Etude Armoire Speedtronic
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SOMMAIRE
Introduction ______________________________________________________P3
1.Etude de lArmoire SPEEDTRONIC Mark V
1.1/SPEEDTRONIC et son environnement ___________________________P3
1.2 /Dfinition 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/Systme de protection
1.4.1/Principe de protection _______________________________________P7
1.4.2/Squence de rgulation TMR _________________________________P8
1.5 /Fonctions du systme commande ______________________________P9
1.6/Principe de protections programmes _________________________P9
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2.Boucle de rgulation temprature dchappement
2.1/moniteur de combustion __________________________________________P10
2.2 /Conception du systme __________________________________________P11
2.3/Spcification des anomalies ______________________________________P15
CONCLUSION ______________________________________________________P17
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Introduction :
SPEEDTRONIC Mark V est un systme de rgulation de turbine entirement programmable, destin rpondre aux besoins actuels de l'industrie de production d'lectricit lis au comportement dynamique complexe des turbines gaz et vapeur. Ce systme de rgulation d'une grande souplesse d'emploi assure une rgulation, un contrle et une protection d'avant-garde.
Ceci permet aux oprateurs un accs immdiat toutes les fonctions de rgulation principales, et leur offre des possibilits de contrle compltes, ainsi que de nombreux dispositifs incorpors protgeant automatiquement le turbo- gnrateur de diverses conditions de fonctionnement anormales, comme la survitesse, le dfaut d'huile et la surchauffe.
1.Etude de lArmoire SPEEDTRONIC Mark V
1.1/SPEEDTRONIC et son environnement :
Le systme Mark V est en liaison avec la turbine et ses auxiliaires, le systme de commande central
(DCS), linterface oprateur et laffichage auxiliaire comme le montre la figure suivante :
Turbine et ses auxiliaires
Speedtronic Mark V
Programme (CSP)
Interfaces d entres / sorties
Interface oprateur
DCS
Liaison ArcNet
Liaison ModBus
Commandes cbles
Cblage dentres/sorties
Cblage interne
Affichage auxiliaire
Figure1 : Liaisons SPEEDTRONIC
Les liaisons de type informatique sont les suivantes :
ArcNet
C'est le rseau de communication entre un (ou plusieurs) PC d'interface et le communicateur du
Mark V.Ce rseau permet la communication rapide (cble coaxial) et le transfert de tout signal connu
du Mark V.
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Modbus
C'est le rseau de communication entre un (ou plusieurs) PC d'interface et un systme de commande
central (DCS). Ce rseau est lent (liaison srie) est ne permet la transmission que de certains signaux
qui ont t slectionns l'ors de la configuration de la centrale.
IONet
C'est un rseau interne un ordinateur. Il permet la transmission de signaux entre le
microprocesseur principal et les cartes d'interface dportes dans d'autres modules.
DENet
C'est le rseau qui permet l'change de donnes entre ordinateurs afin d'assurer les votes et
transmission d'ordre.
C R S T D
I
DCS
DENet (change de donnes entre ordinateurs)
ArcNet (liaison coax rapide
tous signaux)
CD QD1 QD2
P
IONets (communication
entres/sorties interne un ordinateur)
Figure2 : Communications informatiques
1.2/Dfinition et Configuration des noyaux :
S R C
T P PD
QD2 QD1 CD
Les noyaux(cores) du systme Mark V :
Modules de commande ; et
Modules de communication et/ou
Module de protection Entres/Sorties numriques
Distribution de puissance
Figure3 :Implantation des modules
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Figure 4:Image sur le champ des modules
Pour assurer un bon fonctionnement et une protection totale, La turbine gaz et ses auxiliaires sont
tous relis aux noyaux de larmoire de commande qui sont classifis selon leurs nature dans la figure
suivante :
C R
S
T
TG et auxiliaires
CD
QDx P
paramtres critiques
paramtres non
critiques logiques
analogiques
logiques
analogiques
scurits
Figure 5 :Connexion des capteurs
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1.3/Description des modules
1.3.1/Modules de commande :
Les contrleurs identiques, , et , d'une configuration TMR du systme Mark V effectuent
tous les algorithmes de rgulation critiques, fonctions de protection et squencements. Ils
acquirent galement les donnes ncessaires la production des sorties destines la turbine. Les
sorties de protection sont achemines par le module , comprenant les triples processeurs
redondants X, Y et Z, qui assurent galement une protection indpendante pour certaines fonctions
critiques comme la survitesse.
1.3.2/Modules de communication :
Le contrleur constitue l'interface des E/S non critiques et sans dclenchement et assure
l'interface de maintenance de l'oprateur, par l'intermdiaire de deux ports ARCNET. Toutes les
commandes et tous les contrles de l'oprateur s'effectuent partir de cette interface, ainsi que
toutes les fonctions de maintenance, y compris la modification des constantes de rgulation, l'dition
du logiciel d'application, la modification de l'affectation des E/S et l'dition des affichages. Le
traitement des communications s'effectue dans un systme d'exploitation multitche en temps rel.
Les communications entre les diffrents contrleurs s'effectuent sur des liaisons ARCNET rapides.
1.3.3/Module de protection :
Trois capteurs de vitesse sont raccords aux sections X, Y et Z pour la protection d'urgence contre les
survitesses. Si on le dsire, ceci remplace le plongeur de survitesse mcanique 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 spars pour
chacun des contrleurs , et , avant leur mise en interface avec les solnodes de
dclenchement hydraulique. Le module assure galement des fonctions de dtection de flamme
et de synchronisation automatique.
Figure 6 :Configuration TMR de larmoire
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1.4/Systme de protection
1.4.1/Principe de protection :
Le systme de commande de turbines gaz SPEEDTRONIC Mark V fait appel aux technologies les plus
rcentes, notamment trois contrleurs redondants base de microprocesseurs 16 bits, vote deux sur
trois des paramtres critiques de rgulation et de protection et tolrance aux dfauts implmente
par logiciel (SIFT: Software Implemented Fault Tolerance). Les capteurs de rgulation et de
protection critiques sont triples et vots par l'ensemble des trois contrleurs.
Pour une fiabilit maximale de la protection et du fonctionnement, les signaux de sortie du systme
sont vots physiquement pour les lectrovannes de dclenchement, au niveau logique pour les
autres sorties et au niveau des vannes de rgulation trois bobines pour les signaux de rgulation
analogiques.
Un module de protection indpendant assure une fonction cble de dclenchement par survitesse
et dtection flamme. Ce mme module contribue la synchronisation entre le turbo-alternateur et le
rseau client. La synchronisation est autorise par une fonction implante dans les trois contrleurs.
Figure 7 :Schma de contrle
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Comme le montre le figure ci-dessus, la votation logicielle ne se passe pas dans les modules ,
et et sera excute directement dans les modules de protection , et dans les cas
critiques suivants :
o Manque de flamme.
o Protection contre les survitesses (si la vitesse dpasse de 10% la valeur de vitesse maximale
qui 3300 tr/min dans notre cas.
o Synchronisation du gnrateur avec le rseau.
1.4.2/Squence de rgulation TMR :
On va dfinir ensuite la squence de rgulation TMR du systme MARK 5 qui consiste aux tapes
suivantes :
o Lecture des entres travers les modules dentre/sortie.
o Echange des donnes entre les trois contrleurs.
o Votation logicielle des modules , et .
o Excution du code.
o Signal de sortie qui peut tre une alarme, un dclenchement etc
Figure 8 :Squence de rgulation
1.5 /FONCTIONS DU SYSTEME DE COMMANDE :
Le systme SPEEDTRONIC de commande des turbines gaz ralise les fonctions:
o rgulation du dbit de combustible et d'air
o contrle des rejets atmosphriques
o commande squentielle du combustible et des auxiliaires de la turbine pour le dmarrage,
o l'arrt et le refroidissement,
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o synchronisation et adaptation de la tension de l'alternateur et surveillance du systme pour
toutes les fonctions concernant la turbine,
o la rgulation et les auxiliaires,
o protection en cas de fonctionnement dangereux.
1.6/Principe de protections programmes :
Des signaux spcifiques sont lorigine de la protection de la turbine.
L4 est le signal principal (calcul par le CSP) des protections programmes.
L'tat logique L4 = 1 indique que la turbine est autorise dmarrer ou rester en marche.
L'tat logique L4 = 0 maintient le groupe l'arrt ou provoque son dclenchement.
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 dclenchements et enclenchements
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L4S correspond l'ordre de marche et toutes les scurits enclencher (permissifs de dmarrage).
La remise "0" du signal L4 se fait par les circuits suivants :
o L4T (ordre de dclenchement provenant des protections).
o L94T (ordre d'arrt normal).
2.Boucle de rgulation temprature dchappement 2.1/moniteur de combustion : La premire fonction du moniteur de combustion est de rduire le risque de dommages
considrables au niveau de la turbine gaz si le systme de combustion est dtrior.
Le moniteur assure tout cela en examinant les thermocouples lis la temprature dchappement
et les thermocouples lis la temprature de dcharge du compresseur.
Daprs les changements que peuvent tre interprts au niveau des relevs des thermocouples, il
peut y avoir des alertes et des signaux de protection gnrs par le logiciel du moniteur de
combustion conduisant mme un alarme et/ou arrt de la turbine (TRIP).
On peux dduire que le faite de dtecter des anomalies dans le systme de combustion est li un
mlange incomplet des gaz passant travers la turbine. Ceci peut tre du un manque du carburant
ou de la flamme dans le systme de combustion, une rupture dans les pices de transition ou autres
dfaillances.
2.2 /Conception du systme :
Dpendamment du modle de la turbine gaz , il peut y avoir de 13 jusqu 31 thermocouples de
temprature dchappement, dans notre cas on a 24 thermocouples de lordre de 8 thermocouples
pour chacun des modules , et et ceci de faon redondante par exemple TC1 pour ;
TC2 pour ; TC3 pour ;TC4 pour etc.
Le programme de contrle commande de la temprature dans lit les valeurs de temprature
dchappement au niveau des thermocouples et les tri du plus grand au plus petit.
Les contrleurs contiennent une srie de programmes pour rsoudre les problmes contrle.
Le programme principal permet danalyser les valeurs de lecture des thermocouples et faire les
dcisions appropris. Ces valeurs seront tris et leur sortie TTXD2 est utilise par le moniteur de
combustion. Pour chaque ensemble de lectures, ces valeurs seront calculs :
La temprature dchappement mdiane.
Le gradient permis (allowable spread ).
Deux ensembles des rapports de gradients sont calculs et compars des valeurs spcifiques des
limites de temprature dchappement pour dterminer si des conditions dalarme et darrt sont
prsentes.
Ci-dessous on a une prsentation schmatique du moniteur de combustion :
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Figure 11 :Fonction algorithmique schmatique du moniteur de combustion
A .Paramtres principaux de rglage A.1/Gradient permis (Allowable spread ou S Allow) : TTXSPL prsente le gradient permis et se calcule comme la somme du gradient permis nominal et le
bias donc :
A.2/Gradient permis nominal (nominal allowable spread) : Il reprsente ltat rgulier du gradient limite. Il varie entre les limites TTKSPL7 et
TTKSPL6,normalement entre 30 et 125degrs F.
A.3/le facteur BIAS : Cest facteur ajout au gradient nominal permis, il compte laugmentation temporaire des gradients
actuels lors des priodes des tapes transitoires.
Cest une valeur de temprature qui varie ventuellement entre 0 et 200 degrs F pendant une
priode constante comme lindique la courbe ci-dessous :
Allowable Spread (TTXSPL) = A nominal allowable spread + Bias
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Figure 12 :Evolution de la temprature dans les tapes transitoires
Avec :
TTKSPL8 (100-200) degrs F
K2SPMB2 et TTKSPL9 sont des temps la premire variable et la deuxime constante.
Les conditions de transition qui amnent le Bias atteindre 200 degrs F sont :
Le transfert du carburant(fuel).
Dmarrage et arrt de la turbine.
changement rapide du FSR(fuel stroke reference).
B/Conditions dalarme et darrt(TRIP) : La figure suivante explique de faon claire ces conditions
Figure 13:Les gradients limites des tempratures dchappement
Et on dfinit par analogie les paramtres suivants :
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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 troisime 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 troisime plus froid
thermocouples sont adjacents).
-----(S3> 0.8*TTXSPL).
Notons que larrt sera produit aprs une temporisation de K30SPT.
****************Conditions dalarmes***********************
L30SPA
---Si (S1>TTXSPL) ou (S3>TTXSPL) alors lalarme se dclenche avec le message derreur suivant
trouble de combustion jusqu la correction de lerreur.
L30SPTA
---Si (S1> 5*TTXSPL_Z1) alors se dclenche aussi un alarme avec le message derreur suivant trouble
de thermocouples
L83SPM
La fonction de protection du moniteur de combustion est active lorsque la turbine est au-dessus de
L14HS et le maitre protecteur(master protective) L4 est activ aussi.
De ce faite le rle de la permission de L83SPM est dviter des actions fausses durant les phases de
conditionnement de vitesse .
Lauxiliaire L83SPMX est de poursuivre la protection pendant la phase o la turbine passe de ltat
darrt ltat jusqu ltat o la turbine est au-dessous de L14HS.
On inspecte les dfauts possibles au sein de lquipe de maintenance suivant la liste dalarmes que
montre le logiciel.De suite, on est charg de la correction et la rparation de ces erreurs ou
dfaillances.
Voici un exemple rel de description de liste dalarmes :
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Figure 14 :Exemple dune liste dalarmes
2.3/Spcification des anomalies :
La premire fonction du moniteur de combustion est de rduire le risque de grave dommages au
niveau de la turbine gaz si le systme de combustion est dtrior.
Cette fonction dtecte les anomalies de la temprature de combustion et ceci par le biais des
thermocouples dchappement. Cette fonction est active lorsque avec lactivation de L4 et ceci au-
dessus de la vitesse doprations L14HS.
La turbulence durant les phases de dmarrage/arrt empche lutilisation des algorithmes pour
dtecter les anomalies de combustion. Il est important que chacun des thermocouples soit dans un
bon tat de fonctionnement.
Le moniteur de combustion peut indiquer les problmes suivants :
Au niveau du systme de combustion :
o ligne endommag
o pices de transition endommags
o Tubes de passage de flamme chauds.
Systme de carburant(FUEL) :
o rupture de la ligne du carburant liquide/gaz
o problmes des valves
o carburant liquide dans les chambres de gaz
o pompage rate du carburant
Avec :
DROP# :Numro dordre de lalarme
SIGNAL NAME :Nom du signal qui commande cette alarme
ALARM TEXT :Message affich sur lcran dalarme si le signal ltat 1
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Injecteurs de carburant :
o rosion des injecteurs de carburant(fuel)
Systme dair datomisation :
o rupture au niveau de la ligne dair datomisation
o dfaut de systme de purge
o Dfaut du compresseur dair datomisation etc
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CONCLUSION :
Durant ce stage, jai eu loccasion dassister des
applications de quelques thories et de maitriser le travail de maintenance et dexploitation dans la centrale Turbine Gaz de
la Goulette II.
En effet, le travail de contrle et commande de la turbine gaz est indispensable pour la protection du matriel et de lentourage humain. Dans ce cadre, ltude de larmoire de commande MARK 5 ma permis denrichir mes connaissances au niveau de lautomatisme et de la rgulation tout en ayant lesprit de concevoir dautres moyens plus simples.
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