Současnost diagnostiky turbosoustrojí vodních elektráren

Současnost diagnostiky turbosoustrojí vodních elektráren

Prvopočátky trvalého sledování technického stavu turbosoustrojí vodních elektráren spadají do 80. let minulého století. Kontrolní systémy se nejprve omezovaly pouze na měření vibrací strojů, průběžně přibývaly další sledované veličiny jak na turbíně, tak především na hydrogenerátoru. Autor v příspěvku uvádí přehled současných technických možností a zamýšlí se nad jejich smysluplností. 


Úvod

Systémy pro sledování technického stavu soustrojí se staly již neodmyslitelnou součástí automatizovaných systémů řízení (ASŘ) nově budovaných vodních elektráren a s modernizací stávajících kapacit se prosadily i na elektrárnách již řadu let provozovaných. Důvody jsou v první řadě ekonomické – monitorovací a diagnostické systémy upozorňují na vznik závažných poruch vedoucích k neplánovaným odstávám strojů, poskytují podklady k plánování údržby a rozsahu oprav rozhodujících uzlů technologie a v neposlední řadě nabízejí možnost omezení počtu obslužného personálu či přímo přechod na bezobslužný provoz menších elektráren. 

Obr. 1 Příklad analýzy relativních vibrací ve vodicím ložisku

Vibrační monitory a vibrodiagnostické systémy

Vibrační monitory se na vodních elektrárnách objevují od 80. let minulého století. Vedle teplot se tak vibrace staly druhou trvale sledovanou veličinou a to díky jejich značné vypovídací schopnosti o momentálním technickém stavu stroje.

Obr. 2 Metody rozšířené diagnostiky turbosoustrojí vodních elektráren

Původní systémy se omezovaly na měření vibrací ložisek a hřídelí, kdy byla na každém měřicím kanále sledována pouze jediná širokopásmová veličina (většinou rozkmit dráhy či efektivní hodnota rychlosti vibrací ložisek a maximální kinetická výchylka dráhy hřídelí). Postupně však docházelo k rozšíření měření o další sledované veličiny, jako jsou:

  • volitelná úzkopásmová měření
  • vybrané vektory vibrací, vždy 1n a další volitelné (1/2n, 2n, 3n)
  • zbytkové širokopásmové hodnoty s odfiltrovanými složkami 1n, 2n, 3n
  • poloha hřídele v ložisku (DC složka signálu vibrací hřídelí), případně i zbytková vůle 
Obr. 3 Principiální schéma snímání částečných výbojů

 

Jednoduché monitory byly následně doplňovány sofistikovanou diagnostikou vibračního chování strojů. Nejprve v podobě hardwarových nadstaveb, nově však monitory poskytují vhodné datové soubory tak, aby analýzy mohly probíhat v připojeném počítači.

Vibrační diagnostika vodních turbosoustrojí pracuje dnes standardně s těmito funkcemi:

  • vizualizace aktuálních dat
  • trendy historických dat
  • Bode a polární Nyquist diagramy
  • analýza orbit, filtrovaných orbit a absolutních orbit
  • vyšetření polohy středu hřídelí
  • FFT analýza kmitočtových spekter, kaskádní diagramy
  • časové průběhy signálů
  • korelace s provozními parametry soustrojí (výkony, otevření…) 
Obr. 4 Akcelerometr s optickým přenosem umístěný na vinutí hydrogenerátoru

 

Mezi standardní nástroje patří algoritmy ředění uložených dat, automatické vytváření protokolů apod.

Vibrodiagnostický systém by měl být schopen postihnout následující závady:

  • mechanická, elektrická a hydraulická nevyváženost stroje
  • nesouosost a deformace hřídelí
  • závady vodicích a závěsného ložiska – opotřebení, chybné zatížení, nedostatečné mazání
  • přidírání ucpávek
  • uvolnění ložiska či nosné hvězdy
  • kavitace
  • chybná vazba RK-OK Kaplanovy turbíny
  • práce turbíny mimo garantovanou oblast
  • nerovnoměrná vzduchová mezera generátoru (excentricita, deformace)
  • uvolněné vinutí či pakety statoru 
Obr. 5 Radiální dilatace a síly v hydrogenerátoru


Nadstavbové diagnostické nástroje a on-line systémy

Projevy některých závad soustrojí bývají mnohdy ve vibracích ložisek a hřídelí nevýrazné. Proto jak výrobci průmyslové elektroniky, tak i dodavatelé komplexních technologií vodních elektráren dnes nabízejí další specializované diagnostické nástroje nad rámec běžných monitorů vibrací, případně ucelené online diagnostické systémy turbosoustrojí.

Na obrázku č. 2 jsou vyznačeny nejčastěji nabízené diagnostické on-line systémy nad rámec běžného sledování vibrací ložisek a hřídelí. 

3.1. Částečné výboje

Zhoršování izolačního stavu statorového vinutí lze sledovat kapacitními snímači (vazebními kondenzátory) trvale namontovanými na vývodech statoru. Vyhodnocení výsledků vyžaduje kvalifikovanou obsluhu. 

3.2. Vibrace konců statorového vinutí

Chvění statorového vinutí má značný vliv na izolační systém. Nejjednodušší monitory se omezují na sledování vibrací na dvojnásobku síťové frekvence, kde působí dominantní elektrodynamické síly. Na čela vinutí se montují akcelerometry s optickým přenosem na vazební člen, jejich vysoká cena je však hlavním limitujícím faktorem širšího uplatnění této metody.

Obr. 6 Princip distribuovaného optovláknového snímače teploty

 

3.3. Vzduchová mezera v generátoru

Sledování vzduchové mezery mezi rotorem a statorem vede k včasné detekci řady

závad generátoru, a proto patří mezi nejrozšířenější měření. Detekovat lze například:

  • excentricitu rotoru,
  • deformace a uvolnění pólových nástavců,
  • deformace věnce statoru.

Používány jsou deskové kapacitní snímače dráhy, které se lepí na statorové vinutí. Nevýhodou této metody je náročná montáž ve velmi obtížně dostupném prostoru. 

Obr. 7 Snímač vůle oběžného kola Kaplanovy turbíny

 

3.4. Magnetický tok

Monitorování magnetického toku generátoru umožňuje detekovat zkratované vinutí pólových nástavců jako příčinu elektromagnetické nevyváženosti. Pomocí Hallovy sondy uchycené na statoru se měří samostatně magnetický tok každého pólu a vyhodnocují se odchylky během každé otáčky stroje. Elektromagnetickou nevyváženost lze zachytit většinou i ve vibracích stroje, proto je tato metoda pro on-line sledování poměrně málo využívána. 

3.5. Teplota rotorových pólů a teplotní obraz statorového vinutí 

Sledování teploty statoru je samozřejmostí. Nově je nabízena i kontrola teplotního pole vinutí (tyčí) statoru. Metodou lze indikovat kritické horké body na statoru, nepřímo i problémy s jeho chlazením. Ve statorových drážkách se instaluje distribuovaný optovláknový snímač teploty DTS-OTDR (Distributed Sensing – Optical Time Domain Reflectometer) využívající tzv. Ramanova rozptylu v optickém vlákně. Aplikace na statorech je možná pouze u nových generátorů či v rámci jejich GO. Teplota čel rotorových pólů se snímá bezdotykově infračidly. 

3.6. Kontrola rozváděcích lopat

Chybná funkce rozváděcích lopat (nesynchronní chod, výpadek některé lopaty) má vliv nejen na chod stroje, ale i na jeho bezpečnost (zavření rozváděče). Čidla snímají střih pojistných kolíků ovládacích pák jednotlivých lopat a okamžitě indikují poruchu. Toto řešení je vhodné především pro bezobslužné elektrárny. 

3.7. Sledování oběžného kola

Používají se bezdotykové snímače umístěné v turbínové komoře. U Kaplanových turbín lze postihnout např. vysunutí (uvolnění) oběžných lopat, u Francisových turbín se sledují vibrace a vůle oběžného kola.

Obr. 8 Systém sledování kavitace v turbíně

 

3.8. Kavitace

Vznik kavitace především rozváděcích a oběžných lopat lze zachytit ultrazvukovými piezoelektrickými snímači umístěnými na komoře blízko oběžného kola či na savce. Tato veličina může korelovat s jinými parametry, např. vibracemi (zrychlení, rychlost). 


Kritéria výběru metod rozšířené diagnostiky

Výběr nadstandardních diagnostických on-line systémů má svoje především ekonomické limity. Provozovatel musí zvážit především:

  • typ a výkon soustrojí,
  • význam a požadovanou disponibilitu elektrárny,
  • obslužnost či bezobslužnost elektrárny,
  • specifika jednotlivých metod,
  • náklady na instalaci a následnou údržbu diagnostiky,
  • náklady na vyhodnocení diagnostických výstupů (vlastními odborníky, externími firmami). 

Statistika poruch rozhodujících technologických uzlů vodních elektráren ukazuje, že téměř polovina všech závad se týká generátorů, především pak vinutí – viz obr. 9 (zdroj: Sparks Instruments SA a Allianz).

Při rozhodování o zavedení nových on-line diagnostických systémů je nutné vzít v úvahu i náklady na odstranění případných závad strojů.

Elektrárenská společnost Enel se pokusila definovat tzv. váhu závad hydrogenerátorů jako součin jejich četnosti a nákladů na opravu – viz tabulka 1 (výsledek sledování 1 200 generátorů po dobu 5 let). 

Závada

Váha (četnost závady × náklady na odstranění)

Uvolnění tyčí statorového vinutí / klínů

16

Místní přehřátí laminace statoru

12

Mezizávitové zkraty pólů

12

Poškození izolace částečnými výboji

10

Poškození izolace vibracemi paketů

6

Lom konců vinutí

6

Porušení izolace rotoru

6

Přehřátí ložisek

4

Ložiskové proudy

3

Porucha chladicího či mazacího okruhu

2

 Tab. 1 Váha závad hydrogenerátorů

 

Výše uvedené skutečnosti ukazují, že je kladen větší důraz na rozšířené monitorování hydrogenerátorů než sledování vlastní turbíny. Tomu odpovídá i následující tabulka č. 2, která odráží zkušenosti autora příspěvku. 

Metoda kritérium

Vibrační monitor

Vibrační diagnostika

Částečné výboje

Vibrace konců vinutí

Air Gap

Magnetický tok

Teplotní obraz statoru a rotoru

Kavitace

Specifická kritéria

 

 

Ust>6 kV

 

Φstatoru > 6 m

 

 

 

Důležitost

Významné pro disponibilitu elektrárny, především pro přečerpávací zdroje

Obslužnost

Bezobslužné elektrárny vyžadují lepší zabezpečení

> 5 MW

D

 

 

 

 

 

 

 

> 10 MW

D

 

 

 

 

 

 

D

> 50 MW

D

D

D

D

D

D

D

D

> 100 MW

VD

VD

VD

VD

VD

VD

VD

VD

> 200 MW

SD

SR

SD

SD

SD

SD

SD

SD

D – doporučeno, VD – velmi doporučeno, SD – striktně doporučeno

Tab. 2 Doporučené diagnostické metody 

Obr. 9. Statistika poruch rozhodujících uzlů technologie vodních elektráren a rozložení poruch hydrogenerátorů


Závěr

Nabídka diagnostických on-line systémů technického stavu soustrojí vodních elektráren je obsáhlá. Základem však zůstávají systémy kontroly vibrací ložisek a hřídelí. Důvodem je nejen cena, ale především dostupnost odborné literatury a mezinárodně platných norem, které usnadňují interpretaci diagnostických výstupů a posuzování technického stavu sledovaných soustrojí.

Nadstavbové systémy proto nacházejí svoje uplatnění především u provozovatelů velkých jednotek a přečerpávacích elektráren, kde je kladen mimořádný důraz na jejich disponibilitu a kde je rovněž možnost vybudovat kvalifikované zázemí pro práci s těmito systémy. 


Literatura

[1] Informační materiály výrobců diagnostických systémů

Recenzent: Lumír Kolář, SKF CZ, a. s., Praha, pracoviště Ostrava, certifikovaná osoba na funkci Specialista vibrační diagnostiky – kategorie IV

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz