ИнтехЮнион

Автоматизированная система вибродиагностики и контроля механических величин мощных турбоагрегатов «ПУЛЬС»

Четверг, 15 Август 2013 12:09
Оцените материал
(4 голосов)

Проблема повышения надежности и безопасности эксплуатации энергоблоков с минимальными затратами может решаться путем использования средств и новейших информационных технологий диагностирования вибрационного состояния с определением опасных неисправностей.

УДК 621.165; 621.438; 621.224

Шульженко Н.Г., Ефремов Ю.Г. Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков
Ловин В.В, Конаков О.Ю., ЗАО НПО «Аэрокосмоэкология Украины», г. Харьков

 Проблема повышения надежности и безопасности эксплуатации энергоблоков с минимальными затратами может решаться путем использования средств и новейших информационных технологий диагностирования вибрационного состояния с определением опасных неисправностей [1]. В соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей и ГОСТ 25364-97, ГОСТ 27165–97 необходимо контролировать вибрационное состояние мощных турбоагрегатов (ТА) не только по параметрам вибрации опор, а и по параметрам вибрации вала. Автоматизированными системами вибрационной диагностики (АСВД), удовлетворяющими этим требованиям, оснащено не более 10% всех турбоагрегатов электростанций Украины. Остальные 90% существующих штатных АСВД турбоагрегатов осуществляют контроль вибросостояния только по параметрам вибрации опор. Разработка и внедрение технических средств получения информации о вибрационном состоянии агрегатов ТЭС и ТЕЦ, а также технологии диагностирования причин повышенной вибрации с использованием достижений компьютерных технологий является важной задачей, актуальность которой возрастает для агрегатов, отработавших парковый ресурс.

Соответствующая этим критериям система разработана научными сотрудниками отдела вибрационных и термопрочностных исследований ИПМаш им. А. Н. Подгорного НАН Украины совместно со специалистами компании «Аэрокосмоэкология Украины» под брендом «Интех-Юнион».

Система «Пульс» состоит из:

– технических средств контроля вибрации роторов валопровода, и опор подшипников;

– технических средств контроля механических величин;

– средств приема, цифровой обработки, анализа, отображения и хранения данных;

– математического и программно-методического обеспечения автоматизированного контроля и диагностики вибрационного состояния ТА.

В приведенном варианте стойки системы «Пульс» (рис.1) в электротехническом шкафу установлены устройства контроля вибрации опор, теплового расширения цилиндров, частоты вращения ротора, а также рабочая станция оператора на базе промышленного компьютера, система обеспечения бесперебойного питания и блоки защиты ТА.

Устройства контроля механических величин: частоты вращения ротора, осевого сдвига и относительного удлинения ротора, теплового расширения цилиндра, вибрации (биения, искривления) ротора и вибрации опор состоят из вихретокового преобразователя (датчика), модуля формирования механической величины с цифровым индикатором и импульсным источником электропитания. Эти устройства удовлетворяют требованиям действующих стандартов, не уступают аналогичным устройствам известных фирм, а по отдельным метрологическим и эксплуатационным характеристикам превосходят их. Датчики помехоустойчивы к воздействию электромагнитных полей и не требуют настройки на металл объекта, на тип и длину кабеля линии связи, не чувствительны к боковому металлу [2]. 

 

 Датчики допускают одиночные и многократные ударные (импульсные) нагрузки, не вызывающие деформацию корпуса. Выходной сигнал без промежуточных устройств передается по одной экранированной жиле (типа МГШВЭВ) на расстояние до 200 м. Надежность датчиков подтверждена их многолетней опытной эксплуатацией на большом числе электростанций Украины и СНГ. 

Основные характеристики измерительных устройств с бесконтактными вихретоковыми датчиками:

– измеритель размаха относительных виброперемещений от 10 до 1000 мкм в диапазоне частот 1-1000 Гц с погрешностью не более 5 %;

– измерители относительных перемещений в диапазоне 0-5,0 мм или 0-10,0 мм, или 0-30,0 мм с погрешностью не более 5 %;

– измеритель частоты вращения в диапазоне 3-9999 об/мин. Погрешность измерения частоты вращения до 4000 об/мин не более ±1 об/мин, свыше 4000 об/мин не более ±2 об/мин.

В устройствах контроля вибрации опор используется контактный вихретоковый датчик вибрации с ЧМ сигналом на выходе, пропорциональным виброускорению или виброскорости в зависимости от параметров упруго-инерционного элемента и степени его демпфирования. Эти датчики вибрации обладают высокой помехоустойчивостью к воздействию эксплуатационных факторов и потребительскими характеристиками. Приоритет подтвержден патентами на изобретение и полезную модель [3]. Устройство контроля вибрации опор работает в диапазоне измерения СКЗ виброскорости 0,5-16,0 мм/с с дискретностью 0,1 мм/с. Рабочий диапазон частот измерения СКЗ виброскорости 10–1000 Гц. 

Разработанные стационарные устройства контроля и анализа механических величин агрегатов имеют: однотипное схемотехническое решение функциональных преобразователей, что удобно для серийного производства; усилитель-преобразователь ЧМ сигнала с токовихревого датчика (быстродействующий ОУ типа LF357); нормирующий усилитель аналогового сигнала (LF356, OP27); фильтр НЧ с частотой среза 1 кГц (LMV358); модульный импульсный источник питания (PPM05-A-12ZLF), который позволяет работать как от сети переменного тока, так и от резервных источников (АКБ постоянного тока); модуль промышленного интерфейса RS485, протокол MODBUS RTU (MAX13412).

Рис.1 Стойка системы «Пульс»

Все устройства однотипные, различие между ними заключается в установке соответствующего программного обеспечения в микроконтроллер и в подключении соответствующего датчика. Аппаратные средства контроля механических величин и диагностики вибрационного состояния оборудования могут использоваться как автономные измерительные средства, так и в составе диагностических и исследовательских систем. 

Программное обеспечение системы «Пульс» обеспечивает контроль и диагностирование вибрационного состояния ТА на разных режимах его работы (валоповорот, пуск, выбег, холостой ход, нагрузка, работа под нагрузкой).

Для выявления дефектов тепломеханического характера, когда турбоагрегат находится на валоповороте, непрерывно измеряются и записываются в электронный журнал мгновенные значения Sxi(t), Syi(t) сигналов изменения зазора роторов в подшипниках по двум ортогональным направлениям x и y в виде m дискретных значений на каждом обороте валопровода. По дискретным значениям сигналов Sxi(t), Syi(t) после усреднения их за несколько оборотов ротора вычисляется максимальный модуль перемещения Simax (и его фазовый угол), который отображается на мониторе и сравнивается с допустимым. Пуск турбоагрегата во избежание повреждений уплотнений на критических частотах вращения валопровода рекомендовано осуществлять после прогрева ротора и снижения Smax по всем шейкам роторов до уровня, ниже допустимого. Исходя из практики исследований на ТЭС, величина Smax задается до 20 мкм. 

Диагностирование на пусковых режимах направлено на выявление и устранение дефектов ТА теплового и механического характера таких, как остаточный тепловой прогиб, изгиб, технологический дисбаланс и несоосности роторов и опор валопровода. Пределами допустимых уровней вибрации по валу и опорам на пусковых режимах контролируемого ТА задаются реальные среднестатистические зависимости амплитуд виброперемещения (СКЗ виброскорости) от частоты вращения. Эти зависимости формируются по всем контролируемым опорам и роторам ТА. 

Для анализа вибрационного состояния ТА на этапе разгона или выбега используются не частотные, а порядковые спектры (по гармоническим составляющим), которые содержат данные об амплитуде и/или фазе сигнала как функций от номера гармоники частоты вращения. При этом независимо от частоты вращения ТА получаем для контроля спектр гармоник и субгармоник, которые остаются на одном и том же месте по оси номеров гармоник, что  позволяет следить за изменением амплитуд гармоник в процессе разгона ТА.

Система «Пульс» обеспечивает непрерывный нормированный контроль вибросостояния работающего турбоагрегата на эксплуатационных режимах (после нагружения и включения в сеть) в соответствии с требованиями нормативных документов: Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей ГКД 34.20.507-2003, ГОСТ 25364-97 и ГОСТ 27165-97. Эти документы регламентируют допустимую длительность эксплуатации турбоагрегатов в зависимости от уровней и темпу возрастания (плавного, внезапного) вибрации опор подшипников и роторов валопровода. 

На основании проведенных исследований и опыта эксплуатации, для осуществления диагностирования вибросостояния турбоагрегата выявлены основные причины и признаки виброопасных дефектов и установлена взаимосвязь между ними с учетом влияния режимных факторов. Степень влияния режимных факторов на вибрационное состояние ТА учитывается методом переменных коэффициентов [4]. Для повышения достоверности формирования диагностических массивов и трендов вибропараметров в системе АКДВ используется процедура предварительной обработки исходных сигналов, которая направлена на подавление шумов и выбросов, удаление возможных сбоев при оцифровке, фильтрацию и нормирование сигналов. 

Выявление и анализ медленно изменяющееся деформации скручивания валопровода осуществляется по сигналам от разнесенных меток вдоль вала в виде углублений путем периодического мониторинга угла скрутки [5]. Минимально на валопроводе должно быть две метки. А для обеспечения контроля деформации скручивания роторов и их соединительных муфт, необходимо иметь по две метки на каждом роторе валопровода. Контроль деформации скручивания валопровода осуществляется разработанным в ИПМаш НАНУ экспериментальным устройством – фазометром. На вход фазометра подаются сигналы с меток на валопроводе. На выходе фазометр формирует сигнал, пропорциональный деформации скручивания валопровода с разрешением 1 секунда – 1 МВт. Полученный сигнал подается на вход платы АЦП рабочей станции системы АКДВ ТА. Использование фазометра в системе позволило в реальном режиме времени отслеживать деформации скручивания валопровода как во время нагружения, так и в стационарном режиме эксплуатации ТА.

Для вероятностной оценки появления виброопасных неисправностей и нештатных ситуаций сформирована информационно-диагностическая технология и создано программно-методическое и математическое обеспечение. Процесс поиска и выявления виброопасных дефектов выполняется по характерным диагностическим признакам и сформированным диагностическим массивам в соответствии с разработанным программно-алгоритмическим обеспечением информационно-диагностического модуля.

Разработанная технология диагностирования виброопасных неисправностей ТА позволяет выявить, прежде всего, появление виброопасных неисправностей и дефектов, таких как: поперечная трещина в роторе, сосредоточенный дисбаланс ротора, механический прогиб ротора, тепловой прогиб ротора, коленчатость вала, излом оси вала, повреждение в муфтовых соединениях, нарушение устойчивости движения валопровода в подшипниках скольжения. Информационно-диагностический модуль допускает расширение и дополнение новыми признаками, правилами и дефектами. 

В настоящее время, технические средства контроля вибрации опор, тепломеханических величин и программное обеспечение системы «Пульс» проходят опытную эксплуатацию в условиях электростанции.

Внедрение автоматизированных систем вибродиагностики на ТЭС и ТЭЦ повысит безопасность эксплуатации ТА в условиях требований современного энергорынка (на переменных режимах) и позволит продлить срок эксплуатации ТА.

 

Литература

1. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований): монография / Н.Г. Шульженко, П.П. Гонтаровский, Б.Ф. Зайцев. – Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011.–370 с. – Напечатано в России.

2. Помехоустойчивые измерители вибрации и их применение в динамике машин / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Вібрації в техніці та технологіях.– 2005.– № 2. – С. 105–107.

3. Пристрій для вимірювання відстані до струмопроводної поверхні.  /Шульженко М.Г., Мєтєльов Л.Д., Депарма О.В., Єфремов Ю.Г., Цибулько В.Й., Гуров Ю.Н., Чугрєєв А.І. //Патент на корисну модель №31940 від 25.04.08. і Патент на винахід № 92864 від 10.12.2010. Власник ІПМаш НАНУ. 

4. Influence of operational modes of a powerful turboset on its vibrational state / N.G. Shulzhenko and Yu.G. Efremov // Transactions of the Institute of fluid-flow Machinery: selected papers from the International Conference on Turbines of Large Output. – Gdańsk, 2003. – P. 147–153.

5. Методика определения параметров крутильных деформаций роторов турбоагрегатов / Н.Г. Шульженко, Л. Д. Метелев, В.И. Цыбулько, Ю.Г. Ефремов // Датчики и системы.– 2004.– № 1. – С. 30 – 31.

 

Последнее изменение Четверг, 15 Август 2013 12:51
Вы здесь: Главная НИОКР Виброисследования Автоматизированная система вибродиагностики и контроля механических величин мощных турбоагрегатов «ПУЛЬС»