na příslušných zařízeních. Jedná se o značení pomocí unikátních KKS kódů. Pro uvedený příklad kódu 2MBV10CT010 první číslice označuje turbínovou jednotku, MBV10 značí olejový systém před turbínou (MBV20 za turbínou) a CT010 je teploměr s označením 010.

Licenční politika V současné době se nejčastěji používá systém Simatic PCS7 verze 7.1 SP3. Po instalaci musí být software licencován za pomoci aplikace Automation license manager (obr. 5-3), která je součástí instalace softwaru PCS7. Pro každý program a proces uskutečňující se v projektu je zapotřebí instalace licencí. Základní typy licencí jsou dostačující pro užívání programů Step7, WinCC, CFC, SFC a několik dalších. Zároveň jsou dostačující na spuštění samotných komponent a konfigurace projektu. Většinou nebývají dostačující pro nahrání projektu do PLC nebo spuštění vizualizace z WinCC. Pro tyto případy je zapotřebí dokoupit a doinstalovat příslušné licence. Pro každý procesní objekt, který umí generovat tagy, je zapotřebí provést upgrade licence znázorněný na obr. 5-3.

Obr. 5-3 Automation License Manager

Řídicí systém

35

Jako novinku pro rok 2012 Siemens uvedl na trh nejnovější verzi systému PCS7 pro řízení technologických procesů, která nabízí řadu nových funkcí. Jedná se o verzi 8. Novinkami ve verzi 8 jsou zdokonalení výměny dat, zjednodušení návaznosti inženýrských prací, výkonnější komunikace, funkce spjaté se spolehlivostí a redundancí systému, nové řídicí jednotky a rozšíření funkcí softwarových nástrojů. Verze 8 podporuje kromě Windows XP také operační systémy Windows 7 a Windows 2008 [9]. Tento systém je zatím ve fázi testování.

CFC diagramy Základem systému PCS7 jsou CFC a SFC diagramy (charty), ve kterých je konfigurováno řízení daného projektu. V CFC diagramech se konfigurují takové části projektu, které se provádějí cyklicky. Konfigurace spočívá ve vkládání předdefinovaných bloků do diagramu. Každý blok má určitou funkci, strukturu a různé vstupy/výstupy. Požadovaných funkcí se dosahuje individuálním nastavením bloků. Popis každého bloku a jeho nastavení je podrobně popsáno v nápovědě. Bloky lze propojovat s jinými bloky, s fyzickými vstupy/výstupy i s jinými diagramy pro dosažení požadované logiky. Počet konfigurovaných diagramů není nijak omezen. K přehlednosti přispívá zobrazení Plant view, kde je v hierarchické struktuře přehledně zobrazeno, které části projektu daný diagram náleží. Příklad propojení bloků v CFC diagramu pro měření teploty oleje v tanku (MBV10CT010) je znázorněn na obr. 5-4. [8]

Obr. 5-4 CFC diagram

Řídicí systém

36

Na levé straně obr. 5-4 je spojen blok analogového měření s fyzickým výstupem z analogové karty. Blok dále poskytuje informace o stavu analogové karty (QBAD), kód kvality procesní hodnoty (QUALITY) a procesní hodnotu (V). Ve druhém bloku se nastavují parametry procesní hodnoty. V tomto případě se jedná o rozsah 0-100°C, spodní hranice alarmu je 10°C, spodní hranice varovného hlášení je 25°C, horní hranice varovného hlášení je 80°C a horní hranice alarmu je nastavena na 95°C. Tyto hodnoty jsou získány ze setting listu a alarm listu příslušné turbíny. Na výstupu z bloku je připojen pouze jeden výstup a to QL_WRN, tzn. pokud procesní hodnota dosáhne nastavené hodnoty spodní hranice varovného hlášení, objeví se na výstupu druhého bloku signál. Tento signál vyhodnotí třetí blok a odešle na bloky v dalším diagramu, který se stará o funkci ohříváku oleje. Tímto způsobem jsou propojeny a vyhodnoceny všechny zařízení připojené k plynové turbíně.

SFC diagramy V SFC diagramech jsou konfigurovány takové části projektu, které jsou prováděny jednorázově nebo kontinuálně. Jednorázově může být provedena kontrola po startu PLC, nebo zásah operátorem. Kontinuálně mohou být provedeny procesy spouštěné podmínkou. Program je vykonáván v jednotlivých blocích, které jsou odděleny podmínkami pro přechod na další blok. Každá sekvence začíná blokem „Start“ a končí blokem „End“ (viz Příloha C). V tomto diagramu jsou možná větvení, synchronizace, skoky nebo smyčky. Oproti CFC diagramům, které běží okamžitě po spuštění PLC, SFC diagramy nemusí. Mohou být nakonfigurovány tak, aby se spustily po startu PLC, nebo určitou podmínkou nebo byli aktivovány přímo operátorem. Příkladem užití je příprava procesu před řízením, nebo jednorázové ošetření chyby v procesu. [8]

Obr. 5-5 Vlastnosti podmínek a sekvenčních bloků v SFC diagramu

Řídicí systém

37

Konfigurace přechodů a jednotlivých bloků je prováděna otevřením daného bloku. Zde lze vybrat u podmínky záložku „Conditions“ a u bloku záložky „Inicialization“, „Processing“ a „Termination“ (obr. 5-5). Každá záložka představuje určitou část řízení procesu. Chceme-li nakonfigurovat podmínku nebo příkazy, stačí otevřít daný blok, zvolit správnou záložku a vybrat první volný řádek. Otevře se nové okno s průzkumníkem (viz obrázek 5-5). Zde si v projektu vybereme požadovaný vstup/výstup bloku. V druhé kolonce řádku můžeme přiřadit hodnotu danému vstupu, nebo předat hodnotu z jiného vstupu/výstupu. [8] Jako příklad sekvence na plynové spalovací turbíně je v příloze C zobrazena sekvence generátoru (CJQ30EB901). Tato sekvence vždy pracuje v automatickém módu a je řízena hlavní turbínovou sekvencí CJQ10EB901. Spuštění sekvence začíná při aktivování prvního kroku. V prvním kroku se spouští buzení generátoru. V dalším kroku jsou spuštěny zařízení pro synchronizaci. Po dosažení synchronního stavu se připojuje hlavní generátorový připojovač GCB. Ve třetím kroku generátor již dodává energii do sítě. V případě zastavení sekvence z nadřazené sekvence dochází ke skoku na čtvrtý krok, kde se deaktivuje buzení a dojde k otevření GCB.

WinCC Explorer Systém WinCC (obr. 5-6) představuje řešení pro nejnáročnější vizualizační úlohy. Díky integrované databázi MS SQL Server je možné nejen sledovat a ovládat řízenou technologii, ale také archivovat velké množství dat, které lze následně zobrazit, vyhodnotit, nebo přenést do nadřazeného systému. Veškerá data jsou uživateli přístupná nejen na počítači, kde systém WinCC pracuje, ale i vzdáleně z počítačů, na nichž není vůbec nainstalován. Běžnou praxí je vzdálené sledování, ovládání a vyhodnocování dat pomocí webového rozhraní. V PCS7 lze WinCC přímo otevřít ze Simatic Manageru kliknutím na položku STATIONSERVERWinCC Application. Otevře se WinCC Explorer s asociovaným projektem (obr. 5-6). Hlavními funkcemi WinCC jsou: 

Návrh grafické stránky projektu



Systém alarm logů



Zobrazení procesních obrázků



Načítání dat z procesu



Možnost spouštění a řízení procesů

Řídicí systém

38

Obr. 5-6 Uživatelské prostředí WinCC Explorer Pro navržení obrazovek operátorské stanice slouží Graphics Designer. Jedná se o grafické prostředí s možností vkládání obrázků, přiřazování tagů a také umisťování prvků sloužících k aktivnímu ovládání, nebo nastavování různých parametrů. Těmito aktivními prvky mohou být například ovládání manuální synchronizace generátoru, viz obr. 5-7.

Obr. 5-7 Synchronizační obrazovka

Uvádění SGT-800 do provozu

39

6 UVÁDĚNÍ SGT-800 DO PROVOZU Uvádění do provozu se provádí metodou zvanou „Commissioning“. Tato metoda v současné době stále nemá český jazykový ekvivalent. Commissioning je proces zajištění kvality instalace, zabudování systémů do objektu a jejich správné uvedení do provozu. Jedná se o systematický proces zkoušení a dokumentování, který vede ke správné instalaci systémů a jejich optimální využití. Zjednodušeně se dá říci, že se jedná o správné uvádění systémů do provozu. Výše uvedená definice pojmu commissioning ukazuje na to, že turbína je soubor dílčích prvků, jako jsou konstrukční prvky, zařízení pro bezpečnost, bezpečnostní systémy, elektrické rozvody, systémy pro regulaci a další systémy, se kterými je nutné při uvádění do provozu pracovat, koordinovat a zajistit jejich bezproblémovou kooperaci. Odborníky byl proto sestaven přesný proces testování jednotlivých komponent, funkčních celků, systémů atd. Jedná se o rozsáhlý soubor dokumentace, kde jsou popsány všechny komponenty, jejich vlastnosti, nastavení a způsob testování. SGT-800 je typizovanou turbínou, tudíž je tato metoda využitelná na všech stavbách, kde je tento druh turbíny použit.

6.1 Dokumentace Hlavním dokumentem je „Obecné postupy pro nastavení a uvedení do provozu“ [10]. Skládá se ze dvou částí. První část se týká plynové turbíny. Druhá část se zabývá elektrickými zařízeními a uváděním do provozu točivých částí SGT-800. Tato dokumentace obsahuje kontrolní seznamy, zkušební protokoly, instrument list (seznam zařízení), setting list (nastavení pro jednotlivá zařízení), alarm listy (seznam alarmových hodnot a hlášek) a další instrukce ke všem zařízením a systémům na SGT-800. Manipulace s dokumenty je přísně řízena směrnicí. Vyplněné dokumenty jsou předávány zákazníkovi a podepsané kopie pečlivě uloženy.

6.2 Testování SGT-800 Testování SGT-800 probíhá v několika fázích. První fáze testování je zahájena po smontování turbínové jednotky ve výrobně, tzv. workshop testy. Workshop testy se rozdělují na stacionární testy komponent (Pre-commissionig) a stacionární testy systémů. Po těchto zkouškách se turbínová jednotka přemístí na stavbu, kde se k ní připojí ostatní zařízení, jako generátor, nasávání vzduchu, výfukové potrubí, palivové ústrojí atd. Po dokončení mechanických operací přichází na řadu opět stacionární testy, poté uvádění do provozu jednotlivých systémů a na závěr testy rotačních zařízení.


40

6.2.1 Workshop testy Hlavním cílem těchto zkoušek je ověřit nastavení, zkontrolovat seřízení a provést kontrolu zapojení elektroinstalace podle dokumentace. Některá zařízení jsou ozkoušena až na stavbě z důvodu smluvních, nebo logistických důvodů.

Stacionární zkoušky komponent (Pre-commissioning) -

-

Tlakové snímače a převodníky jsou testovány pomocí nastavitelného zdroje tlaku. Provozní hodnoty a zapojení jsou kontrolovány podle příslušné dokumentace. Teplotní převodníky se zkouší na základě ověření výstupních hodnot oproti referenční tabulce. Hladinové snímače a koncové spínače jsou testovány pohybem ovládacího zařízení. Elektrické motory - před zapojením jsou proměřeny hodnoty odporu vinutí a izolačního odporu. Po zapojení se zkouší směr otáčení a proudová spotřeba. Naměřené hodnoty jsou zaznamenány ve zkušebních protokolech a kontrolovány podle dokumentace. Elektrické ohřívače jsou testovány stejně jako motory na izolační odpory a aktuální proudovou spotřebu. Bezpečnostní ventily jsou nastaveny od výrobce s dodaným kalibračním protokolem. Ostatní ventily jsou testovány proti setting listu. Nádrže a filtry jsou vizuálně kontrolovány s ohledem na čistotu. Zpětné ventily a filtry se kontrolují na správný směr toku média. Průměry otvorů na pomocných systémech jsou kontrolovány podle souhrnného seznamu.

Stacionární zkoušky systémů Součástí je všeobecná vizuální kontrola instalace zařízení, spojení potrubí, elektrických kabelů a jejich zapojení. Potrubí a všechny komponenty jsou kontrolovány podle P&ID výkresů a instrument listu. Komponenty jsou testovány pod napětím společně s řídicím systémem. -

-

-

Systém plynové turbíny je testován od koncového snímače do příchozího signálu v řídicím systému. Stejně tak se kontroluje funkčnost natáčení lopatek a detekce plamene. Signály z převodovky jsou kontrolovány v řídicím systému. Vzduchový systém – ventily a převodníky jsou za běžných podmínek profukovány tlakem vzduchu pro zbavení nečistot v potrubí. Taktéž se kontroluje těsnost vzduchového systému. Systém vysoušení – kontroluje se správnost připojení a čistota.


-

-

-

-

-

41

Olejový systém složený z čerpadel, ventilátorů, topení, převodníků atd. pracuje za provozních podmínek. Jednotlivé části se testují podle příslušných postupů. Olej z tanku je čerpán čerpadly přes filtry a sítka pro zachycení nečistot. Olej je veden mimo vnitřní části převodovky, kompresoru a turbíny. Testuje se čerpání, ohřev oleje, těsnost potrubí atd. Plynový palivový systém je profouknut tlakem vzduchu pro zbavení nečistot. Následně se natlakuje a kontroluje na těsnost. Kontroluje se funkčnost všech ventilů včetně regulačních a uzavíracích. Externí palivový systém není přítomen na workshop testech. Chladící a utěsňovací vzduchový systém se kontroluje na funkčnost odvzdušňovacích ventilů a těsnost. Napájecí systém 400 nebo 460V AC je použito pro napájení čerpadel, ohříváků, ventilátorů atd. Kontroluje se sled fází, izolační odpor, ochranné uzemnění, směr otáčení, označení a provozní proud. Systém ochran – ověřuje se propojení ochran do řídicího systému. Prakticky jsou ozkoušeny všechny provozní stavy, které mohou nastat. Synchronizační systém – ověřuje se nastavení času odpojení od sítě, maximální odchylky frekvence a napětí. Programovatelný řídicí systém je připojen na napájení a jsou nainstalovány potřebné programy. Měření na přístrojích musí být viditelné na samotných přístrojích i na vytvořené vizualizaci v systému. Programem se kontroluje systémové i sekvenční řízení všech celků. Kontroluje se nastavení alarmových a tripovacích hodnot u jednotlivých signálů příchozích ze všech spínačů, snímačů, ventilů atd. Systém řízení turbíny – programovatelný automat pro řízení turbíny je testován podle standardizovaného zkušebního postupu.

Po dokončení workshop testů je všechen olej vypuštěn. Příruby stejně jako ostatní vstupní/výstupní otvory jsou pečlivě utěsněny, aby nedošlo k zanesení nečistot během přepravy na stavbu.

6.2.2 Commissioning na stavbě Uvádění do provozu na stavbě začíná po instalaci plynové turbíny a všech externích systémů. Proces oživování se skládá ze stacionárních a rotačních testů. Rozsah testů je závislý na předešlých workshop testech. Stacionární testy jsou doplněny o kontrolu proti P&ID zapojení a kontrolu funkčnosti. Rotační testy se skládají z kontroly a nastavení celé turbínové jednotky aby bylo dosaženo optimálního provozního chodu.

Stacionární zkoušky komponent -

Výsledky testů z testování ve výrobně jsou znovu testovány na stavbě. Zbylé zkoušky jsou provedeny před spuštěním příslušných systémů.


42

Stacionární zkoušky systémů -

-

-

Plynová turbína prochází před uvedením do provozu kontrolou všech přístrojů a jejich nastavení. Poté se provádí funkční testy startovacího motoru, natáčecích lopatek, detekce plamene a systému zapalování. Převodovka prochází celkovou kontrolou snímačů a převodníků. Přívodní vzduchový systém - vizuální kontrola vzduchových filtrů, funkční test ventilátorů a motorů. Ventilační systém – kontroluje se funkčnost ventilátorů, vznik podtlaku v turbínové místnosti a požární klapky společně s přívodem CO2. Systém zhášení a detekce plynu – kontroluje se tlak v lahvích s hasicím plynem CO2. Detektory plynu jsou kalibrovány podle návodu. Mazací olej- je kontrolováno množství oleje, těsnost, čistotu a množství v nádrži. Taktéž se testuje náhradní DC zdroj, který pohání čerpadla při výpadku AC zdroje. AC generátor je vizuálně zkontrolována správnost zapojení, připojení uzemnění a funkčnost vnitřního ohřevu. 440V DC systém – kontroluje se správné zapojení přívodního napájení a ochranného uzemnění. Na jednotlivých bateriích se kontroluje proud a kapacita. Nedílnou součástí je test nabíjení a vybíjení celého systému 440V DC. UPS napájení - testuje se funkce přepínání mezi DC a AC napětím. Ochranný systém se kompletně znovu kontroluje společně s palivovým rychlouzávěrem.

Rotační zkoušky -

Před prvním startem se kontroluje čistota nasávacího potrubí, měřicí přístroje, polohy jističů, zkratování alternátoru a funkčnost vstřikování paliva. Po roztočení startovacím motorem se kontroluje teplota mazacího oleje před/za ložisky a hodnoty vibrací hřídele. Testuje se nouzové a plánované zastavení turbíny. Testuje se odstavení turbíny při dosažení 110% nominálních otáček. Zátěžové zkoušky jsou prováděny po krocích až na plný výkon (25, 50, 75, 100%). Kontrola teploty výfukových plynů. Kontrola doléhání zubů v převodovce. Závěrečné zkoušky jsou prováděny při chodu turbíny na maximální zatížení a výkon. Poté se testuje zastavení z plného výkonu při plánované odstávce a při simulované poruše (nouzové odstavení).


43

6.3 Najíždění Po ukončení testů dochází k procesu najíždění neboli startovní proceduře. Jedná se o proces roztočení hřídele turbíny z nulových otáček, zapálení paliva, zvýšení otáček na plnou rychlost bez zatížení, synchronizaci a zatížení na 100% výkonu. Při studeném startu se postupuje podle startovacího sekvenčního diagramu znázorněného v příloze B. Diagram popisuje dosažení nominálních otáček turbíny v osmi po sobě jdoucích krocích. Nejprve dochází k zapnutí ventilačního a mazacího systému, poté spuštění startovacího motoru na rychlost 1320 ot/min. Po dosažení otáček 1320ot/min musí motor v těchto otáčkách setrvat minimálně po dobu 100s. Splnění tohoto kroku dochází k přivedení pomocného plynu na hořák č. 26, kde je zažehnut piezoelektrickou svíčkou. Pokud je indikován plamen, tak se plamen rozšíří do ostatních hořáků. Následuje přivedení hlavního přívodu paliva a jeho hoření. Po zažehnutí všech hořáků se začne rychlost otáčení zvyšovat na 6600 ot/min. Při dosažení otáček 5600 ot/min dochází k odpojení startovacího motoru a turbína je poháněna pouze proudem spalin. Po dosažení samostatného chodu turbíny synchronizační systém kontroluje rychlost otáček a střídavého napětí generátoru. Když jsou dosaženy synchronní otáčky turbíny, synchronizační zařízení přifázuje generátor do sítě a uzavře se hlavní odpojovač. Výkon je řízen natáčecími lopatkami kompresoru, teplotou spalin a výstupní teplotou z turbíny. Celý proces najetí turbíny je znázorněn na obr. 6-1. Z grafu je patrné, že při jmenovitém zatížení se nárůst výkonu pohybuje okolo 50 kW/s, při rychlém zatížení výkon roste přibližně o 110kW/s. [11]

Obr. 6-1 Startovací sekvence při studeném startu Při horkém restartu se startovací procedura shoduje se sekvencí zobrazenou v příloze B s tím rozdílem, že ventilační a olejová soustava je stále v chodu. Celkový čas restartu je tedy snížen přibližně o 85s.


44

Hodnoty teploty a množství spalin protékajících výfukovým potrubím jsou uvedeny na obr. 6-2. Hodnoty jsou určeny při jmenovitém zatěžování stroje, tzn. růstu výkonu 50kW/s. [11]

Obr. 6-2 Teplota a množství spalin při najíždění

Při odstavování turbíny dochází nejprve k spuštění chladicího systému (krok 9). Zároveň jsou vypnuty nepotřebné funkční celky jako např. najížděcí motor, palivový systém, systém zažehnutí plamene atd. Chladicí systém, slouží při odstavování k udržování systémů pro bezpečně snížení otáček a následné ochlazení rotoru turbíny. Dochází k postupnému snižování otáček rotoru až na hodnotu 200 ot/min, tato hodnota je udržována po dobu 30 hodin. V případě nedodržení tohoto postupu může dojít vlivem tepla k nenávratnému poškození (prohnutí) rotoru turbíny. [11]

6.4 Fázování alternátoru Fázování je proces řízení otáček a napětí synchronního generátoru, jehož výsledkem je připojení generátoru do společné distribuční sítě. Pro připojení synchronního alternátoru na síť, která je již napájena jinými zdroji elektrické energie (jinými alternátory), musí být zajištěno splnění podmínek paralelního chodu, tzn. provést fázování. Připojení synchronního alternátoru o velkém výkonu se provádí pomocí přesného fázování, při kterém nedochází k velkým proudovým a momentovým rázům.


45

Pro přesný způsob fázování musí být splněny následující podmínky mezi strojem a sítí:

a. b. c. d. e.

Stejná velikost napětí Stejný kmitočet Stejný sled fází Stejný fázový posun napětí Stejný tvar křivky napětí

U zmíněných podmínek jsou v praxi povoleny menší odchylky, ty ovšem nesmí překročit předepsané hodnoty, aby nedocházelo k příliš velkým nárazům do sítě. Maximální odchylka napětí při fázování je v praxi dovolena do 5% jmenovitého napětí, z čehož vyplývá, že proudový náraz dosahuje maximálně 1/3 z hodnoty jmenovitého proudu. V případě nesplnění podmínky stejného napětí (alternátor má nižší napětí než je napětí sítě) hrozí, že začne pracovat jako motor. V opačném případě začne pracovat jako generátor. Generátorový stav je při fázování příznivější, protože do sítě ihned dodáváme jalový výkon. Jestliže není splněna podmínka stejného sledu fází, nastane situace, kdy by se magnetické pole proudu sítě otáčelo s opačným smyslem než magnetické pole proudu indukovaného v kotvě, což by mělo za následek, že v kotvě i v rotoru by se indukovala elektromotorická síla o dvojnásobném kmitočtu než je kmitočet sítě a tím by stroj vypadl ze synchronismu. [12] V případě dodržení tolerancí jednotlivých veličin jsou proudové a momentové rázy relativně malé. Nevýhodou je delší doba fázování a nutnost vybavit alternátor poměrně složitou automatikou synchronizačního systému. Účelem synchronizačního systému je provádět fázování generátoru s pomocí hlavního generátorového připojovače, synchronizátoru obsaženého v AVR systému a synchroskopu. Synchroskop (obr. 6-3) je přístroj sloužící k indikaci, zda dvě střídavá napětí, nebo vícefázové napěťové systémy mají shodný kmitočet, napětí a jsou ve fázi. V případě rozdílných hodnot funguje jako hardwarová pojistka a přes relé blokuje synchronizační pulz do hlavního připojovače. Ukazatel tohoto přístroje se otáčí točivým polem interferenčního kmitočtu doleva, nebo doprava, podle velikosti kmitočtu sítě a alternátoru. Okamžik, kdy lze připojit synchronní alternátor k síti je vyznačen na středu stupnic synchroskopu dvěma zelenými diodami. Obr. 6-3 Synchroskop


46

Připojení synchronního alternátoru k síti lze pomocí dvou způsobů: 1) Manuálně: po roztočení stroje na přibližně jmenovité otáčky obsluha reguluje napětí generátoru budícím proudem na hodnotu jmenovitého napětí. Hodnotu budícího proudu lze nastavovat ve vizualizaci po přepnutí AVR do manuálního režimu. Zároveň s napětím se provádí regulace frekvence pomocí otáček stroje. Otáčky jsou ovládány množstvím spalovaného paliva. Při správném vyladění hodnot se na synchroskopu (obr. 6-3) rozsvítí diody signalizující synchronizační impulz. Tento impulz značí možnost připojení generátorovým připojovačem k síti. 2) Automaticky: při automatické synchronizaci je AVR přepnuto do automatického režimu. Synchronizace je řízena za pomoci synchro-check terminálu. Účelem funkce synchro-check je najít okamžik, kdy jsou napětí na obou stranách výkonového vypínače synchronizované, a tedy mají stejnou frekvenci, fázový posun a amplitudu. V okamžiku, kdy jsou fázová, frekvenční a napěťová podmínka splněny, je trvání synchronismu kontrolováno na principu měření rozdílů fází a frekvencí, tak aby bylo zajištěno splnění podmínek i v okamžiku sepnutí výkonového vypínače. Toto je nutné vzhledem k tomu, že zpoždění výkonového vypínače a ovládacího systému oproti signálu k sepnutí je v rozsahu 50 až 250ms. Proto je umožněno nastavení doby minimálního splnění podmínek synchronizace.

Ekonomické zhodnocení návratnosti investice

47

7 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ NÁVRATNOSTI INVESTICE Od investice do projektu se očekává zhodnocení vložených peněz s určitým ziskem v určitém časovém horizontu. Ekonomická efektivnost se odvíjí z rozdílů mezi nákupní cenou elektrické energie Nn a celkovými měrnými náklady Nc na výrobu. V návaznosti na tyto hodnoty se vyhodnocuje výnos zařízení z ročního provozu V a očekávaná doba návratnosti Dn (r). [13]

Očekávaný celkový výnos lze předběžné stanovit ze vztahu

(Kč r)

(7.1)

kde je ukazatel počtu provozních hodin soustrojí při plném výkonu během roku. Díky spolehlivosti soustrojí dosahuje tento ukazatel u plynové spalovací turbíny hodnoty okolo 7000 hodin za rok. Pro celkové měrné náklady na výrobu 1 kWh platí vztah

(Kč/kWh)

(7.2)

kde jsou roční investiční měrné náklady, měrné palivové náklady a náklady na údržbu a provoz zařízení. Výpočet měrných ročních investičních nákladů je vypočten na základě pořizovací ceny (je obvykle známa pouze mezi výrobcem a zákazníkem), dosažitelným výkonem , počtem provozních hodin a počtu odpisovaných let soustrojí. (Kč/kW)

(7.3)

(Kč/kWh)

(7.4)

Spalovací plynové turbíny jsou zařazeny do 3 odpisové skupiny s délkou odpisování 10 let. Měrné palivové náklady Np se vyčíslují součinem měrné spotřeby paliva msp (kg/kW) a jeho ceny Cp (Kč/kg). (Kč/kWh)

(7.5)

Servisní práce, diagnostika technického stavu zařízení a opravy opotřebovaných dílů, eventuálně jejich výměna jsou specializované činnosti, které obvykle provádí výrobce zařízení nebo jeho servisní organizace. Náklady na tyto činnosti jsou obvykle hrazeny průběžně. Měrné náklady na údržbu a provoz No se pohybují v rozmezí ( v závislosti na velikosti a počtu jednotek. Tyto nízké náklady souvisí hlavně s dlouhou životností dílů.

Ekonomické zhodnocení návratnosti investice

48

Po vyčíslení celkových ročních nákladů a výnosů nic nebrání určení doby návratnosti investice.

(r)

(7.6)

Tento způsob výpočtu slouží jako orientační výpočet ročních výnosů a doby návratnosti investice při předpokládaných nákladech. V příloze D je vypočítána doba návratnosti investice do SGT-800. Hodnoty uváděné ve vzorcích jsou pouze orientační. Pro přesnější vyhodnocování ekonomie provozu soustrojí se uvažuje měnící se hodnota peněz během provozu. Rovněž ceny paliva i ceny oprav se zvyšují, což vede ke zvyšování celkových nákladů během roku. Tato hodnota peněz ztracená vlivem zvyšování nákladů a inflace je vyjádřena diskontní sazbou. Diskontní sazba je tedy číslo posuzující rychlost znehodnocování finančních prostředků v závislosti na čase. Diskontní doba návratnosti se počítá za pomoci diskontní sazby a míry inflace. Nedoporučuje se určovat míru inflace na dlouhou dobu dopředu, jelikož se snižuje přesnost výpočtu.

Závěr

49

8 ZÁVĚR Diplomová práce vytváří komplexní pohled na plynové turbíny společnosti Siemens. V první části jsou představeny jednotlivé typy vyráběných turbín, jejich parametry a porovnání z hlediska vyráběného elektrického výkonu. Pro bližší popis hlavních částí a systémů, byla vybrána turbína SGT-800. SGT-800 je nejvyšším zástupcem plynových turbín SGT určených pro průmyslový provoz a současně je jednou z nejčastěji uváděných turbín do provozu společností B:Tech. Další část je věnována řídicímu systému. Tento systém se skládá z hardwaru a softwaru. Hardwarem se rozumí všechny zařízení podílející se na správném a bezpečném chodu plynové turbíny. Mohou jimi být měniče, operátorské stanice, funkční moduly, měřicí přístroje, komunikační periferie, převodníky atd. Hlavním prvkem spojující všechny zařízení v jeden funkční celek je programovatelný automat Simatic S7-400. V práci je rovněž popsáno programovací prostředí, ve kterém je tvořen řídící software. Jedná se o prostředí Simatic PCS7 vyznačující se specifickou formou programování pomocí CFC a SFC diagramů. Ovládání řídícího systému je prováděno z operátorské stanice za pomoci aplikace WinCC, která slouží k grafickému zpřehlednění, načítání dat z procesů a řízení procesů. Pro uvedení turbíny do provozu slouží rozsáhlá dokumentace popisující přesné postupy při testování, najíždění, fázování atd. Podle této dokumentace se musí řídit každý, kdo pracuje na turbíně. Součástí práce bylo provádění workshop testů na turbíně SGT-800 ve Švédském městě Finspang. Získané poznatky jsou zahrnuty v diplomové práci. Závěr práce je zaměřen na ekonomické zhodnocení návratnosti investice do projektu plynové turbíny. Při použití orientačních hodnot pořizovací ceny a jednotlivých nákladů, vychází doba návratnosti při provozu bez nenadálých událostí do deseti let. Tento způsob výpočtu je ovšem pro tyto dlouhodobé investice nevhodný z důvodu růstu míry inflace, zdražování atd. S tímto jevem je počítáno při výpočtu diskontní doby návratnosti. Ani u tohoto typu výpočtu se nedoporučuje určovat míru inflace na mnoho let dopředu z důvodu snižování přesnosti výpočtu.

Použitá literatura

50

POUŽITÁ LITERATURA [1] RAČEK J., Technická mechanika, Mechanika tekutin a termomechanika. Brno: NOVPRESS, 2012. ISBN: 978-80-214-4343- 3 [2] ŠKORPÍK J., Tepelné oběhy a jejich realizace, Transformační technologie, [online]. 2006. ISSN 1804-8293. Dostupné z: [3] SIEMENS, Industrial Gas Turbines, [online]. 2012. Dostupné z: [4] GUDMUNDSSON B., NILSSON U., LINDER U., SHUKIN S., AFANASIEV I., KOSTEGE V., Experience from the joint development of the GTX100 Turbine Blading. 2008, ASME, 98-GT-201. [5] LINDBÄCK M., System Description. Siemens Sweden, 2006. [6] CIGÁNEK L., Elektrické stroje. 6. vydání Praha: Technicko-vědecké nakladatelství, 1951 [7] Kosek R., Řídicí systémy Simatic pro moderní automatizaci, [online]. Automa, 2/2005, Dostupné z: [8] SIEMENS, The process control systém for all sectors, [online]. 09/2006. Dostupné z: [9] SIEMENS, Tisková zpráva ze dne 7.2.2012. Dostupné z: [10] Toftered P., Commissioning & Setting instruction, Siemens Sweden, 2006. [11] Andersson T., Engine Control Specification SGT-800. Siemens Sweden, 2006. [12] Bouček S., Dočekal A., Elektrárny II. 1. Vydání. Praha: České vysoké učení technické, 1998. ISBN: 80-01-01279-4 [13] KOLARČÍK J., Parní a plynové turbíny v redukčních stanicích, Praha, 2008.

Seznam příloh

SEZNAM PŘÍLOH Příloha A: Schéma zapojení řídicího systému plynové turbíny………………………52 52 Příloha B: Diagram startovací sekvence plynové turbíny – část 1……………………53 53 Příloha B: Diagram startovací sekvence plynové turbíny – část 2……………………54 54 Příloha B: Diagram startovací sekvence plynové turbíny – část 3……………………55 55 Příloha C: SFC diagram………………………...……………………………………..56 56 Příloha D: Výpočet doby návratnosti investice ...……………………………………..57 57

51

Seznam příloh

Legenda: Terminálová sběrnice Systémová sběrnice Profibus IEC 61 850 Modbus

Příloha A: Schéma zapojení řídicího systému plynové turbíny

52

Seznam příloh

53

Spuštění procesu najíždění Krok 1

Start ventilace v turbínové místnosti

Ventilace spuštěna NE

ANO Krok 2

Start olejové soustavy

Olejová soustava spuštěna

NE

ANO Krok 3

Start najížděcího motoru / palivového systému

Najížděcí motor / palivový s. spuštěny

NE

ANO

Příloha B: Diagram startovací sekvence plynové turbíny – část 1

Seznam příloh

Krok 4

54

Zažehnutí pomocného paliva

Pomocný plamen zažehnut

Odstavení turbíny! NE

Skok na krok 9

ANO Krok 5

Zažehnutí hlavního paliva

Hlavní plamen zažehnut

Odstavení turbíny! NE

Skok na krok 9

ANO Krok 6

Start bezpečnostního celku Stop pomocného spalování

Bezpečnostní c.OK Otáčky >5600 ot/min

NE

ANO


Seznam příloh

55

Stop najížděcího motoru

Krok 7

Motor zastaven Otáčky>80%

NE

ANO Krok 8

Turbína v samostatném provozu Start řízení z nadřazené sekvence

Stop signál z nadřazené sekvence Odstavení turbíny

NE

ANO

Krok 9

Odstavení turbíny

Start chlazení Stop ostatních funkčních skupin

NE

ANO

Reset sekvence


Seznam příloh

Příloha C: SFC diagram

56

Seznam příloh

57

0,048 kg/s paliva=>173kg/h=>

K

Orientačním výpočtem bylo zjištěno, že při optimálním chodu plynové turbíny bez uvažování nenadálých událostí a míry inflace se investice vrátí zhruba po 9,3 roku. Při uvažování zdražování a zvyšování míry inflace během provozu se odhadovaná návratnost může pohybovat mezi 13 až 15 lety provozu.

Příloha D: Výpočet doby návratnosti investice

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents