DISTRIBUIRANI SUSTAV DALJINSKOG VOĐENJA U RAFINERIJI NAFTE RIJEKA

B. Brestovec*, Maja Šlogar Brcko*, Predrag Domjan**, Željko Beljan**, Sanjin Jurešić** * KONČAR – Inženjering za energetiku i transport d.d.

Falllerovo šetalište 22, 10 000 Zagreb, Hrvatska, Grad, Država ** INA Rafinerija Nafte Rijeka, Urinj bb

boris.brestovec@koncar-ket.hr

Sažetak – Elektroenergetski sustav u INA RNR izrazito je složen sustav čija je zadaće osigurati pouzdano i kontinuirano napajanje svih potrošača sustava. Razni ventilatori, pumpe, kompresori i motorni pogoni izrazito su važni kao izvršni elementi u procesu prerade nafte, te bi njihovom neplaniranom i iznenadnom obustavom rada moglo doći do naplaniranog zaustavljanja postrojenja i s time povezane ekonomske štete te nepovoljen utjecal na okoliš rafinerije.

Kako bi se osigurao kvalitetan i efikasan nadzor i upravljanje samim EES u rafineriji početkom godine pušten je u pogon Distribuirani Sustava Daljinskog Vođenja (DSDV) elektroenergetskom mrežom u rafineriji. Sustav predstavlja moderan i otvoren sustav koji se temelji na sustavu SCADA i sustavu brzog rasterećenja potrošača. Oba sustava međusobno su komplementarna i nadopunjuju se omogućavajući operaterima daljinsko vođenje EE mreže uzimajući u obzir i napredne funkcije kao što su sinkronizacija postrojenja, automatsko preklapanje sekcija, praćenje smjera zemnih spojeva, optimizacija razmjene energije sa vanjskim izvorima, odvajanje EES-a u slučaju većih poremećaja na vanjskoj mreži.

Referat opisuje osnovne karakteristike i funkcije Distribuiranog Sustava Daljinskog Vođenja koji je već pola godine u radu, a isporučen je po principu ključ u ruke od strane KONČAR Inženjeringa za energetiku i transport d.d.

I. UVOD

Elektroenergetski sustav u INA Rafineriji Nafte Rijeka (INA RNR) velik je i složen sustav koji se sastoji od osnovnih dijelova: 35 kV prstena sa 6 glavnih TS i 3 turbogeneratora koji su sastavni dio parne termoelektrane. Osim vlastitih izvora napajanja (3 turbogeneratora) postoji mogućnost napajanja i iz vanjske distributivne mreže HEP ODS-a preko 2 dovodna polja. EES ima zadaću osigurati napajanje za sve potrošače u sustavu, a to su uglavnom razni elektromotorni pogoni (ventilatori, pumpe, kompresori) koji su nužni u procesu prerade nafte, a čiji se broj znatno povećao prilikom modernizacije i izgradnje novih postrojenja u zadnjih nekoliko godina.

Ovako složena EE mreža predstavlja u biti cjelokupan i zaseban EES u malom za koji postoji potreba za osiguranjem stabilnosti sustava i osiguranja pouzdanih izvora energije koji opskrbljuju potrošače na rafineriji. Slika 1. prikazuje modificiranu EE mrežu u INA RNR.

Slika 1. EES u INA RNR – prikaz SCADA sustava

Kako bi se operateru složenog energetskog sustava u INA RNR omogućio kompletan centralni nadzor i upravljanje kompletnom elektroenergetskom mrežom rafinerije, upravljanje turboagregatima i proizvodnjom električne energije, te razmjenu sa vanjskom distributivnom mrežom HEP-a nužno je bilo isporučiti suvremeni i složeni sustav daljinskog vođenja kompletnog EES-a u INA RNR.

Sustav je dizajnirao i isporučio KONČAR – Ineženjering za energetiku i transport d.d. u sklopu projekta po principu „ključ u ruke“ koji je započeo krajem 2009. , dok je puštanje u pogon sustava i završetak projekta početkom 2012.

Projekt se sastojao od projektiranja sustava, isporuka računalne i programske opreme DSDV, izradi telekomunikacijske infrastrukture i povezivanja dijelova sustava po postrojenjima, isporuka sekundarne opreme po postrojenjima, funkcionalnih ispitivanja svih cjelina, te uređenja Centra Daljinskog Upravljanja (CDU) sustava.

II. FUNKCIJE DSDV

Sigurno i pouzdano vođenje složenog EES rafinerije sastoji se od obavljanja određenih zadaća i funkcija koje je do sad ručno obavljao operater putem stare upravljačke ploče ili upravljačkog pulta, te direktno upravljajući aparatima tipkalima na poslužnim ormarićima ćelija.

Povećanjem broja pogona i postrojenja, za koje se mora osigurati pouzdano napajanje, nužno je bilo uvesti centralno mjesto sa kojega će operater moći efikasnije i ažurnije pratiti i upravljati stanjem kompletnog EES sa jednog mjesta.

MIPRO 2012/CTS 1097

Kako bi se operateru omogućilo vođenje EES prema novim uvjetima i zahtjevima koji su nastali kao posljedica modernizacije rafinerije, nužno je bilo osigurati slijedeće funkcionalnosti unutar DSDV-a:

Daljinski nadzor i upravljanje svim aparatima u glavnim TS sustava (35kV, 6kV, 0,4kV),

Daljinski nadzor nad procesnim mjerenjima numeričkih uređaja na nivou postrojenja,

Centralna obrada i pohranjivanje svih podataka na redundantnim SCADA poslužiteljima,

Daljinski dohvat arhiva poremećaja sa pojedinog numeričkog uređaja,

Brzo rasterećenje sustava (FLS engl. Fast Load Sheeding) u trenutku odvajanja distributivne mreže HEP-a,

Zaštita i odvajanje energetskog sustava rafinerije na 2 kabelska voda HEP-ove distribucijske mreže,

Sinkronizacija (automatska i ručna) pojedinih dijelova sustava obzirom na vlastitu proizvodnju električne energije na tri turbogeneratora,

Optimizacija razmjene električne energije sa distribucijskom mrežom HEP-a,

Automatski preklop na zdravu elektroenergetsku mrežu dijela koji je ostao bez napajanja,

Automatski restart motora na ključnim postrojenjima za koja je to nužno,

Analiza smjera zemnih spojeva na pojedinim poljima u mreži,

Bojanje topologije mreže s obzirom na izvore u energetskom sustavu,

Nadzor nad svim motorima u energetskom sustavu (6kV i 0,4kV).

Kako bi se osigurao veliki broj funkcija sustava nužno je bilo isporučiti suvremeni, fleksibilan i otvoren sustav koji bi omogućio distribuciju pojedinih funkcija na određene dijelove sustava.

Odlika distribuiranog sustava je da distribucijom funckija postiže efikasniji i brži odziv procesa, kao i rasterećenje i disperzija jednostavnijih zadaća u sustavu na njegove periferne komponente (uređaje na nivou postrojenja).

Prema zahtjevima pojedinih funkcija i specifičnosti izvođenja potrebno je bilo raspodijeliti zadaće na različite uređaje što na nivou samog postrojenja, a što na centralne poslužitelje podataka.

Prikupljanje podataka, izvršavanje komandi i neke automatske funkcije (automatski preklop, zaštita i odvajanje EES, sinkronizacija, automatski restart) distribuirane su na različite uređaje na nivou postrojenja. Njihov nadzor i upravljanje moguće je kako lokalno, tako i daljinski iz CDU. Slika 2. prikazuje modificiranu jednopolnu shemu koji operater vidi na radnim stanicama prilikom nadzora i upravljanja na DSDV-u.

Obrada, analiza i prikazivanje podataka, te razni proračuni obavljaju se na centralnim poslužiteljima podataka (SCADA obrada i prikaz podataka, proračuni algoritma brzog rasterećenja, optimizacija, analiza zemnih spojeva, topološko bojanje).

Funkcionalni zahtjevi na sustav uvelike diktira i samu arhitekturu sustava, u ovom slučaju izrazito distribuiranu.

III. ARHITEKTURA DSDV

Izrazito složenu arhitekturu DSDV moguće je hijerarhijski podijeliti na nekoliko razina [1]. Na najnižem hijerarhijskoj razini nalazi se oprema vodnih polja TS kao što su numerički terminali polja koji osim što imaju mjernu, zaštitnu i upravljačku zadaću polja, prikupljaju procesne podatke.

Tako prikupljeni procesni podaci šalju se u uređaje slijedeće razine, a to su koncentratori podataka i PLC kontroleri koji osim prikupljanja i proslijeđivanja podataka imaju i određne distribuirane automatske funkcije koje se izvrše zasebno od ostalih zadaća sustava na razini postrojenja.

Centralni poslužitelji podataka, na najvišoj razini, prikupljaju podatke iz koncentratora i PLC kontrolera i obrađuju ih i analiziraju. Tako obrađeni podaci se grafički prikazuju operateru i podloga su za izvođenje raznih složenih funkcija i proračuna. Svi kritični podaci, bilo procesni ili rezultati proračuna, adekvatno se pohranjuju u povijesnoj bazi podataka.

Imajući na umu hijerarhijsku podjelu sustava i distribuirano izvođenje glavnih funkcija moguće je izvršiti podjelu DSDV na:

SCADA sustav ,

FLS sustav,

Sustav Optimizacije.

Slika 3. Prikazuje modificiranu arhitekturu DSDV isporučenog u INA RNR.

A. SCADA sustav Osnovni dio cjelokupnog DSDV i najveći broj glavnih

funkcija dio je SCADA sustava. SCADA sustav se sastoji od nekoliko dijelova koji se nalaze na različitim hijerarhijskim razinama unutar INA RNR.

Slika 2. Jednopolna shema na radnim stanicama SCADA sustava

1098 MIPRO 2012/MEET

Na postrojenjima na razini polja TS nalaze se numerički terminali polja koji prikupljaju procesne podatke, upravljaju aparatima te štite postrojenje i njegove primarne dijelove. Numerički terminali polja omogućuju i lokalno upravljanje u slučaju prekida komunikacije sa CDU.

Koncentratori podataka komunikacijskim putem prikupljaju podatke iz numeričkih terminala polja putem iec 60870-5-103 standarda i šalju ih ka nadređenim centralnim poslužiteljima podataka u CDU koristeći IEC 60870-5-104 mrežni standard.

Osim komunikacijom, na ovoj se razini procesni podaci prikupljaju i putem U/I jedinice koncentratora. Na koncentratorima podataka se odvijaju i neke distribuirane automatske funkcije kao što su automatski preklop, odabir polja i upravljanje opremom za sinkronizaciju, automatski restart motora. Izvođenje automatskih funkcija omogućeno je PLC razvojnom okolinom (IEC 61131) koja je sastavni dio koncentratora podataka putem posebne centralne jedinice. Povezivanje sa centralnim poslužiteljima podataka odvija se prema mrežnom IEC 60870-5-104 standardu. Koncentratori podataka također se koriste kao čvorovi povezivanja i razmjene podataka preko MODBUS RTU ili TCP komunikacije sa postojećim procesnim sustavima EMERSON i HONEYWELL, te za komunikaciju sa posebnim postojećim PLC kontrolerima putem PROFIBUS protokola koji nadziru i upravljaju sa svim motorima na niskom naponu 0,4kV.

Za potrebe povezivanja postrojenja sa CDU izveden je optički komunikacijski sustav. Dvostruki (redundantni) optički prsten osigurava visoku pouzdanost i veliki kapacitet prijenosa podataka koji se zahtjeva u sustavima daljinskog vođenja složenih EES-a.

Centralni poslužitelji podataka nalaze se u CDU i prikupljaju procesne podatke te ih obrađuju i pohranjuju. Pouzdanost u radu osiguravaju dualni centralni poslužitelji od kojih je jedan vodeći aktivan, dok je drugi vruća pričuva i u stanju je pripravnosti. U slučaju kvara vodećeg računala, kompletno sve aktivnosti preuzima prateće računalo bez ikakvog ometanja operatera u radu. Centralni poslužitelji podataka ostvaruju i razmjenu podataka sa Sustavom optimizacije, čiji se rezultati opet obrađuju i pohranjuju na poslužiteljima. Razmjena podataka ostvarena je putem mrežnog MODBUS TCP protokola. Osim razmjene podataka sa Sustavom optimizacije, centralni poslužitelji razmjenjuju podatke i sa SCADA sustavom HEP ODS-a, ELEKTROPRIMORJE putem serijske komunikacije i IEC 60870-5-101 standarda.

Operaterske radne stanice i radna stanica sistem inženjera služe za grafički prikaz i sučelje prema čovjeku. Razni prikazi JS, te tablice alarma i grafički prikazi omogućuju operaterima nadzor na EE postrojenjima.

Da bi operater mogao daljinski nadzirati postrojenja i kompletni EES nužno je da je cjelokupan sustav vremenski sinkroniziran, što je zadaća posebnog vremenskog poslužitelja. Poslužitelj u sebi ima integriran GPS prijemnik koji osigurava sinkronizaciju svih uređaja na optičkom mreži na isto vrijeme korištenjem SNTP-a (engl. Simple Time Network Protocol). Slika 4. prikazuje upravljanje sustavom uzbude turboagregata koja je izvedena na SCADA operaterskim prikazima.

Funkcije SCADA sustava dijele se na osnovne i napredne i detaljno su opisane u [1].

B. FLS sustav Sustav brzog rasterećenja ili FLS sustav ima za zadaću

rasteretiti potrošače u trenutku odvajanja RNR sa vanjske distributivne mreže HEP-a. Proračun i algoritam rasterećenja temelji se na metodi proračuna bilance snage i na praćenju kretanja frekvencije EES u RNR.

U slučaju odvajanja sa distributivne mreže, koja je pored vlastitih parnih turboagregata nužna da bi se zadovoljio cjelokupni konzum, sustav prema tablicama prioriteta potrošača rasterećuje sustav kako bi održao i osigurao siguran rad turboagregata. U protivnome bi se manjak snage pokušao kompenzirati na račun turboagregata koji pak nisu dovoljni i oni bi se postupno zaustavili i na taj način neplanski zaustavili rad pojedinih pogona rafinerije te prouzročili financijsku i ekološku štetu [1].

Arhitektura FLS sustava slična je onoj SCADA sustava. Na razini postrojenja nalaze se PLC kontroleri koji prikupljaju podatke o stanjima aparata putem U/I jedinica ili komunikacijski preko koncentratora podataka SCADA sustava (MODBUS RTU). Upravljanje prekidačima kao rezultat proračuna algoritma brzog rasterečenja također se odvija putem U/I jedinica. Na centralnom PLC kontroleru u TS 300 izvodi se algoritam i cjelokupni proračun, te je taj kontroler izveden redundantno, dok na ostalim postrojenjima to nije slučaj. Međusobna komunikacija i razmjenu podataka između PLC kontrolera također se odvija preko dvostrukog (redundantnog) optičkog prstena, ali neovisnog od prstena SCADA sustava. Razmjena podataka između PLC

Slika 3. Blok shema arhitekture DSDV-a

Slika 4. Upravljanje sustavom uzbude turboagregata

MIPRO 2012/CTS 1099

kontrolera odvija se korištenjem MMS standarda.

Centralni poslužitelj podataka nalazi se u CDU i prikuplja, obrađuje i pohranjuje podatke. Na poslužitelju se nalazi posebna PLC razvojna okolina koja omogućuje daljinsko uređivanje i rad na samom algoritmu.

Operaterska radna stanica služi za prikaz i grafičko sučelje prema operateru. Putem operaterske stanice moguće je definirati tablice prioriteta i pratiti raspored i tijek isključenja, te grafički pratiti snage i frekvencije EES.

C. Sustav optimizacije Osnovna zadaća sustava optimizacije je automatsko

praćenje razmjene količine energije sa distributivnom mrežom HEP ODS-a na 3 dovodna polja i praćenje proizvodnje električne energije na 3 turboagregata u sklopu parne termoelektrane. Slika 5. prikazuje modificirano sučelje prema operateru Sustava Optimizacije.

Radi velikog broja potrošača, nastalih u fazi modernizacije, neophodan je paralelan rad EES u RNR sa distributivnom mrežom HEP ODS-a.

Sustav zadavanjem količine energije koja se razmjenjuje (daje ili uzima) sa distributivnom mrežom omogućuje optimiranje proizvodnih i rafinerijskih procesa obzirom na ugovorene količine energije sa distributerom.

Ovaj sustav je u biti priprema za cjelokupnu optimizaciju proizvodnje i cjelokupnog rada rafinerije obzirom na kretanje treuntne cijene električne energije na tržištu. U skoroj budućnosti, radi liberalizacije tržišta energije, RNR će moći prema potrebi i prema financijskoj isplativosti ili kupovati ili prodavati električnu energiju u mreži optimirajući vlastitu proizvodnju električne energije putem vlastith turboagregata.

Sustav optimizacije koristi podatke sa dovodnih polja (distirbutivne mreže) i generatorskih polja o količini energije, radnoj i jalovoj snazi, te podacima o tarifi. Osim tih podataka sustavu bita su i stanja prekidača turbogeneratora i još nekih određenih prekidača na temelju kojih sustav može izračunati da li se radi o paralelenom ili otočnom režimu rada rafinerije.

Sam algoritam i proračun optimizacije izvodi se na zasebnom poslužitelju podataka koji komunikacijskim putem razmjenjuje potrebne podatke sa centralnim poslužiteljima SCADA sustava putem mrežnog MODBUS TCP standarda. Podaci se ciklički razmjenjuju i izvode se proračuni. Operater putem grafičkog sučelja zadaje količinu energije koja se želi razmjenjivati sa distributivnom mrežom.

Sustav na temelju ulaznih, prikupljenih podataka (sa centralnih poslužitelja SCADA sustava) izvodi proračune i kao izlaz daje upravljačke impulse za turboagregate, konkretno za sustav uzbude – upravljanje Q, i turbinski regulator – upravljanje P.

Upravljački impulsi se u biti preko centralnih poslužitelja podataka SCADA sustava, šalju na koncentratore koji preko U/I jedinica šalju komande prema postrojenju.

Imajući na umu rečeno, upravljanje turboagregatima moguće je automatski (preko sustava optimizacije) ili ručno (preko SCADA sustava).

IV. ZAKLJUČAK

Isporučeni sustav predstavlja izrazito složen sustav koji zadovoljava sve zahtjeve krajnjeg korisnika koji proizlaze iz zahtjeva za pouzdanim i sigurnim vođenjem EES. Specifičnost EES u rafineriji je ta da je sustav izrazito složen sa velikim brojem potrošača koji zahtjevaju pouzdano napajanja električnom energijom, čiji bi čak i kratkotrajni neplanirani ispad mogao prouzročiti materijalnu i financijsku štetu te ekološki incidednt.

Za osiguranje strogih zahtjeva napajanja nužno je da se osigura siguran paralelan rad RNR sa okolnom distirbutivnom mrežom HEP ODS-a.

Da bi se u današnje doba globalizacije tržišta, a posebno u ovo doba recesije uz liberalizaciju tržišta energije (plina, nafte, električne energije) moglo opstati i kvalitetno poslovati nužno je optimirati svaki dio osnovne djelatnosti, a posebno se to odnosi na potrošnju EE.

Uzevši u obzir sve te činjenice ispravno rješenje za vođenje pogona i kompletnog EES rafinerije jest bilo uvođenje centralnog sustava koji će automatizirati sve zadaće operatera i složene funkcije koje se zahtjevaju.

Distribuirani Sustav Daljinskog Vođenja EES u INA RNR predstavlja izrazito složen sustav koji distribucijom arhitekture i funkcija te njihovom automatizacijom olakšava izvođenje svih zadaća operatera te na taj način povećava efikasnost i ekonomičnost vođenja sustava.

Svi podaci izneseni u članku su informativni i ne odražavaju stvarno stanje u cilju očuvanja poslovnih tajni i informacija.

LITERATURA [1] B. Brestovec, M. Šlogar Brcko, Predrag Domijan, Željko Beljan,

Sanjin Jurešić, “Distribuirani sustav daljinskog vođenja u Rafineriji Nafte Rijeka,” 10. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011,

[2] G. Benčić, B. Brestovec, V. Braun, B. Horvat, “Sustav nadzora, upravljanja i regulacije pogona vjetroelektrane pometeno brdo“, 9. simpozij o sustavu vođenja EES-a, Zadar, studeni 2010.

Slika 5. Grafički prikazi razmjene energije u sklopu Sustava Optimizacije

1100 MIPRO 2012/MEET

[3] Z. Oklopčić, I.Mandić, J.Horvat,B. Brestovec, “ Sustav daljinskog nadzora i upravljanja plinskom mrežom PLINACRO“, HSUP, svibanj 2006.

[4] I. Kuzle, "Podfrekvencijsko rasterećenje EES-a“, Materijali za tečaj, svibanj 2010.

[5] "Sustav Daljinskog Vođenja EES u Rafineriji nafte Rijeka“, Izvedbeni projekt, ELING BIRO d.o.o, svibanj 2010.

MIPRO 2012/CTS 1101