Případová studie: Elektrárna Ledvice Tematický blok předmětu MAUP Milan Findura OSC a.s., Staňkova 18, Brno finduram@osc.cz

Obsah tématu Zadání úkolu Popis technologie Popis technologie a jejího řízení Analýza problému a postup řešení Řešení na matematickém modelu Diskuse výsledků MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Zadání Požadavek: Navrhněte uspořádání základních regulací na bloku 110 MWe Elektrárny Ledvice tak, aby byl schopen poskytovat podpůrnou službu primární regulace (PR) Navržené řešení musí být čistě regulační, nesmí vyžadovat investice do výrobní technologie Bližší specifikace (Kodex přenosové soustavy - upraveno) PR je autonomní lokálně řízená změna výkonu turbogenerátoru (TG) určená ke kompenzaci rychlých složek poruchy výkonové rovnováhy elektrizační soustavy. Podnět ke změně: odchylka frekvence 50.000 Hz o max. ±200 mHz Požadovaná reakce: změna výkonu s opačným znaménkem o ±5.5 MW (pro blok 110 MWe) Rychlost změny: zahájení do 2 s 50% do 10s 100% změny do 30s udržet podle potřeby MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Specifika regulace energetických bloků velký rozměr regulační úlohy složitá dynamika funkčních celků silné vazby vzájemného ovlivnění nelinearity a hystereze fluktuace vlastností s časem intervenční zásahy obsluhy (částečné ruční řízení…) přísné požadavky na dynamiku a parametry regulací omezení provozních zkoušek – obvykle za provozu MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Elektrárenský blok - technologie MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Elektrárenský blok – tok a přeměna energie MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Elektrárenský blok – hlavní akční orgány MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Elektrárenský blok – způsoby řízení základní regulace bloku (6 ks) palivo, voda, vzduch teploty, odtah (elektrický) výkon (silné vzájemné vazby smyček => MIMO) klíčové regulace = palivo, výkon podle uspořádání: předtlaková regulace (turbine-follows mode) elektrický výkon určen přísunem paliva TG reguluje tlak mezi K-TG statický, stabilní, robustní, pomalý (klasická) výkonová regulace (boiler-follows mode) TG řídí elektrický výkon podle potřeby, KOTEL udržuje tlak palivem astatický, náchylný ke kmitání, rychlý. MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Analýza problému – kde je zakopaný pes Obecné problémy požadovaný výkon aktivovat do 30 s bez doby průtahu a udržet „trvale“ reálně dosažitelný trvalý výkon do cca 180 s s dobou průtahem energetický deficit nutno krýt z akumulované energie po ustálení výkonu nutno „dobít“ akumulátor Specifika ELE špatně seřízené mlýny špatný stav hořáků nerovnoměrné rozložení spal.vzduchu skokově proměnlivá výhřevnost paliva relativně malá parní akumulace MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Analýza problému – hodnocení šancí Odhad potřeby akumulace: výpočtem – integrál plochy – pro 5.5 MWe je to cca 6 MWe.min Možné zdroje akumulace: zásoba prášku v mlýnech (1 MWe.min, 40s) tlakový trakt kotle (5 MWe.min, 5s) tlakový trakt TG (1 MWe.min, 10s) jiné: vyloučeno bez investic do technologie Snadno využitelná akumulace = 1+2, tj. cca 6 MWe.min Předtlaková regulace – nelze využít akumulaci 2 Závěr: blok bude provozován v klasické regulaci s využitím akumulací 1+2. Velký důraz bude kladen na optimální seřízení regulací (je to „na hraně“). Při nesprávném nastavení výrobní technologie nemusí být úloha řešitelná (očekává se malá robustnost řešení). MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Návrh způsobu řešení 1 - MIMO Centrálně optimalizovaný návrh regulací (systémový MIMO návrh) upřednostňuje širší teorii a obecný přístup před „regulačním citem“ výhody: „teoreticky čistá“ dekompozice vede ke struktuře řízení celý komplex regulací „vyjde sám“ včetně potřebných vazeb nevýhody: nelze snadno navrhnout a ladit jen část struktury (např. palivo+vzduch) nelze navrhnout jednu strukturu pro všechny možné kombinace automatického a manuálního řízení MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Návrh způsobu řešení 2 – „multi-SISO“ Manuálně optimalizovaný návrh regulací (smyčka po smyčce) upřednostňuje „regulační cit“ a základní teorii výhody: lze řešit komplikovanější úlohy za složitějších podmínek lze respektovat manuální zásahy lze navrhovat a ladit krok za krokem nevýhody: nutno velmi citlivě dekomponovat systém, analyzovat vzájemné vazby základní struktura řízení je navržena citem (podle analýzy) často se sahá ke zjednodušeným a přibližným řešením MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Návrh způsobu řešení 3 – srovnání a výběr oba způsoby musí za shodných podmínek dát (zhruba) shodný výsledek jde o rozdíly v metodice, nikoli v teorii či praxe vs. teorie často je obecná analýza problému při MIMO návrhu (přístup č. 1) vodítkem pro nové přístupy (návrh struktury řízení v přístupu č. 2) Příklad: Obvykle se reguluje na kotli tlak palivem a teplota vodou. Z obecné analýzy vyplyne silná symetrická vazba palivo+voda – tlak+teplota. Je tedy možné regulovat tlak vodou a teplotu palivem. Dynamicky je to dokonce výhodnější! závěr: požaduje se „levné a malé“ řešení, použije se metoda č. 2 blok bude v klasickém řízení se standardními smyčkami klíčový problém: regulace tlakového traktu (viz zdroje akumulace) hlavní smyčky: palivo, voda (generace páry) a TG (odběr páry) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Postup řešení a podmínky úspěšnosti sestavit linearizovaný dynamický model technologie a regulací (pouze základní smyčky: palivo, tlakový trakt, generátor) nastavit model a regulace podle „reálu“, ověřit model optimalizace nastavení regulací (klíčová = regulace tlaku palivem) technologicky podmíněné podmínky vyhovujícího řešení: elektrický výkon bloku vyhovuje zadání (Kodex PS) soustava (kotel – TG) je stabilní s dostatečným tlumením odchylky hlavních technologických veličin jsou „podlimitní“ tlak za kotlem max. ±0.8 MPa teplota za výparníkem max. ±25 °C přiměřená robustnost (změna dynamiky mletí a hoření apod.) diskuse výsledků MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 1 MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 2 model linearizovaný kolem středu regulačního rozsahu na základě provozní identifikace univerzální blok „dynamika vyššího řádu“ (zde 3. ř. – stačí) model teploty za výparníkem: ohřívání palivem chlazení vodou model parních toků: generace páry ohříváním palivem generace páry chlazením výparníku spotřeba páry turbínou akumulátor tlakového traktu kotle MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 3 regulace tepelného výkonu kotle palivem (zde pouze režim Normal) zpětnovazební regulace od tlaku páry za kotlem dopředná vazba od požadavku na výkon (zahrnuje i požadavek na PR) využití akumulace prášku v mlýně se zajistí „vyfouknutím“ ve smyčce regulace vzduchových režimů – zde není modelováno režim Robust – příprava na robustifikaci využitím tzv. Smithova regulátoru MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 4 regulace teploty za výparníkem množstvím napájecí vody základní režim „teplota“: zpětnovazební regulace od teploty za výparníkem dopředná vazba od elektrického výkonu i paliva (způsobí „dynamicky vyvážené“ přeplnění kotle vodou při změně výkonu) doplňkový režim „bilance“: pomalejší ZV regulace dynamická dopředná vazba od poruchy rovnováhy průtoku média (voda/pára) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 5 regulace elektrického výkonu regulačními ventily turbíny předpokládá se tzv. škrticí regulace (všechny ventily současně) modelován vliv otevření ventilů a vliv poklesu tlaku za kotlem dynamika generace výkonu odpovídá VT dílu turbíny pomalejší dynamika ST+NT dílu je zanedbána MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Model technologie a základních regulací 6 MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Typické průběhy při aktivaci PR odpovídají optimálně nastaveným regulacím (viz dále) a dobře seřízené výrobní technologii průběhy po skokové změně frekvence o -180 mHz, tj. zadaného výkonu o +5 MWe výkon se bere na úkor tlakového traktu (0-50s) pád tlaku zastavit chlazením výparníku (0-100s) pád teploty se zastaví palivem (vyfouknutí+mletí) a ubráním vody (100-250 s) následuje srovnání veličin na nových rovnovážných úrovních (300-900s) dosažené odchylky veličin: tlak: -0.5 Mpa – dobře vyhovuje teplota: -22°C – na hraně možné komplikace: špatný stav mlýna (doba průtahu) vede k výraznému poklesu tlaku a mírnému poklesu teploty – nastavení regulací z příkladu nebude vyhovovat (málo „ostré“) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Uspořádání optimalizačního modelu Zjednodušený linearizovaný model bloku v klasické regulaci (viz výše) Parametry a jejich fluktuace z opakované identifikace soustavy Teoretický výpočet stabilní oblasti v prostoru nastavení souřadnic PID regulátoru (Kp, Ti, Td) Simulační výpočet oblasti potřebných nastavení v tomtéž prostoru Průnik podprostoru stability řešení a požadavků na řešení dává oblast exitence možných řešení úlohy Pro konkrétní zadání výsledky následují Pro zvolenou variantu syntéza regulátoru běžnými metodami (např. Ziegler-Nichols) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Výsledky optimalizace Neseřízená technologie, tolerance tlaku 1MPa Neseřízená technologie, tolerance tlaku 0.8 MPa Seřízená technologie, tolerance tlaku 1.6 MPa (nebo RR PR jen 3 MWe) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Diskuse dosažených výsledků klíčové smyčky: palivo, voda při správně seřízené technologii (zejm. mletí a hoření) existuje vyhovující nastavení stávajících regulací kotle požadavky (5 MWe, <0.8 Mpa, < 25 °C) jsou přísné vzhledem k dostupné akumulaci – regulace je málo robustní možnosti dosažení robustního řešení: snížení požadavků seřízení technologie robustifikace regulací (1) nelze (neplní požadavek), reálně kombinace (2) a (3): Smithův regulátor pro kompenzaci dlouhé doby průtahu při mletí mechanické úpravy mlýnů a vzduchového traktu (to už je ale jiná pohádka …) MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz

Shrnutí Elektrárenský blok – technologie a způsob řízení Analýza problému a návrh principů řešení Ověření event. korekce řešení na modelu MAUP: Případová studie: Elektrárna Ledvice Milan Findura, finduram@osc.cz