CZ20423U1 - Systém pro bezkontaktní diagnostiku turbíny, zejména jednotlivých lopatek parní nebo plynové turbíny v elektrárnách - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká uspořádání systému pro bezkontaktní diagnostiku turbíny, zejména jednotlivých lopatek parní nebo plynové turbíny v elektrárnách.

Dosavadní stav techniky

Lopatky turbín v elektrárnách se v současné době kontrolují pomocí nedestruktivních diagnostických metod při odstávce turbíny turbogenerátoru. Jejich provozní diagnostika se neprovádí, přitom kontrola lopatek za provozu turbíny je schopna odhalit jejich výchylky nebo uvolnění. Na základě sledování statických odchylek polohy lopatek lze zjišťovat jejich případné praskliny, lze kontrolovat i jejich vibrace, a to sledováním frekvencí kmitů lopatek a jejich odchylek dříve než dojde k havárii turbíny. Při náběhu turbíny se pro její monitorování používají kontaktní metody, na rotor nebo lopatky turbíny se připevní snímače, např. tenzometry. Taková aparatura přenáší signály bezkontaktně z rotoru, ale používá kontaktní snímače, které jsou umístěny v náročných fyzikálních podmínkách teploty, vlhkosti a zrychlení. Kdyby kupříkladu měla být sledována vibrace každé lopatky, muselo by být zapotřebí až 90 snímačů. Životnost takových snímačů je v řádu dnů až měsíců, přitom jejich oprava není možná, znamenala by odstavení turbíny. Nevýhodná je nemožnost měření dynamického sledování turbíny při prohřívacích otáčkách, například o velikosti 1600 ot/min, které jsou velmi blízko nepříznivým otáčkám z pohledu vibrací lopatek turbíny. Ze stávajícího systému měření vibrací a posuvů turbogenerátoru nelze kmitání lopatek rovněž identifikovat. Pro kvalifikované rozhodování k zajištění bezpečného a dlouhodobého provozu tedy chybí informace o dynamickém chování turbogenerátoru.

Podstata technického řešení

Předmětem technického řešení je uspořádání systému pro bezkontaktní provozní diagnostiku turbíny, zejména jednotlivých lopatek parní nebo plynové turbíny v elektrárnách, zahrnující jedno nebo více lopatkových kol. upevněných na společné hřídeli. Podstata technického řešení spočívá v tom, že ve statické části turbíny je vně lopatkového kola po jeho obvodu uspořádán v blízkosti lopatek turbíny nejméně jeden snímač polohy otáčející se lopatky, který je svým výstupem připojen k vyhodnocovací jednotce pro zpracování a ukládání signálů ze snímače o poloze a čase průchodu příslušné otáčející se lopatky a jejích odchylek a zjišťování průhybu lopatek, jejich namáhání, vibrací a spektra kmitání při vibracích. Vyhodnocovací jednotka je připojitelná k počítači, případně modemu nebo displeji.

Pomocí snímačů jsou takto odečítány přesné polohy průchodů lopatek. Polohy jsou vyhodnoceny analogově komparátorem nebo více komparátory, případně digitálně po vzorkování analogově digitálním převodníkem, kdy lze částečně odlišit podle amplitudy kratší a delší lopatky a zpřesnit jejich časové polohy. Z informace o poloze a čase průchodu lopatek a sledování jejich odchylek se zjišťuje průhyb lopatek, jejich namáhání, vibrace a spektrum kmitání při vibracích.

Systém může zahrnovat rovněž přídavný snímač k identifikaci konkrétních lopatek a synchronizaci lopatek, situovaný na hřídeli turbíny. Pro odečítání rozkroucení hřídele, jeho namáhání nebo okamžitého výkonu turbíny je systém uspořádán na nejméně dvou lopatkových kolech resp. sekcích turbíny, kde jednotlivé snímače polohy s hřídelí se otáčejících se lopatek každého lopatkového kola jsou svými výstupy připojeny k vyhodnocovací jednotce.

Snímače jsou vybrány ze skupiny, zahrnující jednoduchou nebo diferenciální cívku, snímací indukční cívku nebo cívky, pracující ve statickém magnetickém poli nebo dynamickém poli, buzeném pomocnou cívkou nebo soustavou pomocných cívek, na principu magnetorezistoru, Hallova jevu, a laserové snímače nebo optické snímače, pracující na principu odrazu paprsku od

-l

CZ 20423 Ul lopatky. Lopatky turbíny jsou zmagnetizovány nebo jsou snímače vybaveny pomocným magnetickým polem, vytvořeným permanentním magnetem, elektromagnetem, nebo jejich kombinací.

Systém umožňuje dynamické snímání poloh lopatek na hřídeli turbíny prostřednictvím vyhodnocení amplitudových a časových diferencí, vyhodnocení trendu odchylek lopatek v čase a podle zátěže, dále vyhodnocení vibrací lopatek na hřídeli, ohybových a torzních kmitů lopatek a hřídele, kmitů při přechodových externích režimech, rozkroucení a prodloužení lopatek vyvolané odstředivou silou a stanovení amplitudy a frekvence jednotlivých lopatek. Umožňuje dlouhodobé sledování vibrací jednotlivých lopatek při najíždění na fázovací otáčky. Z měřených výchylek je možno odhadnout i namáhání lopatek ve vybraných místech za předpokladu kalibrace systému. Je možno stanovit nejméně příznivé režimy z pohledu dynamického namáhání lopatek, v těchto režimech pak mohou být definována omezení pro provoz stroje.

Výhodné je dlouhodobé získávání a ukládání naměřených dat a možnost jejich zpětného vyhodnocení pro různé režimy provozu turbíny. Měření rozšiřuje množství znalostí o naladění lopatek ve skutečných provozních podmínkách, na základě vyhodnocení dat z trvalého monitorovacího systému lze určit problematické oblasti za provozu. Z odchylek oproti výchozímu stavu lze analyzovat provozní režim se zvýšeným namáháním lopatek i případné podezření na počínající poškození lopatky. Existuje možnost vyvedení různých výstrah pro danou fázi při najíždění turbogenerátoru. Lze tedy očekávat snížení rizika ulomení lopatky za provozu turbíny.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže vysvětleno pomocí připojeného výkresu a v následujícím textu podrobněji popsáno. Na výkresu je schematicky zobrazeno základní uspořádání systému pro bezkontaktní diagnostiku turbín se třemi snímači průchodů pohybujících se lopatek turbíny v jejich oblasti, které jsou situovány na plášti resp. ve statické části turbíny a jedním snímačem, situovaným na hřídeli turbíny a sloužícím k identifikaci konkrétních lopatek a synchronizaci lopatek. Je zde schematicky znázorněno osm snímačů ve statické části turbíny.

Příklady provedení technického řešení

Systém pro bezkontaktní diagnostiku turbín sestává z měřené turbíny, snímačů 2 až 4, vyhodnocovací jednotky 5, případně počítače 6, modemu 7, displeje apod.

Pro monitorování dynamických parametrů lopatek oběžných kol parních turbín je využito diagnostiky na principu bezkontaktního snímání průchodů s hřídelí se otáčejících lopatek turbíny, a to pomocí jednoho nebo více snímačů 2, 3,4, umístěných na plášti resp. ve statické části turbíny v blízkosti lopatek, to je vně turbíny. Snímače 2, 3, 4 mohou být tvořeny jednoduchou nebo diferenciální cívkou, snímací indukční cívkou nebo cívkami, pracujícími ve statickém magnetickém poli nebo dynamickém poli, buzeném pomocnou cívkou nebo soustavou pomocných cívek. Mohou snímat diference magnetického pole při průchodech lopatek turbíny na principu magnetorezistoru, případně Hallova jevu. Systém je možné doplnit alespoň jedním dalším přídavným snímačem 1, situovaným na hřídeli turbíny a sloužícím k identifikaci konkrétních lopatek v lopatkovém kole a synchronizaci lopatek.

Snímače 1 až 4 pro měření poloh lopatek pracují na některém z následujících principů:

- Indukčním, kdy jsou tvořeny jednoduchou nebo diferenciální cívkou. Při průchodu lopatky okolo snímače dochází ke vzniku indukovaného napětí v cívce;

- Indukčním, kdy jsou tvořeny nejméně dvěma jednoduchými nebo diferenciálními cívkami. Při průchodu lopatky okolo snímače dochází ke vzniku indukovaného napětí v každé z cívek, které jsou pro zvýšení spolehlivosti použity nezávisle; pro autokalibraci citlivosti může být alespoň do jedné cívky vysílán testovací signál pulsní nebo kontinuální;

-2VZj \JL

- Indukční aktivní, kdy je zde nejméně jedna cívka (jednoduchá nebo diferenciální), do které je přiváděn kontinuální nebo pulsní signál a je sledována jeho amplituda nebo změny frekvence vlivem průchodu lopatky, která ovlivní rozptylové pole snímače;

- Snímací indukční cívky, kdy soustava cívek je sestavena tak, aby byla zvýšena úhlová citlivost 5 snímače a potlačen vliv odchylek vzdálenosti lopatek od snímače;

- Snímací indukční cívka (cívky), pracující ve statickém magnetickém poli nebo dynamickém poli, buzeném pomocnou cívkou nebo soustavou pomocných cívek pro zvýšení citlivosti;

- Snímače, které snímají diference magnetického pole při průchodech lopatek na principu magnetorezistoru, Hallova jevu, pracující ve statickém nebo dynamickém magnetickém poli. Snilo mače mohou pracovat i se zbytkovým magnetickým polem lopatek, nebo mohou být lopatky zmagnetovány pro tento účel;

- Laserové snímače, resp. optické snímače, pracující na principu odrazu paprsku od lopatky.

Jednotlivé snímače 1 až 4 jsou připojeny k vyhodnocovací jednotce 5, která zahrnuje externí nebo interní předzesilovač, nejméně jeden komparátor (více komparátorů slouží pro několik růz15 ných hladin amplitud signálu), soustavu čítačů pro odměřování časových průchodů lopatek turbíny a zobrazovací a archivační jednotku, která zobrazuje, zpracovává a archivuje odečtené hodnoty jednotlivých časových intervalů a dále je podle konkrétních požadavků přenáší pomocí komerčních technologií jako jsou například počítač 6, modem 7, displej a podobně. Čítače jsou nej20 U dalšího z možných provedení tohoto technického řešení je komparátor nahrazen nebo doplněn analogově digitálním převodníkem, signál snímače je vzorkován a zpracován digitálně s cílem zpřesnit odečítání časových okamžiků průchodů lopatek okolo příslušného snímače.

Komparátory a budiče kroucených párů nebo optických linek mohou být přemístěny z důvodu potlačení rušení k předzesilovačům a společně co nejblíže ke snímačům 1 až 4. Analogově digi25 tální převodníky rovněž mohou být přemístěny přímo k předzesilovačům a logický obvod může polohu průchodu lopatky vyhodnocovat buď u analogově digitálního převodníku nebo až ve vyhodnocovací jednotce 5.

Systém je rovněž vhodné doplnit o synchronizační značky na hřídeli turbíny, případně může být osazen na alespoň dvou lopatkových kolech. To umožní vyhodnocovat i rozkroucení hřídele 30 turbíny, kdy vlivem jejích vysokých otáček je hřídel namáhána v krutu natolik, že se jednotlivá lopatková kola úhlově vůči sobě mírně posouvají. V takovém případě jsou jednotlivé snímače 2, 3, 4 polohy s hřídelí se otáčejících se lopatek každého lopatkového kola svými výstupy připojeny k vyhodnocovací jednotce 5, která vyhodnotí úhlový posuv jednotlivých lopatkových kol a zkroucení hřídele.

Lopatky turbíny jsou buďto zmagnetizovány nebo jsou snímače 1 až 4 vybaveny pomocným magnetickým polem, vytvořeným permanentním magnetem, elektromagnetem, nebo jejich kombinací. Pro pomocné magnetické pole může být použito buzení střídavým elektrickým signálem.

Při průchodu lopatky turbíny v oblasti snímače 2 až 4 nese snímač 2, 3, 4 informaci o její poloze a Čase průchodu, která se vyhodnotí buďto analogově pomocí zesilovače a komparátorů, případ40 ně digitálně vzorkováním a vyhodnocením tvaru pulzů. Z informace o poloze a čase průchodu lopatek a sledování jejich odchylek se zjišťuje průhyb lopatek, jejich namáhání, vibrace a spektrum kmitání při vibracích.

V případě, že se tento systém umístí na dvě nebo více sekcí turbíny, lze odečítat i rozkroucení hřídele, jeho namáhání a okamžitý výkon turbíny. Orientaci a určení konkrétní lopatky lze zajistit 45 umístěním přídavného snímače nebo snímačů 1 na hřídel turbíny, například otvoru, výstupku, značky. Zpřesnění lze dosáhnout použitím více značek do několika sektorů po obvodu hřídele. Systém může vysílat i výstražný signál při nebezpečném režimu provozu turbíny.

-3CZ 20423 U1

Signály, které jsou generovány snímači 1 až 4 při průchodu jednotlivých lopatek turbíny a referenčních značek na hřídeli turbíny, jsou zesíleny, komparovány analogově a digitalizovány a následně ve vyhodnocovacích jednotkách 5 zpracovány a ukládány v binární formě jako soubory, nesoucí jednak časové informace s rozlišením 10 ns, a jednak informace o místu vzniku (kanálu) 5 časové události. V řídicím programu je možno nastavit veškeré funkce každého kanálu, jako např. aktivní hranu signálu (náběžná, sestupná nebo obě), dobu necitlivosti na hrany pro potlačení chybových událostí, režim měření nebo testování a další funkce. Řídicí program vyhodnocovací jednotky 5 ukládá data do souborů buď kontinuálně nebo v cyklech s nastavenou délkou bloku a periodou záznamu. Na monitoru je on-line zobrazována informace o četnosti událostí na ίο jednotlivých vstupech, což umožňuje ověřit funkci všech snímačů i jednotlivých kanálů vyhodnocovací jednotky 5. Diagnostický a vyhodnocovací program pro transformaci a analýzu dat zpracuje vždy souvislý blok dat z dostatečného počtu otáček turbíny a provede statistické zpracování dat.

Jako optimální délka bloku pro zpracování se jeví 100 otáček. Blok obsahuje dostatečný počet 15 dat pro analýzu a přitom analyzovaný jev lze považovat za okamžitý a nedojde ke zprúměrování za dlouhý časový interval. Časové údaje, generované průchody lopatek kolem jednotlivých snímačů 2 až 4, jsou transformovány na normované vektory, popisující posloupnost průchodů dané lopatky kolem následných snímačů. Pomocí osmi referenčních značek na hřídeli turbíny se vypočítávají časové diference vůči nejbližší referenční značce, což umožňuje eliminovat nerovnoměr20 nosti otáčení hřídele. Hodnoty se znormují podle aktuálních otáček a obvodu turbíny a provede se korekce na časový posun, způsobený rozdílným tvarem lopatkových impulsů. Časové diference jednotlivých lopatek jsou přepočteny na okamžité odchylky od střední polohy v mm. Data mohou být analyzována z jednoho snímače, použití všech osmi snímačů rozšiřuje frekvenční pásmo z 25 na 200 Hz a dovoluje analyzovat i složky vyvolané otáčením turbíny. Následná fřek25 venční analýza vede k lepšímu oddělení složek spektra. Transformovaná data mohou být exportována jako vektory ASCII, např. ve formátu CSV.

Transformovaná data mohou být analyzována sekvenčně, vždy pro jednotlivou lopatku je proveden požadovaný výpočet (histogram a FFT). V cyklu jsou hledány lopatky s nej vyšší statistickou výchylkou. Pro tyto lopatky (nebo pro obsluhou předvolenou lopatku) je vypočten a zobrazen 30 histogram amplitud lopatek a amplitudová frekvenční funkce FFT v mm. Na základě předchozí kalibrace může být při kmitání lopatky vlastní rezonanční frekvencí proveden odhad namáhání v patě lopatky. Obsluha nemusí do chodu programu zasahovat. V datovém souboru na disku budou uložena data, která budou definovat hranice stanovených mezí. Tato data mohou být obsluhou editována. V případě překročení některé meze, bude tato informace zobrazena na displeji a ulo35 žena do souhrnné tabulky na disku, která může být obsluhou vyvolána.

Ověření funkce softwaru je následující. Při měření je na monitorech vyhodnocovacích jednotek 5 zobrazen údaj o četnosti událostí na jednotlivých vstupech a lze tak kontrolovat správnost funkce snímačů 1, 2, 3, 4 a následných vstupních obvodů. Každý kanál vyhodnocovacích jednotek 5 může být dále softwarově přepnut do testovacího režimu, kdy je namísto měřeného signálu gene40 rován testovací signál. Tak lze prověřit činnost celého softwarového řetězce (případně i hardware včetně snímačů). Ověření softwaru pro analýzu dat je prováděno pomocí specielního datového souboru (simulátoru dat). Navíc zobrazené histogramy výchylek lopatek dávají okamžitý přehled nejen o výchylkách, ale i správné funkci systému včetně softwaru.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (6)

1. 45 1. Systém pro bezkontaktní provozní diagnostiku turbíny, zejména jednotlivých lopatek parní nebo plynové turbíny v elektrárnách, zahrnující jedno nebo více lopatkových kol, upevněných na společné hřídeli, vyznačující se tím, že ve statické části turbíny je vně lopatkového

   -4CZ 2U423 U1 kola po jeho obvodu uspořádán v blízkosti lopatek turbíny nejméně jeden snímač (2, 3, 4) polohy s hřídelí se otáčející lopatky, který je svým výstupem připojen k vyhodnocovací jednotce (5) pro zpracování a ukládání signálů ze snímače (2, 3, 4) o poloze a čase průchodu příslušné otáčející se lopatky a jejích odchylek a zjišťování průhybu lopatek, jejich namáhání, vibrací a spektra kmitání při vibracích.
2. 2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje přídavný snímač (1) k identifikaci konkrétních lopatek a synchronizaci lopatek, situovaný na hřídeli turbíny.
3. 3. Systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pro odečítání rozkroucení hřídele, jeho namáhání nebo okamžitého výkonu turbíny je uspořádán na nejméně dvou lopatkových kolech resp. sekcích turbíny, kde jednotlivé snímače (2, 3, 4) polohy s hřídelí se otáčejících se lopatek každého lopatkového kola jsou svými výstupy připojeny k vyhodnocovací jednotce (5).
4. 4. Systém podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že snímače (1,2, 3, 4) jsou vybrány ze skupiny, zahrnující jednoduchou nebo diferenciální cívku, snímací indukční cívku nebo cívky, pracující ve statickém magnetickém poli nebo dynamickém poli, buzeném pomocnou cívkou nebo soustavou pomocných cívek, na principu magnetorezistoru, Hallova jevu, a laserové snímače nebo optické snímače, pracující na principu odrazu paprsku od lopatky.
5. 5. Systém podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že lopatky turbíny jsou zmagnetizovány nebo jsou snímače (1, 2, 3, 4) vybaveny pomocným magnetickým polem, vytvořeným permanentním magnetem, elektromagnetem, nebo jejich kombinací.
6. 6. Systém podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že vyhodnocovací jednotka (5) je připojitelná k počítači (6), případně modemu (7) nebo displeji.