UPRAVLJANJE I ZATITA PARNO-TURBINSKOG AGREGATA Zoran Rojni, dipl.ing.el, Aquadac d.o.o, Pula, Trg 1. istarske brigade 10

Saetak:U referatu je opisan rad kogeneracijskog postrojenja na bazi izgaranja drvne biomase snage 5,2 MW, od ega je 1.2 MW elektrine snage. Generator je pogonjen viestepenom parnom turbinom, ime se postie visoki stupanj korisnosti. Agregat je predvien za paralelan rad sa distribucijskom mreom i po potrebi za otoni rad (u sluaju nestanka mrenog napona) .

Naglasak je na elektrinom generatoru i prateem NN razvodu, odnosno komponentama zatite generatora, mrene zatite i regulacije napona. Obuhvaena je problematika paralelnog rada generatora s mreom, odnosno nabrojani su i opisani primijenjeni sklopovi u konkretnoj aplikaciji.

1. UvodBE-TO GLINA 1,2 MWe + 4,0 MWt je kogeneracijsko postrojenje na biomasu - prva izvorno kompletna hrvatska energana.Investitor: ERIF Export-Import d.o.o.,Zagreb

Projekt: LEKO-BIRO d.o.o., Slavonski Brod

Neki od izvoaa:

TPK-EPO Proizvodnja d.o.o., Zagreb - kotaoTVORNICA TURBINA d.o.o., Karlovac turbina i strojarnicaULJANIK TESU d.o.o., Pula - generatorAQUADAC d.o.o., Pula - energetski razvod, upravljanje i zatita generatora

1. UvodPredvieno gorivo je drvna sjeka - komadii drvne biomase raznih dimenzija i oblika koji nastaju sjeenjem i usitnjavanjem drvne sirovine. Cijene i kalorine vrijednost ovakvog goriva su varijabilne, no svakako su konkurentne ostalim energentima. Okvirna cijena drvne sjeke je 55 eur/t- 35% vlage, to daje otprilike 331 kn/MWh. Prema nekim specifikacijama od 230-280 kn/t za udaljenosti do 100 km.Uz razumno iskoritavanje i istovremeno obnavljanje uma to je sasvim prihvatljiv oblik energetskog izvora. Znaajno u toj primjeni je iskoritavanje toplinske energije bez dodatne konverzije to nije karakteristino za tipine termo i nuklearne elektrane (oko 60% toplinske energije se praktiki baci). Koritenje elektrine energije za grijanje u osnovi nije ekonomski optimalno, jer je prisutna dvostruka konverzija energije, odnosno dvostruki gubici pretvorbe.Ukupni trokovi postrojenja na biomasu kreu se od 3 000 000 do 20 500 000 eura, a specifini investicijski trokovi izraeni u /kWe iznose od 4000 /kWe pa do 8000 /kWe.

1. UvodSlika 1

1. UvodSlika 2

2. StrojarnicaSlika 3

2.StrojarnicaParna turbina s reduktorom, generatorom ULJANIK TESU, 2 spojke, temeljna ploa, uljovod s pripadajuim uljnim pumpama, elektronskom regulacijom ugraenom u lokalni elektro-ormar, stroj za okretanje, nepovratno upravljana zaklopkaVakuum kondenzator s automatskom regulacijom nivoa kondenzataparni vakuum ejektorpumpe kondenzataRashladni toranj i KPV za rashladni toranj, proizv. CWG, a montaa TTKCirkulacione pumpe rashladne vode, izmeu rashladnog tornja i vakuum kondenzatoranapojne pumpe kotla2.1. Glavni ureaji-dijelovi strojarnice:

2.StrojarnicaSlika 4 - Turbo-generatorski set

2.StrojarnicaSlika 5 Toplinska shema turboseta

3. Parna turbinaTip turbine: TTK 1-OK 1,2Tlake pare na ulazu:35 bar a Temperatura pare na ulazu:350 CKoliina pare na ulazu:9,9 t/hTlak pare na oduzimanju:3,0 bar aTemperatura pare na oduzimanju: 134 CKoliina pare na oduzimanju5,5 t/hTlak pare na ispuhu:0.1 bar aTemperatura pare na ispuhu: 45,8 CKoliina pare na ispuhu:4,4 t/hElektrina snaga:1,2 MWen - turbine / generatora:10500 / 1500 o/minStupanj korisnog djelovanja turbine: do 85%3.1. Karakteristike parne turbine

3. Parna turbinaSlika 7 3d model - presjek kroz turbinu

3. Parna turbinaSlika 6 - Presjek turbine

3. Parna turbinaSlika 7 Dijagram reima rada turbine

4. Elektro - postrojenjeTransformatorska stanica 10(20)/0.4kV, 1600 kVANN generator snage 1200 kWeNN diesel el. agregat snage 250 kVA za napajanje vlastite potronje 4.1. Elektrini izvori energane:4.2. Glavni razdjelnik 4 polja:P1. generatorski prekida za 2500AP2. mreni prekida 2500A i zatite mreeP3. vlastita potronja prekidai komutacije mrea- diesel agregat, 400AP4. razvod vlastite potronje-1Q0 - generatorski prekida-2Q0 - mreni prekida-3QM, 3QA - prekida preklapanja mrea-generator, diesel agregata

4. Elektro - postrojenjeTurbinski generator predvien je normalno za paralelni rad sa mreom. Proizvedena elektrina energija se glavnim dijelom alje u mreu. U sluaju kratkotrajnog ispada ili poremeaja u mrenom naponu, dolazi do iskapanja generatorskog prekidaa. Nakon stabilizacije mree, agregat se ponovno sinkronizira sa mreom i optereuje do eljene snage.U koliko doe do duljeg ispada mree, agregat moe raditi otono, odnosno samostalno, kao agregat za rezervno napajanje.Automatika vri nadzor i upravljanje glavnim mrenim i generatorskim prekidaima, vri sinkronizaciju turbinskog agregata na mreu te vri kontinuirani nadzor mrenog napona. Automatika u glavnom razdjelniku (kontroler generatora) izmjenjuje informacije sa automatikom pogonskog stroja te sa regulatorom napona generatora. Za vrijeme paralelnog rada vri se regulacija radne snage i faktora snage cos (napona).4.3. Opis rada:

4. Elektro - postrojenjeSlika 8 Glavni razdjelnik

4. Elektro - postrojenjeSlika 9 Blok shema upravljanja veze izmeu dijelova sustava

4. Elektro - postrojenjeU blok shemi na slici 9 prikazani su glavni moduli upravljanja i zatite:kontroler turbinekontroler generatoraregulator naponaKontroler turbine alje informacije kontroleru generatora:RPM>90%spreman za teretOd kontrolera generatora prima informacije:Generator tripGSB statusMCB statusSinkronizacija na mreuSpeed UPSpeed DOWNIzmjerena snaga turbinskog agregata (4-20mA)

4. Elektro - postrojenjeKontroler generatora povezan je sa regulatorom napona. Vri slijedee funkcije:mjerenja parametara generatora i mree sinkronizaciju na mreuregulaciju faktora snageupravljanje generatorskim i mrenim prekidaem

U odnosu na uobiajenu primjenu kontrolera za elektrine agregate (u podruju rezervnih napajanja), u ovoj aplikaciji specifino je to da je kontroler pogonskog stroja zasebna jedinica u tehnikom i u organizacijskom smislu. Po drugoj strani kontroler generatora ne vri globalnu kontrolu pogonskog stroja, odnosno dio mogunosti nije iskoriten. Zato je bitna shema izmjena informacija meu dijelovima sustava. Informacije koje se izmjenjuju su u ovom sluaju klasini digitalni i analogni signali.

U radu ove energane pojavljuju se razliiti reimi rada, odnosno pogonske situacije:podizanje sustava na mreupojava greke na turbinipojava greke na generatoruskidanje sustava s mreekratkotrajni ispad - poremeaj mrenog naponaispad mrenog naponaAlgoritam rada i opseg izmjene informacija obuhvaa sva oekivana pogonska stanja.Na slici 10 prikazan je jedan od takvih algoritama - podizanje sustava na mreu. 4. Elektro - postrojenje

4. Elektro - postrojenje

4. Elektro - postrojenje4.4. Generator:

Model br. 1FJ6 562-4Tip generatora:Uljanik TESU sinhroni generator Siemens licencaPogonski stroj: parna turbinaVrsta uzbude: generator bez etkica, samouzbudni.Upravljan digitalnim regulatorom napona DECS100 s posebnim ulazom za vanjsko napajanjeParalelni rad kontinuirano u paraleli sa mreom ili drugim generatorimaKonstrukcija rotora - generator ima na rotoru izmjenini namot budilice, rotirajui ispravlja i uzbudni namot na cilindrinom rotoru sa prigunim kavezomPrimijenjeni standardi IEC-CEI EN 600034-1, VDE and DIN4.4.1. Openito:

4. Elektro - postrojenjeVrsta rada Trajni pogon (S1)Nazivna radna snaga - kontinuirana1200 kWeNazivna prividna snaga 1412 kVANazivni napon 400V, +/- 5%Nazivna struja2038 APreoptereenje 1h (jednom u 6h) 10%Nazivna brzina vrtnje 1500 rpmMaksimalna brzina vrtnje1800 rpmFrekvencija50 HzTemperatura okolinemax 40 C cos 0.85 1.0Buka nivo zvunog pritiska 90 dB (A) na 3m udaljenostiPriblina teina4850 kgStupanj korisnosti, EN 60034 94,1%

4.4. Generator:4.4.2. Nazivni podaci:

4. Elektro - postrojenje4.4. Generator:4.4.3. Oprema:Temperaturne sonde Pt100 u statorskom namotu, 2 x 3 kom.Temperaturne sonde Pt100 u leajevima (1 kom na pogonskoj strani + 1kom nanepogonskoj strani ) Osjetnik proputanja vodeTemper. sonde Pt100 na ulazu hladnog zraka i izlazu toplog zraka (1 + 1 kom)Antikondenzacijski grija - napona 230VACUzbudni mjerni strujni transformator za AVR ugraen u generatoruAVR (regulator napona) BASLER DECS 100 sa ICRM-7 (isporuuju se zasebno,ugrauje se u upravljakom ormaru korisnika). AVR se napaja kroz ICRM-7 navanjsku pomonu mreu (230VAC, 50 Hz)etkica za uzemljenje rotora postavljena na A pogonskoj strani generatora

4. Elektro - postrojenjeAVR - automatski regulator napona je izvedbe na bazi mikroprocesora. Konfiguriranje i parametriranje se vri pomou PC-a ili Palm OS 3.3 programom BESTCOMS. LED indikacije u toku rada.Tonost regulacije napona:0.25% 0.5% 63Vdc @ 7Adc PWM izlaz 0-3 x V/Hz ogranienje napona po frekvenciji Sposobnost mekanog starta Regulacija jalove snage i cos Ogranienje preuzbude Mogunost runog naina rada (regulacije uzbude)Pet vrsta zatite generatora Kontaktni izlaz za alarm Accessory input LED informacije o radu kontrolera4.4. Generator:4.4.3. Regulator napona:

4. Elektro - postrojenjePri izgradnji ovakvog pogona potrebno je zadovoljiti zakonske i tehnike regulative.

Potrebna je odgovarajua infrastruktura, odnosno kapacitet distribucijske mree na niskom i visokom (srednjem) naponu, koji e biti u stanju prihvatiti snagu generatora koja se alje u mreu. Pri odabiru, odnosno proraunima potrebnim za odabir rasklopne opreme potrebno je uzeti u obzir najvee vrijednosti struja, napona i snaga koje se mogu pojaviti u pogonu za vrijeme paralelnog rada.

Treba uzeti u obzir i prijelazne reime - sinkronizaciju i uklop generatorskog prekidaa.

Posebnu panju treba obratiti na sigurnosne mjere koje se odnose na relaciji MREA-GENERATOR, kako u normalnom pogonu tako i za vrijeme vrenja radova (popravaka, servisa) na postrojenju 4.5. Paralelni rad:

4. Elektro - postrojenje

Provjera sinkronizma (synchrocheck) - usporedba napona mree i generatora po faziranosti i naponu.

Zatita od povratne snage - podeava se prag i vrijeme. Kod nekih modula postoji mogunost podeavanja po krivulji koja povezuje iznos povratne snage i vrijeme prorade zatite.

Zatita - informacija o poremeaju, ili ispadu mrenog napona. U tom sluaju potrebno je trenutno iskljuiti generatorski prekida i nakon stabilizacije mree ponovo izvriti sinkronizaciju na mreu. Ovo je jedna od kritinijih zatita. Pojavljuju se dva termina: ROCOF (Rate-Of-Change-Of-Frequency) i VECTOR SHIFT (vektorski pomak), koji imaju slinu fizikalnu osnovu. Pri ROCOF zatiti mjeri se df/dt i parametar podeavanja je izraen u jedinici Hz/s. Prorada zatitie "VECTOR SHIFT" se takoer bazira na promjeni frekvencije generatora.Mjeri i usporeuje se kut prolaza napona kroz nulu izmeu prethodne i tekue periode. Parametar podeavanja se izraava kao kut u stupnjevima.4.5. Paralelni rad:4.5.1.a Specifine zatite pri paralelnom radu generatora i mree:

4. Elektro - postrojenjeU sluaju, da mrea ispadne, a zatita ne proradi, u nepovoljnoj varijanti povratak mree znai nesinkroniziran uklop nekog od prekidaa na mrenoj strani. To u osnovi znai kratki spoj izmeu generatora i mree, a ishod je ovisan o trenutku uklopa, odnosno o zateenom faznom pomaku izmeu napona mree i generatora. Osim strujnog udara dolazi i do mehanikog udara, pa takav uklop usprkos ugraenim strujnim zatitama moe uzrokovati vea oteenja u na skupoj opremi.

Zatita turbinskog agregata od nadbrzine; posebno je kritian moment isklopa generatorskog prekidaa pri punoj snazi. Regulator brzine pogonskog stroja mora trenutno reagirati smanjenjem snage, kako ne bi okretaji preli dozvoljenu granicu okretaja.

Diferencijalna zatita generatora-izvedena je tako da titi od proboja izolacije namotaja unutar generatora. Bazira se na tri para strujnih transformatora. Svaki par mjeri ulaznu i izlaznu struju iz statorskog namotaja.

4.5. Paralelni rad:4.5.1.b Specifine zatite pri paralelnom radu generatora i mree:

4. Elektro - postrojenje

Projektiranje NN razvoda je specifino u toliko to su prisutne razliite pogonske situacije i razliite kombinacije izvora. Tako na primjer treba uzeti u obzir da su trajne struje kratkog spoja generatora oko (3-4) x In i da je ogranieno vrijeme trajanja, pa treba strujnu zatitu prilagoditi generatoru. Takoer je potrebno poznavati karakteristiku strujne opteretivosti generatora za odabir, odnosno podeavanje krivulje strujne zatite od preoptereenja.Tee je zadovoljiti uvjete selektivnosti zatite istih strujnih krugova, koji se jednom napajaju iz mree,a drugi put iz generatora. Praktiki to za projektanta znai ozbiljniji pristup izboru prekidaa i elektronikih modula zatite i koritenje programskih alata proizvoaa opreme pri izboru i podeavanju istih.Pri paralelnom radu se neutralni vod generatora Ng odvaja od neutralnog voda mree Nm, a za vrijeme otonog rada ukljuuje.Pri proraunima vezanim uz snage i optereenja generatora treba paziti, da se u paralelnom radu generator ne preoptereti i dovede na rub stabilnosti, a vezano uz odranje generatora u paralelnom radu (dozvoljeni kut optereenja generatora, stabilnost ...).4.5. Paralelni rad:4.5.2. Projektiranje elektrinog razvoda:

Opisana energana - kogeneracija na biomasu je bez dvojbe realan alternativni izvor elektrine i toplinske energije, a uz razumnu eksploataciju goriva (drvne sjeke) i paralelno poumljavanje moe se smatrati i obnovljivim izvorom. Mogue su varijacije u izboru pogonskog stroja, odnosno goriva, prema raspoloivoj vrsti energenta na dotinoj lokaciji (biomasa, bioplin i sl.). Ekonomska isplativost je direktno vezana za udaljenosti dobave goriva, a u vidu treba imati i trokove odravanja pogona.5. Zakljuak

6. Literaturatehnika dokumentacija vezana uz elektro projekt BE-TO Glinaprezentacija TTK - Tvornica turbina Karlovac, Damir SCHILLER, dipl.ing.tehnike dokumentacije proizvoaa:turbina - TTKgenerator - Uljanik TESUregulator napona - Baslerkontroler generatora - Comap

d.o.o. Pula, www.aquadac.comHvala na panji