Prečerpávacia vodná elektráreň Čierny Váh

Vodná stavba je situovaná v dolnej časti údolia rieky Čierny Váh, približne 10 km nad sútokom s Bielym Váhom nad Kráľovou Lehotou, v časti Národného parku Nízke Tatry. Súčasťou vodnej stavby je PVE Čierny Váh, ktorá je podľa inštalovaného výkonu najväčšou prečerpávacou vodnou elektrárňou na Slovensku.

Bola vybudovaná v rokoch 1976 – 1982 na zabezpečenie spoľahlivej dodávky elektriny a pokrývanie zmien zaťaženia v elektrizačnej sústave (ES) SR. Objem akumulovanej vody v hornej nádrži (bez prirodzeného prítoku), ktorá sa prečerpáva z dolnej akumulačnej nádrže na toku Čierny Váh, sa využíva na výrobu elektriny a zabezpečenie elektrického výkonu v ES SR. Primárnym hľadiskom PVE pri plnení regulačných funkcií v ES SR nie je objem výroby elektriny, ale jej prevádzkové vlastnosti ako sú rýchlosť a pružnosť.
Stavebne je PVE rozčlenená na štyri hlavné časti – horná nádrž, privádzače, dolná nádrž a prečerpávacia vodná elektráreň.

Horná akumulačná nádrž nepravidelného tvaru je situovaná na náhornej plošine vrchu s názvom Neznáma. Hydraulické prepojenie hornej a dolnej nádrže je zrealizované tromi podzemnými tlakovými privádzačmi s priemerom 3,8 m. Rozvetvenie privádzača na prívod vody k dvom turbínam a odvod vody z dvoch akumulačných čerpadiel je riešené guľovou odbočnicou. Súbežne s privádzačmi je situovaný samostatný komunikačný tunel v šikmej časti s výťahom. Dolná akumulačná nádrž bola vytvorená prehradením údolia rieky Čierny Váh hrádzou dĺžky 375 m.

Elektráreň je súčasťou telesa hrádze dolnej nádrže. Je v nej šesť vertikálnych prečerpávacích turbogenerátorov v trojstrojovom usporiadaní – motorgenerátor, Francisova turbína, akumulačné čerpadlo. Turbíny typu Francis majú priemer obežného kolesa 2 600 mm. Pôvodne inštalovaný výkon turbogenerátora 6 x 111,6 MW bol v roku 1985 po overení a skúškach s dodávateľom technológie zvýšený na 6 x 122,4 MW pri prehltení turbíny. Medzi akumulačným čerpadlom a turbínou je zubová spojka. Turbogenerátory sú usporiadané v troch dvojblokoch. Na prevedenie prirodzených prietokov Čierneho Váhu je v elektrárni inštalovaná prietočná Kaplanova turbína s generátorom s výkonom 0,768 MW. Turbína využíva prirodzený prítok do dolnej akumulačnej nádrže. Celkový inštalovaný výkon PVE je 735,16 MW. Výkon elektrárne je vyvedený cez blokové jednofázové transformátory 15,75/420 kV v dvojblokovom usporiadaní do elektrickej rozvodne R400 kV Liptovská Mara.

Turbogenerátory umožňujú turbínovú a čerpadlovú prevádzku. Ovládanie turbogenerátov je plne automatické. Čas nábehu do turbínovej prevádzky a zaťaženie na plný výkon trvá cca 70 sekúnd, do čerpadlovej prevádzky cca 120 sekúnd. Účinnosť prečerpávacieho cyklu je cca 74 %. Z objemu vody v hornej nádrži je možné vyrobiť 3 800 MWh elektriny za dobu 5,5 hodiny pri súčasnej prevádzke šiestich TG. Načerpanie vody do nádrže trvá 8 hodín pri prevádzke šiestich akumulačných čerpadiel.

Operatívne riadenie prevádzky turboagregátov na PVE vykonáva výrobný dispečing Slovenských elektrární, a.s. v Bratislave podľa potvrdenej prípravy prevádzky z hydroenergetického dispečingu Trenčín a na základe obchodného plánu.

Virtuálne bloky

PVE je riadená buď z dispečingu Slovenských elektrární z Bratislavy alebo zo Slovenského energetického dispečingu v Žiline. „PVE Čierny Váh má jedno zaujímavé špecifikum. V podstate to je fyzicky jedna elektráreň, ale softvérovo je rozdelená do troch virtuálnych blokov, akoby troch virtuálnych elektrární,“ vysvetľuje na úvod nášho stretnutia Ing. Štefan Starosta, vedúci pre technológie vodných elektrární na oddelení Inžinieringu v SE. Prvý virtuálny blok sa zvyčajne poskytuje Slovenskému energetickému dispečingu, druhý blok sa poskytuje dispečingu Slovenských elektrární a tretí blok sa poskytuje v prípade záujmu tretej strane. Vďaka takémuto riešeniu dokáže PVE nezávisle riadiť vlastné odchýlky v Slovenských elektrárňach, čo viedlo k minimalizácii penále za prekročenie odchýlok, ktoré sa v minulosti vyskytovali. Príprava prevádzky jednotlivých virtuálnych blokov na každý deň sa plánuje v dispečingu v Bratislave. Na základe žiadosti z PVE sa definuje, v akom poradí majú byť jednotlivé stroje spúšťané, pričom jednou z podmienok je rovnomerná zaťažiteľnosť strojov.

Riadiaci systém

Riadiaci systém PVE Čierny Váh prešiel zásadnou modernizáciou v rokoch 2012 – 2014. Je postavený na platforme a priemyselných štandardoch spoločnosti Siemens (pôvodne SAT Automation), pričom sa skladá z niekoľkých úrovní (obr. 1) – procesnej úrovne, komunikačného systému a operátorskej úrovne.
„Každý zo šiestich strojov v PVE Čierny Váh má priradenú jednu procesnú riadiacu stanicu, ku ktorej je pripojený regulátor budenia a ochrany stroja,“ vysvetľuje Š. Starosta. Komunikačné rozhranie medzi regulátorom, ochranami a riadiacou stanicou je realizované ethernetom a komunikačným protokolom IEC 60870-5-104. Okrem týchto šiestich procesných staníc sú do riadiaceho systému pripojené ešte procesné stanice 440 kV a 22 kV rozvodne, procesná stanica spoločných zariadení a procesná stanica vlastnej spotreby. Celý systém pozostáva z približne 6 000 technologických signálov a približne 13 000 procesných – datadázových údajov. Všetky číslicové (dvojstavové) údaje sa zbierajú s periódou menšou ako 10 ms (štandardne 1ms) a analógové údaje sa zbierajú s periódou do 1 sekundy.

Procesné stanice a komunikácia

Komunikáciu medzi procesnou a operátorskou úrovňou zabezpečuje redundantná sieť v kruhovej topológii s komunikačným protokolom IEC 60870-5-104. Zbernica je pod dohľadom trvalej diagnostiky, vďaka čomu je zabezpečená vysoká spoľahlivosť komunikácie. Na operátorskej úrovni sa nachádzajú redundantné procesné stanice Siemens SICAM – „mozog elektrárne“ s nainštalovaným softvérom (obr. 2). Okrem toho je na zbernicu pripojený aj terminál pre komunikáciu s Výrobným dispečingom (MES systémom) a Obchodným dispečingom (ERP systémom) SE v Bratislave. Do uvedených dispečingov sa z údajovej databázy PVE Čierny Váh posielajú len vybrané údaje. Ďalšou je front-end procesná stanica zabezpečujúca komunikáciu s dispečingom v Trenčíne. V miestnosti riadenia (velíne) PVE Čierny Váh sa nachádza operátorské pracovisko so SCADA systémom v redundantnej konfigurácii.

Do zbernice riadiaceho systému je pripojený aj modul pre vzdialený prístup, ktorý umožňuje vykonávať v PVE Čierny Váh všetky zmeny diaľkovo z centrály v Trenčíne resp. iných lokalít. Technickí pracovníci tak v prípade potreby vykonávania zmien v riadiacom softvére, či už počas skúšok technológií alebo ich nábehu do prevádzky, nemusia cestovať priamo do PVE, ale dokážu tieto zmeny realizovať z Trenčína. Rovnako pracovníci útvaru údržby dokážu cez vzdialený prístup sledovať a vyhodnocovať neštandardné stavy technológií na diaľku a zistiť príčiny tohto stavu. Na ich odstránení potom spolupracujú s prevádzkovými pracovníkmi priamo v PVE. Vzdialený prístup do siete je chránený na niekoľkých úrovniach a v porovnaní s podobnými riešeniami v iných európskych elektrárňach skupiny ENEL dosahuje vysokú úroveň.

Riadiaci systém podľa požiadavky dispečera prerozdelí a vypočíta, koľko a akých turbín požaduje spustiť alebo odstaviť do/z turbínovej alebo čerpadlovej prevádzky, nezávisle pre každú virtuálnu elektráreň, pričom túto požiadavku posiela do procesnej stanice daného stroja. Procesná stanica zabezpečuje základné funkcie, ako spúšťanie a odstavovanie stroja, poruchovú signalizáciu, mechanickú ochranu stroja – sledovanie teplôt a ostatných prevádzkových parametrov. Zároveň zabezpečuje aj ďalšie dielčie regulácie a kontroly, ako je sledovanie priesakov, regulácia čerpacích agregátov, sledovanie a riadenie rýchlo uzáverov a pod. Elektrické ochrany každého stroja sú nezávislé systémy, ktoré v prípade prekročenia definovaných hraničných hodnôt prúdov a napätí odstavia strojné zariadenie. Hodnoty žiadaného činného a jalového výkonu sa posielajú ako vstupný údaj do regulátora turbíny a do regulátora budenia generátora. V RIS sú používané inteligentné meracie prevodníky merajúce trojfázové prúdy a napätia, z ktorých sa vypočítava činný a jalový výkon, fázový posun a pod., pričom všetky tieto údaje sú v digitálnej forme. Riadiaci systém má integrovanú aj reguláciu napätia na úrovni 400 kV, ktorá môže byť využívaná miestne aj diaľkovo.

„Automaticky zabezpečujeme aj reguláciu chladenia stroja. Ja s nadsádzkou hovorím, že riadime nie chladenie, ale klimatizáciu. Tým, že stroje sú umiestnené v spodných častiach stavby, tak pri svojom spustení sú studené a preto ich postupne zahrievame teplým vzduchom z generátora a pri dosiahnutí požadovanej teploty 30 °C ich v nej udržiavame a ak teplota začne stúpať, vtedy regulujeme aj chladenie,“ vysvetľuje Š. Starosta.

Procesná stanica vlastnej spotreby (plní aj funkciu čierneho štartu) zabezpečuje automatický nábeh elektrárne z beznapäťového stavu. Slúži na to stroj č. 7, ktorý štandartne zabezpečuje biologický prietok v koryte Čierneho Váhu pod PVE. Turbína v stroji č. 7, ktorá je trvale v chode (okrem odstávok a zásahov údržby), slúži zároveň ako podpora vlastnej spotreby. „Automatika vlastnej spotreby je navrhnutá tak, že uvedená turbína dokáže úplne zabezpečiť spustenie jedného zo strojov č. 1 až 6. V prípade, že by bolo v danom momente potrebné spustiť väčší počet turbín, tak sa ďalší stroj spustí a prifázuje pomocou už bežiaceho prvého stroja v rámci dvojbloku, alebo cez napätie rozvodne 400 kV sa prifázuje ktorýkoľvek ďalší stroj,“ upresňuje Š. Starosta.

SCADA systém

Manipulant môže po dohode s hlavným dispečingom SE prevziať celú PVE do lokálneho riadenia. Na jednotlivých obrazovkách SCADA systému sú zobrazované informácie o všetkých strojoch, či sú pripravené na spustenie, alebo sú v poruche, prípadne výstrahe. K dispozícii sú údaje v reálnom čase o výkone každého stroja, jeho mazaní, chladení a pod. Zobrazované sú aj stavy 400 kV a 22 kV rozvodne. V historizácii sa ukladajú údaje min. za posledný rok prevádzky PVE, ktoré sa dajú zobraziť v číselnej alebo grafickej podobe. „Zároveň v SCADA systéme je cca. 50 vizualizovaných technologických schém s výbornou prehľadnosťou „živých procesov“,“ vysvetľuje Š. Starosta.

Meranie fyzikálnych veličín

Pre meranie procesných fyzikálnych veličín sa používajú hlavne snímače so štandardizovaným výstupom 4 – 20 mA. Pre meranie tlakov sa v PVE Čierny Váh používajú piezoelektrické a kapacitné snímače. Snímanie výšky hladín zabezpečujú dve nezávislé technológie – plavákové snímače, ako aj tlakové snímače na princípe diferenčného tlaku. Tiež sa využívajú aj magnetické stavoznaky, indukčné resp. kalorimetrické snímače prietoku. Reguláciu prietoku v potrubiach zabezpečujú aj viaceré regulačné ventily osadené elektrickými pohonmi.

Údržba strojných zariadení

V PVE Čierny Váh je nainštalovaný nezávislý systém talianskej výroby SMAV, ktorý online vykonáva vibrodiagnostiku strojných zariadení. V prípade prekročenia medzných hodnôt má aj funkciu havarijného odstavenia. V prvej úrovni je hlásená operátorovi výstraha a v prípade, že sa nevykoná náprava, dochádza k odstávke stroja. Kritické hlásenia o vibrodiagnostike sú zasielané aj do hlavného riadiaceho systému elektrárne. Systém SMAV je pripojený vzdialene aj na dispečing v Trenčíne, čo technikom umožňuje vzdialene sledovať a analyzovať vzniknuté stavy. „Okrem trvalej diagnostiky cez systém SMAV vykonávajú 1x ročne meranie vibrácií na všetkých sústrojenstvách aj technici útvaru diagnostiky z Trenčína svojim prístrojovým vybavením a minimálne 1x ročne sa tak isto vykonáva aj termodiagnostika pomocou termovíznej kamery a tribodiagnostika (kontrola olejov z turbín, transformátorov v špecializovanom laboratóriu SE)“, dopĺňa Ing. Milan Slabej, vedúci skupiny VE Čierny Váh – elektro časť.

Vlastné know-how

Celú modernizáciu riadiaceho systému na PVE Čierny Váh, ktorá sa udiala v rozmedzí rokov 2012 – 2014, zvládli pracovníci SE vlastnými silami. Pomocnú ruku im podala spoločnosť PPA Controll, a.s. pri výrobe rozvádzačov, ktoré si už ale na základe vlastného návrhu hardvérových komponentov osadili a oživili pracovníci SE sami. To isté platí aj v prípade tvorby softvérových aplikácií, kedy programátori z Trenčína vďaka rozsiahlemu know-how v oblasti riadenia technológií pre vodné elektrárne dokázali zvládnuť aj takúto náročnú úlohu. „Jednou z najdôležitejších podmienok úspechu takejto rozsiahlej aplikácie je veľmi dobrá spolupráca medzi útvarmi inžinieringu, údržby a prevádzky, kde každý útvar prispieva svojim podielom na tvorbe softverových prác, skúšok a uvádzania do prevádzky tak rozsiahleho systému,“ zdôrazňuje Š. Starosta.

Ďakujeme spoločnosti Slovenské elektrárne, a.s., závod Vodné elektrárne za možnosť realizácie reportáže, Ing. Štefanovi Starostovi a Ing. Milanovi Slabejovi za poskytnuté technické informácie.