Gőzturbinás generátor diagnosztikája

Átírás

1 ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK Gőzturbinás generátor diagnosztikája Tárgyszavak: gőzturbinás generátor; hibafeltárás; műszaki diagnosztika; csapágyhibák. Az energiaellátás zavarai problémákat okoznak minden iparágban, így az energiaiparban is. Az ilyen problémák elkerülésének egyik módja a potenciális hibák azonosítása, még mielőtt jelentkeznek, és azok megelőzése megfelelő intézkedésekkel. Ehhez olyan hibakeresési és diagnosztikai rendszert kell kidolgozni, amellyel korai stádiumban észlelni lehet a kezdődő hibákat. Ennek érdekében a következő lépéseket tették: összeállították a turbógenerátor input folyamat output diagramját; áttekintették a turbógenerátor eseménynaplóját (hibatörténetét); kockázatelemzést végeztek; elemezték az alapvető hibaokokat; rendszertervet dolgoztak ki a hibakeresésre. A vizsgálatot kondenzációs gőzturbinával, kétpólusú szinkrongenerátorral, hengeres forgórésszel és kefe nélküli gerjesztőmotorral végezték. Az adott rendszer leggyakoribb hibái: a turbina túlpörgése és a csapágy meghibásodása. Diagnosztikai rendszer A turbógenerátor vészjelzése csak akkor szólal meg, amikor a hiba már fellépett. Ekkor már késő lehet a berendezés leállítására, mivel a hiba már kárt okozhatott a villamos rendszerben, aminek javítása sokba kerül. Vannak azonban olyan hibák is, amelyek ugyan gyakran előfordulnak, de nincs ilyen súlyos következményük. A diagnosztikai rendszernek a különösen súlyos következményekkel járó hibák elkerülésére kell elsősorban irányulnia. Olyan rendszerre van szükség, amely a turbógenerá-

2 tor működési paramétereinek monitorozása révén jelzi, hogy mikor rendellenes a berendezés üzemelése. Ebből lehet következtetni egyes elemek állapotának romlására, és gyors javítással a nagyobb bajt meg lehet előzni. A diagnosztikai rendszerre alapozva jó karbantartási program készíthető, amellyel kisebb költséggel növelhető a berendezés hatékonysága és üzembiztossága. A diagnosztikai rendszer kifejlesztésének folyamata az 1. ábrán látható. Az első lépés a technológiai folyamat tanulmányozása. Input folyamat output diagramot (2. ábra) állítottak össze, majd tanulmányozták a korábbi hibaeseményeket. Minden egyes hibafajtának kiszámították a kockázatát és megkeresték az egyes hibák alapvető okait. Végül eldöntötték, hogy szükség van-e a konstrukció módosítására a gyakori hibák elkerülése érdekében, vagy az adott berendezéshez lehet-e diagnosztikai rendszert tervezni. start a folyamat vizsgálata karbantartási vizsgálat igen karbantartás végzése I/F/O diagram nem vége hibatörténet technológiai vizsgálat igen folyamat módosítása nem vége számított kockázat nem diagnosztika tervezése igen szükséges diagnosztika? mechanikai hibák igen alapvető hiba elemzése vége vége nem folyamat módosítása 1. ábra Turbógenerátor diagnosztikai programjának kifejlesztése

3 input folyamat output gőz olaj tengervíz váltakozó áram egyenáram nitrogén záró gőz gőzturbina generátor a hőenergiát villamos energiává alakítja át villamos áram elvett gőz kibocsátott gőz tengervíz olaj zaj 2. ábra Turbógenerátor input folyamat output diagramja Az input folyamat output diagramban mindazok a paraméterek szezők: gőznyomás, kenőanyag, szabályozóolaj, hűtővíz (tengervíz), egyen- repelnek, amelyek az egész rendszerre jellemzők. Az inputok a követkeés váltóáramú feszültség a segédberendezésekhez stb. Az outputok a következők: a termelt villamos energia ára és a kibocsátott hűtővíz. A folyamat biztonsági és szabályozási paraméterei: a bemenő és a kiadott gőz nyomása, a turbina fordulatszáma, a generátor áramának jellemzői, a rezgések, a tengelyirányú elmozdulás, a csapágyhőmérséklet, a kenőolaj nyomása és hőmérséklete. A monitoringrendszer egyes paramétereket helyileg, másokat távoli központban is mutat. Kutatások és megállapítások A kutatás kiterjedt a turbina és a generátor következő részegségeire: a turbina álló- és forgórésze, a generátor, a gerjesztőrendszer, kenési rendszer olajtartállyal, hűtési rendszer, kondenzátumrendszer. Hibatörténet elemzését az tette lehetővé, hogy a turbógenerátor beépítése óta (1995. február) rendszeresen vezették az eseménynaplót. Megállapították, hogy a legtöbb hiba az olajozási rendszerben, valamint a gerjesztőrendszerben fordul elő, és azonosították a hibák jellegét is (3. ábra).

4 olajozás 75 gőzelvétel 63 a turbogenerátor alrendszerei gőzbeeresztés kondenzátum villamos rendszer csapágy műszerek gerjesztés hűtés lassú motor esetek száma 3. ábra A legtöbb hiba az olajozási rendszerben merül fel Hatékony diagnosztikai rendszer kidolgozásához nem elég az egyes hibák gyakoriságát ismerni, hanem elemezni kell azt, hogy az egyes hibák milyen következményekkel járnak. A költségek számítása a következő adatokon alapul: a hibák száma, az átlagos javítási idő (MTTR Mean Time To Repair), a javításhoz szükséges személyek (művezető, technikus, munkás) száma és órabére, a felhasználandó anyagok, kimaradt áramtermelés (amennyiben a javítás idejére a generátort le kell kapcsolni a hálózatról), kondenzátumveszteség. A legsúlyosabb következményekkel járó hibák a turbina túlpörgése és a csapágyak meghibásodása (4. ábra). A turbina túlpörgése csak egyetlen esetben 100% 80% 60% 40% 20% 0% 3% 66% 31% egyéb ok turbina túlpörgése csapágyhiba 4. ábra A hibaköltségek 66%-a a turbina túlpörgése miatt merül fel

5 fordult elő, de ez igen nagy kárt okozott. A generátor rotorja megsérült és a turbógenerátor blokk két évig üzemképtelen volt. Más hiba ugyan gyakran előfordul, de következményeik költségei az összes hibaköltségnek csak 3%-át teszik. Alapvető okok elemzése A turbina túlpörgésének fő oka a terhelés hirtelen leesése. Ebben a pillanatban a kinetikai energia jelentősen megnövekszik, mivel a forgórész szabadon fut. A turbina biztonsági rendszerének működésbe kell lépnie ilyen helyzet megakadályozására. Az előfordult esetben az ok az ügyeletes operátor helytelen beavatkozása vagy a csatlakozó villamos rendszer rendellenes viszonyai voltak. Ehhez járult még, hogy a centrifugális fordulatszám-szabályozó (governor) nem állította le a turbina forgását. A governor pedig azért nem működött, mert kicsi volt az olajnyomás a szűrők eltömődése következtében, amit viszont az olaj elszennyeződése vagy gyenge minősége idézett elő. A governor rúdjának méretezési hibája és az extrakciós szelep kopása vagy elszennyeződése is hozzájárulhatott a hibához. Végül a jelzőrendszer, amely a szelepet hozza működésbe, szintén okozhat túlpörgést. A szabályozószelepnek le kell zárnia a gőzt, ha a turbina felgyorsul. Ha az olaj a működtető mechanizmusban szennyezett, a szelep működésében zavar állhat be. A szelep működését meggátolja a működtető mágnes villamos rendszerében beállt rövidzárlat vagy a sebességérzékelő meghibásodása. A csapágyhibák is sok esetben a turbina túlpörgésére és a kenési rendszerre (pl. kis olajnyomás, gyenge olajminőség, magas olajhőmérséklet), valamint erős rezgésre és a gőz előírttól eltérő paramétereire vezethetők vissza (5. ábra). Csapágyhibát okozhatnak a gyenge parazitaáramok és a forgórész által a csapágyban a szigetelésen keresztül indukált feszültség is. Ajánlott intézkedések Az üzemzavarok elkerülésére a következő intézkedések ajánlhatók: Ha a turbógenerátor le van választva az áramsínről, speciális eljárást kell követni. Megkülönböztetett figyelmet kell fordítani az extrakciós szelep állapotára. Ennek a szelepnek a leválasztás teljes ideje alatt nem szabad nyitva lenni.

6 A szabályozószelepet gyakran kell ellenőrizni, hogy szilárd részecskék nem akadályozzák-e működését. Az olaj sok hiba okozója lehet. Ezért az olaj minőségét és állapotát gyakran kell ellenőrizni. Az elemzés eredményétől függően kell döntéseket hozni. A fordulatszám-transzmitter jeleit állandón figyelni kell. A szelepek, a governor karbantartását nem szabad elhanyagolni. Rendszeresen ellenőrizni kell ezek normális működését. Helyzetjelző szenzort kell beszerelni, és elemezni kell a helyzet és áteresztés összefüggését. Vizsgálni és értékelni kell az állórész tekercselésének szigetelését. tervezettnél nagyobb fordulatszám olaj állapota leromlott csapágy magas hőmérséklete erős rezgés nincs olaj mechanikai feszültség szilárd részecskék csapágy szigetelése tönkrement tekercselés szigetelése tönkrement erős rezgés magas hőmérséklet olajozás dugulása parazitaáramok csapágyak meghibásodása 5. ábra Csapágyhiba okainak elemzése Diagnosztikai rendszer tervezése A turbógenerátor működési paraméterei, amelyeket helyi és központi műszerekkel észlelnek, a következők: a kenőolaj nyomása és hőmérséklete; a szabályozó olaj nyomása és hőmérséklete; az olaj állapota;

7 a bebocsátott gőz nyomása és hőmérséklete; a hűtővíz nyomása és hőmérséklete; nyomáskülönbség az olajszűrő előtt és után; a generátor levegő-hőmérséklete; a tekercselés hőmérséklete; a turbógenerátor fordulatszáma; feszültség a tengelyben és csapágybakban; gőzelvétel aránya. A központi észlelés számítógéppel történik, és a kapott adatok alapján a gép elemzi a folyamatot. A turbógenerátorokon elhelyezett műszerek a mért adatokat összevetik a vészjelzési szinttel, ha ezt valamely paraméter eléri, vészjelet vált ki. A mérési adatok normális változása esetében a statisztikai folyamatszabályozás módszerei alkalmazhatók. A diagnosztikai rendszer nem avatkozik be közvetlenül a berendezés szabályozásába vagy biztonságába, csak folyamatosan figyeli azokat a paramétereket, amelyek a súlyos hibákat előidézik. Így a diagnosztikai rendszer alkalmazásának nincs kockázata. A diagnosztikai rendszer tárolja a mért információkat, ezek alapján statisztikai elemzést végez. Ajánlások A diagnosztikai rendszer alkalmazásával kapcsolatban a következő ajánlások tehetők: Helyzetérzékelőt kell elhelyezni a gőzbeengedési és gőzelvételi szelepek mozgásának jelzésére. Különösen akkor kell ügyelni a gőzelvételi szelep állapotára, amikor a generátor le van választva az áramsínről. Igen gondosan kell ügyelni az olaj minőségére és állapotára. Ellenőrizni kell a parazitaáramot és a forgórész által a csapágyakban indukált feszültséget. Rendszeresen alkalmazni kell a diagnosztikai rendszert. Összeállította: Dr. Garai Tamás

8 Bracamonte, J.; De Morillo, N.; stb.: Implement a steam turbogenerator fault detection and diagnosis system. = Hydrocarbon Processing, 82. k. 8. sz p McLaughlin, B.: Reparatur sehr großer Dampfturbinen. = Sulzer Technical Review, sz. p Leak testing system proves effective on generators. = Power Engineering, 107. k. 3. sz p. 14. Booth, C.; McDonald, J. R. stb.: Model-based condition monitoring of gas turbines for power generation duty. = IEEE Power Engineering Review, 21. k. 4. sz p