Turbiny gazowe i parowe stosowane w elektrowniach konwencjonalnych zapewniają w połączeniu z obiektami wytwarzającymi energię ze źródeł odnawialnych stabilne działanie sieci energetycznych. W obliczu rosnących kosztów energii powstaje coraz większe zapotrzebowanie na niezawodne rozwiązania systemowe, w których standardowe podzespoły coraz częściej ustępują miejsca układom sterowania i bezpieczeństwa projektowanym na potrzeby konkretnych obiektów.
Minimalny okres bezusterkowej pracy podzespołów stosowanych w elektrowniach wynosi pięć lat, a wszelkie nieplanowane przestoje pociągają za sobą ogromne koszty. Rosną wymagania dotyczące wytwarzania jak największej ilości energii jak najmniejszym kosztem poprzez zastosowanie wysoce elastycznych i przyjaznych dla środowiska procesów. O ile w teorii wydaje się to bardzo proste, o tyle w praktyce powyższym oczekiwaniom można sprostać wyłącznie poprzez wprowadzenie na każdym etapie najnowocześniejszych rozwiązań.
Skomplikowane obiekty techniczne, jakimi są elektrownie, wymagają stosowania wyspecjalizowanych systemów — zarówno za względu na wysokie temperatury i ciśnienia panujące na terenie takich obiektów, jak i z uwagi na stosowane w nich rozbudowane zabezpieczenia.
Sterowanie i regulacja za pomocą zaworów i rozdzielaczy o działaniu ciągłym w celu zapewnienia niezawodnego działania turbin
Możliwość uruchamiania regulatorów zamontowanych w turbinie z poziomu urządzeń sterujących i regulujących ma zasadnicze znaczenie dla niezakłóconego i bezpiecznego działania aparatury. W związku z tym firma Bosch Rexroth oferuje szeroką gamę zaworów o działaniu ciągłym (z wbudowanymi układami elektronicznymi lub bez nich) do hydraulicznych urządzeń sterujących i regulujących.
W dynamicznych układach sterowania, które wymagają zapewnienia krótkiego czasu reakcji, do obsługi hydraulicznych elementów wykonawczych stosuje się serwozawory. Serwozawór z podwójnym sterowaniem wstępnym składa się z silnika momentowego oraz wzmacniacza hydraulicznego, który przekształca elektroniczne nastawy zaworu w hydrauliczny sygnał mocy w celu ustalenia położenia tłoka zaworu. W przypadku tego typu zaworów bardzo ważne jest utrzymanie dużej czystości oleju hydraulicznego.
Alternatywą dla serwozaworów są rozdzielacze regulacyjne, które są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia, ponieważ do ich uruchamiania wykorzystuje się zamiast wzmacniaczy elektrohydraulicznych magnesy sterujące. Dynamika działania tego typu zaworów jest tylko nieznacznie mniejsza niż dynamika serwozaworów.
Rozdzielacze proporcjonalne mają konstrukcję zbliżoną do rozdzielaczy regulacyjnych, a ich dynamika jest wystarczająca dla mniej wymagających warunków. Mogą one również pełnić funkcję proporcjonalnych zaworów dławiących – na przykład w obracarkach wirnika turbiny.
Układy regulacyjne szybkiego działania – sterowanie zaworami gazu i pary z funkcją szybkiego zamykania lub otwierania
Układy regulacyjne szybkiego działania stosuje się w sytuacji, w której element wykonawczy pracujący w normalnym trybie (tj. pozostający w położeniu zamkniętym, otwartym lub regulacyjnym) musi po otrzymaniu sygnału natychmiast przejść w ustalone położenie bezpieczeństwa.
Na zaworze gazu lub pary montuje się siłownik sterujący, który zostaje wstępnie naprężony hydraulicznie i skontrowany sprężyną, a następnie przemieszczony w ustalone położenie robocze. Jeśli zachodzi potrzeba szybkiego zamknięcia lub otwarcia zaworu, ciecz z komory ciśnieniowej siłownika jest uwalniana do komory bezciśnieniowej za pośrednictwem zaworu nabojowego, a sprężyna mechanizmu zabezpieczającego w elemencie wykonawczym przesuwa tłok siłownika w wymagane położenie bezpieczeństwa (otwierające lub zamykające zawór gazu lub pary).
Sygnał uruchamiający szybkie zamknięcie lub otwarcie zaworu jest zwykle generowany na podstawie warunków pracy turbiny, czyli w sytuacji wymagającej podjęcia szybkich działań w celu zapewnienia bezpieczeństwa (na przykład poprzez dokonanie zrzutu mocy). Z tego powodu w większości przypadków stosuje się 2-drogowe nadmiarowe zawory nabojowe.
Oprócz struktury dwukanałowej (obwód bezpieczeństwa typu 1oo2) występują również inne struktury, które stosuje się w zależności od wymagań klienta oraz ustalonego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) danego zaworu gazu lub pary: 1oo1, 1oo2, 1oo3, 2oo2, 2oo3 itd.
Na przykład w obwodzie bezpieczeństwa typu 2oo3 konieczne jest zamontowanie trzech elementów wykonawczych (takich jak zawory kierunkowe) wykonujących daną funkcję. Do bezpiecznego wykonania powyższej funkcji niezbędne są jednak tylko dwa elementy wykonawcze (2 z 3), w związku z czym niezadziałanie jednego elementu nie powoduje zakłóceń w działaniu.
Elementy wykonawcze firmy Bosch Rexroth mają określone parametry bezpieczeństwa odpowiadające poszczególnym poziomom nienaruszalności bezpieczeństwa wymaganym w przypadku funkcji szybkiego działania.
STSS – inteligentny układ sterowania zapewniający dużą niezawodność
Samotestujący system bezpieczeństwa (Self-Testing Safety System — STSS) umożliwia kontrolowanie niezawodności rzadko używanych zaworów bezpieczeństwa w turbinach gazowych i parowych oraz określanie stanu ich gotowości bez zakłócania bieżącej pracy obiektu. Rozwiązanie to może być stosowane także w zakładach, w których funkcjonują podzespoły pochodzące od różnych dostawców. System STSS umożliwia uruchamianie dowolnych elementów wykonawczych i przeprowadzanie prób systemów, a także pozwala zapobiec uszkodzeniom wynikającym z bezruchu poprzez regularną wymianę oleju.
W przypadku elementów hydrauliki siłowej, które pozostają przez większość czasu w stanie bezczynności, zachodzi niebezpieczeństwo utraty funkcji na skutek zmian chemicznych powodujących przekształcenie oleju w substancję lepką lub stałą bądź też na skutek nagromadzenia osadów powodującego zablokowanie suwaka zaworu przez cząstki stałe znajdujące się między tłokiem a korpusem.
Programowalny system bezpieczeństwa w ustalonych odstępach czasu wysyła do zaworów sterowania wstępnego elementów nabojowych naprzemienne sygnały sterujące. Następnie reakcja całego systemu jest rejestrowana i analizowana – badane są na przykład takie elementy, jak ruch suwaka zaworu nabojowego, ruch tłoczyska siłownika w ramach zakresu elastyczności czy współczynniki ciśnienia cieczy roboczej w zaworze gazu lub pary.
Próba taka pozwala ocenić gotowość operacyjną poszczególnych elementów wykonawczych bez zakłócania pracy całego obiektu, a jednocześnie powoduje ciągłą wymianę oleju w przewodach.
Hydrauliczne elementy wykonawcze
W przypadku turbin parowych cała moc cieplna jest regulowana za pomocą zaworów, natomiast w przypadku turbin gazowych regulacji podlega tylko ilość dostarczanego paliwa. Znajduje to odzwierciedlenie w wymiarach elementów wykonawczych, które są dostępne w różnych wersjach dostosowanych do potrzeb turbin parowych o mocy 25–1600 MW oraz turbin gazowych o mocy 25-375 MW (zależnie od potrzeb klienta).
Hydrauliczne elementy wykonawcze mają konstrukcję modułową, która umożliwia tworzenie różnych konfiguracji. Dzięki temu wymagane urządzenia wykonawcze można precyzyjnie dostosowywać do wymagań poprzez zastosowanie wybranych siłowników hydraulicznych, zespołów sprężyn, układów pomiarowych i zaworów. Ponadto wszystkie elementy sterujące można umieścić w korpusie siłownika, który pełni również rolę bloku sterowniczego. Bezpieczne działanie elementu wykonawczego zapewnia zespół sprężyn.
Wszystkie stosowane zawory hydrauliczne (z wyjątkiem zaworów o działaniu ciągłym) mają konstrukcję grzybkową, która gwarantuje wysoki poziom bezpieczeństwa w przypadku konieczności wstrzymania pracy obiektu, a jednocześnie pozwala zdecydowanie ograniczyć przecieki oleju w całym systemie.
System posiada interfejs elektryczno-hydrauliczny do transmisji sygnałów i mocy, możliwe jest ustalanie położenia za pomocą regulowanego liniowego elementu wykonawczego oraz ograniczenie maksymalnej szybkości zamykania zaworów w trybie szybkiego działania. System ma wbudowane zabezpieczenie przeciwwstrząsowe. Możliwa jest taka konfiguracja systemu, która pozwala osiągnąć poziom bezpieczeństwa SIL3.
Elektromechaniczny element wykonawczy EMA(G) z przekładnią hydrostatyczną
Nowy elektromechaniczny element wykonawczy z przekładnią hydrostatyczną i funkcją szybkiego zamykania ze wspomaganiem sprężynowym to autonomiczne urządzenie umieszczone w niewielkiej obudowie, które nie wymaga stosowania dodatkowego modułu dostarczania oleju ani przewodów hydraulicznych. Duża łatwość obsługi pozwala znacznie obniżyć koszty rozruchu i utrzymania.
Kompaktowy elektromechaniczny element wykonawczy jest znakomitą alternatywą dla skomplikowanej instalacji z hydraulicznym urządzeniem wykonawczym (która obejmuje agregat hydrauliczny, blok sterowniczy, przewody hydrauliczne, kartę sterownika i kartę wzmacniacza sygnału, a także wymaga dostarczenia dużej ilości cieczy hydraulicznej).
Elektromechaniczny element wykonawczy jest oferowany w postaci skonfigurowanego fabrycznie systemu złożonego ze sprawdzonych podzespołów, w którym na zewnątrz wyprowadzono jedynie interfejsy elektryczne i mechaniczne. Rozwiązanie to upraszcza parametryzację, a starannie zaprojektowany układ sterowania pozwala ograniczyć do minimum koszty rozruchu. Urządzenie wykonawcze świetnie sprawdza się w elektrowniach z uwagi na dużą odporność na drgania, zdolność do generowania dużych sił przy ustalaniu położenia oraz duży skok. Wśród zalet należy również wymienić długi okres eksploatacji, wysoki poziom bezpieczeństwa (SIL 3) oraz minimalne zapotrzebowanie na konserwację, co przekłada się na dużą dostępność urządzenia.
Obracarka wirnika turbiny – zapobieganie odkształceniom termicznym i uszkodzeniom wynikającym z przestojów
W celu uniknięcia odkształceń termicznych, które mogą wystąpić po wyłączeniu turbiny, wirnik musi nadal obracać się z niewielką prędkością do czasu pełnego schłodzenia. Równie ważne jest także regularne obracanie wirnika podczas dłuższych przestojów, co pozwala zapobiec odkształceniom statycznym oraz monitorować płynność mechanicznego ruchu obrotowego. W tym celu stosuje się obracarki hydrauliczne, które pozwalają skutecznie zapobiec ewentualnym uszkodzeniom turbiny.
Bosch Rexroth oferuje wszystkie elementy systemowe niezbędne do spełnienia przez obracarkę hydrauliczną wymagań producenta turbiny, czyli silnik hydrauliczny, blok sterowniczy oraz siłownik hydrauliczny. Ponadto konstrukcję obracarki można dostosować do mocy turbiny — dostępne są wersje podłączane bezpośrednio oraz za pośrednictwem przekładni.
Do wyboru jest wiele sprawdzonych modeli silników hydraulicznych o konstrukcji tłokowej osiowej lub tłokowej promieniowej. Kolejnym elementem jest siłownik hydrauliczny — w tym przypadku zaleca się zastosowanie siłownika o konstrukcji okrągłej, który spełni surowe wymogi związane z obsługą maszyn przemysłowych. Ostatnim elementem jest blok sterowniczy, który służy do sterowania silnikiem hydraulicznym i siłownikiem hydraulicznym — zastosowaną w nim konfigurację zaworów dostosowuje się przede wszystkim do zakresu funkcji silnika hydraulicznego.
Indywidualne systemy dostarczania oleju -energia hydrauliczna, chłodzenie i smarowanie
W przypadku turbin spotyka się dwie kategorie urządzeń hydraulicznych: układy chłodzenia i smarowania, które charakteryzują się niskim ciśnieniem i dużym przepływem, oraz układy ciśnieniowe służące do przenoszenia energii hydraulicznej, które charakteryzują się średnim lub wysokim ciśnieniem pracy przy stosunkowo niewielkim przepływie. Firma Bosch Rexroth jest kompetentnym partnerem potrafiącym zaprojektować oba układy – w ofercie firmy są zarówno oddzielne urządzenia do dostarczania oleju, jak i zintegrowane systemy zasilające oba rodzaje układów z jednego zbiornika.
Urządzenia do dostarczania oleju do układów chłodzenia i smarowania
Zarówno łożyska hydrodynamiczne wału turbiny, jak i przekładnia łącząca turbinę z generatorem wymagają smarowania i chłodzenia. Wyjątkiem jest jedynie system lewarowania, który z uwagi na wymagania dotyczące ciśnienia współpracuje z wysokociśnieniowym układem olejowym (chociaż do jego obsługi używany jest olej smarowy).
Wśród najważniejszych parametrów układu dostarczania oleju chłodzącego i smarowego należy wymienić wielkość przepływu, temperaturę oraz poziom zanieczyszczeń i starzenia się oleju w turbinie (który ma decydujące znaczenie dla długości okresu eksploatacji turbin).
