Automatyzacja w Automatyzacja w energetyceenergetyce

Wykład 3Wykład 3

DefinicjeDefinicje

• Wytwarzana moc musi być zawsze bilansowana przez aktualne zapotrzebowanie (obciążenie), gdyby tak nie było prędkość obrotowa wału turbiny i połączonego z nim generatora zmieniałaby się. W konsekwencji zmieniałaby się częstotliwość generowanego napięcia.

• Potrzeba regulacji generowanej mocy jest związana z regulacją częstotliwości.

DefinicjeDefinicje

•W warunkach pracy normalnej bez zakłóceń, częstotliwość W warunkach pracy normalnej bez zakłóceń, częstotliwość w systemie musi być utrzymywana w ścisłych granicach w systemie musi być utrzymywana w ścisłych granicach celem zapewnienia pełnego i szybkiego zadziałania celem zapewnienia pełnego i szybkiego zadziałania urządzeń regulacyjnych w odpowiedzi na zakłócenie. Poza urządzeń regulacyjnych w odpowiedzi na zakłócenie. Poza okresami korekty czasu synchronicznegookresami korekty czasu synchronicznego,, zadana wartość zadana wartość częstotliwości wynosi 50 Hz.częstotliwości wynosi 50 Hz.

•Wewnątrz danego obszaru regulacyjnego zapotrzebowanie Wewnątrz danego obszaru regulacyjnego zapotrzebowanie powinno być w każdej chwili pokryte przez energię powinno być w każdej chwili pokryte przez energię elektryczną wyprodukowaną na terenie tego obszaru oraz elektryczną wyprodukowaną na terenie tego obszaru oraz energię importowaną energię importowaną ..

DefinicjeDefinicje

•Dla utrzymania tej równowagi cały czas powinny być Dla utrzymania tej równowagi cały czas powinny być dostępne rezerwowe moce wytwórcze aby pokryć dostępne rezerwowe moce wytwórcze aby pokryć odstawienia bloków wytwórczych oraz wszelkie zakłócenia odstawienia bloków wytwórczych oraz wszelkie zakłócenia dotyczące wytwarzania, zapotrzebowania i przesyłu energii dotyczące wytwarzania, zapotrzebowania i przesyłu energii elektrycznej.elektrycznej.

•Tam, gdzie pomimo dostępności rezerw mocy Tam, gdzie pomimo dostępności rezerw mocy zapotrzebowanie w sposób ciągły przewyższa wytwarzanie zapotrzebowanie w sposób ciągły przewyższa wytwarzanie należy podjąć natychmiastowe działania celem przywrócenia należy podjąć natychmiastowe działania celem przywrócenia równowagi pomiędzy nimi (wykorzystując źródła rezerwowe, równowagi pomiędzy nimi (wykorzystując źródła rezerwowe, zmianę poziomu obciążenia zgodnie z wcześniej zawartą zmianę poziomu obciążenia zgodnie z wcześniej zawartą umową lub w ostateczności odłączanie części obciążeń umową lub w ostateczności odłączanie części obciążeń odbiorców).odbiorców).

DefinicjeDefinicje

•W większości elektrowni napięcie elektryczne generowane W większości elektrowni napięcie elektryczne generowane jest przez generator synchroniczny (częstotliwość napięcia jest przez generator synchroniczny (częstotliwość napięcia generowanego zależy od prędkości obrotowej-3000 obr/min, generowanego zależy od prędkości obrotowej-3000 obr/min, wirnika i par biegunów stojana-1 para), napędzany turbiną wirnika i par biegunów stojana-1 para), napędzany turbiną parową. Napięcie generowane ma wartość tysięcy volt- parową. Napięcie generowane ma wartość tysięcy volt- 22kV, które transformuje się w transformatorach blokowych 22kV, które transformuje się w transformatorach blokowych do wyższych napięć-440 kV. Poprzez sieci, rozdzielnie do wyższych napięć-440 kV. Poprzez sieci, rozdzielnie transformatorowe jest dostarczane do odbiorców. W transformatorowe jest dostarczane do odbiorców. W zależności od potrzeb wartość tego napięcia jest różna. W zależności od potrzeb wartość tego napięcia jest różna. W gospodarstwach domowych napięcie międzyfazowe 390V, gospodarstwach domowych napięcie międzyfazowe 390V, fazowe 230V.fazowe 230V.

Definicje-słowniczekDefinicje-słowniczek

•UAR- UAR- układ automatycznej regulacjiukład automatycznej regulacji

•ARCM-ARCM- automatyczna regulacja częstotliwości i mocy, automatyczna regulacja częstotliwości i mocy, uwzględniająca jednoczesne kryteria dotrzymania salda uwzględniająca jednoczesne kryteria dotrzymania salda wymiany mocy i utrzymania częstotliwości wg określonego wymiany mocy i utrzymania częstotliwości wg określonego algorytmu. Realizowana jest przez regulator generujący algorytmu. Realizowana jest przez regulator generujący sygnały regulacji wtórnej Ysygnały regulacji wtórnej Y

11 oraz sygnały regulacji trójnej Y oraz sygnały regulacji trójnej Yoo

•  ARNE-ARNE- automatyczna regulacja napięcia i mocy biernej automatyczna regulacja napięcia i mocy biernej

zainstalowana dodatkowo w elektrowni w celu kompleksowej zainstalowana dodatkowo w elektrowni w celu kompleksowej regulacji wytwarzania mocy biernej na generatorach oraz do regulacji wytwarzania mocy biernej na generatorach oraz do zmiany położenia przełączników zakresów na zmiany położenia przełączników zakresów na autotransformatorach NN/110 kV zainstalowanych w autotransformatorach NN/110 kV zainstalowanych w rozdzielni przyelektrownianej, rozdzielni przyelektrownianej, 

Definicje-słowniczekDefinicje-słowniczek

•blok-blok- oznacza podstawową jednostkę wytwórczą oznacza podstawową jednostkę wytwórczą składającą się z kotła, turbiny, generatora i transformatora składającą się z kotła, turbiny, generatora i transformatora blokowego,blokowego,

•energia elektryczna - energia elektryczna - oznacza energię elektryczną oznacza energię elektryczną netto mierzoną lub wyliczoną w MWh w punkcie dostawy,netto mierzoną lub wyliczoną w MWh w punkcie dostawy,

•  moc przyłączeniowa –moc przyłączeniowa – moc czynna planowana do moc czynna planowana do pobierania lub wprowadzania do sieci, określona w umowie o pobierania lub wprowadzania do sieci, określona w umowie o przyłączenie jako wartość maksymalna ze średnich wartości przyłączenie jako wartość maksymalna ze średnich wartości tej mocy w okresie 15 minut, służąca do zaprojektowania tej mocy w okresie 15 minut, służąca do zaprojektowania przyłącza,przyłącza,

•KSE-KSE- Krajowy System Elektroenergetyczny, Krajowy System Elektroenergetyczny,

•KDMKDM-Krajowa Dyspozycja Mocy-Krajowa Dyspozycja Mocy

Definicje-słowniczek Definicje-słowniczek

odbiorca-odbiorca- każdy, kto otrzymuje lub pobiera energię każdy, kto otrzymuje lub pobiera energię elektryczną na podstawie umowy z dostawcą,elektryczną na podstawie umowy z dostawcą,

regulacja pierwotna -regulacja pierwotna - regulacja mocy jednostki wytwórczej regulacja mocy jednostki wytwórczej za pomocą indywidualnego regulatora prędkości obrotowej w za pomocą indywidualnego regulatora prędkości obrotowej w funkcji częstotliwości sieci i w zależności od jego funkcji częstotliwości sieci i w zależności od jego nastawienia,nastawienia,

regulacja wtórna- regulacja wtórna- regulacja mocy i częstotliwości w regulacja mocy i częstotliwości w systemie elektroenergetycznym za pomocą systemie elektroenergetycznym za pomocą skoordynowanego oddziaływania na indywidualne regulatory skoordynowanego oddziaływania na indywidualne regulatory wybranych jednostek wytwórczych przez system wybranych jednostek wytwórczych przez system automatycznej regulacji mocy i częstotliwości ARCM,automatycznej regulacji mocy i częstotliwości ARCM,

Definicje-słowniczekDefinicje-słowniczek

regulacja trójna-regulacja trójna- automatyczne lub ręczne przesuwanie automatyczne lub ręczne przesuwanie punktu pracy jednostki wytwórczej elektrowni w celu zmiany punktu pracy jednostki wytwórczej elektrowni w celu zmiany jej wirującej mocy bazowej, wokół której działa regulacja jej wirującej mocy bazowej, wokół której działa regulacja wtórna,wtórna,

sieć przesyłowa- sieć przesyłowa- sieć służąca do przesyłania i dystrybucji sieć służąca do przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej o napięciu wyższym niż 110 kV.energii elektrycznej o napięciu wyższym niż 110 kV.

  

sieć rozdzielcza-sieć rozdzielcza- sieć służąca do przesyłania i dystrybucji sieć służąca do przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej o napięciu nie wyższym niż 110 kV,energii elektrycznej o napięciu nie wyższym niż 110 kV,

Definicje-słowniczekDefinicje-słowniczek

układ pomiarowo- układ pomiarowo- rozliczeniowy -oznacza liczniki i inne urządzenia rozliczeniowy -oznacza liczniki i inne urządzenia pomiarowe lub rozliczeniowo-pomiarowe, a także układy połączeń pomiarowe lub rozliczeniowo-pomiarowe, a także układy połączeń między nimi służące bezpośrednio lub pośrednio do pomiaru i rozliczeń,między nimi służące bezpośrednio lub pośrednio do pomiaru i rozliczeń,

usługi systemowe-usługi systemowe- usługi, niezbędne do prawidłowego funkcjonowania usługi, niezbędne do prawidłowego funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, zapewniające zachowanie określonych systemu elektroenergetycznego, zapewniające zachowanie określonych wartości parametrów niezawodnościowych i jakościowych dostaw energii wartości parametrów niezawodnościowych i jakościowych dostaw energii elektrycznej, świadczone przedsiębiorstwu zajmującemu się elektrycznej, świadczone przedsiębiorstwu zajmującemu się przesyłaniem i dystrybucją energii elektrycznej przez inne podmioty,przesyłaniem i dystrybucją energii elektrycznej przez inne podmioty,

rezerwa mocy-rezerwa mocy- nie wykorzystana w danym okresie, zdolność jednostek nie wykorzystana w danym okresie, zdolność jednostek wytwórczych do podjęcia wytwarzania i dostarczania energii elektrycznej wytwórczych do podjęcia wytwarzania i dostarczania energii elektrycznej do siecido sieci

Model bloku MIMO 2x2

Blok energetyczny stanowi obiekt regulacji o wielu wejściach i wyjściach. Główne wielkości regulowane umieszczone są na rys.1. Linią ciągłą zaznaczono oddziaływania w torach głównych, ale oprócz nich występują jeszcze oddziaływania skrośne, powodujące sprzężenie obwodów regulacji między sobą (linie przerywane).

Blok energetyczny jako wielowymiarowy obiekt regulacji.

A – położenie zaworu turbiny, M B - strumień paliwa,

MW - strumień wody do schładzaczy pary,

MZ - strumień wody zasilającej,

MPow - strumień powietrza do kotła,

MS - strumieńspalin z kotła,

N - moc bloku,

n - prędkość obrotowa turbozespołu,

p – ciśnienie pary, t - temperatura pary,

h - poziom wody w walczaku,

- nadmiar powietrza charakteryzujący proces spalania,

pc - podciśnienie w komorze paleniskowej.

A

M B

M W

M Z

M pow

M S

p

n

N

H

p c

Blok energetyczny jako wielowymiarowy obiekt regulacji.

     REGULACJE SYSTEMOWE 

   Wprowadzenie. 

Utrzymywanie równowagi pomiędzy zapotrzebowaniem mocy a jej wytwarzaniem, przy zadanej częstotliwości, odbywa się w normalnych warunkach eksploatacyjnych systemu elektroenergetycznego drogą regulacji mocy źródeł wytwórczych. W elektrowni rozróżnia się dwa współdziałające ze sobą, stopnie regulacji mocy, określone jako:      regulacja pierwotna;       regulacja wtórna.

Regulacja pierwotna mocy jest to regulacja autonomiczna, realizowana przez właściwy dla każdego bloku układ regulacji, regulujący na zmiany częstotliwości. Dla bloku zsynchronizowanego z systemem polega ona na dostosowaniu jego mocy do aktualnej częstotliwości systemu zgodnie ze statyzmem (charakterystyką statyczną) regulacji tego bloku.

Regulacja wtórna, zwana powszechnie automatyczną regulacją częstotliwości i mocy (ARCM) jest nadrzędną regulacją systemową. Regulator systemowy zlokalizowany w KDM, wytwarza sygnał regulacyjny porównując zapotrzebowanie na energię do produkcji i przesyła je za pośrednictwem łącz telemechaniki do lokalnych układów regulacji. Regulacja wtórna w Elektrowni realizowana jest w regulacji grupowej w oparciu o Ekonomiczny Rozdział Obciążeń (ERO).

1T F s

K1(1)

K2(1/24)

BLOK PID

_

_

_

DN/No

E1

E2

DNz/No Df/fo

SIEC

E2=K2+DN/No+Df/fo=0 E1=DNz/No+K1*Df/fo – DN/No=0 Stąd dla K1=1( sieć wyspowa)  oraz dla założonego statyzmu:

-K2/(1+K1*K2) = (Df/fo)/DNz/No)= - 0.04 wyliczona wartość: K2=1/24

Dla stanu ustalonego wejścia członów zawierających całkowanie muszą być równe zeru: więc:

W regulacji wtórnej rozróżniamy:    regulację wtórną wolną w oparciu o sygnał Y0   regulację wtórną szybką w oparciu o sygnał Y1 Minimalny, stosowany czas zmiany sygnału Y w pełnym zakresie jest następujący:    10 minut dla zmiany Y1 od wartości -31 do +31   30 minut dla zmiany Y0 od wartości 0 do +31

Sygnał od częstotliwości. Sygnał ten jest sygnałem szybkozmiennym o

zmiennej prędkości i pochodzi od pomiaru częstotliwości w sieci. Regulacja mocy następuje od zmiany częstotliwości w przedziale 150mHz od wprowadzonej bazy ustawionej na wartościach 49,95Hz; 50,00Hz; 50,05Hz. Jak z powyższego wynika zakres regulacji pokrywa pasmo zmian częstotliwości w przedziale 49,8 - 50,2Hz.

    Sygnał Y0. 

Sygnał Y0 jest sygnałem wolnozmiennym o stałej prędkości zmian. Jest to sygnał cyfrowy o zakresie zmian od 0 do plus 31. Prędkość zmian wynosi jeden stopień na minutę. Częstość zmian zależy od uchybu regulacji oraz sygnału Y1. W elektrowni „sygnałami znaczącymi” (sygnał na który następuje odpowiedź mocą) są sygnały nieparzyste w zakresie 1-15 i parzyste w zakresie 16-31. Wprowadzenie sygnałów znaczących pozwala na wyeliminowanie zakłóceń transmisji oraz pojawienia się przypadkowych sygnałów .

     Sygnał Y1. Sygnał Y1 jest sygnałem szybkozmiennym o zmiennej prędkości zależnej od uchybu regulacji. Jest to sygnał cyfrowy o zakresie zmian od -31 do +31. Ograniczenie najczęstszej zmiany wynosi obecnie 10s .

     Sygnał Y0i. Sygnał Y0i (interwencja realizowana na sygnale Y0) wprowadzany jest przez dyspozytora KDM w przypadku konieczności gwałtownego zwiększenia lub zmniejszenia sumarycznej mocy generowanej w czasie rzędu pojedynczych minut. Interwencja polega na skokowej zmianie wartości sygnału Y0. Maksymalna wartość skoku wynosi 11stopni. Wielkość skoku może być dowolnie określona przez dyspozytora w zakresie 4 do 11 stopni

Sygnały ARCM przekazywane są z Regulatora Centralnego ARCM zainstalowanego w KDM poprzez Obszarowe Dyspozycje Mocy do Regulatora Elektrownianego za pośrednictwem telemechaniki UTRT (Urządzenie Transmisji Sygnałów Regulacyjnych i Telepoleceń). Odbiorniki retransmisyjne DRTN-1 systemu UTRT zainstalowane w ODM-mie oraz odbiornik obiektowy DRTO zainstalowane w pomieszczeniu DIRE oraz Regulator Elektrowniany umożliwiają wizualizację i rejestrację sygnałów regulacyjnych ARCM

N

N

N

BL

BL

BL

wzgledna zmiana mocy bloku

przyrost mocy bloku

N moc znamionowa bloku

t - czasBL

    Wymuszenie od zmian częstotliwości.

 Zmiany zachodzące w ruchu normalnym mają charakter płynnych, czasami dość znacznych odchyleń. Prędkość zmian częstotliwości w ruchu normalnym systemu utrzymuje się w granicach 4mHz/s -statyzm 4%. Przebieg odpowiedzi a wartość zadaną przedstawia poniższy rysunek

 

     Wymuszenie od zmiany sygnału Y0. 

Żądaną przez KDM odpowiedź mocy bloku na sygnał Y0 przedstawia poniższy rysunek.

 Jak widać z rysunku na skokową wartość zadaną od sygnału Y0

blok energetyczny musi odpowiedzieć 80% zmiany mocy w ciągu 4min, a pozostałe 20% zmiany mocy w ciągu 1min.

•układ PK1- klasyczne sprzężenia UAR z prowadzącym kotłem: odchyłka ciśnienia działa na zawory turbiny a odchyłka mocy działa na strumień paliwa - bez dynamicznej korekty ciśnienia – używany bywa głównie w czasie rozruchu kotła.

Dwa tryby z prowadzącym kotłem:

•układ PK2- klasyczne sprzężenia UAR z prowadzącym kotłem jak w PK1:: ciśnienie działa na zawory turbiny , moc na strumień paliwa ale w celu wykorzystania akumulacji pary w kotle występuje przejściowa dynamiczna korekta w dół( z TAM) ciśnienia zadanego przed turbiną (z narzuconymi progami zmian ciśnienia) i przejściowe forsowanie strumienia paliwa do kotła od wzrostu sygnału mocy zadanej.

p

G

R n

n z

n

Systemelektro-

energetyczy

f

Dysp-ozycjamocy

N z

M

N

Z

R p

R Np

z

Układ regulacji mocy bloku –wiodący kocioł.

Przebiegi zmian mocy i ciśnienia wiodący kocioł.

: 

•układ PT1- klasyczne sprzężenia UAR z prowadzącą turbiną- jednak zbliżony jest strukturalnie do PK2: występuje w nim dynamiczna korekta ciśnienia zadanego przed turbiną od mocy zadanej z dodanym tzw. precyzerem typu PI korygującym dodatkowo od rzeczywistej odchyłki mocy i predyktorem PD korygującym sygnał strumienia paliwa.

Dwa tryby z prowadzącą turbiną

•układ PT2 - klasyczne sprzężenia UAR z prowadzącą turbiną: moc utrzymywana jest zaworami turbiny, a ciśnienie przez oddziaływanie na paliwo (z narzuconymi progami zmian ciśnienia).

p

G

R n

n z

n

Systemelektro-

energetyczy

f

Dyspo-zycjamocy

N z

M

N

Z

R p p

z

R N

Układ regulacji mocy bloku poprzez oddziaływanie na zawór turbiny

- wiodąca turbina.

Rys. 3.1.Przebiegi zmian mocy i ciśnienia

wiodąca turbina

G

R n

n z

n

Systemelektro-

energetyczy

f

Dysp-ozycjamocy

N z

M

N

Z

R N

n z = const

Układ regulacji mocy bloku bez regulatora ciśnienia (praca poślizgowa)

Przebiegi zmian mocy i ciśnienia praca przy ciśnieniu poślizgowym.