Інститут комп'ютерних наук і технологій
Факультет інтелектуальних систем та програмування
Кафедра Комп'ютерна інженерія
Спеціальність Обчислювальні машини, комплекси, системи та мережі
Розробка та дослідження розподіленої системи моніторингу теплової електростанції
Науковий керівник: к.т.н., доцент Завадська Тетяна Володимирівна
За своєю значимістю, гідроелектростанція (ГЕС) знаходиться на другому місці після теплових електростанцій. У своїй роботі вони використовують енергію води, що перетворюється на електричний струм, і відноситься до відновлюваних ресурсів. Просте керування такими станціями не потребує великої кількості персоналу. Коефіцієнт корисної дії сягає 85%.
Електрика, вироблена на ГЕС, вважається найдешевшим, його ціна приблизно в 5-6 разів менша, ніж на теплових електроустановках. Гідроелектростанції відрізняються високою маневреністю і можуть бути запущені в роботу протягом 3-5 хвилин, тоді як на тепловій електростанції (ТЕС) для цього потрібно кілька годин. Ця якість особливо важлива при перекритті пікових навантажень у добовому графіку електропостачання [2].
Основними недоліками таких споруд є:
Достатньо перспективним напрямом вважається гідроакумулююча електростанція (ГАЕС). В основі їх роботи закладено принцип дії, пов'язаний із циклічним переміщенням однакового об'єму води між верхнім та нижнім басейнами. Вночі за рахунок надлишків електроенергії вода подається знизу вгору, а вдень при різкому зростанні енергоспоживання вона скидається вниз і обертає турбіни, виробляючи електрику. Ці станції зовсім не залежать від природних коливань річкового стоку, а під водосховища потрібно набагато менше площ, що затоплюються [1].
На третьому місці за кількістю електроенергії, що виробляється, знаходяться атомні електростанції (АЕС). У Росії їхня частка в енергетиці становить трохи вище 10%. У цей показник дорівнює 20%, у Німеччині – понад 30%, мови у Франції – понад 75%. Скорочення програм у галузі атомної енергетики сталося внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС.
Основні плюси АЕС полягають у наступному:
Розглядаючи питання, як працює АЕС, потрібно насамперед зупинитися на тяжких наслідках у разі аварій. Крім того, серйозні проблеми виникають із радіоактивними відходами в процесі їхнього поховання. Водойми, що використовуються для технічних цілей АЕС, зазнають теплового забруднення [1, 3].
Для роботи дизельних електростанцій (ДЕС) використовуються різні види рідкого палива. Основою зістеми є дизель-генератор, що включає дизельний двигун, електричний генератор, системи змащення та охолодження, пульт управління. Ці установки застосовуються як альтернативні у віддалених районах, де є основними джерелами електроенергії. Як правило, підведення стаціонарних ЛЕП до таких місць економічно не вигідне. Крім того, дизельні електростанції є аварійними або резервними джерелами живлення, коли споживачі не повинні відключатися від електропостачання.
Дизельних електростанцій можуть бути стаціонарними (4-5 тисяч кВт) та мобільними (12-1000 кВт). Завдяки невеликим розмірам, вони можуть розміщуватись у невеликих будинках та приміщеннях. Ці станції постійно готові до пуску, а процес запуску не займає багато часу. Більшість функцій установок автоматизовано, а інші легко перетворюються на автоматичний режим. Основним недоліком дизельних станцій є привізне пальне та всі заходи, пов'язані з його доставкою та зберіганням [1].
Електростанції, що перетворюють теплову енергію згоряння палива на електричну енергію, називаються тепловими електростанціями (ТЕС). Розглянемо їх переваги та недоліки [3].
Переваги:
Недоліки:
Для надійної та ефективної роботи обладнання на сучасних ТЕС потрібно здійснювати контроль та підтримку на заданих значеннях кілька сотень технологічних параметрів, виконувати тисячі операцій з керування двопозиційними органами, механізмами та пристроями. Системи автоматичного контролю та управління дозволяють звільнити оператора від виконання перелічених завдань та дати йому можливість зосередити свою увагу на найважливіших параметрах та операціях з управління. До таких автоматичних систем входять підсистеми дистанційного та дискретного автоматичного управління механізмами та арматурою, автоматичного регулювання та захисту, теплового контролю та сигналізації, розрахунку ТЕП.
Принцип організації управління технологічними процесами на ТЕС наведено на малюнку 1 [8].
Малюнок 1 - Структура організації управління технологічними процесами на ТЕС (анімація:11 кадрів; 804 кілобайт)
На малюнку 1 прийнято такі позначення:
Пристрої дистанційного керування призначені для передачі впливів оператора на віддалені від поста управління запірні та регулюючі органи, пристрої пуску та відключення механізмів.
Автоматичні системи управління (АСУ) ГЕС призначена для поєднання локальних систем управління в єдину систему. Централізоване зберігання інформації та єдиний пульт керування всією електростанцією. Групове управління електричною потужністю, що виробляється турбінами, та її регулювання [6, 7].
До її функцій можна віднести:
До складу АСУ-ТП входять такі підсистеми:
Структура системи полягає в:
Особливості реалізації такої системи:
До переваг застосування можна віднести:
Поряд із автоматизацією технічного процесу (ТП) на атомній електростанції (АЕС) обов'язково реалізується контроль параметрів системи. Насамперед здійснюється контроль параметрів, що використовуються систем автоматичного управління (САУ) при керуванні ТП. До таких параметрів відносяться показання датчиків положення, швидкості, зусиль, контролю температури, рівня, тиску, кінцевих вимикачів та інші сигнали, що передаються обладнання об'єкта управління в САУ. Крім цього, у САУ здійснюється контроль передачі інформації всередині самої системи, контроль ліній зв'язку та інших параметрів [9].
Також слід зазначити, що традиційно САУ для АЕС проектуються з урахуванням наступних основних принципів, регламентованих документом:
Ще однією вимогою під час створення САУ для АЕС є мінімізація впливу персоналу працювати САУ.
При проектуванні, виготовленні та впровадженні САУ зазвичай враховуються такі особливості взаємодії оператора із системою:
Особливістю сучасних САУ для АЕС є їхня різноманітність щодо технічних рішень, що в них використовуються. Насамперед це характерно для атомних станцій, що давно діють, системи управління яких піддавалися неодноразовій модернізації за час експлуатації.
Це зумовлено наступними причинами:
Специфікою проектування САУ для АЕС є те, що частина обладнання САУ експлуатується в центральному (реакторному) залі станції або інших приміщеннях, де є радіаційне навантаження або контакт з радіоактивними середовищами, де для дезактивації поверхонь обладнання застосовуються спеціальні розчини, а отже, присутні підвищена вологість та температура [10]. В основному в несприятливих умовах працюють датчики, двигуни та виконавчі механізми. При цьому технічні засоби САУ намагаються винести в «чисті» приміщення, а там, де це неможливо, застосовують вироби, стійкі до перелічених вище зовнішніх впливів, або поміщають їх у захисні оболонки. АЕС та обладнання САУ проектуються також з урахуванням вимог до сейсмостійкості.
Достатньо жорсткі вимоги пред'являються і до надійності САУ. Наприклад, надійність системи керування перевантажувальною машиною характеризується такими показниками:
Призначений термін служби системи керування перевантажувальної машини становить не менше 30 років.
Досягаються дані показники за рахунок застосування комплектуючих виробів з високими показниками надійності, резервування та забезпечення користувача необхідним комплектом запасних частин.
Інформаційно-керівна система (ІВС), на прикладі Старобешівської теплової електростанції (ТЕС), призначена для збору, обробки та видачі керівникам інформації, необхідної для прийняття управлінських рішень та контролю їх виконання. Інформаційно-керуюча система – це постійно діюча система взаємозв'язку людей, технічних засобів та методичних прийомів, призначена для збору, класифікації, аналізу, оцінки та поширення актуальної, своєчасної та точної інформації для використання її розпорядниками з метою вдосконалення планування, втілення в життя та контролю заходів , що здійснюються організацією [11].
Інформаційно-керівна система повинна видавати інформацію про минуле, сьогодення та передбачуване майбутнє; відстежувати всі істотні події всередині організації та поза нею. Загальною метою ІКС є полегшення ефективного виконання функцій планування, контролю та виробничої діяльності. Найважливішим її завданням є видача потрібної інформації потрібним людям у потрібний час, ІКС в організаціях може складатися з низки інформаційних систем, кожна з яких служить для прийняття рішень у певній галузі.
Інформаційно-керуючі системи, крім наявності інформаціїції, забезпечують виконання функції планування та управління. Керуючі команди, які є результатом обробки отриманих інформаційних даних та вироблення рішень, передаються безпосередньо об'єкту управління. За людиною зберігаються функції контролю стану та поведінки систем. Розглянемо докладніше її структурні елементи.
Енергоблок – майже автономна частина теплової електричної станції, що є технологічним комплексом для виробництва електроенергії, що включає різне обладнання, наприклад паровий котел, турбіну, турбогенератор, підвищуючий трансформатор, допоміжне тепломеханічне та електричне обладнання, паропроводи та трубопроводи поживної води та інше. Безпосередньо керування енергоблоком здійснюється на блочному щиті керування.
Блочний щит управління (БЩУ) служить контролю над роботою всього устаткування блоків і узгодженого управління роботою. Старші оператори та оператори блоків, що знаходяться в приміщеннях БЩУ, забезпечують нормальну роботу блоків станції.
Блочний щит управління служить для управління енергетичним блоком ТЕС. З БЩУ ведуться пуск енергоблоку, виведення його на потужність, пуск турбіни, синхронізація генераторів, дистанційне керування системами безпеки, а також включення допоміжних систем.
Блочний щит управління розміщують у головному корпусі ТЕС між турбінним та котельним відділеннями. Щит обладнаний вертикальними панелями та похилими пультами 2, на яких розміщені прилади керування та контролю. Ці пульти та панелі розташовані по дузі для кращого огляду. Праворуч та ліворуч від пультів знаходяться панелі неоперативного контуру з приладами захисту котла, турбіни, генератора.
Управління електростанцією здійснюється з блокових щитів управління, розташованих між котельними агрегатами на позначці управління.
Система управління блоком включає прилади контролю, автоматики, аварійної сигналізації та дистанційного управління. З БЩУ здійснюється також зв'язок із робочими місцями та центральним щитом управління. Крім того, на БЩУ розміщуються керуючі та інформаційно-обчислювальні машини, якщо їх установка передбачена проектом.
Всі елементи системи управління розміщуються на оперативних панелях і пультах управління. На блочному щиті розміщуються також електричні панелі блоку генератор – трансформатор, панелі технологічного захисту, панелі регуляторів, панелі живлення, панелі центральної сигналізації та ряд інших неоперативних панелей. На пультах управління розміщуються ключі дистанційного керування засувками та електромоторами, що дозволяють здійснювати пуск, зупинку та нормальну експлуатацію блоку. Наявність мнемосхеми і панелей аварійної сигналізації полегшує роботу оперативного персоналу як в нормальних, так і в аварійних умовах. З БЩУ відбувається також включення генератора в паралельну роботу.
За практикою в одному приміщенні БЩУ розміщується управління двома блоками. Це дозволяє розширити зону управління без зниження надійності роботи.
Слід зазначити, що у час ще немає уні-фицированной схеми розташування панелей і пультів навіть однотипного устаткування. Це пояснюється пошуками найбільш зручної та раціональної компонування елементів контролю та управління блоком.
Застосування блокових щитів управління дозволило сконцентрувати все управління блоком в одному місці, що зробило експлуатацію обладнання більш оперативною, особливо в аварійних випадках. Таке вирішення питання забезпечив високий рівень автоматизації сучасного обладнання, вимірювальної техніки та дистанційного управління. З впровадженням централізованих методів управління покращуються умови безпечної роботи через скасування постійних робочих місць біля працюючого обладнання. Звукоізоляція БЩУ, хороші умови освітлення та кондиціювання повітря створюють сприятливі санітарні умови для оперативного персоналу.
Деякий недолік централізованої системи управління полягає в тому, що оперативний персонал позбавлений можливості візуального спостереження за працюючим обладнанням, так як періодичний обхід обладнання черговими-обхідниками систематичного спостереження замінити не може. Цю проблему може вирішити широке застосування телевізійних установок, телекамери яких розташовані в найбільш відповідальних місцях блоку. Маючи один телеекран, оператор може спеціальним перемикачем отримувати зображення будь-яких вузлів і об'єктів, що його цікавлять.
Спочатку збір даних та контроль здійснювався вручну. Був великий рулон паперу, на якому механізм за допомогою голки з наконечником, що пише, малював графіки.
Цей механізмбуло замінено на вторинні прилади, дані з них зчитувалися за допомогою самописних програм.
З плином часу зростав обсяг навантаження та додавалися нові вторинні прилади. З появою нових вторинних приладів самописних програм ставало дедалі більше.
Модернізацію системи вирішено проводити в 3 етапи:
Дані зберігалися на папері, це значно ускладнювало облік інформації.
У комп'ютері є направлення на збори даних (самописні програми) із вторинних приладів. Ці програми розраховані на невелику кількість приладів. Зі зростанням їхньої кількості програми починають працювати зі збоями, показують неточні дані, зависати.
Зараз час оновлення даних становить 5 секунд і розрахований приблизно на 200 сигналів. З часом кількість сигналів зростає, нова програма буде здатна оновлювати дані кожні 2 секунди та працювати приблизно з 1000 сигналів.
На локальному комп'ютері, де встановлені вторинні прилади пишуться дані до бази даних (БД), відображаються графіки, встановлені програми, за допомогою яких можна переглянути історію. Комп'ютер мережі пов'язаний з інтернет-сервером, в якому зберігаються дані всіх енергоблоків. За ними будується ефективність усіх енергоблоків.