Vattenfall digitaliserar turbinlabb

Smart industri – Digitalisering och automatisering
Vill du veta mer?

Ann Louise Lindmark

2019-08-08

Vattenfall genomför en digital transformation av sitt turbinlaboratorium i forskningsanläggningen i Älvkarleby. Genom digitaliseringen möjliggörs nya typer av provning som tidigare inte har varit möjliga. Syftet är att ytterligare öka vattenkraftens flexibilitet i det nya energiförsörjningssystemet med alltmer förnybara energislag.

Från att ha varit manuellt styrt byggs hela turbinlaboratoriet i Vattenfalls forskningsanläggning i Älvkarleby om för att bli digitalt styrt. Moderniseringen görs för att kunna göra transienta prov anpassade till verkliga turbiners numer förändrade och flexibla körsätt. Med dessa prov kommer R&D-teamet bland annat att studera effekter av snabba driftförändringar såsom start och stopp av ett aggregat. Med ökad kunskap hoppas man kunna anpassa aggregaten för att möta framtidens krav med ökad flexibilitet på allt fler förnybara energikällor, såsom sol- och vindkraft, i elnätet.

 

– Med moderniseringen kan vi göra nya typer av tester i riggen. För Vattenfall handlar det om att lära sig hur turbinerna påverkas om driftförhållandena ändras och hur man bäst ska köra ett aggregat för att minimera kostnader för underhåll och samtidigt optimera aggregatets livslängd, säger Carl-Maikel Högström, Senior R&D Engineer och ansvarig för turbinlaboratoriet på Vattenfall. 

Flexibel drift konsumerar aggregatets livslängd

Det man vill uppnå är att bättre förstå vad som händer med aggregaten under till exempel start och stopp och hur det påverkar livslängden.

 

– Om man startar och stoppar ett aggregat många gånger ökar slitaget och livslängden minskar drastiskt. Vattenkraft används alltmer till att stabilisera elnätet nu när en växande andel förnybar energi används och som bland annat resulterar i fler start och stopp. Ett stopp kan kosta mycket livslängd jämfört med att köra turbinen under stationära förhållanden och i ett driftområde som aggregatet ursprungligen är konstruerat för. Tidigare kanske ett aggregat startades/stoppades 20 gånger på ett år. Nu kan det istället ske under en vecka, säger Carl-Maikel Högström.

Med en digital tvilling kan vi simulera och förutse vad som kommer att ske i riggen

Transienta prov för att simulera verkliga turbiners drift

Traditionellt har provningen utförts under stabila driftförhållanden. Driftpunkterna har ändrats långsamt av en operatör varefter mätningar utförts. Nu ska transienta prov göras för lastfall som innebär att flöden och turbinvarvtal med mera snabbt ska styras under korta tidsförlopp samtidigt som en stor mängd mätdata ska samlas in. Detta är en stor utmaning eftersom man provar i ett slutet system där man bland annat ska försöka hålla fallhöjden (tryckfallet) över turbinen stabilt under det transienta förloppet. 

Digital tvilling av riggen

Det förändrade körsättet ställer dessutom högre krav på säkerheten än tidigare vilket det nya styrsystemet har anpassats för. Vidare har man på egen hand utvecklat en så kallad digital tvilling – en matematisk modell – av riggen med syfte att studera konsekvensen av ett visst körsätt.

 

– Med en digital tvilling kan vi simulera och förutse vad som kommer att ske i riggen och därmed vidta åtgärder som reducerar eventuella risker. Samtidigt får vi information om hur en provsekvens bör programmeras vilket kommer att reducera tid och kostnader för att experimentellt hitta optimala inställningar av regulatorer. Tillsammans med Siemens har vi utvecklat ett ”formulär” i styrsystemet där provsekvensen enkelt kan definieras utan alltför mycket programmering, säger Carl-Maikel Högström och fortsätter:

 

– I en fysisk modell, skala 1:10–1:20, är ett tidsförlopp för en händelse kortare än i verkligheten. Ett lastfrånslag som innebär att turbinen och generatorn kopplas bort från elnätet följt av en snabbstängning av aggregatet tar till exempel normalt cirka tio sekunder. Beroende på skala och fallhöjd tar ett motsvarande förlopp i modell endast ett par sekunder för att efterlikna verkligheten.

 

Denna typ av prov behöver således ha ett styrsystem som sköter sig självt eftersom en operatör inte manuellt hinner reglera alla parametrar på så korta intervaller.

 

– Det är ingen människa som klarar att ändra turbinens egenskaper på så kort tid och samtidigt övervaka säkerheten. Det måste automatiseras! Om 60 ton vatten ska accelereras eller retarderas under ett fåtal sekunder gäller det att inget går sönder.

Kopierar verkligheten

Analoga regulatorer, pumpar, ventiler, knappar och vred kopieras in i den digitala världen och så programmeras sekvenser som motsvarar verkligheten.

 

– Sekvenserna görs från en plc istället för från en operatör, säger Thomas Johansson, serviceingenjör på Siemens som tillsammans med Vattenfall arbetade fram en lösning som är flexibel eftersom man inte vet exakt vad man kommer att behöva.

 

– Det har varit ett mycket roligt och utmanande projekt. Jag har fått sy ihop mina 24 års erfarenhet från olika branscher, säger Thomas Johansson.

 

– Vattenfall vet vad de vill uppnå och Thomas vet vad våra system kan. Tillsammans arbetar vi för en grönare framtid, säger Harald Hedenlund, Service Sales Specialist på Siemens.

 

Att ha ett öppet och oberoende laboratorium där både interna och externa projekt genomförs är unikt. En gissning är att avancerade externa forskningsförfrågningar kommer att inkomma till laboratoriet framöver.

Operatörsoberoende

Provningarna, såväl kommersiella tester som forskningstester, har tidigare körts på dagtid under vanlig kontorstid. När automatiseringsgraden nu ökar är målet att en provmatris läses in i systemet med de driftpunkter som ska mätas och så kan systemet själv köra tester och mäta dygnet runt utan att en operatör behöver vara på plats.

 

– Vi vill lägga mer tid på att analysera resultat än på att en operatör ska ställa in olika variabler, säger Carl-Maikel Högström.

Automationsplattform: TIA Portal V15
Pc-baserad automation: rack-pc Simatic IPC547G
Felsäker cpu: Open Controller CPU 1515SP PC F, Simatic ET 200SP

HMI: Simatic WinCC Professional
Busskommunikation: Profinet med konfigurations- och diagnosverktyget Proneta

Distribuerade I/O: 6 st Simatic ET 200SP
Industriell nätverkskommunikation: switch Scalance XC208

Frekvensomriktare: 3 st Sinamics G120C
Strömriktare: 3 st Sinamics 6RA80
Lågspänningsapparater: kontaktorer Sirius 3RT, motorskyddsbrytare Sirius 3RV2, säkringslastbrytare Sentron 3KL
Strömförsörjning: Sitop