FORPROSJEKTRAPPORT. Avdeling for ingeniørfag. avtale med samarbeidspartner. Forprosjektrapport. Ørjan Ramskjell. Voith Hydro AS

Transkript

1 Avdeling for ingeniørfag FORPROSJEKTRAPPORT Prosjektkategori: Forprosjekt Omfang i studiepoeng: 15 Fagområde: Hovedprosjekt Elkraft Fritt tilgjengelig Fritt tilgjengelig etter: Tilgjengelig etter avtale med samarbeidspartner X Rapporttittel: Forprosjektrapport Forfattere: Safin Menmi, Theo Alexander Olsen og Daniel Coll Avdeling / linje: Høgskolen i Østfold, Elkraft Dato: Antall sider: 21 Antall vedlegg: 11 Veileder: Even Arntsen Helge Mordt Prosjektnummer: H12101 Utført i samarbeid med: Voith Hydro AS Kontaktperson hos samarbeidspartner: Ørjan Ramskjell Ekstrakt: Oppgaven omhandler analyse og forbedring av kjøleanlegget ved Rånåsfoss Kraftverk II. Det skal gjøres målinger og beregninger for å optimalisere parameterne til PI-regulatoren som styrer dette. For å kartlegge hvor godt kjøleanlegget fungerer ved forskjellig vanntemperatur, vil det bli gjort en simulering for å teste ved temperaturendringer i kjølevannet. Videre er det planlagt at det skal utarbeides en veiledning for innstilling av kjølesystemer ved andre kraftverk, basert på anleggsdata. 3 emneord: Kjølesystemer PLS-styring PID-regulator

2 1 Forord Oppgaven er en avsluttende bachelor oppgave for 3.års ingeniørstudenter ved Høgskolen i Østfold (HiØ), avdeling for Ingeniør- og Realfag. Gruppen består av tre elkraftstudenter med yrkesfaglig bakgrunn. En av studentene jobbet sommeren 2011 hos oppdragsgiver, og ble etter dette tilbudt den aktuelle problemstillingen som bacheloroppgave. Målet med oppgaven blir å optimalisere parameterne til en PI-regulator montert på Rånåsfoss II, av oppdragsgiver Voith Hydro. 2 Sammendrag Oppgaven omhandler analyse og forbedring av kjøleanlegget ved Rånåsfoss Kraftverk II. Det skal gjøres målinger og beregninger for å optimalisere parameterne til PIregulatoren som styrer dette. For å kartlegge hvor godt kjøleanlegget fungerer ved forskjellig vanntemperatur, vil det bli gjort en simulering for å teste ved temperaturendringer i kjølevannet. Videre er det planlagt at det skal utarbeides en veiledning for innstilling av kjølesystemer ved andre kraftverk, basert på anleggsdata. 1

3 Innhold 1 Forord Sammendrag... 1 Innhold Oppgavetekst Prosjektorganisering Oppdragsgiver Prosjektgruppe Veiledere Prosjektbeskrivelse Bakgrunn for oppgaven Definere og avgrense oppgaven Eksisterende system Mål Utvikle måleprosedyre Matematisk simulering Implementere ny styringsmodell Rammer og milepæler Milepæler og møteplan Rammebetingelser Cost - Time - Resource Økonomi Referanser Vedlegg GANT-skjema CTR:

4 3 Oppgavetekst Voith Hydro leverer kontrollanlegg for kraftverk og ønsker en analyse og forslag til overvåking og styring av kjøleanlegget på ett aggregat. Til overvåkning av systemet blir det benyttet Simatic S7 PLSer. Det skal utarbeides skjema og en driftsveiledning for systemet som velges. 4 Prosjektorganisering 4.1 Oppdragsgiver Voith Hydro AS Tlf. sentralbord: (+47) Gunnar Vik Oppdrag ansvarlig Gunnar.vik@voith.com Ørjan Ramskjell Kontaktperson oerjan.ramskjell@votih.com 4.2 Prosjektgruppe Theo Olsen Prosjektleder og kontaktperson Tlf.: (+47) theools@gmail.com Safin Menmi Prosjektmedlem Tlf.: (+47) safin_m@live.no Daniel Coll Prosjektmedlem Tlf.: (+47) daniel.m.coll@gmail.com 4.3 Veiledere Helge Mordt Veileder Tlf.: (+47) helge.mordt@hiof.no Even Arntsen Veileder Tlf.: (+47) even.arntsen@hiof.no 3

5 5 Prosjektbeskrivelse 5.1 Bakgrunn for oppgaven Kraftverket som skal analyseres er Rånåsfoss II som ble oppgradert i perioden Anlegget ligger i Glommavassdraget og er eid av Akershus Energi. Fallhøyden er på 12 meter og årsproduksjonen på 302 GWh (Aeas 2012). Kjølingen av generator, aggregat og bærelager, blir i dag styrt av en Simatic S7. Denne benytter en standard PI-regulator. Parameterne K p og T i ble bestemt på bakgrunn av erfaring fra lignende anlegg, men det har aldri blitt gjort noen analyse for å optimalisere disse. Dette ønsker nå Voith Hydro å gjøre, og tok derfor kontakt med gruppen. 5.2 Definere og avgrense oppgaven Oppgaven tar for seg kjøleanlegget på Rånåsfoss II, som inneholder kjøling av generator, bærelager og en transformator. Det skal utføres målinger ved forskjellige kjølevannstemperaturer for å kartlegge hvordan systemet responderer. Antall målinger blir naturlig begrenset av at kraftverket er i full drift, det gjør arbeidet tidkrevende, og må derfor planlegges nøye i samråd med eier. Anlegget må kartlegges og i denne sammenhengen er det hensiktsmessig at et P&ID diagram blir produsert. Det må bestemmes en metode for å få gode målinger av pådrag og tidskonstanter. Systemet skal så simuleres med egnet programvare. Det skal så utvikles en matematisk modell for hvordan man kan finne optimale parametere for styring. Denne vil da også kunne benyttes ved andre kraftverk med lignende kjølesystemer. 4

6 5.3 Eksisterende system Det eksisterende systemet består av tre varmevekslere, hvor varmeveksleren til generatoren er vann/luft og de to andre er vann/olje. Figur 1 er en prinsippskisse for hvordan temperaturen i transformator, generator og bærelager avleses for eksisterende system. Disse verdiene blir innlest i en Simatic S7 PLS med innebygd PI-regulator. Regulatoren beregner nødvendig kjølebehov og regulerer ventilene til kjølesystemet. Disse ventilene kan styres fra %. Kjølevannspumpene fungerer som en reserve for hverandre, og kun av pumpene går konstant. Ventilen er eneste reguleringsmulighet for kjølevannet. Figur 1 Eksisterende system 5

7 5.4 Mål Målet for oppgaven er å optimalisere dagens reguleringssystem for driftstemperaturen til komponentene slik at denne holdes stabil ved varierende kjølevannstemperatur. Det skal også utarbeides dokumentasjon og driftsveiledning som kan benyttes i alle systemer hvor vannkjøling blir benyttet. Dette skal utføres for Voith Hydro AS: Analysere hva som skjer ved høye temperaturer på kjølevannet. Optimalisere konstanter for PI-regulatoren. Utarbeide brukerveiledning for bruk i andre anlegg Utvikle måleprosedyre Det er et mål å utvikle måleprosedyre for temperaturer og tidskonstanter som kan benyttes for innstilling av reguleringssystem, slik at driften holdes på et optimalt nivå. Måleprosedyrer skal utvikles for følgende: Vanntemperaturer Aggregat-, bærelager- og generatortemperaturer Systemrespons ved endring av temperatur eller settpunkt Matematisk simulering Det skal konstrueres en forenklet matematisk modell for simulering av kjølesystemet med de aktuelle dataene fra Rånåsfoss kraftstasjon. Simuleringsmodellen skal utarbeides i følgende simuleringsprogram: Simulink Simatic S7 PLS Simuleringene vil gi informasjon for å bestemme variablene som skal benyttes i reguleringssystemet Implementere ny styringsmodell Voith Hydro AS ønsker å implementere ny styringsmodell og testing av denne hvis tiden tillater det. Ny styringsmodell skal testes på aggregat og generator i følgende stasjon: Rånåsfoss II 6

8 6 Rammer og milepæler 6. 1 Milepæler og møteplan Tabell 1 viser møteplan og milepæler. Det er tatt høyde for at endringer i møteplan kan forekomme. Tabell 1 - Oversikt over milepæler og møteplan Milepæl & Møteplan Måned Dag Dato Milepæl 1 Milepæl 2 Møteplan Mars Tirsdag Møte med veilieder Helge Mordt Fredag Møte med Voith for informering Fredag Frist Forprosjektrapport Lansering webside April Onsdag Møte med Voith angående anlegg Mandag Innhente Måledata Torsdag P&ID-diagram Tirsdag Modell ferdig Fredag Vurdering av regulering Møte med veileder Helge Mordt Tirsdag Simulering ferdig Mai Mandag Møte med veileder Helge Mordt Torsdag Ferdig med logging Mandag Møte med Votih angående reguleringssystem Mandag Frist Midtveisrapport Fredag Sluttrapport ferdig PLS - programering Juni Mandag Frist Sluttrapport Onsdag EXPO Torsdag EXPO Fredag Nedrigging av stand 7

9 6.2 Rammebetingelser Arbeidet med oppgaven vil foregå på Høgskolen i Østfold, hos Voith Hydro og ute på anlegg. Tidsplanet for prosjektet er presentert som et GANT-skjema, vedlegg 6.2. De viktigste punktene er spesifisert i CTR-skjema og er beskrevet nærmere i avsnitt 6.3. Tilgjengelig arbeidstid per person er vist i tabell 2, antall timer er gitt fra Høgskolen i Østfold. Dette tilsvarer 58 dager for den totale varigheten for prosjektet, og er beregnet ut ifra 7,5 timers arbeidsdager. Tabell 2- Tilgjengelig arbeidstimer for bachlore-oppgaven. Ressurspersoner Totalt arbeidstimer Theo Olsen 440 Safin Menmi 440 Daniel Coll Cost - Time - Resource For å få oversikt over de viktigste oppgavene er det foretatt en CTR-analyse. Vedlegg 6.3 viser CTR-skjemaene for de aktivitetene som er utslagsgivende for dette prosjektet. 8

10 7 Økonomi Budsjettet som er relevant for oppgaven er presentert i tabell 3. Dette er et budsjett satt opp under planlegging og gruppen tar høyde for at endringer kan forekomme. Legg merke til at de fiktive kostnadene som lønn til ressurspersoner og veiledere ikke er oppført siden dette budsjettet kun tar for seg reelle utgifter. Tabell 3 - Budsjett uten fiktive kostnader. Budsjett Post Beløp Egne midler Oppdragsgiver 1 Reisekostnader Kr 3000 Kr Telefon Kr 200 Kr Programvare Utskrifter, Kr 1000 Kr innbindinger, skrivematerial med mer. 5 EXPO-utstilling Kr 500 Kr Sum Kr 4700 Kr Kommentarer til postene i budsjettet: 1. Transportkostnader til og fra Rånåsfoss-anlegget og Voith Hydro sine lokaler. 2. Det blir foretatt noen telefonsamtaler mellom prosjektgruppen og oppdragsgiver. 3. Programvare for utarbeiding og innsyn i eksisterende anlegg for prosjektgruppen lånes av oppdragsgiver, har også tilgang på andre dataverktøy gjennom HiØ sine lisenser. 4. Utgifter for utskrift og innbinding av rapporter, samt presentasjonshefter og annet materiell som blir benyttet i prosjektet. 5. EXPO-utstillingen vil inneholde en presentasjon av simulering ved hjelp av dataverktøy, dette er tatt høyde for under post 4. Utgiftene for EXPO-utstillingen tar for seg enkel servering på standen. 9

11 8 Referanser Aeas 2012 URL: Lest dato:

12 9 Vedlegg 6.2 GANT-skjema Se vedlegg GANT-skjema 11

13 6.3 CTR: CostTimeResource Aktivitet nummer: 22 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Innhenting av anleggsdata Innhente data på anleggsdeler: Dimensjoner på pumper Spesifikasjon ventiler Dimensjoner rør Virkningsgrad varmevekslere Plassering av utstyr og temperaturmålere Ansvarlig: Theo Forarbeid som kreves er: Gjennomgang av anleggsdokumenter. Det må avtales med anleggseier og oppdragsgiver for eventuell befaringer. Relevante dokumenter fra anlegget. Tegninger, skjemaer og datablader på utstyr. Sluttproduktet er et dokument som inneholder informasjon om anleggsdeler som nevnt i arbeidsbeskrivelsen. Tidsplan Start dato: Slutt dato: Antall timer: 15 timer 12

14 CostTimeResource Aktivitet nummer: 23 Arbeidsbeskrivelse Input P&ID-diagram Utarbeide et skjema over rør, pumper og instrumenter som finnes i eksisterende anlegg. Dette diagrammet skal produseres i Microsoft Visio Ansvarlig for oppgaven: Theo Forarbeid som kreves er: Innhenting av anleggsdata. Kartlegging av måleutstyr, pumper, varmevekslere, masseflyt og varmeproduksjon i komponenter. Ressurser Krever tilgang på Microsoft Visio Produkt Sluttproduktet er et beskrivende skjema over eksisterende anlegg med alle viktige parametere. Dette blir grunnlaget for simuleringen av systemet. Tidsplan Start dato: Slutt dato: Antall timer: 15 timer 13

15 CostTimeResource Aktivitet nummer: 24 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Tidsplan Logging av systemet Undersøke muligheter for logging av systemet. Ansvar: Daniel Forarbeid som kreves er: Undersøke muligheter rundt OPC og logging generelt. Loggeutstyr må anskaffes og settes opp. En logg over stabiliteten i systemet. Undersøke muligheter Startdato: Sluttdato: Antall timer: 1 time Oppsett av utstyr Startdato: Sluttdato: Antall timer: 15timer Logging av system Startdato: Sluttdato:

16 CostTimeResource Aktivitet nummer: 25 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Modulering Konstruere en matematisk modell av systemet, med modell av kjølebehov og virkningsgrad på varmevekslere. Ansvar: Safin Forarbeid som kreves er: Ferdigstille P&ID-diagram og kartlegging av systemet. Kreves ingen spesielle ressurser utover MS Office. En energimodell av systemet. Tidsplan Startdato: Sluttdato: Antall timer: 30 timer 15

17 CostTimeResource Aktivitet nummer: 26 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Simulering Utarbeide en simulering av systemet i Matlab simulink. Ansvar: Daniel Forarbeid som kreves er: Ferdigstille modulering. Matlab - Simulink En simulering av anlegget, hvor man kan simulere daglig drift og hypotetiske toppverdier. Tidsplan Startdato: Sluttdato: Antall timer: 37 timer 16

18 CostTimeResource Aktivitet nummer: 27 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Vurdering av reguleringsstruktur Vurdere hvilken regulering som er mest hensiktsmessig. Undersøke om f.eks. foroverkobling kan skape mer stabilitet. Ansvar: Theo Forarbeid som kreves er: Simulering må være ferdig og gi realistiske verdier. Programmer som kreves er: Matlab Simulink Litteratur rundt problemstillingen. Et dokument som inneholder vurdering av reguleringsstrukturen. Tidsplan Startdato: Sluttdato: Antall timer: 20 timer 17

19 CostTimeResource Aktivitet nummer: 29 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt Rapport Sluttrapport som skal presenteres under EXPO. Forarbeid som kreves er: Simulering og vurdering av systemet må være ferdig, gruppen må opparbeide seg en god forståelse for systemet. Office Word Prosjektets sluttrapport. Tidsplan Startdato: Sluttdato: Antall timer: 250 timer 18

20 CostTimeResource Aktivitet nummer: 28 Arbeidsbeskrivelse Input Ressurser Produkt PLS programmering Om tiden tillater skal de nye parameterne programmeres i regulatoren. Forarbeid som kreves er: Simulering ferdig, parametere funnet. Programmering Software for Step7 Forbedret regulator Tidsplan Startdato: Sluttdato: Antall timer: 10 timer 19

21 ID Task Mode Aktivitetsnavn Duration Virkelig varighetstart Finish Predecesso 1 Hovedprosjekt 96 days 58 days Thu Thu Prosjektstart 6 days 3 days Thu Thu Oppstartsmøte 1 day 1 day Thu Thu Oppgavebeskrivelse 1 day 1 day Thu Thu Kontraktskriving 1 day 0 days Thu Thu Sikkerhetskurs 1 day 1 day Mon Mon Befaring 1 day 1 day Thu Thu Forprosjektrapport 36 days 7 days Fri Fri Framdriftsplan 1 day 1 day Fri Fri Direktiv 1 day 1 day Fri Fri Milepæler 1 day 1 day Fri Fri Ansvarskart 1 day 1 day Fri Fri Skriveprosess 17 days 5 days Thu Fri ;10;11;12 14 Ferdigstilling forprosjektrapport 4 days 1 day Mon Thu Webside 25 days 4 days Fri Thu Etablere webside 25 days 1 day Fri Thu Ferdigstilling webside 4 days 1 day Mon Thu Innlevering forprosjekt 0 days 0 days Fri Fri Lansering webside 0 days 0 days Fri Fri Sluttrapport 58 days 40 days Thu Mon Utarbeide styringsmodell 41 days 20 days Fri Fri Innhente måledata 7 days 2 days Fri Sun Produsere PID diagram 3 days 2 days Tue Thu Logging av system 29 days 2 days Mon Thu Modulering 4 days 4 days Thu Tue ;23 26 Simulering 6 days 5 days Wed Wed Vurdering av reguleringstruktur 3 days 3 days Wed Fri PLS programering 5 days 2 days Mon Fri Produsere sluttrapport 46 days 21 days Mon Mon Skriveprosess 45 days 17 days Mon Fri Korrektur midtveisrapport 2 days 1 day Mon Tue Ferdigstilling midtveisrapport 3 days 2 days Wed Fri Innlevering midtveisrapport 0 days 0 days Mon Mon Korrektur sluttrapport 2 days 0 days Mon Tue Ferdigstilling sluttrapport 3 days 1 day Wed Fri Innlevering sluttrapport 0 days 0 days Mon Mon Expo 39 days 6 days Mon Thu Planlegge Expo opplegg 1 day 1 day Mon Mon Forberede Expo 3 days 2 days Tue Thu Expo 2 days 2 days Wed Thu January 01 February 01 March 01 April 01 May 01 June 01 July Aktivitet Prosjektsammendrag Inaktiv milepæl Manuell sammendragsfremheving Tidsfrist Prosjekt: Framdriftsplan Hovedpr Dato: Fri Deling Milepæl Eksterne aktiviteter Ekstern milepæl Inaktivt sammendrag Manuell aktivitet Manuelt sammendrag Bare start Fremdrift Sammendrag Inaktiv aktivitet Bare varighet Bare slutt Side 1