Институт компьютерных наук и технологий
Факультет интеллектуальных систем и программирования
Кафедра Компьютерной инженирии
Специальность Вычислительные машины, комплексы, системы и сети
Разработка и исследование распределённой системы мониторинга тепловой электростанции
Научный руководитель: к.т.н., доцент Завадска Татьяна Владимировна
По своей значимости, гидроэлектростанция (ГЭС) находятся на втором месте после тепловых электростанций. В своей работе они используют энергию воды, преобразующуюся в электрический ток, и относящуюся к возобновляемым ресурсам. Простое управление такими станциями не требует большого количества персонала. Коэффициент полезного действия доходит до 85%.
Электричество, производимое на ГЭС, считается самым дешевым, его цена примерно в 5-6 раз меньше, чем на тепловых электроустановках. Гидроэлектростанции отличаются высокой маневренностью и могут быть запущены в работу в течение 3-5 минут, тогда как на тепловой электростанции (ТЭС) для этого требуется несколько часов. Это качество особенно важно при перекрытии пиковых нагрузок в суточном графике электроснабжения [2].
Основными недостатками подобных сооружений являются:
Достаточно перспективным направлением считается гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). В основе их работы заложен принцип действия, связанный с цикличным перемещением одинакового объема воды между верхним и нижним бассейнами. Ночью за счет излишков электроэнергии вода подается снизу-вверх, а в дневное время при резком росте энергопотребления она сбрасывается вниз и вращает турбины, производя электричество. Эти станции совершенно не зависят от естественных колебаний речного стока, а под водохранилища требуется гораздо меньше затапливаемых площадей [1].
На третьем месте по количеству производимой электроэнергии находятся атомные электростанции (АЭС). В России их доля в энергетике составляет чуть выше 10%. В США этот показатель равен 20%, в Германии – более 30%, во Франции – свыше 75%. Сокращение программ в области атомной энергетики произошло вследствие аварии на Чернобыльской АЭС.
Основные плюсы АЭС заключаются в следующем:
Рассматривая вопрос как работает АЭС, нужно в первую очередь остановиться на тяжелых последствиях в случае аварий. Кроме того, серьезные проблемы возникают с радиоактивными отходами в процессе их захоронения. Водоемы, используемые для технических целей АЭС, подвержены тепловому загрязнению [1, 3].
Для работы дизельных электростанций (ДЭС), используются различные виды жидкого топлива. Основой системы является дизель-генератор, включающий в себя дизельный двигатель, электрический генератор, системы смазки и охлаждения, пульт управления. Данные установки применяются как альтернативные в отдаленных районах, где являются основными источниками электроэнергии. Как правило, подведение стационарных ЛЭП в такие места экономически не выгодно. Кроме того, дизельные электростанции служат аварийными или резервными источниками питания, когда потребители не должны отключаться от электроснабжения.
Дизельных электростанций могут быть стационарными (4-5 тысяч кВт) и мобильными (12-1000 кВт). Благодаря небольшим размерам, они могут размещаться в небольших зданиях и помещениях. Эти станции постоянно готовы к пуску, а сам процесс запуска не занимает много времени. Большинство функций установок автоматизировано, а остальные легко переводятся в автоматический режим. Основным недостатком дизельных станций является привозное горючее и все мероприятия, связанные с его доставкой и хранением [1].
Электростанции, преобразующие тепловую энергию сгорания топлива в электрическую энергию, называются тепловыми электростанциями (ТЭС). Рассмотрим их преимущества и недостатки [3].
Преимущества:
Недостатки:
Для надежной и эффективной работы оборудования на современных ТЭС требуется осуществлять контроль и поддержание на заданных значениях несколько сотен технологических параметров, выполнять тысячи операций по управлению двухпозиционными органами, механизмами и устройствами. Системы автоматического контроля и управления позволяют освободить оператора от выполнения перечисленных задач и дать ему возможность сосредоточить свое внимание на важнейших параметрах и операциях по управлению. В число таких автоматических систем входят подсистемы дистанционного и дискретного автоматического управления механизмами и арматурой, автоматического регулирования и защиты, теплового контроля и сигнализации, расчета ТЭП.
Принцип организации управления технологическими процессами на ТЭС приведен на рисунке 1 [8].
Рисунок 1 – Структура организации управления технологическими процессами на ТЭС (анимация: 11 кадров; 804 килобайт)
На рисунке 1 приняты следующие обозначения:
Устройства дистанционного управления предназначены для передачи воздействий оператора на удаленные от поста управления запорные и регулирующие органы, устройства пуска и отключения механизмов.
Автоматические системы управления (АСУ) ГЭС предназначена для объединения локальных систем управления в единую систему. Централизованное хранение информации и единый пульт управления всей электростанцией. Групповое управление вырабатываемой турбинами электрической мощностью и ее регулирование [6, 7].
К её функциям можно отнести:
В состав АСУ-ТП входят следующие подсистемы:
Структура системы состоит в:
Особенности реализации такой системы:
К преимуществам применения можно отнести:
Наряду с автоматизацией технического процесса (ТП) на атомной электростанции (АЭС) обязательно реализуется контроль параметров системы. Прежде всего, осуществляется контроль параметров, используемых систем автоматического управления (САУ) при управлении ТП. К таким параметрам относятся показания датчиков положения, скорости, усилий, контроля температуры, уровня, давления, концевых выключателей и другие сигналы, передаваемые от оборудования объекта управления в САУ. Кроме этого, в САУ осуществляется контроль передачи информации внутри самой системы, контроль линий связи и других параметров [9].
Также следует отметить, что традиционно САУ для АЭС проектируются с учетом следующих основных принципов, регламентированных документом:
Еще одним требованием при создании САУ для АЭС является минимизация влияния персонала на работу САУ.
При проектировании, изготовлении и внедрении САУ обычно учитываются следующие особенности взаимодействия оператора с системой:
Особенностью современных САУ для АЭС является их разнообразие по применяемым в них техническим решениям. В первую очередь это характерно для давно действующих атомных станций, системы управления которых подвергались неоднократной модернизации за время эксплуатации.
Это обусловлено следующими причинами:
Спецификой проектирования САУ для АЭС является то, что часть оборудования САУ эксплуатируется в центральном (реакторном) зале станции или других помещениях, где присутствует радиационная нагрузка или контакт с радиоактивными средами, где для дезактивации поверхностей оборудования применяются специальные растворы, а следовательно, присутствуют повышенная влажность и температура [10]. В основном в неблагоприятных условиях работают датчики, двигатели и исполнительные механизмы. При этом технические средства САУ стараются вынести в «чистые» помещения, а там, где это невозможно, применяют изделия, стойкие к вышеперечисленным внешним воздействиям, или помещают их в защитные оболочки. АЭС и оборудование САУ проектируются также с учетом требований к сейсмостойкости.
Достаточно жесткие требования предъявляются и к надежности САУ. Например, надежность системы управления перегрузочной машиной характеризуется следующими показателями:
Назначенный срок службы системы управления машины перегрузочной составляет не менее 30 лет.
Достигаются данные показатели за счет применения комплектующих изделий с высокими показателями надежности, резервирования и обеспечения пользователя необходимым комплектом запасных частей.
Информационно-управляющая система (ИУС), на примере Старобешевской тепловой электростанции (ТЭС), предназначена для сбора, обработки и выдачи руководителям информации, необходимой для принятия управленческих решений и контроля их выполнения. Информационно-управляющая система – это постоянно действующая система взаимосвязи людей, технических средств и методических приемов, предназначенная для сбора, классификации, анализа, оценки и распространения актуальной, своевременной и точной информации для использования ее распорядителями с целью совершенствования планирования, претворения в жизнь и контроля мероприятий, осуществляемых организацией [11].
Информационно-управляющая система должна выдавать информацию о прошлом, настоящем и предполагаемом будущем; отслеживать все существенные события внутри организации и вне ее. Общей целью ИУС является облегчение эффективного выполнения функций планирования, контроля и производственной деятельности. Самой важной ее задачей является выдача нужной информации нужным людям в нужное время, ИУС в организациях может состоять из ряда информационных систем, каждая из которых служит для принятия решений в определенной области.
Информационно-управляющие системы, кроме наличия информации, обеспечивают выполнение функции планирования и управления. Управляющие команды, являющиеся результатом обработки полученных информационных данных и выработки решений, передаются непосредственно объекту управления. За человеком сохраняются функции контроля состояния и поведения систем. Рассмотрим подробнее ее структурные элементы.
Энергоблок – почти автономная часть тепловой электрической станции, представляющая собой технологический комплекс для производства электроэнергии, включающий различное оборудование, например паровой котёл, турбину, турбогенератор, повышающий трансформатор, вспомогательное тепломеханическое и электрическое оборудование, паропроводы и трубопроводы питательной воды и другое. Непосредственно управление энергоблоком осуществляется на блочном щите управлении.
Блочный щит управления (БЩУ) служит для контроля над работой всего оборудования блоков и согласованного управления работой. Находящиеся в помещениях БЩУ старшие операторы и операторы блоков обеспечивают нормальную работу блоков станции.
Блочный щит управления служит для управления энергетическим блоком ТЭС. С БЩУ ведутся пуск энергоблока, выведение его на мощность, пуск турбины, синхронизация генераторов, дистанционное управление системами обеспечения безопасности, а также включение вспомогательных систем.
Блочный щит управления размещают в главном корпусе ТЭС между турбинным и котельным отделениями. Щит оборудован вертикальными панелями и наклонными пультами 2, на которых размещены приборы управления и контроля. Эти пульты и панели расположены по дуге для лучшего обозрения. Справа и слева от пультов находятся панели неоперативного контура с приборами защиты котла, турбины, генератора.
Управление электростанцией осуществляется с блочных щитов управления, расположенных между котельными агрегатами на отметке управления.
Система управления блоком включает в себя приборы контроля, автоматики, аварийной сигнализа¬ции и дистанционного управления. С БЩУ осуществляется также связь с рабочими местами и центральным щитом управления. Кроме того, на БЩУ размещаются управляющие и информационно-вычислительные ма¬шины, если их установка преду¬смотрена проектом.
Все элементы системы управле¬ния размещаются на оперативных панелях и пультах управления. На блочном щите размещаются также электрические панели блока генератор – трансформатор, панели техно-логической защиты, панели регуля¬торов, панели питания, панели цен¬тральной сигнализации и ряд дру¬гих неоперативных панелей. На пультах управления размещаются ключи дистанционного управления задвижками и электромоторами, по¬зволяющие осуществлять пуск, оста¬новку и нормальную эксплуатацию блока. Наличие мнемосхемы и па¬нелей аварийной сигнализации об¬легчает работу оперативного персо¬нала как в нормальных, так и в ава-рийных условиях. С БЩУ произво¬дится также включение генератора в параллельную работу.
По установившейся практике в одном помещении БЩУ размеща-ется управление двумя блоками. Это позволяет расширить зону управле¬ния без снижения надежности ра¬боты.
Следует отметить, что в настоя¬щее время еще не существует уни-фицированной схемы расположения панелей и пультов даже для одно¬типного оборудования. Это объясня¬ется поисками наиболее удобной и рациональной компоновки элементов контроля и управления блоком.
Применение блочных щитов управления позволило сконцентри-ровать все управление блоком в од¬ном месте, что сделало эксплуата¬цию оборудования более оператив¬ной, особенно в аварийных случаях. Такое решение вопроса обеспечил высокий уровень автоматизации сов¬ременного оборудования, измери¬тельной техники и дистанционного управления. С внедрением централизованных методов управления улучшаются условия безопасной работы ввиду упразднения постоянных рабочих мест около работающего оборудования. Звукоизоляция БЩУ, хорошие условия освещения и кон¬диционирование воздуха создают благоприятные санитарные условия для оперативного персонала.
Некоторый недостаток централи¬зованной системы управления за-ключается в том, что оперативный персонал лишен возможности визу¬ального наблюдения за работающим оборудованием, так как периодиче¬ский обход оборудования дежурны¬ми-обходчиками систематического наблюдения заменить не может. Эту проблему может решить широкое применение телевизионных устано¬вок, телекамеры которых располо¬жены в наиболее ответственных ме¬стах блока. Имея один телеэкран, оператор может специальным пере¬ключателем получать изображение любых интересующих его узлов и объектов.
Изначально сбор данных и контроль производился вручную. Был большой рулон бумаги, на которой механизм с помощью иголки с пишущем наконечником рисовал графики.
Этот механизм был заменен на вторичные приборы, данные с них считывались с помощью самописных программ.
С течением времени рос объем нагрузки и добавлялись новые вторичные приборы. С появлением новый вторичных приборов самописных программ становилось все больше.
Модернизирование системы решено производить в 3 этапа:
Данные хранились на бумаге, это намного усложняло учет информации.
В компьютере есть направление на сборы данных (самописные программы) со вторичных приборов. Эти программы расcчитаны на небольшое количество приборов. С ростом их количества программы начинают работать со сбоями, показывают неточные данные, зависать.
Сейчас время обновления данных составляет 5 секунд, и рассчитано примерно на 200 сигналов. Со временем количество сигналов растет, новая программа будет способна обновлять данные каждые 2 секунды и работать примерно с 1000 сигналов.
На локальном компьютере, где установлены вторичные приборы пишутся данные в базу данных (БД), отображаются графики, установлены программы, с помощью которых можно посмотреть историю. Компьютер по сети связан с интернет-сервером, в котором хранятся данные всех энергоблоков. По ним строится эффективность всех энергоблоков.