К настоящему времени в электроэнергетике России возникла насущная необходимость полномасштабного перевооружения парка основного и вспомогательного оборудования электрических станций, так как значительное число агрегатов дорабатывают назначенный производителем ресурс. Поскольку темпы технического перевооружения не решают основную задачу, обновление оборудования и в ближайшие время будут невысокими, необходимо обеспечивать надежность энергетического оборудования с около ресурсным и сверх ресурсным сроком эксплуатации.
Анализ опыта эксплуатации агрегатов различного типа показывает [1], что обслуживание и ремонт составляют 15-12% календарного времени (3-4% которого занимают внеплановые ремонты) и их проведение связано с большими материальными затратами. Затраты на обслуживание и ремонт являются одним из важнейших эксплуатационных показателей любой технической системы. Их минимизация в тех случаях, когда система является ремонтопригодной, практически невозможна без эффективного контроля, мониторинга и диагностики ее состояния. При этом средства для их проведения должны быть просты в эксплуатации, сравнительно недороги и обеспечивать необходимый перечень их функций для повышения эффективности эксплуатации энергетического оборудования, в том числе увеличение межремонтных периодов.
В современных средствах мониторинга и диагностики, по крайней мере, вращающегося оборудования, основным видом анализируемых процессов становится вибрация, активно дополняя или вытесняя многие процессы, в том числе и тепловые. Причины не только в том, что вибрационные методы эффективнее и имеется тенденция к быстрому снижению затрат на их реализацию, но и в том, что начать мониторинг и диагностику по вибрации можно в любое время, в том числе и через несколько лет эксплуатации оборудования, когда затраты на профилактические работы и ремонт превысят экономически оправданную величину [2]. Кроме того, по сигналу вибрации могут быть обнаружены практически все виды зарождающихся дефектов без привлечения для диагностики других видов физических процессов. Сказанное означает, что именно системы вибромониторинга и диагностики в силу специфики вибрационных сигналов несут основную ответственность за общий контроль механического состояния оборудования и предотвращение аварийных ситуаций, связанных с развитием различных механических повреждений. Однако если оснащению основного оборудования станций системами контроля вибрации и защиты уделено достаточно большое внимание, то о системах вибромониторинга чаще всего лишь упоминается, как о необходимой составной части общей системы обеспечения эксплуатационной надежности оборудования. При этом построение автоматических и адаптивных систем вибрационной диагностики и систем экспертного анализа вибрационной информации вообще не рассматривается.
Вместе с тем именно мониторинг состояния оборудования является тем средством, с помощью которого можно обнаруживать изменение состояния объекта непосредственно в процессе эксплуатации, что дает возможность определить зарождение и развитие дефекта вызывающего отклонение работы агрегата от нормального состояния.
В связи с этим, поиск и разработка подходов к повышению надежности и эффективности эксплуатации энергетического оборудования на основе создания и внедрения систем вибромониторинга его состояния являются актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
Цель работы – провести обзор и собрать доказательную базу эффективности методов и технологий мониторинга состояния ГТУ на основе установления взаимосвязи между ее виброхарактеристиками и изменениями, вызванными потерей устойчивого функционирования. А также в формировании требований к аппаратному комплексу диагностики и мониторинга вибрационного состояния ГТУ.
1. Повышение эффективности и надежности оборудования в энергетике средствами мониторинга и диагностики
Проблема повышения надежности и эффективности использования оборудования различных отраслей промышленности, в том числе и энергетике, средствами контроля и диагностики имеет многолетнюю историю и является предметом исследований различных научных коллективов и авторов. В настоящее время на электростанциях эксплуатируется целый ряд различных контрольно-диагностических систем, внедрение которых уже дало положительные результаты. Эти системы, в основном, построены на параметрическом контроле и диагностике тепломеханических и газодинамических параметров ГТУ. Однако к настоящему времени наиболее эффективными для данного класса оборудования признаны системы, построенные на анализе динамических вибрационных характеристик, отвечающих как за исправное, так и за неисправное состояние ГТУ в процессе эксплуатации. Разработаны эффективные методы обнаружения основных дефектов машин и оборудования по вибрации на этапе их зарождения. Сформированы требования к общей структуре систем вибрационной диагностики и задачи, которые они должны решать [3].
1.1. Отказы и дефекты ГТУ
Практика эксплуатации ГТУ различных моделей показывает, что их отказы могут быть двух типов: внезапные и постепенные. Внезапные отказы происходят в произвольный момент из-за непредвиденного роста внешних нагрузок, характеризуются резким изменением технического состояния и подчиняются экспоненциальному закону распределения [1, 4]. Постепенные отказы являются следствием постепенного ухудшения физических и механических свойств материалов, нарушения соединений отдельных узлов и деталей, роста статических, динамических и термических напряжений в элементах агрегатов. Закон распределения таких отказов в большинстве случаев нормальный. Для ГТУ наибольшую опасность представляют внезапные отказы, когда в результате разрушения механической части ГТУ теряет работоспособность и для безопасности и уменьшения последствий разрушения возникает необходимость в его аварийном останове.
К наиболее нагруженным элементам ГТУ относятся: компрессор, турбина и камера сгорания (рис. 1). Их детали работают в условиях действий высоких статических, динамических и тепловых возмущений и определяют надежность механической части ГТУ в целом.
Рис. 1. Общий вид турбогенератора
Надежность осевого компрессора и турбины определяется главным образом надежностью лопаточного аппарата. При установившемся режиме работы ГТУ обойма корпуса имеет неравномерное температурное состояние. Это приводит к ее деформации, следствием которой может быть задевание лопаток о корпус. Кроме того, надежность турбины и компрессора определяется работоспособностью диска, который подвержен действию различных нагрузок. Наиболее неблагоприятный режим для диска – пусковой. Совместное действие этих нагрузок приводит к поломке элементов крепления диска (штифтов) с нарушением его посадки на ротор. В результате появляется значительная неуравновешенная сила, вызывающая повышенную вибрацию всей ГТУ.
Одной из серьезных неисправностей ГТУ является поломка вала турбины. Ее причиной являются знакопеременные изгибные напряжения, рост которых происходит, как правило, непосредственно после начала прогрева ГТУ, то есть когда наружные стенки корпусов и фундамента и фундамента еще не начали прогреваться. Разрушению так же способствуют напряжения, возникающие от динамических явлений, связанных с общей вибрацией агрегата [1, 2, 4, 5].
Серьезным дефектом ГТУ является также коробление корпуса турбины, которое наблюдается особенно после 8-10 тысяч часов работы под нагрузкой и приводит к раскрытию фланца цилиндра, деформации обоймы турбины, увеличению зазоров в проточной части, деформации ее элементов и, как следствие, потере мощности и увеличению вибрации ГТУ.
Динамическое состояние опорных систем, то есть близость или удаленность от резонанса, зависит главным образом от состояния корпусов и от правильной сборки подшипников. При короблении корпусов неравномерно распределяются нагрузки на подшипниковые опоры, а так же изменяется жесткость опорной системы «ротор-подшипник-опора-корпус».
В процессе эксплуатации ГТУ под воздействием различных факторов изнашивается баббитовая заливка подшипников, которая вызывает следующие последствия: изменяется центровка роторов, изнашиваются уплотнения и изменяются зазоры в проточной части, создаются условия для неустойчивой работы ротора на масляном слое.
На величину износа влияют уменьшение или увеличение натягов вкладышей подшипников, неравномерное прилегание вкладышей к корпусу, перекос шеек ротора и вкладышей, а так же число пусков, вибрация на переходных режимах, давление, расход и состояние масла смазки.
Работоспособность опорных подшипников зависит главным образом от расцентровки роторов под влиянием неравномерности тепловых перемещений фундаментных колон под ГТУ, тепловых перемещений корпуса «компрессор-турбина», относительных перемещений корпуса турбины и нагнетателя под действием усилий со стороны патрубков. Многолетний опыт в области исследования причин появления отказов и дефектов у различных ГТУ показал, что значительное их количество сопровождается повышением уровня вибрации, зачастую значительно превышающей допустимые нормы. Анализ вибросигналов и спектров по- казывает, что с их помощью можно зафик- сировать практически все основные меха- нические дефекты агрегатов:
- Дисбаланс вращающихся масс, вызы- ваемый некачественной обработкой подшипниковых шеек ротора, эксцентричной посадкой на роторе колес, изгибом ротора и другими дефектами, приводящими к смещению центра его масс.
- Расцентровка или несоосность системы роторов ГТУ.
- Дефекты подшипников скольжения: эллипсность цапф; масляная вибрация, вызываемая несоответствием динамических качеств ротора и смазывающих свойств в подшипниках; неправильная установка вкладышей; износ вкладышей, задевание вала за баббит.
- Нарушение жесткости системы «ротор-подшипник-опора-корпус».
- Задевание вращающихся частей ротора за неподвижные части корпуса.
Для обнаружения этих дефектов в энергетике рекомендуется использовать результаты измерения абсолютной вибрации в диапазоне частот от 10-1000Гц. Однако при этом из поля зрения совершенно выпадают дефекты, проявляющиеся в области выше 1000Гц. К ним можно отнести различные нарушения геометрии проточной части турбины и компрессора, локальных нарушений поля скоростей потока вокруг лопаток ротора или группы лопаток из-за изменения геометрии.
Таким образом, при проведении анализа причин возникновения отказов и дефектов ГТУ необходимо рассматривать следующие виды вибрации: роторную, вибрацию гидродинамического происхождения в подшипниках скольжения, кинематическую вибрацию, вибрацию, вызванную газодинамическими процессами в газовоздушных трактах, и проводить не только абсолютные, но и относительные измерения их составляющих.