Новые системы возбуждения гидроагрегатов повышают стабильность работы и удобство эксплуатации Нижнекамской ГЭС

Электроэнергетика Статья
выбрано
energybase

Рисунок 1. Нижнекамская ГЭС
Рисунок 1. Нижнекамская ГЭС

Значимость регулярных поставок электроэнергии населению и промышленным предприятиям обязывает компании, работающие в энергетическом секторе Российской Федерации, соблюдать строгие требования и стандарты.

Генераторы электростанций и связанные с ними системы (регулирования) возбуждения играют решающую роль в поддержании стабильности параметров сети. Поэтому к системам возбуждения гидроагрегатов предъявляются одни из самых жестких и часто повышаемых требований.

При этом повреждение или полный отказ системы регулирования возбуждения генератора и последующее внеплановое отключение, приводит к значительным финансовым потерям (оператора) станции. Чтобы предотвратить аварийные остановы оборудования, поддерживать эффективность эксплуатации объекта, снизить затраты на обслуживание, и соответствовать всем современным требованиям, компании уделяют особое внимание системам возбуждения и регулярно реализуют проекты по внедрению современных решений. В статье описан проект успешной реализации подобного проекта на Нижнекамской ГЭС.

Нижнекамская ГЭС — одна из крупнейших гидроэлектростанций Российской Федерации (см. Рисунок 1). Мощность высокотехнологичного предприятия — 1205 МВт, что составляет 22,4% от суммарной установленной мощности АО «Татэнерго». ГЭС является источником электроэнергии для множества крупных предприятий республики и Российской Федерации. Крупнейшим потребителем электроэнергии в регионе является Нижнекамский промышленный узел, как центр нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности всероссийского значения.

Причины проекта, задачи и выбор поставщика

Нижнекамская ГЭС была введена в эксплуатацию более 40 лет назад, и за столь длительное время работы оборудование в части возбуждения гидроагрегатов морально и физически устарело. Стоит также добавить, что в России требования к системам (управления) возбуждения гидроагрегатов постоянно меняются и ужесточаются. Кроме регулярно обновляющихся СТО и Приказов Минэнерго за последние двадцать лет два раза менялся ГОСТ (в 2000 и 2018 годах). Более того, операторы крупных энергетических объектов должны подтверждать соответствие регуляторов возбуждения требованиям СТО СОЕЭС 59012820.29.160.20.004 соответствующим сертификатом.

В связи с этим в 2017 году было принято решение о модернизации систем возбуждения гидроагрегатов, которое учитывало вышеперечисленные обстоятельства и позволило бы решить следующие задачи:

  1. Повышение надежности работы системы, за счёт обновления оборудования, а также внедрения передовой техники на базе микропроцессорных дублированных комплексов;
  2. Соответствие систем возбуждения ГОСТам и СТО СОЕЭС;
  3. Снижение эксплуатационных затрат, за счёт повышения скорости и качества работы оперативного и инженерно-технического персонала станции.

При внедрении новых систем возбуждения поставщиком услуги и оборудования была выбрана компания «Эмерсон», с которой станция сотрудничает с 2008 года. Одним из последних совместных проектов компаний, реализованных к концу 2017 года, стало внедрение систем виброконтроля и автоматического управления гидроагрегатами на базе программно-технического комплекса (ПТК) «Овация». За время эксплуатации ПТК «Овация» продемонмтрировал высокое качество управления и безотказную работу, а при планировании и реализации последующих проектов вносились изменения в соответствии с существующими на момент реализации требованиями.

Экспертная система управления «Овация» создана специально для энергетической отрасли. Комплекс опирается на интеллектуальные полевые устройства, обеспечивает проактивную диагностику состояния техпроцесса и оборудования, способствует оптимизации графика технического обслуживания, а также предоставляет возможность дистанционного управления и комплексного отображения и анализа информации.
Модульность системы, распределенная база данных и уникальные особенности комплекса позволяют легко объединить все технологические процессы станции в рамках единого информационного пространства. Таким образом, не подверженная угрозам морального устаревания данная система обеспечивает пользователей современными разработками в области связи, технологических процессов и передовых программных приложений.

Реализация проекта

В 2017 году эксперты «Эмерсон» из Экспертного Центра по энергетике в Санкт-Петербурге совместно с разработчиками регулятора из Питтсбурга последовательно привели математическую модель и алгоритмы регулятора «Овация» АРВ-1100 к требованиям стандарта СТО СОЕЭС 59012820.29.160.20.004. В конце 2017 года были проведены сертификационные испытания в Научно-техническом центре Единой энергетической системы. По результатам двухнедельных испытаний, после проведения различных опытов с имитацией разнообразных аварийных режимов на физической модели энергосистемы, был получен сертификат соответствия требованиям стандарта

В 2018 году были произведены проектные работы по замене существующих систем возбуждения, разработана конструкторская документация на шкафы систем возбуждения. Оборудование было полностью интегрировано в существующий комплекс.

В 2019 году в Промышленной Группе «Метран» команда проекта за 4 месяца изготовила и собрала системы возбуждения, провела испытания с проверкой управляющей и силовой аппаратуры готовых систем возбуждения, и отгрузила систему на электростанцию. 26 февраля 2020 года приступили к пуско-наладочным работам, а уже в начале апреля успешно прошли 72-часовые испытания в сети.

Описание решения

С апреля 2020 года на станции работает статическая тиристорная система возбуждения типа СТС-М-2П-400−1450 УХЛ4 (далее СТС) с регулятором возбуждения «Овация АРВ-1100» в микропроцессорном исполнении с двусторонним обслуживанием аппаратуры и стопроцентным резервированием основных узлов.

Рисунок 2. Структура условного обозначения СТС-М-2П-400-1450 УХЛ4 расшифровывается следующим образом: СТС – система тиристорная статическая; М – Метран; 2 – двухканальная; П – принудительное охлаждение; 400 – номинальное выходное напряжение СТС; 1450 – номинальный выходной ток СТС; УХЛ – климатическое исполнение; 4 – категория размещения.
Рисунок 2. Структура условного обозначения СТС-М-2П-400−1450 УХЛ4 расшифровывается следующим образом: СТС — система тиристорная статическая; М — Метран; 2 — двухканальная; П — принудительное охлаждение; 400 — номинальное выходное напряжение СТС; 1450 — номинальный выходной ток СТС; УХЛ — климатическое исполнение; 4 — категория размещения.

СТС предназначена для питания автоматически регулируемым током обмотки возбуждения генератора во всех эксплуатационных режимах. Система выполняет также функции управления, защит и сигнализации о состоянии системы возбуждения и генератора. Для обеспечения 100% резервирования СТС включает в себя два полностью идентичных преобразовательно-регулирующих канала.

Автоматические регуляторы возбуждения (далее АРВ) «Овация АРВ-1100», представленные на Рис. 3, являются основными элементами шкафа управления. Выполнение алгоритмов регулирования, ограничения и защит осуществляется программой, находящейся в энергонезависимой памяти регуляторов. Микропроцессорный модуль регулятора реализует алгоритм возбуждения генератора. Далее регулятор формирует управляющее воздействие на систему импульсно-фазового управления SL11, расположенную в силовой части СТС, на основании сигналов тока и напряжения статора и сигналов управления.

Рисунок 3. Контроллер Овация АРВ-1100
Рисунок 3. Контроллер Овация АРВ-1100

Для обеспечения повышенной надежности шкаф управления выполнен полностью резервированным, т. е. имеет два резервированных автоматических регулятора возбуждения сильного действия «Овация АРВ-1100» в составе регулятора напряжения типа ST4C и системного стабилизатора типа PSS2B с установленной версией алгоритма функционирования OVA360028.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) и панель управления позволяют контролировать текущее состояние системы возбуждения и генератора по сообщениям, отображаемым на панели. На двери шкафа управления предусмотрен местный пульт управления. На нем для удобства обслуживающего персонала имеются органы управления и световая индикация. Защита системы возбуждения реализована как в регуляторах возбуждения, так и аппаратно на ПЛК, дополнительных реле и устройствах защит.

Особенность системы возбуждения на базе ПТК «Овация» заключается в том, что систему импульсно-фазового управления (СИФУ) каждого канала принимает одновременно два аналоговых сигнала на два разных входа:

  • базовый (медленный, 4−20 мА с выходов модуля аналогового вывода; СИФУ1 получает сигнал с выхода 1, СИФУ2 — с выхода 2);
  • управляющий (быстрый, 0−10 В от активного регулятора; СИФУ1 и СИФУ2 параллельно получают сигнал с выхода активного регулятора через преобразователи 0−10В/4−20 мА).

Эти сигналы обрабатываются определённым образом и суммируются в логике СИФУ. Благодаря этой особенности система управления работает таким образом, что в нормальном режиме базовый сигнал (медленнодействующий) изменяется до тех пор, пока управляющий сигнал не станет равным 0. При увеличении реактивной нагрузки ток возбуждения увеличивается за счет быстрого увеличения управляющего сигнала от регулятора, выводящего угол открытия тиристоров на нужный уровень, а затем за ним «подтягивается» (увеличивается) базовый сигнал, который, уменьшая выходной сигнал регулятора (за счет суммирования в логике работы СИФУ), поддерживает угол открытия тиристоров на нужном уровне.

В случае отказа обоих регуляторов, и невозможности работы в режимах автоматического и ручного регулирования система возбуждения не отключается, а переходит в «Базовый режим». «Базовый режим» — режим ручного регулятора тока, реализованный непосредственно в ПЛК (без участия АРВ) и управляющий СИФУ при помощи дублированного модуля аналогового вывода.

Блок-схема работы шкафа управления СТС представлена на Рис. 4. При нормальной работе активным является один из ПЛК. Второй ПЛК неактивен и находится в «горячем» резерве. В случае отказа основного ПЛК система автоматически и безударно переключается на резервный ПЛК.

Рисунок 4. Блок-схема работы шкафа управления СТС
Рисунок 4. Блок-схема работы шкафа управления СТС

Внедренная статическая тиристорная система соответствует требованиям ГОСТ-21558−2018 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов», а также требованиям стандарта СТО 59012820.29.160.20.004−2019 «Требования к системам возбуждения и автоматическим регуляторам возбуждения сильного действия синхронных генераторов».

Итоги проекта

По итогам проекта замена старых систем возбуждения гидроагрегатов № 9 и № 10 на соответствующие современным стандартам решения прошла успешно. Теперь станция работает в единой сети с системой автоматического управления гидроагрегатом, с единой базой данных и с идентичными инструментами для эксплуатационного и инженерно-технического персонала.

Внедрение новых систем возбуждения позволило обеспечить соответствие новым ГОСТам СТО СО ЕС, а также снизить вероятность отказа по причине износа оборудования, что совместно с обновлением алгоритмов управления и контроля, функций ограничителей и защит повысило надежность генерирующего оборудования. При возникновении внештатной (аварийной) ситуации внедренное оборудование позволит более эффективно воздействовать на неустойчивые режимы работы сети и быстрее запустит необходимый алгоритм, что уменьшит негативные последствия как для сетей, так и для генерирующего оборудования, а также обеспечит устойчивость работы станции в энергосистеме.

Рисунок 5. Экран состояния оборудования
Рисунок 5. Экран состояния оборудования

Кроме того, обновленная система архивирования данных и новые графические интерфейсы, представленные на рисунках 5 и 6, позволяют быстро и эффективно отслеживать процессы и изменения, происходящие при работе генератора, что также значительно экономит время на анализе внештатных ситуаций в сети. Теперь вся информация о состоянии системы возбуждения и генератора находится на экране оператора, что, безусловно, облегчает работу оперативного и инженерно-технического персонала, так как РСУ «Овация» управляет и системой автоматического управления гидроагрегатом.

Рисунок 6. Главный экран
Рисунок 6. Главный экран

Заключение

Нижнекамская ГЭС, реализовав проект по модернизации систем возбуждения, добилась не только соблюдения необходимых требований стандартов, но повысила надежность работы станции в целом, а также снизила эксплуатационные затраты. Основными составляющими успеха стали тесная работа и высокий профессионализм специалистов компаний Эмерсон и Нижнекамской ГЭС, а также реализованный синергетический эффект от эксплуатации РСУ «Овация» как для системы автоматического управления, так и для систем возбуждения гидроагрегата.

Автор: Александр Николаев — Ведущий специалист по системам возбуждения компании Эмерсон.