Případová studie: Elektrárna Ledvice

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

2. Obsah tématu • Zadáníúkolu • Popis technologie • Popis technologie a jejího řízení • Analýza problému a postup řešení • Řešení na matematickém modelu • Diskuse výsledků MAUP: Případová studie:Elektrárna LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

3. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

4. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

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

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

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

8. Elektrárenský blok – způsoby řízení • základní regulace bloku (6 ks) • palivo, voda, vzduch • teploty, odtah • (elektrický) výkon (silné vzájemné vazby smyček =>MIMO) • klíčové regulace = palivo, výkonpodle 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

9. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

10. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

11. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

12. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

13. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

14. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

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

16. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

17. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

18. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

19. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

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

21. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

22. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

23. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

24. 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 LedviceMilan Findura, finduram@osc.cz

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