Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Systém pro monitorování tření v turbínách

Článek popisuje systém, který dokáže detekovat tření na kontaktu mezi rotorem a statorem na různých parních turbínách a předpovídat tak hrozící poruchy. Autoři pro vývoj svého systému RAMS (Rub Advanced Monitoring System), který dokáže identifikovat tření a lokalizovat je uvnitř turbíny s přesností na centimetry, použili hardware CompactDAQ a software LabVIEW.

 

Úvod

NTIS (Nové technologie pro informační společnost) je výzkumné centrum Fakulty aplikovaných věd (FAV) Západočeské univerzity v Plzni. Centrum se soustřeďuje na kybernetiku, informatiku a strojní inženýrství – obory, které jsou zásadní pro vývoj a využití výsledků výzkumu v oblastech informatiky, komunikací, mechatroniky, fyziky a geomatiky.

 

Laboratoř DiagEn se věnuje systémům pro pokročilou diagnostiku rotačních strojů. Rotační stroje, jako jsou parní turbíny, kompresory a rotační čerpadla, jsou rozhodující pro výrobu elektrické energie. Poruchy a následné odstávky mohou vést ke značným ztrátám, takže trendem se stává kontinuální monitorování těchto zařízení, aby provozovatel dostával aktuální informace o jejich stavu.

 

Laboratoř vyvíjí metody pro diagnostiku rotačních strojů se zaměřením na včasnou detekci hrozících poruch. Snaží se především o detekci a lokalizaci tření, které má významný dopad na funkci parních turbín. Další důležitou oblastí zájmu je bezkontaktní sledování vibrací rotujících součástí (např. lopatek).

 

Analýza tření mezi rotorem a statorem

Prostory v cestách pro proudění v turbínách se vzhledem ke snahám o rostoucí účinnost neustále zužují. Proto se v průběhu posledních několika let stal běžným jev, že při provozu parních turbín dochází mezi rotorem a statorem ke tření. V první fázi se obrousí těsnění umístěné mezi rotační a stacionární částí turbíny a v důsledku toho roste množství unikajícího média a klesá účinnost turbíny. V případech, kdy není včas detekováno tření mezi statorem a rotorem a odstraněna jeho příčina, může dojít k závažnému poškození rotoru či statoru, popř. k poškození celé turbíny a k závažným ekonomickým škodám. Operátor stroje může v současné době odhalit tření mezi rotorem a statorem na základě analýzy signálů vibrací v časové oblasti při monitorování celkové úrovně vibrací, popř. podle vektoru první harmonické složky úhlové rychlosti ve vibračních signálech.

 

Spolupráce NTIS, Doosan Škoda Power a Siemens

Před několika lety společnost Doosan Škoda Power požádala odborníky z laboratoře DiagEn, aby vyvinuli systém pro detekci tření. Vzhledem ke znalosti softwaru LabVIEW z předchozích projektů bylo rozhodnuto použít pro sběr dat z nainstalovaného monitorovacího systému právě LabVIEW a měřicí zařízení na bázi PXI. Umožnilo to soustředit se na vývoj algoritmů, které by dokázaly tření odhalit, bez toho, že by bylo nutné trávit čas návrhem systému pro sběr dat a programováním jeho rozhraní.

 

První verze byla vyvinuta s použitím ukázkových kódů, výukových materiálů k LabVIEW a technické podpory od NI. Systém se podařilo úspěšně validovat na několika instalacích ve společnostech Doosan Škoda Power a Siemens.

 

Diagnostický systém RAMS

Aby bylo možné systém RAMS snáze fyzicky přenášet, programátoři přeložili kód na kompaktnější samostatný hardware CompactDAQ. Jde o vestavný řídicí systém s integrovanými pozicemi pro měřicí moduly.

 

Funkce systému RAMS je založena na tom, že kromě změny vektoru první harmonické složky ve vibračních signálech je tření doprovázeno také vznikem subsynchronních spektrálních složek s frekvencemi, které odpovídají počtu nárazů rotoru do statoru za periodu jedné otáčky.

 

RAMS je diagnostický systém, který dokáže detekovat původ a vznik tření mezi rotorem a statorem v reálném čase a paralelně. Může tak ze standardních signálů o vycentrování hřídele a vibrací statoru, které se běžně měří na parních turbínách, přesně určit místo, kde ke tření dochází.

 

RAMS umožňuje detekovat riziko nebezpečných provozních stavů u parních turbín a zároveň odhalit jejich příčinu. Jde o zcela unikátní zařízení. Včasná a automatická detekce a lokalizace tření mezi statorem a rotorem, které tento systém umožňuje, nejsou v současné době dostupné u žádného z monitorovacích systémů pro parní turbíny na celém světě.

 

Výzkumný a vývojový tým v laboratoři DiagEn už tento systém úspěšně nainstaloval na dvanáct parních turbín ve společnosti Doosan Škoda Power. Vyvinuté metody a celý diagnostický systém ocenili experti z praxe i z univerzit. Zmíněný systém momentálně prochází patentovým řízením v Evropě i ve Spojených státech amerických.

 

Nedávno byl systém RAMS instalován také v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Je nabízen jako služba v podobě dočasného měření nebo jako systém pro stálé monitorování turbín.

 

Závěr

Odborná komunita považuje za velký úspěch už identifikaci té části parní turbíny, kde dochází ke tření (vysokotlaká, střednětlaká či nízkotlaká část). RAMS dokáže lokalizovat tření s přesností na centimetry, čímž se značně zkracuje doba odstávky, neboť servisní tým dopředu zná problémové místo. Ze stejného důvodu může být i plánování oprav mnohem

podrobnější. Z pohledu provozu parních turbín funguje vyvinutý systém jako užitečná včasná výstraha, která pomáhá předcházet zničení parní turbíny vlivem tření, jež nebylo odhaleno včas. Vývojový tým nyní pracuje na algoritmech pro monitorování lopatek rotoru na stejné hardwarové platformě.

Jindřich Liška, Ph.D., NTIS

 

Obr. 1. Diagnostický systém RAMS a příklad diagnostického výstupu (normované kumulativní úplné spektrum) nástroje pro detekci tření

Obr. 2. Příklad výstupu lokalizace tření (osový a tečný) se 100% korelací s výsledky inspekce při rozebrání turbíny