Udržanie krehkej rovnováhy
Mesto Pend vybudovalo a prevádzkuje 80 MW vodnú elektráreň, ktorá dnes poskytuje obnoviteľnú energiu pre 8500 svojich zákazníkov. Box Canyon je vodná elektráreň fungujúca na princípe vodného prietoku, čiže prúdenie vodného toku poháňa ponorené turbíny. No väčšina veľkých vodných elektrární vyrába elektrickú energiu systematickou kontrolou zadržiavanej vody za priehradou. Riadenie v Box Canyon musí udržiavať krehkú rovnováhu medzi optimálnou výrobou elektrickej energie a prirodzeným ekosystémom rieky.
Sezónne dažde, topiaca sa snehová pokrývka a iné prírodné sily pôsobia na vodnú elektráreň silným prietokom z priehrad a nádrží. Rýchle prúdy predstavujú pre výrobu elektrickej energie výhodu, pretože efektívne točia turbíny, ktoré vzápätí roztáčajú elektromagnety generujúce energiu. Ale štátom chránené územie za Box Canyon nemôže byť rozvodnené. Ekosystém za priehradou je domovom citlivých zvierat a malebných verejných parkov, ktoré priťahujú ročne tisíce návštevníkov.
Vrtochy počasia
Výrobnú a environmentálnu rovnováhu dosiahli na vodnej elektrárni z hlavnej časti manuálne. Väčšina z pôvodných mechanických ovládacích prvkov a zariadení (vrátane štyroch turbín, generátorov a pomocného strojného vybavenia) sa používa už viac ako 50 rokov po inštalácii. „Dokonca aj pre tím skúsených operátorov monitorovanie a riadenie jednotlivých dielov znamenalo veľa práce,“ povedal Terry Borden, manažér vodnej elektrárne Box Canyon. „A musíme ešte zvládnuť vrtochy počasia.“
Priemerný prietok na Box Canyon je 26 400 kubických stôp za sekundu (CFS), a počas jarného topenia snehu a počas letných búrok môže vystúpiť až na úroveň 80 000 CFS. V týchto vzácnych príležitostiach operátori zastavia turbíny a otvoria hydraulické brány priehrady, aby silný prúd nezničil vybavenie elektrárne. Každodenné fluktuácie prietoku na rieke sú menej dramatické, ale môžu sa výrazne líšiť. Operátori dôslednej monitorujú prietok a výšku vodnej hladiny za priehradou, aby mohli s rôznymi vplyvmi efektívne bojovať.
Tieto informácie sa používajú na riadenie prúdenia vodného toku cez priehradu úpravou brán – veľkých dverí, ktoré umožňujú regulovať prísun vody do turbín. Cieľom procesu je udržať výrobu energie na najvyššej možnej úrovni a zároveň zachovať čo najstabilnejšiu úroveň riečneho toku. Zber kľúčových dát údajov z výroby energie bol z veľkej časti manuálny proces a operátori museli ručne odpisovať čísla z prístrojov. Bez elektronickej siete na zdieľanie dát museli operátori vpisovať údaje do tabuliek a potom ich fyzicky distribuovať na médiách do iných oddelení. Nákupcovia napríklad používajú mesačné trendové údaje, ktoré im pomáhajú vypočítať ceny do zmlúv o energii.
Modernizácia v súlade so štandardmi
„Všetky naše systémy boli zastarané,“ hovorí T.Borden. „A keďže od postavenia elektrárne sa neuskutočnila žiadna skutočná modernizácia riadiacej stanice, ani jednotlivých zariadení, vodná elektráreň jednoducho zostarla.“ Federálna komisia pre reguláciu energetiky (FERC) prednedávnom upozornila Box Canyon na potrebu modernizácie vodnej elektrárne, kvôli obnove licencie pre ďalšie polstoročie. Elektráreň licenciu dostala s dodatkom, že sa musí investovať do modernizácie v súlade s najnovšími federálnymi štandardmi. „Potrebovali sme najmodernejšiu automatizáciu – počnúc integrovaným riadením, reportovaním v reálnom čase až po bezpečnostné funkcie,“ dodáva T.Borden. Operátori na Box Canyon nepretržite pracovali na kontrole množstva pretečenej vody za priehradou a výškou hladiny za ňou.
Škálovateľná platforma PlantPAx
T.Borden a jeho tím ešte pred spustením projektu vedel, že chcú Rockwell Automation, ktorý poskytoval rozšírené riešenie riadenia vhodné pre ich vodnú elektráreň. „Investovali sme do štyroch kontrolérov Allen-Bradley® SLC (jeden na každom systéme riadenia turbíny), čiže s RA sme už mali skúsenosti.“ Pend Oreille vybralo ako hlavný automatizačný systém PlantPAx – integrované riadenie a správu informácii, ktoré kombinuje schopnosti distribuovaného riadiaceho systému so všadeprítomným prístupom k procesným informáciám, ktoré umožnia dosiahnuť optimalizáciu celej vodnej elektrárne.
Táto škálovateľná platforma pomáha používateľom, vyžadujúcim procesné a sekvenčné riadenia, dosiahnuť nižšie celkové náklady na vlastníctvo a širší pohľad na kompletnú prevádzku. Implementácia riešenia PlantPAx do vodnej elektrárne sa rovnako ako zvyšok projektu za 150 miliónov musí realizovať postupne. Hlavne preto, že výroba elektrickej energie musí fungovať bez prestávky, aj počas modernizácie, použitím troch zo štyroch generátorov. Proces modernizácie zahŕňa úplnú demontáž jednotky až po jej betónový základ. Jednu jednotku už vymenili a druhá je práve na ceste. Potom sa nainštalovala nová turbína a generátor spolu s novým prepínačom, reléovým bezpečnostným systémom, čerpadlami a potrubím.
Riešenie PlantPAx obsahuje dva PAC Allen-Bradley ControlLogix® pre každú jednotku. Jedna riadi systém turbíny a druhá slúži na všeobecné riadenie jednotiek, pomocných čerpadiel a na zastavenie a spustenie generátorov. V riadiacej miestnosti vodnej elektrárne sa nachádzajú HMI stanice FactoryTalk® View Supervisory Edition poskytujúce operátorom cenné informácie a diagnostiku cez Ethernet/IP™. Softvér FactoryTalk SE Server konsoliduje HMI údaje z vodných jednotiek a operátori môžu centrálne monitorovať a spravovať systémové parametre, ako je výška hladiny rieky a rýchlosť prietoku. Databázy pre centralizované informácie, údaje a alarmy má na starosti FactoryTalk Historian SA. „PlantPAx architektúra systému otvára možnosti komunikácie medzi PAC a zariadeniami tretích strán cez Ethernet/IP, cenné informácie sú okamžite k dispozícii pre určených zamestnancov.“, dodáva T.Borden.
Zníženie prevádzkových nákladov
Nový systém pomohol zvýšiť efektivitu výroby elektrickej energie presnejším monitorovaním turbín a generátorov. Operátori teraz dokážu odhaliť a opraviť problémy (ako je napríklad vysoká teplota v generátore alebo nízky prietok v chladiacich systémoch) oveľa skôr. „Ešte je príliš skoro na hodnotenie, ale predpokladáme, že po skončení projektu takéto zvýšenie spoľahlivosti a dostupnosti zníži prevádzkové náklady,“ dodáva T.Borden. „Zároveň budú môcť operátori vykonávať ďalšie údržbárske činnosti, na ktoré doteraz nemali čas. Priehrada Box Canyon už žne ovocie z automatizovaného zberu dát prostredníctvom PlantPAx. Hladká spolupráca kontroléra ControlLogix a softvéru FactoryTalk nám umožňuje zachytiť v reálnom čase viac informácií a zaznamenať ich pre budúcu analýzu a sledovanie trendov,“ povedal T.Borden. Systémové informácie sa automaticky zasielajú do firemnej databázy, ktorá zabezpečuje jednoduchý elektronický prístup iných oddelení k procesným údajom.
Nové možnosti vzdialeného monitorovania a riadenia
Bezpečnostné prvky integrované softvérom FactoryTalk AssetCentre umožňujú priame zasielanie reportov a dokumentácie potrebnej pre Severoamerickú spoločnosť pre spoľahlivosť elektrickej energie a na ochranu infraštruktúry (NERC CIP - North American Electric Reliability Corporation’s critical infrastructure protection provisions). Ihneď po ukončení projektu turbíny/generátora T.Borden a jeho tím plánuje naplno využiť schopnosti vzdialeného monitorovania, ktoré nový systém ponúka. Mesto prevádzkuje aj menšiu priehradu a čerpacie stanice mimo Box Canyon a plánuje ich prepojiť z nadradeným SCADA systémom. „Naše nové prevádzkové možnosti nám otvárajú nové možnosti vzdialeného monitorovania a riadenia prevádzok z jedného centrálneho miesta. Šetríme tak náklady na pracovnú silu a cestovanie.“ dodáva T.Borden.
Ďalším bodom modernizácie bude príprava tzv. rybej pasáže priamo na priehrade. Tento špeciálny systém bude chrániť pstruhy a ďalšie vzácne ryby pri ich putovaní hore a dole prúdom. „Je to pomerne rozsiahly projekt, ktorý si určite bude vyžadovať automatizované riadenie. Je viac než pravdepodobné, že opäť použijeme Rockwell Automation,“ uzatvára T.Borden.