Etude Armoire Speedtronic

SOMMAIRE Introduction ______________________________________________________P3

1.Etude de l’Armoire SPEEDTRONIC Mark V 1.1/SPEEDTRONIC et son environnement ___________________________P3 1.2 /Définition et Configuration des noyaux _________________________ P4

1.3/Description des modules

1.3.1/Modules de commande ______________________________________P6 1.3.2/Modules de communication___________________________________P6 1.3.3/Module de protection ________________________________________P6

1.4/Système de protection

1.4.1/Principe de protection _______________________________________P7 1.4.2/Séquence de régulation TMR _________________________________P8 1.5 /Fonctions du système commande ______________________________P9 1.6/Principe de protections programmées _________________________P9

1

2.Boucle de régulation température d’échappement 2.1/moniteur de combustion __________________________________________P10 2.2 /Conception du système __________________________________________P11 2.3/Spécification des anomalies ______________________________________P15

CONCLUSION ______________________________________________________P17

2

Introduction : SPEEDTRONIC Mark V est un système de régulation de turbine entièrement programmable, destiné à répondre aux besoins actuels de l'industrie de production d'électricité liés au comportement dynamique complexe des turbines à gaz et à vapeur. Ce système de régulation d'une grande souplesse d'emploi assure une régulation, un contrôle et une protection d'avant-garde. Ceci permet aux opérateurs un accès immédiat à toutes les fonctions de régulation principales, et leur offre des possibilités de contrôle complètes, ainsi que de nombreux dispositifs incorporés protégeant automatiquement le turbo- générateur de diverses conditions de fonctionnement anormales, comme la survitesse, le défaut d'huile et la surchauffe.

1.Etude de l’Armoire SPEEDTRONIC Mark V 1.1/SPEEDTRONIC et son environnement : Le système Mark V est en liaison avec la turbine et ses auxiliaires, le système de commande central (DCS), l’interface opérateur et l’affichage auxiliaire comme le montre la figure suivante :

Speedtronic Mark V

Affichage auxiliaire

Program me (CSP)

Interface opérateur

Liaison ModBus

Liaison ArcNet

Câbl age interne Interfaces d’ entrées / sorties

Com mandes câblées

Câbl age d’ entrées/sorties

DCS Turbi ne et ses auxiliaires

Figure1 : Liaisons SPEEDTRONIC Les liaisons de type informatique sont les suivantes :

ArcNet C'est le réseau de communication entre un (ou plusieurs) PC d'interface et le communicateur du Mark V.Ce réseau permet la communication rapide (câble coaxial) et le transfert de tout signal connu du Mark V.

3

Modbus C'est le réseau de communication entre un (ou plusieurs) PC d'interface et un système de commande central (DCS). Ce réseau est lent (liaison série) est ne permet la transmission que de certains signaux qui ont été sélectionnés l'ors de la configuration de la centrale.

IONet C'est un réseau interne à un ordinateur. Il permet la transmission de signaux entre le microprocesseur principal et les cartes d'interface déportées dans d'autres modules.

DENet C'est le réseau qui permet l'échange de données entre ordinateurs afin d'assurer les votes et transmission d'ordre.

DENet (échange de données entre ordinateurs)

I ArcNet (liaison coax rapide tous signaux)

C

R

S

DCS QD1

D

IONets (communication entrées/sorties interne à un ordinateur)

P

CD

T

QD2

Figure2 : Communications informatiques 1.2/Définition et Configuration des noyaux :

 Les noyaux(cores) du système Mark V :  Modules de commande ; et  Modules de communication et/ou  Module de protection  Entrées/Sorties numériques  Distribution de puissance

S

R

C

T

P

PD

QD2

QD1

CD

Figure3 :Implantation des modules

4

Figure 4:Image sur le champ des modules

Pour assurer un bon fonctionnement et une protection totale, La turbine à gaz et ses auxiliaires sont tous reliés aux noyaux de l’armoire de commande qui sont classifiés selon leurs nature dans la figure suivante :

P

QDx

CD

C

R paramètres non critiques

logiques analogiques

sécurités

paramètres critiques logiques

TG et auxiliaires

S

analogiques

T Figure 5 :Connexion des capteurs

5

1.3/Description des modules 1.3.1/Modules de commande : Les contrôleurs identiques, , et , d'une configuration TMR du système Mark V effectuent tous les algorithmes de régulation critiques, fonctions de protection et séquencements. Ils acquièrent également les données nécessaires à la production des sorties destinées à la turbine. Les sorties de protection sont acheminées par le module , comprenant les triples processeurs redondants X, Y et Z, qui assurent également une protection indépendante pour certaines fonctions critiques comme la survitesse.

1.3.2/Modules de communication : Le contrôleur constitue l'interface des E/S non critiques et sans déclenchement et assure l'interface de maintenance de l'opérateur, par l'intermédiaire de deux ports ARCNET. Toutes les commandes et tous les contrôles de l'opérateur s'effectuent à partir de cette interface, ainsi que toutes les fonctions de maintenance, y compris la modification des constantes de régulation, l'édition du logiciel d'application, la modification de l'affectation des E/S et l'édition des affichages. Le traitement des communications s'effectue dans un système d'exploitation multitâche en temps réel. Les communications entre les différents contrôleurs s'effectuent sur des liaisons ARCNET rapides.

1.3.3/Module de protection : Trois capteurs de vitesse sont raccordés aux sections X, Y et Z pour la protection d'urgence contre les survitesses. Si on le désire, ceci remplace le plongeur de survitesse mécanique traditionnel. Le module de protection, , assure un second niveau de protection des fonctions critiques. Il contient trois jeux de cartes identiques (X, Y et Z), comportant chacun sa propre alimentation et son propre processeur. Ils fournissent des circuits de commande de relais et des relais séparés pour chacun des contrôleurs , et , avant leur mise en interface avec les solénoïdes de déclenchement hydraulique. Le module assure également des fonctions de détection de flamme et de synchronisation automatique.

Figure 6 :Configuration TMR de l’armoire

6

1.4/Système de protection 1.4.1/Principe de protection : Le système de commande de turbines à gaz SPEEDTRONIC Mark V fait appel aux technologies les plus récentes, notamment trois contrôleurs redondants à base de microprocesseurs 16 bits, vote deux sur trois des paramètres critiques de régulation et de protection et tolérance aux défauts implémentée par logiciel (SIFT: Software Implemented Fault Tolerance). Les capteurs de régulation et de protection critiques sont triples et votés par l'ensemble des trois contrôleurs. Pour une fiabilité maximale de la protection et du fonctionnement, les signaux de sortie du système sont votés physiquement pour les électrovannes de déclenchement, au niveau logique pour les autres sorties et au niveau des vannes de régulation à trois bobines pour les signaux de régulation analogiques. Un module de protection indépendant assure une fonction câblée de déclenchement par survitesse et détection flamme. Ce même module contribue à la synchronisation entre le turbo-alternateur et le réseau client. La synchronisation est autorisée par une fonction implantée dans les trois contrôleurs.

Figure 7 :Schéma de contrôle

7

Comme le montre le figure ci-dessus, la votation logicielle ne se passe pas dans les modules , et et sera exécutée directement dans les modules de protection , et dans les cas critiques suivants : o o o

Manque de flamme. Protection contre les survitesses (si la vitesse dépasse de 10% la valeur de vitesse maximale qui 3300 tr/min dans notre cas. Synchronisation du générateur avec le réseau.

1.4.2/Séquence de régulation TMR : On va définir ensuite la séquence de régulation TMR du système MARK 5 qui consiste aux étapes suivantes : o Lecture des entrées à travers les modules d’entrée/sortie. o Echange des données entre les trois contrôleurs. o Votation logicielle des modules , et . o Exécution du code. o Signal de sortie qui peut être une alarme, un déclenchement etc…

Figure 8 :Séquence de régulation

1.5 /FONCTIONS DU SYSTEME DE COMMANDE :

Le système SPEEDTRONIC de commande des turbines à gaz réalise les fonctions: o régulation du débit de combustible et d'air o contrôle des rejets atmosphériques o commande séquentielle du combustible et des auxiliaires de la turbine pour le démarrage, o l'arrêt et le refroidissement,

8

o o o

synchronisation et adaptation de la tension de l'alternateur et surveillance du système pour toutes les fonctions concernant la turbine, la régulation et les auxiliaires, protection en cas de fonctionnement dangereux.

1.6/Principe de protections programmées : Des signaux spécifiques sont à l’origine de la protection de la turbine. L4 est le signal principal (calculé par le CSP) des protections programmées. L'état logique L4 = 1 indique que la turbine est autorisée à démarrer ou à rester en marche. L'état logique L4 = 0 maintient le groupe à l'arrêt ou provoque son déclenchement. Ce circuit fonctionne comme une bascule avec un signal d'armement (L4S) et 2 signaux de reset (L4T et L94T).

Figure 9 :Circuit de protection

Figure 10 :Diagramme des déclenchements et enclenchements

9

L4S correspond à l'ordre de marche et à toutes les sécurités à enclencher (permissifs de démarrage). La remise à "0" du signal L4 se fait par les circuits suivants : o L4T (ordre de déclenchement provenant des protections). o L94T (ordre d'arrêt normal).

2.Boucle de régulation température d’échappement 2.1/moniteur de combustion : La première fonction du moniteur de combustion est de réduire le risque de dommages considérables au niveau de la turbine à gaz si le système de combustion est détérioré. Le moniteur assure tout cela en examinant les thermocouples liés à la température d’échappement et les thermocouples liés à la température de décharge du compresseur. D’après les changements que peuvent être interprétés au niveau des relevés des thermocouples, il peut y avoir des alertes et des signaux de protection générés par le logiciel du moniteur de combustion conduisant même à un alarme et/ou arrêt de la turbine (TRIP). On peux déduire que le faite de détecter des anomalies dans le système de combustion est lié à un mélange incomplet des gaz passant à travers la turbine. Ceci peut être du à un manque du carburant ou de la flamme dans le système de combustion, une rupture dans les pièces de transition ou autres défaillances.

2.2 /Conception du système : Dépendamment du modèle de la turbine à gaz , il peut y avoir de 13 jusqu’à 31 thermocouples de température d’échappement, dans notre cas on a 24 thermocouples de l’ordre de 8 thermocouples pour chacun des modules , et et ceci de façon redondante par exemple TC1 pour ; TC2 pour ; TC3 pour ;TC4 pour … etc. Le programme de contrôle commande de la température dans lit les valeurs de température d’échappement au niveau des thermocouples et les tri du plus grand au plus petit. Les contrôleurs contiennent une série de programmes pour résoudre les problèmes contrôle. Le programme principal permet d’analyser les valeurs de lecture des thermocouples et faire les décisions appropriés. Ces valeurs seront triés et leur sortie TTXD2 est utilisée par le moniteur de combustion. Pour chaque ensemble de lectures, ces valeurs seront calculés : La température d’échappement médiane. Le gradient permis (allowable spread ). Deux ensembles des rapports de gradients sont calculés et comparés à des valeurs spécifiques des limites de température d’échappement pour déterminer si des conditions d’alarme et d’arrêt sont présentes. Ci-dessous on a une présentation schématique du moniteur de combustion :

10

Figure 11 :Fonction algorithmique schématique du moniteur de combustion

A .Paramètres principaux de réglage A.1/Gradient permis (Allowable spread ou S Allow) : TTXSPL présente le gradient permis et se calcule comme la somme du gradient permis nominal et le bias donc : Allowable Spread (TTXSPL) = A nominal allowable spread + Bias

A.2/Gradient permis nominal (nominal allowable spread) : Il représente l’état régulier du gradient limite. Il varie entre les limites TTKSPL7 et TTKSPL6,normalement entre 30 et 125degrés F.

A.3/le facteur « BIAS » : C’est facteur ajouté au gradient nominal permis, il compte l’augmentation temporaire des gradients actuels lors des périodes des étapes transitoires. C’est une valeur de température qui varie éventuellement entre 0 et 200 degrés F pendant une période constante comme l’indique la courbe ci-dessous :

11

Figure 12 :Evolution de la température dans les étapes transitoires

Avec : TTKSPL8 (100-200) degrés F K2SPMB2 et TTKSPL9 sont des temps la première variable et la deuxième constante. Les conditions de transition qui amènent le Bias à atteindre 200 degrés F sont : Le transfert du carburant(fuel). Démarrage et arrêt de la turbine. changement rapide du FSR(fuel stroke reference).

B/Conditions d’alarme et d’arrêt(TRIP) : La figure suivante explique de façon claire ces conditions

Figure 13:Les gradients limites des températures d’échappement

Et on définit par analogie les paramètres suivants :

12

S1(TTXSP1)=Le plus chaud thermocouple – Le plus froid thermocouple S2(TTXSP2)= Le plus chaud thermocouple – Le second plus froid thermocouple S3(TTXSP3)= Le plus chaud thermocouple – Le troisième plus froid thermocouple

********************TRIP conditions**********************

L30SPT ---(S1>TTXSPL) et (S2> 0.8* TTXSPL) et (le plus froid et le second plus froid thermocouples sont adjacents). -----(S1>( 5*TTXSPL_Z1) et (S2> 0.8*TTXSPL) et (le second plus froid et le troisième plus froid thermocouples sont adjacents). -----(S3> 0.8*TTXSPL). Notons que l’arrêt sera produit après une temporisation de K30SPT.

****************Conditions d’alarmes***********************

L30SPA ---Si (S1>TTXSPL) ou (S3>TTXSPL) alors l’alarme se déclenche avec le message d’erreur suivant « trouble de combustion » jusqu’à la correction de l’erreur.

L30SPTA ---Si (S1> 5*TTXSPL_Z1) alors se déclenche aussi un alarme avec le message d’erreur suivant « trouble de thermocouples »

L83SPM La fonction de protection du moniteur de combustion est activée lorsque la turbine est au-dessus de L14HS et le maitre protecteur(master protective) L4 est activé aussi. De ce faite le rôle de la permission de L83SPM est d’éviter des actions fausses durant les phases de conditionnement de vitesse . L’auxiliaire L83SPMX est de poursuivre la protection pendant la phase où la turbine passe de l’état d’arrêt à l’état jusqu’à l’état où la turbine est au-dessous de L14HS. On inspecte les défauts possibles au sein de l’équipe de maintenance suivant la liste d’alarmes que montre le logiciel.De suite, on est chargé de la correction et la réparation de ces erreurs ou défaillances. Voici un exemple réel de description de liste d’alarmes :

13

Figure 14 :Exemple d’une liste d’alarmes

Avec : DROP# :Numéro d’ordre de l’alarme SIGNAL NAME :Nom du signal qui commande cette alarme ALARM TEXT :Message affiché sur l’écran d’alarme si le signal à l’état « 1 »

2.3/Spécification des anomalies : La première fonction du moniteur de combustion est de réduire le risque de grave dommages au niveau de la turbine à gaz si le système de combustion est détérioré. Cette fonction détecte les anomalies de la température de combustion et ceci par le biais des thermocouples d’échappement. Cette fonction est active lorsque avec l’activation de L4 et ceci audessus de la vitesse d’opérations L14HS. La turbulence durant les phases de démarrage/arrêt empêche l’utilisation des algorithmes pour détecter les anomalies de combustion. Il est important que chacun des thermocouples soit dans un bon état de fonctionnement. Le moniteur de combustion peut indiquer les problèmes suivants :  o o o

Au niveau du système de combustion : ligne endommagé pièces de transition endommagés Tubes de passage de flamme chauds.

 o o o o

Système de carburant(FUEL) : rupture de la ligne du carburant liquide/gaz problèmes des valves carburant liquide dans les chambres de gaz pompage ratée du carburant

14

 Injecteurs de carburant : o érosion des injecteurs de carburant(fuel)…  o o o

Système d’air d’atomisation : rupture au niveau de la ligne d’air d’atomisation défaut de système de purge Défaut du compresseur d’air d’atomisation etc……

15

CONCLUSION :

Durant ce stage, j’ai eu l’occasion d’assister à des applications de quelques théories et de maitriser le travail de maintenance et d’exploitation dans la centrale Turbine à Gaz de la Goulette II. En effet, le travail de contrôle et commande de la turbine à gaz est indispensable pour la protection du matériel et de l’entourage humain. Dans ce cadre, l’étude de l’armoire de commande MARK 5 m’a permis d’enrichir mes connaissances au niveau de l’automatisme et de la régulation tout en ayant l’esprit de concevoir d’autres moyens plus simples.

16

17