Новости Электротехники 3(123) 2020





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №3(51) 2008

ГЕНЕРАТОРЫ
Виброакустическая диагностика и ресурсосберегающая эксплуатация

Андрей Назолин, к.т.н., генеральный директор Виктор Поляков,
к.т.н., технический директор ООО НТЦ «Ресурс», г. Москва

В последних номерах журнала большое внимание уделялось вопросам диагностики различных видов электрооборудования в эксплуатации (www.news.elteh.ru).
Сегодня наши московские авторы предлагают рассмотреть методы виброакустической диагностики и ресурсосберегающей эксплуатации генераторов.
Приведенные результаты экспериментальных исследований показывают, что внедрение ресурсосберегающей эксплуатации позволит существенно увеличить надежность и ресурс эксплуатируемых генераторов, особенно турбогенераторов, работающих с неравномерным графиком нагрузки.

КРАТКИЙ АНАЛИЗ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

По данным заводов-изготовителей [1] и исследовательских инженерных центров [2], основными причинами повреждений турбогенераторов, определяющими их надежность и ресурс, являются дефекты крепления следующих элементов статора:

  • крайние пакеты стали;
  • лобовая и пазовая части обмотки статора;
  • сердечник.
Другие узлы, например, контактно-щеточный аппарат, подшипники, уплотнения вала также вносят заметный вклад в показатели надежности, но не определяют ресурс генератора в целом, так как могут быть легко и без существенных затрат восстановлены. Процессы теплового и электрического старения изоляционных конструкций на преобладающих в эксплуатации типах турбогенераторов с водородным охлаждением проявляют себя чрезвычайно слабо [3].
Распушение листов крайних пакетов стали возникает из-за ослабления их прессовки и приводит к усталостному разрушению (выкрашиванию) листов в процессе их вибрации. Вследствие истирания изоляции обмотки обломками стали происходит пробой изоляции, сопровождающийся тяжелым аварийным повреждением статора.
Ослабление креплений лобовой и пазовой части обмотки статора приводит к увеличению числа степеней свободы и повышенной вибрации обмотки, сопровождается истиранием изоляции, повреждением элементарных проводников и пробоем изоляции обмотки. Из-за ослабления креплений сердечника в корпусе статора происходит выкрашивание активной стали в узлах крепления, разрушение сварных швов, ослабление затяжки гаек стяжных призм и разрушение призм. Попадание осколков стали в каналы охлаждения ротора приводит к витковым замыканиям в обмотке ротора, а на изоляцию обмотки статора – к ее истиранию и пробою.
На работающем генераторе узлы крепления элементов статора после перехода в дефектное состояние становятся виброударными системами и возбуждают упругие волны деформаций, которые, распространяясь по конструктивным элементам статора, доходят до обшивки корпуса и там могут быть обнаружены с помощью пьезоэлектрических акселерометров. Это удобно, так как установка датчиков на корпус не является такой проблемной, как размещение датчиков внутри генератора, особенно у турбогенераторов.
В связи с актуальностью проблемы ведутся активные разработки методик обнаружения указанных дефектов, основанных на эмпирическом установлении взаимосвязи дефектов статора с характеристиками спектра виброакустических колебаний корпуса, например, [4]. Недостатком этих методик является неполнота обнаружения дефектов и, как следствие, отсутствие удовлетворительного решения задачи распознавания.

Во многом это связано с ограниченными возможностями эмпирического подхода для анализа работы высоконадежного оборудования. Конкретный исследователь, наблюдающий за ограниченным числом генераторов, встречается с появлением дефектов слишком редко для установления физических связей, подтверждаемых статистикой.

МЕТОД ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАТОРОВ

Поставив цель решить проблему обнаружения и распознавания дефектов креплений элементов статора, авторы пошли по пути создания математической модели динамики статора турбогенератора с дефектами узлов креплений. В модель входит известное описание динамики исправного статора [5] и математические модели динамики дефектных узлов электрической машины [6, 7, 8, 9]. Исследования на разработанной математической модели и экспериментальные исследования позволили найти простые и понятные принципы обнаружения и распознавания дефектов статора. В результате построен алгоритм диагностирования, использующий зависимость мощности виброакустического сигнала от параметров режима работы генератора. Экспериментальные исследования показали высокую эффективность разработанного метода диагностики.
Сущность методики обнаружения и распознавания понятна из приведенных ниже примеров. На рис. 1 показан экспериментальный спектр виброускорений корпуса исправного турбогенератора типа ТВВ-320-2. В спектре преобладают гармоника колебаний оборотной частоты 50 Гц и полюсной частоты 100 Гц. Высокочастотная часть спектра является «чистой». Поэтому мощность сигнала в диапазоне виброакустических колебаний свыше 100 Гц практически равна нулю и не зависит от режима работы генератора.
Ослабление узлов креплений активных частей генератора приводит к их ударному взаимодействию. Возбуждаемые в месте удара волны деформаций конструкционного материала обнаруживаются в спектре акустических колебаний корпуса генератора в виде ряда гармоник, кратных частоте вынуждающей электромагнитной силы, равной 100 Гц.
В случае ослабления креплений сердечника к корпусу статора и появления зазоров в узлах крепления (рис. 2) мощность виброударного взаимодействия с уменьшением реактивной нагрузки также уменьшается из-за снижения индукции рабочего поля машины и вынуждающей силы магнитного притяжения между ротором и статором.
При распушении крайних пакетов стали соударение колеблющихся листов приводит к периодическому возбуждению упругих волн, спектр которых также представляет собой ряд гармоник, кратных частоте вынуждающей силы 100 Гц (рис. 3). Для этого дефекта характерно, что снижение реактивной нагрузки приводит к увеличению мощности виброударного процесса в крайних пакетах и генерируемого ударами виброакустического сигнала. Это объясняется известными [10] закономерностями возрастания аксиального магнитного поля в торцевых частях машины по мере снижения реактивной мощности.
Характерным признаком ослабления креплений обмотки статора и виброударных взаимодействий в узлах ее креплений служит длинный ряд кратных 100 Гц гармоник, мощность которых существенно зависит от температуры обмотки при неизменности других параметров режима (рис. 4). Вид зависимости определяется особенностями дефекта креплений обмотки генератора. Изменение температуры обмотки на генераторе ТВВ-320-2 достигается изменением температуры холодного дистиллята. Кроме того, для распознавания дефектов обмотки используются методы теории распознавания образов.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Виброакустический метод позволяет не только обнаруживать и распознавать дефекты статора, но и определять местоположение дефекта. Всё это повышает техническую эффективность ремонтных работ. Например, по результатам предремонтной виброакустической диагностики было установлено неудовлетворительное состояние креплений лобовых дуг обмотки статора турбогенератора типа ТВВ-320-2. Тем не менее по результатам первичного осмотра выведенного в ремонт генератора их состояние было признано вполне нормальным. Но при повторном и более тщательном осмотре выявились дефекты критического уровня, а именно обрывы шнуровых вязок и истирание дистанционной прокладкой изоляции одного из стержней на глубину 5 мм. Обнаруженные дефекты устранены.
В данном случае с высокой степенью вероятности можно говорить о предотвращении аварии генератора в последующем межремонтном периоде эксплуатации.
Не менее убедительными доказательствами эффективности разработанного метода в части раннего обнаружения и распознавания дефектов статора служат случаи упущенной выгоды вследствие отказа от выполнения рекомендаций по итогам диагностики.
Например, по результатам виброакустической диагностики было установлено неудовлетворительное состояние креплений и распушение крайних пакетов стали статора турбогенератора типа ТВВ-320-2. Были разработаны рекомендации по оптимальным режимам эксплуатации генератора, позволяющим предотвратить разрушение крайних пакетов и устранить с малыми затратами обнаруженный дефект во время следующего планового ремонта. Однако эти реко-

мендации не были приняты, так как были оспорены специалистами, выполнявшими ремонтную диагностику и ремонт крайних пакетов во время предшествующего капитального ремонта. В результате спустя два года, во время останова генератора на следующий капитальный ремонт, были обнаружены обширные разрушения крайних пакетов, недоступные для устранения ремонтными методами. В связи с чем пришлось выполнить замену статора генератора.
В другом случае на одном из турбогенераторов ТВВ-320-2, прошедшем модернизацию, в результате виброакустических испытаний было обнаружено появившееся после модернизации существенное ослабление узлов крепления сердечника к корпусу статора. Разработанные по данным диагностических испытаний рекомендации по оптимизации режимов работы, предотвращающих разрушение узлов, и по усилению узлов крепления ремонтными методами не были выполнены персоналом электростанции в связи с тем, что были оспорены специалистами другой авторитетной организации, проводившей ремонтную диагностику. В результате через полгода эксплуатации в верхней части спинки статора были обнаружены многочисленные осколки элементарных листов стали и капли расплавленного металла, образцы которых приведены на фото 1.
В процессе эксплуатации наблюдалось повышение тока ротора на величину до 6% по показаниям штатных приборов, что указывает на возможное появление витковых замыканий в роторе из-за попадания осколков металла в каналы охлаждения ротора. Следует ожидать попадания осколков металла на изоляцию обмотки статора, то есть дальнейшая эксплуатация этого генератора связана с большим риском.

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Показанные на рис. 2, 3, 4 зависимости служат убедительным доказательством возможности эффективного управления развитием ключевых дефектов генератора посредством изменения параметров режима работы, не влияющих на выдачу активной мощности. Это подбор оптимальных значений реактивной мощности и температур охлаждающих сред с опорой на результаты виброакустической диагностики и измеряемые параметры виброакустического сигнала. Зависимость мощности виброударных процессов от влияющих параметров режима часто носят практически «релейный» характер.
Следовательно, даже незначительные изменения указанных параметров могут привести к полной блокировке развития дефектов и приостановке процесса ускоренного износа. В этом случае неисправности могут быть устранены во время плановых ремонтов практически без снижения ресурса генератора.
Температура охлаждающей среды и реактивная мощность являются удобными влияющими параметрами, так как температура не определяется диспетчерским заданием и может изменяться по воле эксплуатирующего персонала в достаточно широком диапазоне, определенном инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя. Реактивная нагрузка задается диспетчерским графиком нагрузки, но, в связи с имеющимся запасом возможностей генераторов по реактивной мощности, нужная нагрузка дефектного генератора в большинстве случаев может быть установлена перераспределением реактивной нагрузки по параллельно работающим генераторам одной электростанции.
Ресурсосберегающая эксплуатация генераторов с опорой на результаты виброакустической диагностики позволяет формулировать правила и устанавливать оптимальные значения влияющих параметров с учетом только особенностей дефектов генераторов.

Например, распорядительные документы отрасли, а именно циркуляр Ц-06-96 [11], предусматривает наложение ограничений на режимы реактивной мощности генераторов с ослабленной прессовкой крайних пакетов в зависимости от результатов его ремонтного осмотра. В соответствии с требованиями [11] на генераторе, спектр виброакустических колебаний которого показан на рис. 3, было рекомендовано исключить работу в режимах потребления реактивной мощности. Но, как следует из рис. 3, для предотвращения износа крайних пакетов этого недостаточно. Виброударные процессы в крайних пакетах и их износ прекращаются при некоторой минимальной генерации реактивной мощности, имеющей, очевидно, разное для каждого генератора значение. По этой причине следование рекомендациям [11] не позволило остановить развитие процесса распушения крайних пакетов на генераторе. В результате пришлось выполнить замену статора генератора.
Интенсивность аксиального магнитного поля в торцевых частях генератора существенно снижается при разгрузке машины по активной мощности [10], что делает работу крайних пакетов стали в режимах недовозбуждения более устойчивой. Как видно на рис. 3, разгруженный генератор с ослабленной прессовкой крайних пакетов может допускать некоторое потребление реактивной мощности без ущерба для его надежности. В то же время преимущественно при разгрузке энергосистемы и возникает потребность работы генераторов в режиме недовозбуждения для поддержания требуемого уровня напряжения.
Таким образом, рекомендации циркуляра Ц-06-96 по оптимизации режимов работы генераторов с ослабленной прессовкой сердечника статора не являются оптимальными. С одной стороны, они не предотвращают разрушение крайних пакетов в режимах работы с номинальной нагрузкой. С другой стороны, не используются технические возможности генератора по потреблению реактивной мощности в случае его разгрузки.
Для обеспечения надежной работы турбогенераторов с ослабленной прессовкой активной стали и предотвращения износа листов крайних пакетов оптимизацию реактивной мощности необходимо проводить по параметрам виброакустического сигнала, измеренным при работе генератора под нагрузкой.
Внедрение методов, обеспечивающих сбережение технического ресурса генераторов, особенно актуально в настоящее время, когда в связи с переходом на рыночные принципы производства электроэнергии увеличилась степень неравномерности суточного графика нагрузки турбогенераторов. Это, по наблюдениям авторов, приводит к расшатыванию и ускоренному ослаблению системы крепления лобовых дуг обмотки статора. Скорость износа узлов креплений существенно увеличивается. Происходит более интенсивное, чем обычно, истирание элементов креплений и изоляции стержней обмотки. Например, на турбогенераторе ТВВ-320-2, пущенном в эксплуатацию в 1988 году, первые признаки незначительного истирания изоляции опорных конструкций лобовых дуг были обнаружены во время капитального ремонта 1998 года в виде двух точек незначительного напыления продуктов истирания в местах касания бандажных колец и кронштейнов крепления лобовых дуг. В 2002 году имелась только одна точка истирания со слабой запыленностью. В капремонте 2007 года выявлено уже 10 точек истирания, многие из которых имеют обильную степень запыления (фото 2). Подобные признаки прогрессирующего ослабления креплений лобовых дуг замечены и на других электростанциях, где авторами проводилась виброакустическая диагностика генераторов. На всех генераторах интенсивное ослабление креплений происходило начиная приблизительно с 2002 года, независимо от срока их службы [12].
По-видимому, проблема ослабления креплений лобовых дуг в ближайшее время станет столь же очевидной и актуальной, как и проблема распушения крайних пакетов при работе генераторов в режимах недовозбуждения. В настоящее время отсутствуют эффективные ремонтные технологии локального восстановления монолитности узлов крепления лобовых дуг. Поэтому своевременная организация ресурсосберегающей эксплуатации на основе непрерывного виброакустического контроля является наиболее эффективным и доступным способом технического противодействия ускоренному износу обмоток статоров турбогенераторов, находящихся в эксплуатации.
Данные, приведенные на рис. 4, служат убедительным доказательством возможности эффективного управления скоростью развития процесса ослабления креплений лобовых дуг обмотки статора, так как в этом случае зависимость мощности процесса ускоренного износа от влияющих параметров режима носит практически «релейный» характер.
Ресурсосберегающая эксплуатация генераторов способна обеспечить экономический эффект, многократно превосходящий затраты на ее организацию и существенно больший, чем периодический виброакустический контроль. Для эффективной реализации ресурсосберегающей эксплуатации необходимо оснащение генератора стационарными техническими средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики, предназначенными для работы с эксплуатационным персоналом. Такое устройство должно обеспечивать оповещение эксплуатационного и ремонтного персонала о появлении дефектов статора и выдавать рекомендации по оптимальным режимам эксплуатации генератора, снижающим скорость развития дефекта (оптимальная реактивная мощность, температуры охлаждающих сред). Программно-технический комплекс виброакустического мониторинга дефектов статора, соответствующий заявленным требованиям, разработан в НТЦ «Ресурс» и включает в себя виброакустические датчики, подключенные к блоку обработки данных, реализованному на промышленном компьютере.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ

Решение задач диагностирования и прогнозирования предполагает оценку степени механического износа активных частей генератора. Степень износа зависит от мощности виброударных процессов и времени их протекания, то есть связана с энергией виброакустического сигнала, генерируемого в процессе ускоренного износа. Расчет энергетических параметров обеспечивается при оснащении генератора стационарными средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики.
Кроме того, важность виброакустического метода диагностики состоит в том, что он дополняет пакет известных методов оперативной диагностики генераторов до уровня, на котором можно реально ставить и успешно решать задачу перехода от плановых периодических ремонтов к ремонтам по состоянию с обеспечением существенного сокращения затрат на ремонтное обслуживание генераторов.

ВЫВОДЫ

1. Ресурсосберегающая эксплуатация включает в себя проведение виброакустической диагностики эксплуатируемых генераторов, которая требует оснащения стационарными средствами непрерывного виброакустического контроля и диагностики генераторов, имеющих признаки ускоренного износа конструктивных элементов, и последующей оптимизации режимов работы генератора с опорой на данные виброакустического контроля по критерию достижения минимальной скорости износа. Оптимизация режимов проводится оперативным персоналом энергоблока в основном регулированием температур охлаждающих сред и перераспределением реактивной мощности по генераторам.
2. Экспериментальные исследования показывают, что внедрение ресурсосберегающей эксплуатации позволит существенно увеличить надежность и ресурс эксплуатируемых генераторов, особенно турбогенераторов, работающих с неравномерным графиком нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилевич Я.Б., Кади-Оглы И.А., Попов В.В. Своевременная диагностика и модернизация оборудования на ее основе – первоочередная задача отечественного турбогенераторостроения // Труды международного симпозиума «ЭЛМАШ – 2006», Т.1. – М.: МА «Интерэлектромаш», октябрь 2006.
2. Алексеев Б.А., Мамиконянц Л.Г., Шакарян Ю.Г. Проблемы продления эксплуатации основного электрооборудования энергосистем, отработавшего определенный стандартами срок работы // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2001. – № 3.
3. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах. – М.: Энергоиздат, 1981.
4. Кузнецов Д.В., Шандыбин М.И. Применение методов виброконтроля для оценки состояния упругой подвески сердечника статора турбогенератора // Электрические станции. – 2007. – № 10.
5. Фридман В.М., Шкода Г.В., Школьник В.Э. Колебания статора турбогенератора, связанные с вращающимся магнитным полем // Сб. «Электросила» – Л.: Энергия, 1974. – № 30. – С. 17–21.
6. Назолин А.Л. Математическое моделирование влияния неидеальных связей в упругой подвеске машины на передачу вибрации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». – 2004. – № 3.
7. Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброударные режимы движения в дефектном узле подвески сердечника статора мощного генератора // Сборник трудов XV симпозиума «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем». – Москва–Звенигород: РАН–ИМАШ им. А.А.Благонравова. – 2006. – С. 200–205.
8. Назолин А.Л. Математическая модель виброударного процесса в системе консоль – многослойное упругое основание с фрикционными свойствами // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». – 2004. – № 4.
9. Назолин А.Л., Поляков В.И. Особенности вынужденных колебаний системы сердечник – упругая связь – корпус турбогенератора при дефекте ослабления жесткости подвески // Вестник ННГУ. Сер. «Математическое моделирование и оптимальное управление». – 2004. – № 1(27).
10. Вольдек А.И., Данилевич Я.Б., Косачевский В.И., Яковлев В.И. Электромагнитные процессы в торцовых частях электрических машин. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
11. Циркуляр Ц-06-96 «О повышении надежности турбогенераторов мощностью 100–800 МВт, работающих в режимах недовозбуждения». – М.: Департамент науки и техники РАО «ЕЭС России», 1996.
12. Назолин А.Л., Поляков В.И. «Виброакустическая диагностика статора турбогенератора. Основные принципы и результаты применения» // Совершенствование организации эксплуатации и повышение надежности турбогенераторов: Сб. докл. технического семинара, Москва, 4–6 октября 2005 г. – М.: ОРГРЭС, 2005.





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2020