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Interdisziplinäre Prozessautomatisierung optimiert Wasserkraft

01  Über 50 Jahre nach seinem Bau wurde das Wasserkraftwerk im Box-Canyon-Damm modernisiert. Eine leistungsfähige Automatisierungslösung erhöht den Wirkungsgrad und reduziert die Betriebskosten

02 Das Prozessautomatisierungssystem Plantpax nutzt die Produkte der Integrated Architecture, welche die Verwendung der unterschiedlichsten Automatisierungsdisziplinen in einer einzelnen Architektur ermöglicht

03  Die offene, universelle Steuerungsplattform ist ein werkweites Steuerungs- und Informationssystem der nächsten Generation, das sich ­nahtlos in Herstellerausrüstungen inte­grieren lässt – auch stufenweise, wie bei der Umrüstung der einzelnen Turbinen des Wasserkraftwerks

04 Mit Factorytalk Asset Centre haben Unternehmen ein Tool zur Hand, mit der sie die Zuverlässigkeit ihrer Instrumentierung steigern können

Schon seit 1956 wandelt der Box-Canyon-Damm mit seinen vier Maschinensätzen die Strömung eines schmalen Abschnitts des Pend Oreille, des zweitgrößten Flusses des US-Bundesstaats Washington, in Energie um. Die ursprünglichen mechanischen Stellvorrichtungen und hydroelektrischen Ausrüstungen befanden sich auch über 50 Jahre nach ihrer Installation noch im Einsatz, darunter die vier Turbinen, die Generatoren und die Hilfsausrüstungen. Um bei der Modernisierung die Anforderungen von integrierter Steuerung über Reporting in Echtzeit bis hin zu Anlagensicherheit zu erfüllen, war eine leistungsfähige, übergreifende und übersichtliche Automatisierungslösung erforderlich.

Der Pend Oreille County Public Utility District ist der Erbauer und der Betreiber des Box-Canyon-Damm (Bild 1). Derzeit versorgt er mit seiner Leistung von 80 MW 8.500 Kunden mit Strom aus erneuerbarer Energie. Während die meisten größeren Wasserkraftwerke ihre Elektrizität durch kontrolliertes Ablassen von Wasser erzeugen, das mittels eines Damms aufgestaut wird, treibt bei dem Laufwasser­kraftwerk Box Canyon die Wasserströmung des Oberlaufs die Tauchturbinen an. Trotzdem ist eine genaue Regelung erforderlich, um das sensible Gleichgewicht zwischen optimaler Elektrizitätserzeugung und dem Schutz des natür­lichen Ökosystems zu wahren.
Auf der einen Seite begünstigen hohe Fließgeschwindigkeiten die Stromerzeugung aus Wasserkraft, da sie die Turbinen antreiben, die wiederum die zur Stromerzeugung dienenden Generatoren bewegen. Auf der anderen Seite liegen unterhalb des Box Canyon staatlich geschützte Flächen, die keinesfalls überflutet werden dürfen. Zudem locken dort öffentliche Parks jährlich zahlreiche Besucher in die Gegend. Deswegen kontrollieren die Betreiber der Talsperre Box Canyon ständig den Wasserdurchfluss des Kraftwerks sowie den Flusspegel unterhalb der Anlage.

Veraltete manuelle Anpassung des Durchflusses
Das Gleichgewicht zwischen ­Betrieb und Umwelt wurde am Box-Canyon-Damm bislang größtenteils manuell austariert. Die durchschnittliche Durchflussrate in Box Canyon beträgt knapp 750 m 3 /s, kann aber durch die Schneeschmelze im Frühling und frühsommerliche Regenfälle auf 2.300 m 3 /s oder mehr ansteigen. Bei solchen seltenen Spitzenwerten stoppt das Bedienpersonal die Turbinen und öffnet die hydraulischen Schleusen­tore des Damms, sodass der rauschende Strom durch die Überlaufrinnen abfließen kann.
Weit weniger dramatisch fallen die täglichen Schwankungen des Fluss­pegels aus, auch wenn durchaus erhebliche Änderungen möglich sind. Mit den Informationen über die Durchflussrate und den Flusspegel steuerten die Betreiber den Wasserfluss durch den Damm, indem sie die Leitschaufeln der Turbinen anpassten – große Tore, die Wasser in die Turbinen einfließen lassen. Ziel ist es, die Energieerzeugung möglichst nah am Spitzenwert zu halten, gleichzeitig aber für möglichst stabile Flusspegel zu sorgen.
Die kritischen Daten, die für den Energieerzeugungsprozess relevant sind, wurden in der Vergangenheit großenteils auf manuellem Weg erfasst. Da es kein elektronisches Netzwerk zur Weiterleitung der Daten gab, mussten diese von den Verantwort­lichen in Excel-Tabellen eingetragen, ausgedruckt und anschließend den anderen Abteilungen zur Verfügung gestellt werden. Die Mitarbeiter der Einkaufsabteilung etwa nutzen die monatlichen Trenddaten als Hilfestellung bei der Berechnung der Stromlieferverträge. „Eigentlich waren alle unsere Systeme veraltet“, sagt Terry Borden, Manager of Hydro Production in Box Canyon.
Als die Verlängerung der Lizenz für die Talsperre Box Canyon um weitere 50 Jahre beantragt wurde, bestand die Federal Energy Regulatory Commis­sion auf Modernisierungsmaßnahmen, die den aktuellen, staatlichen Vorgaben entsprechen. „Was wir brauchten war eine moderne Automatisierungslösung, um all unsere Anforderungen von integrierter Steuerung über Reporting in Echtzeit bis hin zu Anlagensicherheit zu erfüllen“, so T. ­Borden.

Moderne Prozessautomation erhöht die Effizienz
„Wir hatten bereits in vier Steuerungen des Typs Allen-Bradley SLC investiert, mit denen das Leitschaufel-Regulierungssystem der vier Turbinen ausgestattet wurde. Somit konnten wir bereits Erfahrungen mit Rockwell Automation sammeln“, erläutert T. Borden und ergänzt: „Aufgrund unserer Tätigkeit in der Energiewirtschaft waren uns auch die Innovationen bekannt, die Rockwell Automation für die besonderen Anforderungen von Wasserkraftwerken entwickelt hatte.“. Deswegen war für sein Team schon früh klar, dass sie Rockwell Automation mit der Lieferung der für das Kraftwerk benötigten umfassenden Steuerungslösung beauftragen würden.
Das Energieversorgungsunternehmen des Bezirks Pend Oreille entschied sich für das Prozessautomatisierungssystem Plantpax (Bild 2). Diese integrierte Steuerungs- und Informationslösung kombiniert die Fähigkeiten eines Prozessleitsystems mit einem umfassenden Zugriff auf Prozessinformationen und trägt so zur anlagenweiten Optimierung bei. Die skalierbare, interdisziplinäre Plattform kommt jenen Anwendern entgegen, die eine Kombination aus Prozess- und Ablaufsteuerung benötigen, um die Gesamt-Betriebskosten zu senken und die ganze Anlage im Blick zu haben. Die Implementierung der Plantpax -Lösung im Box Canyon ­erfolgte stufenweise zusammen mit dem Rest des 150-Millionen-Dollar-Projekts. Denn um weiterhin Elektrizität erzeugen zu können, müssen drei der vier Turbinen/Generatoren immer laufen. Nachdem die erste Einheit umgerüstet wurde, befindet sich derzeit die zweite in Arbeit (Bild 3). Zum Arbeitsumfang gehört die komplette Demontage bis auf das Betonfundament. Anschließend werden die neue Turbine und der neue Generator mitsamt den neuen Schalteinrichtungen, Relaisschutzsystemen, Pumpen und Rohren eingebaut.

Informationen schnell verfügbar gemacht
Zur Plantpax -Lösung gehören für jede Einheit zwei speicherprogrammierbare Automatisierungssteuerungen des Typs Allen-Bradley Controllogix . Eine steuert das Turbinenregelungs-System, während die andere für allgemeine Steue­rungsaufgaben und Hilfspumpen sowie das Anhalten und Starten der Generatoren verwendet wird. In der Leitwarte kann das Personal an mehreren Bedienplätzen mit der Factorytalk View Supervisory Edition über Ethernet/IP wichtige Informationen und Diagnosedaten abrufen. Die Software Factorytalk SE Server bündelt für die Mensch-Maschine-Schnittstelle die Daten aus den Maschinensätzen und gibt den Bedienern in Box Canyon die Möglichkeit, System­parameter, wie Flusspegel und Durchflussraten, zentral zu überwachen und zu koordinieren. Factorytalk Historian SE stellt zentralisierte Daten-, Ereignis- und Alarmdatenbanken bereit.
„Die Architektur des Plantpax -Systems ermöglicht über Ethernet/IP außerdem die Kommunikation der programmierbaren Automatisierungssteuerungen mit Ausrüstungen von Drittherstellern, sodass wertvolle Informationen umgehend für alle Personen verfügbar sind, die sie benötigen”, so T. Borden.

Wirkungsgrad erhöht und Betriebskosten reduziert
Das neue System hat durch die präzisere Überwachung der Maschinensätze dazu beigetragen, den Wirkungsgrad der Elektrizitätserzeugung des Kraftwerks zu steigern. Außerdem kann das Bedienpersonal mögliche Probleme wie etwa zu hohe Generatortemperaturen oder eine mangelnde Durchflussrate im Kühlsystem frühzeitiger erkennen und beheben. „Wir gehen davon aus, dass die verbesserte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlage zu einer Senkung der Betriebskosten führen wird, sobald das Projekt abgeschlossen ist“, erklärt T. Borden. „Das Personal wird außerdem zusätzliche Instandhaltungsmaßnahmen durchführen können, für die jetzt die Zeit fehlt.“
Doch bereits jetzt profitiert der Box-Canyon-Damm von den Vorteilen der automatischen Datenerfassung durch das Plantpax -System. „Dank der nahtlosen Zusammenarbeit der Contollogix -Steuerung und der Factorytalk-Software können wir mehr Echtzeitinformationen erfassen, um sie für künftige Analysen und Trendbestimmungen zu archivieren“, sagt T. Borden. „Darüber hinaus werden System­daten automatisch an eine Datenbank im Firmennetzwerk übermittelt. Anstatt Ausdrucke überbringen zu müssen, haben andere Abteilungen hierdurch ganz einfach Zugriff auf die Informationen.“
Die Datensicherheitsoptionen der Factorytalk Asset Centre-Software (Bild 4) ermöglichen zudem die direkte Berichtserstellung und Dokumentation, wie es die Vorschriften für den Schutz kritischer Infrastrukturen der North American Electric Reliability Corporation (NERC CIP) vorsehen.

Zukunftsaussichten
Nach Abschluss des Modernisierungsprojekts beabsichtigen T. Borden und sein Team, die Fernüberwachungsfunktionen des neuen Prozessleitsystems in vollem Umfang zu nutzen. Das Energieversorgungsunternehmen betreibt nämlich eine kleinere Talsperre und Pumpsta­tionen außerhalb von Box Canyon und plant die Anbindung an das Scada-System des Unternehmens zu verbessern. Dazu T. Borden: „Unsere neuen Prozessleitfunktionen werden die Überwachung und Bedienung entfernter Standorte von einer zentralen Leitstelle aus ermöglichen, sodass Lohn- und Fahrtkosten gespart werden können.“
Auf der Agenda des Unternehmens steht ferner der Bau einer Fischauf- und -abstiegsanlage, dank der Flusssaiblinge und andere Arten den Damm in beiden Richtungen passieren können. „Für dieses umfangreiche Projekt ist eine automatisierte Steuerung erforderlich, und wir werden dabei höchstwahrscheinlich wieder mit Rockwell Automation zusammenarbeiten“, so T. Borden. „Die hohe Qualität der Produkte und der hervorragende Support durch das Unternehmen, ob vor Ort oder durch die Zentrale in Milwaukee, haben uns überzeugt.“ (no)

Durchgängige Automatisierungslösung

Das Prozessautomatisierungssystem Plantpax nutzt die Produkte der Integrated Architecture von Rockwell Automation , welche die Verwendung der unterschiedlichsten Automatisierungsdisziplinen in einer einzelnen Architektur ermöglicht. Definierte Systemarchitekturen sowie standardisierte System­elemente reduzieren das Risiko von falsch dimensionierten Systemen. Neben der Integration von Feldgeräten in die Prozessanwendungen ermöglicht Plantpax auch eine nahtlose Integration von Motorsteuerungseinrichtungen zur Verbesserung der Systemleistung. Seit Anfang diesen Jahres gibt es eine neue Version, die unter anderem erweiterte Funktionen für eine einfachere Bedienung sowie neue Werkzeuge zur Projekt-Implementierung und Virtualisierung des Systems bietet. Mit Factorytalk Asset Centre haben Unternehmen ein Tool zur Hand, mit dem sie die Zuverlässigkeit ihrer Instrumentierung steigern können. Die Software schützt, verwaltet und verfolgt automatisierungsrelevante Ressourcendaten. Zudem lassen sich im gesamten Unternehmen Versionskontrollen durchführen und entsprechende Berichte erstellen. Auf diese Weise wird die aufgrund behördlicher Vorschriften nötige Berichterstattung vereinfacht.

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Autor: Norbert Nohr ist Sales Manager Process Automation bei Rockwell Automation in Haan.