Xinhua DEH-V: прогресс не стоит на месте

Вступление

В начале далёких 1960-х годов в Китае стартовали первые разработки в области технологий систем регулирования паровых турбин, и уже в 1965 г. (!) в городе Чанчунь был введён в эксплуатацию первый комплект электрогидравлической системы регулирования для турбин низкого давления, а в середине 1970-х годов был успешно разработан первый в Китае аналоговый комплект системы регулирования турбин с гидравликой высокого давления AEH (Analog Electric Hydraulic Pressure Control System – аналоговая электрогидравлическая система контроля давления).

Но, несмотря на столь быстрые успехи, всю высокотехнологичную автоматику для турбин мощностью 300…600 МВт Китай вынужден был закупать у таких западных компаний, как Westinghouse, Siemens, GE, Combustion Engineering.

Разумеется, в комплекте с турбинами этих компаний закупать приходилось и цифровые системы управления DEH (Digital Electric Hydraulic Pressure Control System – цифровая электрогидравлическая система управления), контролирующие пуск, останов, нормальные и аварийные режимы работы турбогенераторной установки.

Ради обеспечения независимости в энергетической сфере жизненно важным было создание собственных технологий управления и локализация производства систем автоматики мощных турбин ТЭЦ. Именно с этой целью в феврале 1985 г. создаётся межотраслевой межрегиональный научно-исследовательский и производственный консорциум Zhonghua Electro-hydraulic Control Technology Development Centre, позднее переименованный в Xinhua Control Technology Joint Development Centre, специализирующийся на разработке систем управления DEH для паровых турбин. Сегодня Xinhua Group является основным, заслужившим высокую репутацию на внутреннем рынке производителем DEH, электрогидравлических систем (EH) и распределённых управляющих систем АСУ ТП (DCS) в Китае. Надо отметить, что система управления собственной разработки Xinhua Group отличается полностью независимыми правами на интеллектуальную собственность, что внесло большой вклад в локализацию систем DEH, EH и DCS в Китае. В настоящее время компанией производится и совершенствуется система DEH-V – новейшее поколение распределённой цифровой системы управления паровыми турбинами, созданное с учётом конструкторского опыта, проведённых НИОКР и анализа солидной практи-
ки эксплуатации первой системы AEH (1975 г.) и первой системы DEH (1990 г.)

в Китае. Система управления прошла сертификацию SIL3 в Национальном центре по надзору и контролю качества средств промышленной автоматизации.

Следующий шаг – система DEH-IIIA 

Итак, компания Xinhua создала и продолжает совершенствовать распределённую систему управления DEH-IIIA, обеспечивающую регулирование частоты вращения и мощности турбоагрегата посредством изменения степени открытия стопорного и регулирующего клапанов турбины. DEH-IIIA состоит из двух частей: цифровой системы управления турбинами DEH-V и электрогидравлической системы позиционирования EH.

DEH-V, в свою очередь, объединяет функции управления, контроля и защиты, повышая надёжность и практичность традиционной системы DEH. Аппаратная часть состоит из децентрализованного вычислительного блока xCU, станций инженера и оператора,
а также полевой распределённой системы ввода/вывода. В системе используется программное обеспечение собственной разработки – цифровая платформа управления Xinhua серии xDC.

В качестве программного обеспечения используются графическое конфигурационное ПО OnXDC и ПО визуального программирования.

Важной частью цифровой системы управления турбинами является также электрогидравлическая подсистема EH. Она, в свою очередь, подразделяется на два типа гидравлических систем управления, использующих в качестве рабочей среды негорючее масло высокого давления или турбинное масло низкого давления.

Цифровая система управления турбинами DEH-V имеет иерархическую структуру, в которой чётко определена роль каждого уровня и элемента, причём каждый уровень функционирует независимо и автономно (рис. 1). В части управления технологическим процессом DEH-V обеспечивает регулирование частоты вращения и мощности турбины; управление сервоприводами позиционирования паровых клапанов; обеспечивает интерфейс оператора на командно-диспетчерском пункте, отвечающий за индикацию и сигнализацию; работу сети связи между системой управления турбинами и сетью управления электростанцией.

Аппаратная платформа системы DEH-IIIA

Аппаратной платформой цифровой системы управления турбинами Xinhua DEH-V является серия xDC800 – передовая система управления производственными процессами. xDC800 – это усовершенствованная версия продукта xDPS-400, представляющая собой комплекс распределённой системы управления автоматикой, объединяющей контроллеры, сетевую инфраструктуру, включающую промышленную сеть Ethernet и полевую шину, базу данных и программную технологию автоматического управления,
а также в полной мере использующей возможности Интернета.

Аппаратные модули всех уровней в системе xDC800 имеют интеллектуальную настройку, а использование встраиваемой операционной системы со специализированным программным обеспечением позволило сделать программные коды более компактными, безопасными, надёжными и, как следствие, высокоэффективными.

• ● xDC800 является ключевым национальным продуктом, отмеченным четырьмя министерствами и ведомствами, включая Министерство науки и технологий Китайской Народ-ной Республики.
• ● Технология управления технологическими процессами xDC800 была удостоена второй премии Шанхайского научно-технического форума.
• ● xDC800 прошёл сертификацию на соответствие CE/EMC, FCC, TUV и другим международным стандартам.
• ● DEH, FSSS, ETS на базе платформы XDC800 имеют сертификацию SIL3.

Аппаратный комплекс системы DEH-V состоит из шкафа управления (рис. 2), станции инженера, станции оператора и сетевого сегмента.

В шкафу управления находятся резервируемый контроллер Xinhua xCU, модуль измерения скорости вращения турбины xSD, модуль управления сервоприводами xSV и различные функциональные модули ввода/вывода, взаимодействующие с полевым оборудованием. Оперативная обработка данных осуществляется шкафом управления в соответствии с разработанными алгоритмами системы DEH и через модуль сервоприводов автоматика управляет приводными механизмами и клапанами подсистемы EH.

Для крупных энергоблоков DEH-V обычно состоит из двух комплектов xCU в резервированной конфигурации, каждый из которых имеет противоразгонную защиту и автоматику управления турбиной ATC (automatic turbine control).

Станция инженера ENG используется для параметризации системы, загрузки программного обеспечения, технического обслуживания и других сервисных функций. Кроме того, станция инженера может использоваться в качестве резервной станции оператора. Как правило, система DEH-V имеет одну инженерную станцию.

Станция оператора OPS предназначена для контроля состояния турбины в процессе эксплуатации и позволяет отслеживать параметры происходящих процессов и обеспечивать их стабильность. Посредством станции оператора может выполняться графическое отображение производственных процессов, технологических экранов, графиков и трендов. Станции инженера ENG и оператора OPS образуют человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) системы DEH-V. Они укомплектованы промышленными ПК с операционной системой серии Windows, мониторами высокого разрешения и принтерами.

Система DEH-V имеет интуитивно понятный и простой в управлении интерфейс оператора. Программный пакет компании Xinhua Group, использованный для создания ЧМИ и программ xCU (контроллеров) системы xDC800, получил название OnXDC (рис. 3). OnXDC и аппаратная часть системы изначально были разработаны как единое целое, включая программное обеспечение для разработки графического интерфейса xHMI и программное обеспечение для графического программирования контроллеров. xHMI также имеет широкие возможности для визуализации и удобный, интуитивно понятный интерфейс; программное обеспечение для графического программирования xCU содержит большой выбор стандартных элементов управления и шаблонов, средства программирования соответствуют стандарту IEC 61131-3 (языки программирования для ПЛК).

В качестве хранилища данных в OnXDC используется единая сетевая распределённая база данных. Система не требует промежуточных серверов-шлюзов: элементы OnXDC поддерживают прямой обмен данными друг с другом, что позволяет избежать функционально узких мест в архитектуре. OnXDC легко и просто настраивается, используемые функциональные блоки практически идентичны диаграммам SAMA (функциональные диаграммы), а полученный код можно отлаживать в том числе в режиме онлайн. Интерфейс пользователя для отображения, приёма и передачи данных, команд управления основан на веб-технологии: информация и данные в режиме реального времени отображаются в окне браузера.

Как уже было сказано, система DEH-V включает в себя также сети уровня управления и полевого уровня (рис. 4). Для передачи данных в реальном времени между распределёнными блоками управления и интерфейсом оператора используется сеть уровня управления xDCNET. Бесперебойность работы в реальном времени и гарантированную передачу данных обеспечивает резервирование – сеть этого уровня состоит из подсетей с условными названиями A, B и C. Для резервированной передачи данных системы в режиме реального времени устройства xCU и ЧМИ напрямую подключены к сетям A и B, устройства ЧМИ одновременно подключены и к сети C, которая предназначена для передачи некритических с точки зрения реального времени данных, таких как документы, исторические данные, изображения и т.д. Сеть полевого уровня IONET используется для передачи данных между xCU и модулями измерения скорости вращения, сервоприводов и ввода/вывода в резервированной конфигурации. Функционал OPC (overspeed protection controller – система противоразгонной защиты), обеспечивающий безопасную работу турбины, основан на технологии ESD (Emergency shutdown – аварийное отключение) со специальными независимыми (SIL3) аппаратными и программными средствами и мажоритарной логикой выбора два из трёх.

Настройка программного обеспечения контроллеров осуществляется на станции инженера, после чего ПО загружается в xCU. Впоследствии оно может быть изменено как в режиме онлайн (без прерывания работы), так и в режиме офлайн. DEH-V может оснащаться одним или двумя комплектами резервных xCU, один из которых всегда находится в горячем резерве.

Особенности контроллера Xinhua xCU

Среди достоинств, используемых в системе управления турбинами контроллеров, можно выделить следующие.

• Распределённая функциональность 
  Каждый xDC800 функционально независим, а информация между ними передаётся по сети передачи данных для обеспечения совместного использования. Функционально децентрализованная архитектура системы повышает её доступность, распределяет риски отказа и повышает надёжность.
• Настройка резервирования
  Контроллер xCU может работать в конфигурации горячего резерва, включая резервированную связь с ЧМИ: когда основной контроллер выходит из строя, система автоматически переключается на резервное оборудование, а на экране оператора формируется оповещение о возникшей неисправности. Использование резервирования значительно повышает надёжность и время безотказной работы системы.
• Интуитивно понятный графический редактор ПО
  Среда разработки соответствует международному стандарту программирования IEC61131-3 и позволяет одновременно выполнять визуальное проектирование и программирование всех задач управления.
• Многозадачность
  Многозадачная встраиваемая операционная система с возможностью многопоточной обработки данных позволяет контроллеру одновременно управлять объектами с различными требованиями к быстродействию.
• Онлайн редактирование и параметризация
  xCU поддерживает настройку в режиме онлайн, включая установку параметров, моделирование, модификацию алгоритмов в режиме онлайн, без необходимости перекомпиляции и загрузки всего программного обеспечения. Это значительно облегчает конфигурацию и отладку системы.
• Мощные функциональные модули
  Встроенные функциональные блоки алгоритмов xCU просты и удобны: они хорошо зарекомендовали себя на практике, поддерживают разнообразные функции управления, имеют множество специальных пользовательских настроек, что покрывает требования всех видов управления технологическими процессами и их защит.
• Автоматический переход в рабочее состояние
  После включения питания xCU автоматически переходит в нормальный режим работы без вмешательства чело-века.
• Горячая замена
  xCU можно безопасно подключать и отключать, не прерывая работы системы, что значительно повышает надёжность, упрощает обслуживание и ремонт.

Специализированные модули ввода/вывода 

Для выполнения функций сбора и обработки сигналов в системе DEH-V используются специализированные интеллектуальные модули серии xDC800. Каждый модуль состоит из процессора, АЦП/ЦАП, усилителя, системы защиты от перегрузки по току/напряжению, источника питания, коммуникационных средств и т.д. Платы модулей выполнены по технологии поверхностного монтажа и имеют гальваническую развязку.

Основными модулями системы DEH-V являются:

• модуль измерения скорости вращения xSD;
• модуль сервопривода клапана турбины xSV;
• модуль аналогового входа xAI;
• модуль аналогового выхода xAO;
• модуль дискретного ввода xDI;
• модуль дискретного вывода xDO;
• модуль регулирования контура xLC;
• модуль логической защиты xLP.

Подробнее о системе безопасности

Для установок мощностью более 100 МВт обычно используется электрогидравлический регулятор высокого давления. Для установок мощностью менее 100 МВт – электрогидравлический регулятор низкого давления. Электронные части этих двух систем управления, в принципе, идентичны (с учётом некоторых различий в применении), но логика управления существенно различается. Основная причина заключается в отличии самих гидравлических сервоприводов.

Сервопривод высокого давления обладает хорошей динамикой, компактностью, высокой точностью управления, прост в обслуживании и ремонте. Таким образом, эффективность регулирования высоконапорной системы DEH выше, чем у низконапорной, что особенно проявляется в системах для крупных агрегатов большой мощности. Однако используемые в них фосфорсодержащие антипирены (противопожарные присадки) обладают определённой степенью токсичности, что требует специального обслуживания регенерационных устройств. Поэтому система подачи масла под высоким давлением является более сложной, обладает высокой стоимостью, требует бо́льших затрат на эксплуатацию и обслуживание.

Для паротурбинных установок с малой мощностью и малой производительностью использование специализированных масел не имеет большого значения, поскольку их недостатки перевешивают получаемые преимущества. Поэтому в качестве рабочей среды в энергосберегающих гидросистемах рекомендуется использовать обычное гидравлическое масло.

Энергосберегающая гидравлическая система высокого давления с противоизносным маслом представляет собой комплектный электрогидравлический привод, предназначенный для использования с системой DEH для исполнения команд управления. Данная система может полностью заменить классические сервомоторы низкого и высокого давления для управления регулирующими клапанами турбины.

Базовой конфигурацией энергосберегающей гидравлической системы является один или два сервомотора с регулирующим клапаном, оснащённые набором насосных станций для подачи масла и соответствующими трубопроводами. Система получается экономически эффективной и не только позволяет достичь таких преимуществ, как быстрый динамический отклик, большое усилие, высокая точность управления, простота обслуживания и т.д., но и решить проблему низкого качества масла, сложности в обслуживании. Помимо этого, такая система более безопасна для окружающей среды.

При обычной модернизации существующей системы низкого давления требуется замена таких гидравлических компонентов, как масляный насос, гидрораспределитель и т.д. Кроме того, схему так или иначе придётся адаптировать к продукции разных производителей. Если модернизируемая маслонапорная установка или блок управления уже находятся в аварийном состоянии, на работу системы будут влиять множество трудно поддающихся устранению ввиду конструктивной сложности факторов, а отсутствие документации дополнительно усложняет проектирование. Поэтому при такой модернизации цикл проектирования и обработки получается более длительным, включает большой объём работ по реализации проекта, вводу в эксплуатацию и последующему обслуживанию, к тому же наблюдается последующая высокая частота отказов.

Описываемая здесь гидравлическая система, напротив, сама по себе является комплектом нового оборудования, имеет независимый источник масла и блок управления, может непосредственно управлять гидравлическим сервомотором, не подвержена влиянию вышеуказанных факторов, а проектирование, монтаж и пусконаладочные работы легко стандартизируются, при этом значительно снижается сложность соответствующих работ и последующие отказы оборудования.

Система EH состоит из трёх основных частей: маслонапорной установки, блоков управления и системы аварийного отключения (рис. 5). Для примера рассмотрим паровую турбину мощностью 1000 МВт, которая имеет два стопорных клапана высокого давления с двумя регулирующими, два главных клапана среднего давления с двумя регулирующими и главную паровую задвижку. Открытие и закрытие стопорного клапана осуществляется электромагнитным приводом, при этом стопорный клапан может иметь два положения: полностью открыт или полностью закрыт. Установка паровых клапанов в любое положение осуществляется с помощью гидрораспределителей, закрытие – также с помощью соответствующих электромагнитных клапанов (рис. 6).


Устройство ETS (Emergency Trip System) подаёт сигнал на аварийное отключение при возникновении аварийной ситуации или при выходе рабочих параметров блока за допустимые значения.

При срабатывании электромагнитного клапана AST, EH сбрасывает давление в предохранительной линии, стопорный клапан вводного пара быстро закрывается под действием усилия пружины, и установка автоматически отключается. Электромагнитные клапаны AST работают параллельно, таким образом, они образуют резервированный механизм, обеспечивающий максимальную надёжность системы отключения.

Система ETS тесно связана с системой DEH. Она совершает воздействие на установку через компоненты EH и маслопровод. После срабатывания системы защиты ETS элементы системы DEH блокируются. Помимо того что электромагнитный клапан AST быстро закрывает стопорный клапан, на контроллере DEH и модуле сервопривода клапана сбрасывается управляющий сигнал.

Ключевым отличием системы DEH низкого давления является электрогидравлический преобразователь. Компания Xinhua использует систему DEH, в которой в качестве электрогидравлического преобразователя используются двустворчатый клапан-бабочка с электродвигателем и сервоклапан DDV (Direct Drive Servo Valve).

Заключение

Xinhua Group является лидирующим производителем системы управления (DEH), электрогидравлической системы (EH) и распределённой управляющей системы АСУ ТП (DCS) в Китае и отличается высокой репутацией на внутреннем рынке. Система управления, самостоятельно разработанная Xinhua Group, внесла большой вклад в локализацию систем DEH, EH и DCS в Китае. Компания является единственным в мире профессиональным производителем, выпускающим одновременно и DEH, и EH, причём каждый комплект DEH и EH перед отгрузкой проходит предпоставочные испытания, что обеспечивает лёгкий запуск и ввод турбины в эксплуатацию.

Напомним ключевые преимущества системы:

• DEH и ETS на базе платформы xDC800 прошли сертификацию SIL3;
• единое программно-аппаратное решение позволяет снизить номенклатуру запасных частей и повышает удобство обслуживания;
• коммуникационные сети, контроллеры, модули ввода/вывода и источники питания резервированы с целью обеспечения долговременной надёжной работы системы;
• все модули производятся по технологии поверхностного монтажа SMT с использованием передового оборудования, отличаются низким энергопотреблением и высокой надёжностью;
  
• отладка контуров управления на имитаторе; уникальная система полного моделирования работы блока, моделирование совместно с электрогидравлической системой управления на предпоставочных испытаниях.

Компания способна предоставлять различные профессиональные решения для турбин тепловых и атомных электростанций, что доказано историей внедрения: на данный момент Xinhua Group установила более 800 комплектов систем управления турбинами DEH различных типов; более 500 комплектов систем управления турбины питательного насоса MEH; около 300 комплектов систем управления байпасом BPC; около 400 комплектов систем аварийного останова турбины ETS. ● 
© СТА-ПРЕСС, 2023