WO2018103863A1 - Verfahren zum betrieb einer elektrischen rotationsmaschine, insbesondere eines turbogenerators - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer elektrischen rotationsmaschine, insbesondere eines turbogenerators Download PDF

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Björn Grützner
Claus Rohr
Dagmar Thien
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    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/20—Special adaptation of control arrangements for generators for steam-driven turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a rotary electric machine, in particular a turbo-generator.
  • Electric machines can be operated by motor and / or generator.
  • Rotating electric machines or rotary electric machines include various types of electric motors and electric generators.
  • a turbo-generator also called a full-pole machine, is understood to mean a type of synchronous generator which is predominantly driven by high-pressure gas or steam turbines.
  • the combination of the turbogenerator and the turbine is called a turbo set.
  • the main area of application lies in the area of medium to large thermal power plants such as coal or nuclear power plants for the production of electrical energy.
  • turbogenerators in power plants are more frequently required to have flexible operation and flexible maintenance.
  • the usual basic and medium-load driving with high annual number of operating hours is being replaced more and more by peak load driving with short operating times.
  • the economic basis for high investments in a new power plant or in a complete retrofit is lost.
  • the object of the invention is to show ways how the operation of such rotary electric machines can be improved.
  • the object of the invention is achieved by a method for operating a rotary electric machine, in particular turbogenerator, with the steps: - Assigning physical aging mechanisms to
  • the method breaks down the technically complex operational risk of electrical rotary machines into individual risks and single fault types, links the individual faults to physical aging mechanisms, and dynamically evaluates these risks for different scenarios for maintenance and operation. This allows manufacturers of rotary electric machines as well as power plant operators a quantitative comparison of scenarios of varied maintenance and mode of operation with the help of direct and dynamic failure risks of individual components of the rotary electric machine and the rotary electric machine itself can be calculated.
  • a combination of online diagnostics, customer service including standstill measurements, empirical and analytical data from the design for the derivation of statements is provided.
  • a formulation of dynamic life counters is provided for each action that reflects the maintenance performed. It also provides an iterative assessment of different scenarios with direct output of financial profit and financial risk for each scenario. Furthermore, a comprehensible argument is provided by increasing the confidence of risk statements by load factor comparison and comparison with empirical data.
  • the method enables a detailed quantitative assessment of the technical and economic priority of maintenance operations and operations of rotary electric machines, and thus a potential for optimizing the operator's profitability.
  • risk classes are formed by a classification into value ranges via a proportional function.
  • Classification (even class division) means that values or statistical series are divided into separate groups, classes or size classes. be divided. Thus, groups can be determined for different risk values and treated in groups.
  • a comparison of an actual state of the respective lifetime counter with the risk classes is carried out.
  • it can be determined with regard to which components a particularly high need for action exists.
  • forecast data sets concerning availability of components of the rotary electric machine and the rotary electric machine are provided. Thus, maintenance and / or revision work can be scheduled very easily and efficiently.
  • the invention includes a computer program product for carrying out such a method and a device, such as a computer, with such a computer program product.
  • FIGURE shows a sectiondia- program of an embodiment of the method.
  • the method is for the maintenance and / or revision of a rotary electric machine, such as e.g. a turbogenerator, and provides a quantitative risk statement for all components and assemblies of the rotary electric machine and for the rotary electric machine itself ready to schedule maintenance and / or revision work.
  • the method may be performed on a device, such as a computer.
  • the device may have hardware and / or software components for this purpose.
  • a first step S1000 an inspection and / or maintenance of components of the rotary electric machine is started.
  • sets which in the present embodiment is a turbo-generator.
  • step S100 the scheduled revision is carried out after a predetermined number of operating hours or years.
  • step S1200 physical influencing variables that are relevant for a due date of a test of the components of the rotary electric machine are determined.
  • physical aging mechanisms are assigned to failure modes of components of the rotary electric machine which require a test, a repair or an exchange of the respective component.
  • an individual life counter is determined for each test or action concerning each component of the rotary electric machine. For this purpose physically derived lifecycle counts for the respective failure modes and components are derived.
  • load factors for the operating states of the components are determined, e.g. by performing electrical and / or mechanical calculations.
  • ranges of values for the respective life counters are formed.
  • ranges of values are determined in which the lifetime counts can be located.
  • the load factors for each component are used.
  • risk classes are formed.
  • a classification into ranges of values controlled by a proportional function maps the change in the default risk of the respective component.
  • a comparison of the actual state of the respective lifetime counter with the risk classes is performed. This allows in a further step S1700 a determination of past, present and future risks for the failure of the respective component by evaluating the calibrated proportional function.
  • implementations of measures and future operation of the components are planned or scheduled.
  • a dynamic adaptation of each lifetime counter takes place on the basis of the measures and mode of operation determined in the previous step S1800. For this dynamic lifetime counts are determined, which the use of the electric rotary machine
  • step S1600 when carrying out the comparison.
  • step S2000 a technical and / or commercial comparison of various operating models as a function of operation and maintenance is carried out in order to provide a quantitative risk statement for all components, assemblies and the electrical rotating machine. For this purpose, dynamic default risks are determined for each individual component as a function of dynamic lifetime count variables.
  • the steps S1000 to S1500 can be regarded as steps of an initialization procedure which are carried out only once, at the beginning of the method, while the further steps S1600 to S2000 are executed several times in succession. n
  • sequences can also be different, e.g. Different steps can be carried out simultaneously or simultaneously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit den Schritten: - Zuordnen von physikalischen Alterungsmechanismen zu Versagensmodi von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine (S1300), - Bestimmen von physikalisch hergeleiteten Lebensdauerzählgrößen für die jeweiligen Versagensmodi und Komponenten (S1400), - Bestimmen von Wertebereichen, in welchen sich die Lebensdauerzählgrößen befinden können (S1500), - Dimensionieren der Wertebereiche durch elektrisch und/odermechanische Berechnung, welche jedem Betriebszustand einen lebensdauerverbrauchenden Lastfaktor zuordnet (S1700), - Ermitteln von dynamischen Lebensdauerzählgrößen, welche die Nutzung der elektrischen Rotationsmaschine und/oder durchgeführte Wartungsmaßnahmen an der elektrischen Rotationsmaschine berücksichtigen (S1900), und - Ermitteln von dynamischen Ausfallrisiken für jede Einzelkomponente in Abhängigkeit von dynamischen Lebensdauerzählgrößen (S2000).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere eines Turbogenerators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere eines Turbogenerators . Elektrische Maschinen können motorisch und/oder generatorisch betrieben werden. Zu rotierenden elektrischen Maschinen bzw. elektrischen Rotationsmaschinen zählen verschiedene Typen von Elektromotoren und elektrischen Generatoren. Unter einem Turbogenerator, auch Vollpolmaschine genannt, wird eine Bauart eines Synchrongenerators verstanden, der vorwiegend von schneiHäufenden Gas- oder Dampfturbinen angetrieben wird. Die Kombination des Turbogenerators und der Turbine wird als Turbosatz bezeichnet. Der hauptsächliche An- wendungsbereich liegt im Bereich mittlerer bis größerer Wärmekraftwerke wie Kohle- oder Kernkraftwerke zur Gewinnung von elektrischer Energie.
Im Zuge der Energiewende werden an Turbogeneratoren in Kraft- werken häufiger die Anforderung des flexiblen Betriebs und die der flexiblen Wartung gestellt. Die bisher übliche Grund- und Mittellastfahrweise mit hoher jährlicher Betriebsstundenzahl wird mehr und mehr durch Spitzenlastfahrweise mit kurzen Betriebszeiten ersetzt. Die betriebswirtschaftliche Basis für hohe Investitionen in einen Kraftwerksneubau oder in ein komplettes Retrofit geht verloren.
Kraftwerksbetreiber verschieben hohe Investitionen und suchen nach technischen Entscheidungshilfen für einen ökonomischen Weiterbetrieb bestehender Anlagen in Spitzenlastfahrweise mit hoher Flexibilität. Für dieses Problem wurde eine Methodik zum quantitativen Vergleich von Betriebsmodellen entwickelt, welche die Auswirkungen der Betriebsweise auf den Alterungs- zustand, die Ergebnisse von diagnostischen Untersuchungen sowie durchgeführte Wartungsmaßnahmen kombiniert. Ziel der Methodik ist, die Granularität von Risikobeurteilungen so weit zu erhöhen, dass Investitionsentscheidungen individuell auf Komponenten- oder Baugruppenbasis getroffen werden können.
Nach bisherigem Stand der Technik werden üblicherweise jene Komponenten von Turbogeneratoren, die im Betrieb altern, qualitativ anhand von Befunden visueller und elektrischer
Prüfungen und anhand von Erfahrungswissen beurteilt. Es wird dann eine qualitative Gesamtaussage zum Stand der Alterung der Maschine und eine Empfehlung zur Fahrweise in der kommenden Betriebsperiode gegeben. Die qualitative Gesamtaussage ist nach bisherigem Stand noch nicht in Beiträge einzelner Risiken von Komponenten auflösbar, so dass vor allem eine kaufmännische Bewertung von Investitionsmaßnahmen zur Instandsetzung von Komponenten noch nicht darstellbar ist. Auch die Rückwirkung einer veränderten Fahrweise auf die fortschreitende Alterung, oder auf die Schonung von Komponenten, wird nicht quantitativ erfasst.
Aufgabe der Erfindung ist es, Wege aufzuzeigen, wie der Betrieb derartiger elektrischer Rotationsmaschinen verbessert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere Turbogenerator, mit den Schritten: - Zuordnen von physikalischen Alterungsmechanismen zu
Versagensmodi von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine ,
Bestimmen von physikalisch hergeleiteten
Lebensdauerzählgrößen für die jeweiligen Versagensmodi und Komponenten, Bestimmen von Wertebereichen, in welchen sich die
Lebensdauerzählgrößen befinden können,
Dimensionieren der Wertebereiche durch elektrisch
und/oder mechanische Berechnung, welche jedem Betriebszustand einen lebensdauerverbrauchenden Lastfaktor zuordnet ,
Ermitteln von dynamischen Lebensdauerzählgrößen, welche die Nutzung der elektrischen Rotationsmaschine und/oder durchgeführte Wartungsmaßnahmen an der elektrischen Rotationsmaschine berücksichtigen, und
Ermitteln von dynamischen Ausfallrisiken für jede Einzel- komponente in Abhängigkeit von dynamischen
Lebensdauerzählgrößen .
Mit dem Verfahren wird das technisch komplex zusammengesetzte Betriebsrisiko von elektrischen Rotationsmaschinen in Einzel- risiken und Einzelfehlerarten zerlegt, die einzelnen Fehler mit physikalischen Alterungsmechanismen verknüpft, und diese Risiken entsprechend für verschiedene Szenarien für eine Wartung und Betriebsweise dynamisch ausgewertet. Dies erlaubt Herstellern von elektrischen Rotationsmaschinen wie auch Kraftwerksbetreibern einen quantitativen Vergleich von Szenarien variierter Wartung und Betriebsweise mit dessen Hilfe direkt und dynamisch Ausfallrisiken einzelner Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine und der elektrischen Rotationsmaschine selbst berechnet werden können.
Es werden alle Arten von Daten, welche zur Zustandsbewertung herangezogen werden können, auf eine einzige einheitslose Recheneinheit normiert. Auf diese Weise können Messwerte, analytische Rechnungen, empirische Größen sowie persönliches Er- fahrungswissen über alle Komponenten hinweg miteinander zu
Ausfallrisiken verrechnet werden. Ferner werden Faktoren eingeführt, welche die „Heilung", d.h. Erhöhung der verbleibenden Lebensdauer nach Durchführung von Wartungsmaßnahmen ab- bilden. Auf diese Weise wird eine dynamische Betrachtung für den kompletten Zeitraum der Maschinenlebensdauer ermöglicht im Vergleich zu bisher gebräuchlichen statischen Auswertungen nur des momentanen Zustands . Des Weiteren wird eine Kalibrie- rung und Dimensionierung der Risikobemessung durch Einführung eines vom jeweiligen Betriebszustand abhängigen Lastfaktors erreicht .
So können verschiedene Klassen von Informationen, verschiede- ne Gütegrade von Informationen und fehlende Informationen miteinander verknüpft werden, so dass Einzel- und Gesamtaussagen immer möglich werden. Nachvollziehbare und in der Technik anerkannte Qualitätsmethode für den Kunden, rückführbar auf VDA-Qualitätsstandards, werden bereitgestellt.
Eine Verknüpfung von Online-Diagnose, Wartungen durch Kunden inklusive Stillstandsmessungen, empirische rund analytischen Daten aus der Konstruktion zur Herleitung von Aussagen wird bereitgestellt. Es wird eine Formulierung dynamischer Lebens- dauerzähler für jeweilige Maßnahmen bereitgestellt, die die durchgeführte Wartung abbilden. Ferner wird eine iterative Bewertung verschiedener Szenarien mit direkter Ausgabe des finanziellen Gewinns und des finanziellen Risikos für jedes Szenario bereitgestellt. Des Weiteren wird eine nachvollzieh- bare Beweisführung durch Erhöhung der Konfidenz von Risikoaussagen durch Lastfaktorabgleich und Abgleich mit empirischen Daten bereitgestellt. Zusammengefasst ermöglicht das Verfahren eine detaillierte quantitative Bewertung der technischen und wirtschaftlichen Priorität von Wartungsmaßnahmen und Betriebsweisen von elektrischen Rotationsmaschinen und somit ein Potenzial zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit für den Betreiber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Risikoklassen durch eine Klassierung in Wertebereiche über eine Proportionalfunktion gebildet. Dabei wird unter einer Klassierung (auch Klasseneinteilung) verstanden, dass Werte oder statistische Reihen in getrennte Gruppen, Klassen oder Größenklas- sen eingeteilt werden. So können Gruppen für verschiedene Risikowerte bestimmt und gruppenweise behandelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Vergleich eines Ist-Zustands der jeweiligen Lebensdauerzähler mit den Risikoklassen durchgeführt. So kann bestimmt werden, in Bezug auf welche Komponenten ein besonders hoher Handlungsbedarf besteht . Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Prognosedatensätze betreffend eine Verfügbarkeit von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine und der elektrischen Rotationsmaschine bereitgestellt. So können Wartungs- und/oder Revisionsarbeiten besonders einfach und effizient terminiert werden.
Ferner gehören zur Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und eine Vorrichtung, wie ein Computer, mit einem derartigen Computerpro- grammprodukt .
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ablaufdia- gramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
Das Verfahren dient der Wartung und/oder Revision einer elektrischen Rotationsmaschine, wie z.B. eines Turbogenerators, und liefert eine quantitative Risikoaussage für alle Komponenten und Baugruppen der elektrischen Rotationsmaschine und für die elektrische Rotationsmaschine selbst bereit, um Wartungs- und/oder Revisionsarbeiten zu terminieren. Das Verfahren kann auf einer Vorrichtung, wie einem Computer, durchgeführt werden. Die Vorrichtung kann hierzu Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
In einem ersten Schritt S1000 wird eine Prüfung und/oder Wartung von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine ange- setzt, bei der es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Turbogenerator handelt.
In einem weiteren Schritt SllOO wird die vorgesehene Revision nach Ablauf einer vorbestimmten Anzahl von Betriebsstunden oder Jahren durchgeführt .
In einem weiteren Schritt S1200 werden physikalische Einflussgrößen bestimmt, die relevant für eine Fälligkeit einer Prüfung der Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine sind. Hierzu werden physikalische Alterungsmechanismen zu Versagensmodi von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine zugeordnet, welche eine Prüfung, eine Reparatur oder einen Austausch der jeweiligen Komponente erforderlich ma- chen.
In einem weiteren Schritt S1300 wird ein individueller Lebensdauerzähler für jede Prüfung oder Maßnahme betreffend jede Komponente der elektrischen Rotationsmaschine bestimmt. Hierzu werden physikalisch hergeleitete Lebensdauerzählgrößen für die jeweiligen Versagensmodi und Komponenten hergeleitet.
In einem Schritt S1400 werden Lastfaktoren für die Betriebs- zustände der Komponenten bestimmt, z.B. durch Ausführen elektrischer und/oder mechanischer Berechnungen.
In einem Schritt S1500 werden Wertebereiche für die jeweiligen Lebensdauerzähler gebildet. Es werden also Wertebereiche bestimmt, in welchen sich die Lebensdauerzählgrößen befinden können. Hierzu werden die Lastfaktoren für jeden Komponenten herangezogen .
Ferner werden Risikoklassen gebildet. Hierzu bildet eine Klassierung in Wertebereiche über eine Proportionalfunktion gesteuert die Veränderung des Ausfallrisikos der jeweiligen Komponente ab . In einem weiteren Schritt S1600 wird ein Vergleich des Ist- Zustands der jeweiligen Lebensdauerzähler mit den Risikoklassen durchgeführt . Dies erlaubt in einem weiteren Schritt S1700 eine Bestimmung von vergangenen, aktuellen und zukünftigen Risiken für den Ausfall der jeweiligen Komponente durch Auswerten der kalibrierten Proportionalfunktion. In einem weiteren Schritt S1800 werden Durchführungen von Maßnahmen und eine zukünftige Betriebsweise der Komponenten geplant bzw. terminiert.
In einem weiteren Schritt S1900 erfolgt eine dynamische An- passung jedes Lebensdauerzählers auf der Basis der im vorherigen Schritt S1800 bestimmten Maßnahmen und Betriebsweise. Hierzu werden dynamische Lebensdauerzählgrößen ermittelt, welche die Nutzung der elektrischen Rotationsmaschine
und/oder durchgeführte Wartungsmaßnahmen an der elektrischen Rotationsmaschine berücksichtigen. Die derart dynamisch ange- passten Lebensdauerzähler werden bei der Durchführung des Schrittes S1600 bei Durchführung des Vergleichs berücksichtigt . Neben dem Schritt S1900 wird in einem weiteren Schritt S2000 ein technischer und/oder kommerzieller Vergleich verschiedener Betriebsmodelle in Abhängigkeit von einer Betriebsweise und Wartung durchgeführt, um eine quantitative Risikoaussage für alle Komponenten, Baugruppen und die elektrische Rotati - onsmaschine bereitzustellen. Hierzu werden dynamischen Ausfallrisiken für jede Einzelkomponente in Abhängigkeit von dynamischen Lebensdauerzählgrößen bestimmt.
Die Schritte S1000 bis S1500 können als Schritte eines Ini- tialisierungsvorgangs aufgefasst werden, die nur einmal, zu Beginn des Verfahrens, durchgeführt werden, während die weiteren Schritte S1600 bis S2000 mehrmals hintereinander ausge- n
führt werden und so eine Nachführung der dynamischen
Lebensdauerzählgrößen bewirken.
Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Rei henfolgen auch eine andere sein, z.B. können verschiedene Schritte zeitgleich bzw. simultan durchgeführt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere eines Turbogenerators, mit den Schritten:
Zuordnen von physikalischen Alterungsmechanismen zu
Versagensmodi von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine (S1300) , - Bestimmen von physikalisch hergeleiteten
Lebensdauerzählgrößen für die jeweiligen Versagensmodi und Komponenten (S1400) ,
Bestimmen von Wertebereichen, in welchen sich die
Lebensdauerzählgrößen befinden können (S1500) ,
Dimensionieren der Wertebereiche durch elektrisch
und/oder mechanische Berechnung, welche jedem Betriebszustand einen lebensdauerverbrauchenden Lastfaktor zuordnet (S1700) ,
Ermitteln von dynamischen Lebensdauerzählgrößen, welche die Nutzung der elektrischen Rotationsmaschine und/oder durchgeführte Wartungsmaßnahmen an der elektrischen Rota- tionsmaschine berücksichtigen (S1900) , und
Ermitteln von dynamischen Ausfallrisiken für jede Einzelkomponente in Abhängigkeit von dynamischen
Lebensdauerzählgrößen (S2000) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Risikoklassen durch eine Klassierung in Wertebereiche über eine Proportionalfunktion gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Vergleich eines
Ist-Zustands der jeweiligen Lebensdauerzähler mit den Risikoklassen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei Prognosedatensätze, betreffend eine Verfügbarkeit von Komponenten der elektrischen Rotationsmaschine und/oder der elektrischen Rotationsmaschine bereitgestellt werden.
5. Computerprogrammprodukt, dazu ausgebildet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
6. Vorrichtung mit einem Computerprogrammprodukt nach An- spruch 5.
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