Skräddarsydd modernisering och uppgradering av kombikraftverket Umm al Nar East Att upprätthålla värdet i kundernas investeringar är en av ABBs nyckelstrategier. Därför har projektorienterade uppgraderingskoncept utvecklats för modernisering av äldre kraftverk. Ett övertygande exempel på en sådan modernisering är kombikraftverket Umm al Nar East (UANE) i Abu Dhabi, Förenade Arabemiraten. UANE är utrustat med två gasturbiner av typ GT13D, vilka tillsammans levererar 140 MW elektrisk effekt. Efterkopplade avgaspannor levererar ånga till en havsvattenavsaltningsanläggning som dagligen producerar ca 80 miljoner liter dricksvatten. Efter nästan 20 års drifttid har UANE valt att modernisera anläggningen trots att endast ett minimum av stilleståndstid kunde accepteras. Detta har skett inom ramen för ett S.O.R. Key Account Management (service, drift, upprustning). Ett av de första stegen var ersättning av den statiska startutrustningen och utbyte av den mekaniska turbinregulatorn mot det elektrohydrauliska reglersystemet EGATROL. Samtidigt uppgraderades rotorn till gasturbin 2 för ytterligare 100 000 drifttimmar. Den stegvisa förnyelsen av mät- och styrtekniken blir nästa fas i S.O.R.-projektet. A bu Dhabi är det största emiratet i Förenade Arabemiraten. Området kring Umm al Nar inkluderar en mängd industrianläggningar, 14 kraftverk med en installerad effekt på totalt 12 000 MW och 16 havsvattenavsaltningsanläggningar med en total kapacitet på 200 miljoner liter per dag. På uppdrag av Water and Electricity Department (W.E.D.) i Abu Dhabi har ABB under perioden 1976 till 1980 byggt kombikraftverket Umm al Nar East (UANE) på 140 MW. Kraftverket utrustades med två gasturbiner av typ GT13D, två avgaspannor och fyra hjälppannor. Den efterkopplade havsvattenavsaltningsanläggningen producerar dagligen ca 80 miljoner liter dricksvatten. I konsortium med tjeckiska Skoda och österrikiska Voest Alpine har ABB senare byggt ut anläggningen med ytterligare två Abdul Jalil Al Khoory Umm Al Nar Power Stations Water and Electricity Department (W.E.D.) Abu Dhabi Dr. Heinz Koob ABB Kraftwerke AG block (nr 7 och 8) på vartdera 160 MW. Till dessa block har ABB även levererat el- och kontrollutrustningen. Energi- och vattenbehov i Abu Dhabi Den största efterfrågan på elektrisk energi noteras under tiden juni till september. Under övrig tid ligger energiförbrukningen på mellan 30 och 40 % av högsäsongsförbrukningen. Vattenförbrukningen däremot är praktiskt taget konstant under hela året. Havsvattenavsaltningsanläggningarna kräver därför kontinuerlig ångtillförsel. Driften av gasturbinerna måste anpassas till detta behovsmönster. Alla resurser utnyttjas för utbyggnad av infrastrukturen Den kontinuerligt växande infrastrukturen i Abu Dhabi kräver inte bara nya kraftverk med havsvattenavsaltningsanläggningar utan även att de befintliga anläggningarna utnyttjas optimalt. Åtskilliga kraftverk har hunnit bli 15 20 år gamla och uppfyller inte moderna tekniska krav. Störningar orsakar relativt långa driftuppehåll och de korta inspektionsintervallen minskar tillgängligheten ytterligare. Dessutom blir det allt svårare att skaffa reservdelar till äldre system. W.E.D. har därför beslutat att kontinuerligt uppgradera och modernisera sin kraftverkspark. Skräddarsydda moderniseringsoch uppgraderingspaket Tack vare den långsiktiga syn som W.E.D. har då det gäller service- och underhållsarbeten befinner sig kraftverket Umm al Nar East i utmärkt kondition. Detta är den idealiska grunden för en stegvis modernisering och uppgradering av ett kraftverk, så att det ska kunna drivas med maximal tillgänglighet under ytterligare 15 till 20 år. Moderniserings- och uppgraderings- ABB Tidning 1/1998 23
6.3 kv main Control room Alarm annunciation PRDT relay I > I >> Temp > max / > high Oil > high / < low Buchholz trip Remote bus Earth fault protection BPA 30 BPA 10 equipment BPA 40 BPA 20 RS 232 380 V MSA MSA 132 kv 132 kv circuit BCA 01 selection board Selection isolator 1 Selection isolator 2 circuit Power supply Power supply isolator isolator Decontic GT 1 Decontic GT 2 Main excitation Main excitation Field excitation excitation Field neutral point Local box FG cleaning FG rotor turning Local box FG cleaning FG rotor turning GT 1 GT 2 neutral point Översiktsbild av den nya statiska startutrustningen 1 åtgärder har karaktären av projekt. De riktlinjer som gäller för W.E.D. föreskriver att konsulter måste anlitas för offertförfrågan då det gäller projekt av denna typ. För anbuds- och inköpsarbetet krävs totalt två till tre år. Därmed skulle inte kravet på snabb ökning av anläggningens tillgänglighet kunna uppfyllas. Utgående från ABBs S.O.R. Key Account Management har ett mycket flexibelt och effektivt moderniserings- och uppgraderingskoncept utvecklats i nära samarbete med W.E.D. De olika uppgraderingsprojekten har delats in i två grupper. Den första gruppen består av OEM-maskinvarupaket, inklusive tillhörande planerings- och dokumentationsunderlag, medan den andra gruppen omfattar montage- och driftsättningsarbetet. Maskinvaran och planeringspaketen genomförs på samma sätt som normala OEM-reservdelsbeställningar. Montage- och driftsättningsarbetet utgör en integrerad del av underhållsavtalen. Dessa ingrepp beställer W.E.D vartannat år genom öppet anbudsförfarande. Det framstår som klart att ett sådant arbetssätt kräver exakta specifikationer som noggrant beskriver önskade leveranser och tjänster. Dessa specifikationer bildar å 24 ABB Tidning 1/1998
ena sidan underlag för direkta anbudsförfrågningar om maskinvaru- och planeringspaket, och utgör å andra sidan grund för offertförfrågan avseende underhållsavtal, med detaljerad beskrivning av förväntade montage- och driftsättningstjänster. Huvudmålen för moderniserings- och uppgraderingsåtgärder inom ramen för S.O.R. är följande: Optimering av anläggningarnas och anläggningskomponenternas tillgänglighet Ökning av livslängden Minimering av underhålls- och inspektionskostnader Kraftig reducering av montage- och driftsättningstiderna Exakt tidplanering och projektgenomförande med målet att moderniseringsoch uppgraderingsarbetet i stort sett ska kunna genomföras inom ramen för planerade avställningsperioder, utan ytterligare stilleståndstid Dessa mål kan uppfyllas endast med en noggrann detaljplanering som redan på ett tidigt stadium tar hänsyn till alltid förekommande samband. För maskinvaru- och planeringspaket gäller normala garantivillkor, varvid garantitiden inleds efter genomfört montageoch driftsättningsarbete. Detta förutsätter att installationen utförs av fackpersonal från OEM-leverantören, även i fall då OEMleverantören inte är densamme som generalentreprenören för det fullständiga uppgraderingsprojektet. Det nedan presenterade moderniseringsprojektet för kraftverket Umm al Nar East visar att uppgradering kan genomföras utan långa stilleståndstider. Projektet Statisk startutrustning som exempel på utbyte av system inom ramen för korta stilleståndstider Den nya statiska startutrustningen 1 bygger på det beprövade kraftverkssystemet PROCONTROL P från ABB. Systemet har följande huvudsakliga funktioner: Start och baxning Möjlighet till underhåll av gasturbinen, inklusive tillhörande mätningar och mätvärdesutvärdering Styrning av vissa funktionsgrupper, som gasturbin, autonoma drivsystem och turbinskydd Kommunikation med kontrollrummen för termiska och elektriska funktioner Larmfunktioner och skyddsförreglingar Till leverans- och tjänsteomfattningen för detta projekt hör bland annat en ny starttransformator, byte av olika mätvärdesomvandlare samt anpassning av stjärnpunkterna för båda generatorerna. Den statiska startutrustningen monterades på sex veckor. Stilleståndstiden uppgick inte till mer än två veckor. Projekt EGATROL för ökad tillgänglighet De båda gasturbinerna GT13D i kraftverket Umm al Nar East styrs och övervakas för närvarande av mekaniska reglersystem 2. Mekaniska reglersystem har många förslitningskomponenter och kräver relativt intensivt underhåll. För att förbättra kraftverkets tillgänglighet ersätts det nu med gasturbinreglersystemet EGATROL 3. EGATROL är ett elektrohydrauliskt reglersystem som infördes redan 1983 för gasturbinen GT13. Reglersystemet består av två delar det elektrohydrauliska styrblocket och övervakningselektroniken. Systemet styr och övervakar samtliga viktiga funktioner i gasturbinprocessen. Genom detta systembyte minskar antalet mekaniska komponenter drastiskt och det finns så gott som inga förslitningskomponenter kvar. Dessutom krävs färre elektriska drivsystem för EGATROL. Åtkomsten till processdata är enklare, diagnosfunktioner hjälper till vid felsökningen och den modulära uppbyggnaden förenklar utbyte av felbehäftade komponenter. Även EGATROL bygger på det beprövade kraftverksstyrsystemet PROCONTROL P som bland annat kännetecknas av följande egenskaper: Enhetlig teknik som tillåter instrumentering och senare fullständigt utbyte av styrsystemen Minimalt antal gränssnitt Hög flexibilitet därigenom att ändringar och on-line-anpassningar i programmet enkelt kan genomföras Litet utrymmesbehov Utnyttjande av befintliga system för mätvärdesutvärdering Optimering med hjälp av flexibla datorbaserade reglerstrukturer, t ex genom integrering av inflytandevariabler, rimlighetskontroller av processtorheter etc Noggranna och reproducerbara reglerstorheter med hög transparens EGATROL-reglersystemen styrs via moderna processtationer i vilka samtliga processtorheter struktureras hierarkiskt i form av mimic-, karakteristik-, profil- och trendbilder. Funktionerna kan dessutom användas för uppgifter som dataloggning, databashantering och konstruktion. Ombyggnaden av reglersystemen kräver inga omfattande anpassningsarbeten. EGATROL-styrblocken anpassas och testas vid sina olika anslutningar redan i fabrik. Regleringen kräver ytterligare tre roterande pulsgivare i växeln, liksom mätning av omgivningstemperatur och avgastemperatur samt temperaturerna i inlopp till och utlopp från kompressorn. Vad övervakningselektroniken beträffar måste bland annat larmsystemet byggas ut. Självfallet krävs också ett visst mått av anpassning i kontrollrummet. EGATROL-systemen installerades under vintern 1997 i samband med det planerade revisionsuppehållet. Projektet Rotoruppgradering för ökad livslängd Varför uppgradering? Driften av komplexa maskiner och anläggningar leder alltid till att ett fåtal komponenter förslits snabbare än andra. Målet för ett ABB Tidning 1/1998 25
uppgraderingsprojekt är att genom lämpliga komponentbyten öka den ekonomiska livslängden för en gasturbin eller ett kraftverk så mycket att de enskilda investeringarna kan utnyttjas fullt ut. Här är det frågan om att hitta en väl avvägd kompromiss som innebär att förslitna komponenter byts ut så tidigt som behövs men så sent som möjligt. Det går att på ett ekonomiskt sätt öka livslängden med 20 30%. Nyckeln till ett lämpligt urval av de komponenter som behöver bytas är livslängdsanalyser. Service- och utvecklingsavdelningarna inom ABB har tillsammans genomfört omfattande undersökningar med avseende på livslängdsprognoser och bedömning av restlivslängd för hetgasförande komponenter i gasturbiner och gasturbinrotorer. Trots de många parametrarna som påverkar livslängden och de synnerligen komplexa sambanden går det att skapa realistiska förutsägelser. Electronic Mechanical P W T AT T IT H&B Temp. ler valve M = Gas turbine Speed adjustment device M ~ Speed ler Hur går det att träffsäkert bestämma återstående livslängd? I den klassiska livslängdsanalysen utgår man från resultaten av en undersökning av den utnyttjade livslängdsandelen, med hänsyn till tidsberoende materialpåkänning vid höga temperaturer. Hänsyn tas bland annat till utmattning på grund av växlande last samt sprickbildningsmotståndet. Dessutom beaktas tidsbetingade faktorer, som t ex driftsätt och drifttid för gasturbinen, med andra ord anläggningens dynamiska driftförhållanden. Utgående från resultaten av klassisk livslängdsanalys och mångårig drifterfarenhet har ABB utvecklat nya beräkningsmetoder. En av dessa, EOH-formeln (Evaluated Operation Hours) för bedömning av skoveluppsättning, hus och hetgasförande delar tar hänsyn till såväl temperaturnivå som till normal- och snabbstart och till dynamiska förlopp. Dessutom beaktar EOHformeln speciellt för de hetgasförande delarna utmattning som följd av långtids- och växelpåkänning i samband med drift med varierande last. fuel oil Fuel oil Turbine Fuel selection Mekaniskt reglersystem för gasturbiner som har ersatto. De många förslitningskomponenterna kräver intensivt underhåll. M = Hydraulic junction point Combustion chamber Compressor fuel gas Fuel gas G ~ 2 26 ABB Tidning 1/1998
För gasturbinrotorer har ABB utvecklat ett speciellt beräkningsprogram för be- Grid master ler Grid coordination dömning av återstående livslängd. I denna betraktelse tas särskild hänsyn till termisk belastning och utmattning. Livslängdsförbrukningen beräknas utgående från utmattningsandelen med hänsyn till antalet Setpoint Setpoint Surge protection snabbstarter, snabbstopp och varmstarter. När livslängdsförbrukningen har beräknats utgör restlivslängden skillnaden mot tillåten total utmattning 4. Start-up Temperature Frequency/ power output Sådana restlivslängdsanalyser har genomförts på UANE-gasturbinerna 1 och 2 och deras huvudkomponenter. Resultatet har blivit uppgraderingsförslag, som utbyte av gasturbinrotor och skovelbärare på Minimum signal selection gasturbinen 2. Efter en noggrann förplanering beställdes dessa komponenter av W.E.D. och byttes ut inom ramen för en Fuel selection normal inspektionsavställning, det vill säga utan ytterligare stilleståndstid, i god tid inför sommarförbrukningstoppen 1997. Valve position E H fuel oil Fuel oil Turbine ( Electrohydraulic transmitter ) Hydraulic protection system Hydraulic junction point Combustion chamber ( Electrohydraulic transmitter ) Compressor Valve position E H fuel gas Fuel gas G ~ Rotorrevision, en tekniskt och ekonomiskt lämplig lösning För att äldre rotorer inte ska behöva skrotas 5a, har ABB utvecklat och utprovat en metod som går ut på att kompressor-rotordelen får genomgå en rekonditioneringsprocess, varefter den svetsas på en ny turbinrotordel. För ändamålet krävs okulär besiktning av ytförändringar på kompressorn. Den undersökningen ger samma information som ett icke förstörande test 5b. Dessa testresultat leder, med hänsyn tagen till den ackumulerade driftbetingade belastningen, till ett beslut om huruvida kompressordelen bör rekonditioneras eller ej. En sådan åtgärd ger i regel endast upphov till en liten mängd reparationsarbeten. Efter revision kan rotorn utnyttjas under ytterligare ca 100 000 EOH. Elektrohydrauliskt reglersystem EGATROL för gasturbiner. Systemet består av två delar det elektrohydrauliska styrblocket och övervakningselektroniken. 3 Utbildning av driftpersonalen en viktig del av S.O.R.-konceptet Implementering av nya tekniska system ger önskat resultat endast under förutsättning ABB Tidning 1/1998 27
Failure rate Minimal predicted service life expectancy att driftpersonalen tas med som partner i alla faser av arbetet. Inom ramen för S.O.R.-konceptet försöker man därför ta med kundens ingenjörer i processen redan vid den första presentationen och speciellt i nästa fas, vid framtagning av de nödvändiga specifikationerna. De beställda maskinvaru- och planeringspaketen accepteras normalt av kundens ingenjörer redan i verkstaden, före Active monitoring of remaining lifetime ~80 000 ~100 000 Rotor lifetime in EOH Redovisning av den förväntade restlivslängden för gasturbinrotorer, i EOH (Evaluated Operation Hours) Expected lifetime distribution curve Quality of information spedition. Acceptansförfarandet kombineras i regel med intensiv utbildning i ABBs utbildningscentra. I anslutning till detta följer ofta besök i andra kraftverk, för att ge kundens ingenjörer möjlighet att se på liknande förbättrings- och moderniseringsåtgärder i verklig drift. Dessutom ingår besök vid ABBs forsknings- och tillverkningsanläggningar som en integrerad del av S.O.R.-konceptet. 4 I kraftverket följer sedan en noggrann kontroll av att det levererade maskinvaruoch planeringspaket är fullständigt. Vid den efterföljande montage- och driftsättningsfasen måste man dessutom sörja för korrekt lagring av materialet. Vid montage och driftsättning arbetar kundens ingenjörer nära tillsammans med ABBs specialister i form av så kallad hands on -utbildning. Därmed säkerställs maximal kunskapsöverföring. Utbildningen avslutas med några lektioner i kraftverket speciellt riktade till drift- och underhållspersonalen. Vid de årliga kundseminarierna som ABB-S.O.R. genomför speciellt för W.E.D. i Abu Dhabi fortbildas den tekniska driftpersonalen. Här får kunden även möjlighet att ta upp ämnen för vilka ABB kan ställa specialister till förfogande. Seminarierna tar i regel två dagar, så att kundens ingenjörer får goda möjligheter att reda ut sina specifika frågor med ABBs experter. Anläggningsmodernisering som kontinuerlig ledningsuppgift I kraftverket Umm al Nar East finns fortfarande en stor potential för ytterligare uppgradering och modernisering. Samtliga redan genomförda moderniseringsåtgärder är inriktade på att senare uppgrade- Delar av en gasturbinrotor under rekonditioneringsprocessen (a) och under icke förstörande provning (b) 5 a b 28 ABB Tidning 1/1998
SCR Hard copy EDS POS POS Multihead POS EDS Printer Bridge E A E A Netprint box Terminal LAN A LAN B POS Printer TCR EDS Memory Redundant remote bus POS POS CDS Decontic room MCBs Interface for sol. valves Special measurements Static starting system Rotor turning Cleaning Egatrol GT Master Lube oil supply Protection Synchronization Excitation Drum level Drum drain Measurement ( drum level, steam flow, FW flow ) FG EHR boiler 1 FG EHR boiler 2 Air flow Fuel oil Fuel gas Drum level Steam flow contr. FG burner 1-4 FG boiler purging FG fuel supply Protection (1/1 ) MCBs Interface for sol. valves Special measurements GT 1 GT 2 EHR boiler 1+2 & common boiler Aux. boilers 11,12,13 &14 Konfigureringen av det nya styrsystemet PROCONTROL P för kraftverket Umm al Nar East. Systemet ska genomföras stegvis under de närmaste åren. 6 ringskomponenter ska kunna installeras utan problem. De genomförda åtgärderna har hanterats i form av så kallade plattformar, med möjlighet att genomföra senare moderniseringsåtgärder stegvis utgående från den befintliga basen. Ledningen för UANE betraktar den kommande stegvisa moderniseringen som en kontinuerlig uppgift. Utbyte av återstående instrumentering och styrteknik är redan planerad 6, liksom revision av hela likströmsmatningssystemet. Även i kraftverken Umm al Nar West 7 och 8 ska de gamla processdatorerna ersättas med moderna ABB-enheter. Målet är att samtliga kraftverksblock inom Umm al Nar ska kunna kommunicera med varandra i nätverk. Referenser [1] Friedmann, G.: Ett modulärt utbildningskoncept för kraftverkspersonal. ABB Tidning 7/89, 33 38. [2] Vouets, W.: Förebyggande underhåll för gasturbin- och kombikraftverk. ABB Tidning 8/9 91, 33 38. [3] Kahle, H.; Herrmann, R.: Ekonomisk modernisering med kraftverksstyrsystemet PROCONTROL P. ABB Tidning 9/92, 15 22. [4] Koob, H.: I servicearbetets fokus: störningsfri drift av gasturbiner och kombikraftverk. ABB Tidning 10/93, 33 38. [5] Ulrich, A.: Power Plant Service Management nytt koncept för att maximera ett kraftverks lönsamhet. ABB Tidning 5/95, 21 27. [6] Thierfelder, H.G.: Uppgradering av befintliga kraftverk med modern kontrollteknik. ABB Tidning 2/97, 15 24. Författarnas adresser Abdul Jalil Al Khoory Umm Al Nar Power Stations Water and Electricity Department (W.E.D.) Abu Dhabi/UAE Fax: +97 125 82 405 Dr. Heinz Koob ABB Kraftwerke AG Postfach 100 351 D-68128 Mannheim Fax: +49 (0) 621 381 5504 E-mail: heinz.koob@dekwe.mail.abb.com ABB Tidning 1/1998 29