Dla zakładu energetycznego turbozespół stanowi bardzo ważne ogniwo w procesie technologicznym produkcji pary, przy równoczesnej produkcji energii elektrycznej. Dlatego niezmiernie ważną sprawa jest diagnostyka i monitorowanie takiego zespołu urządzeń.
Rys. 1. Schemat blokowy systemu monitoringu
Przy współczesnych rozbudowanych systemach automatyki, dużej liczbie równocześnie śledzonych procesów oraz stale rosnących wymaganiach odbiorców energii elektrycznej i cieplnej w stosunku do jakości i ciągłości dostaw produktu zakłady muszą wdrażać nowe systemy. Nowoczesne systemy powinny dostarczać kompleksowych informacji zarówno o stanie procesu, jak i stanie obiektu (maszyny), na którym proces się odbywa. W świetle tak stawianych wymagań nie jest możliwe oddzielenie sytemu diagnostycznego od systemu sterowania. Te dwa systemy (jeżeli występują osobno) powinny ściśle współpracować, a ich praca oraz wyniki zebranych danych i przeprowadzonych obliczeń powinny być dostarczane do operatora (użytkownika) w czasie rzeczywistym (online), aby mógł szybko podjąć stosowne decyzje.
Założeniem projektowym systemu jest integracja z systemami automatyki oraz wykorzystanie istniejących prawidłowo działających czujników. W skład systemu monitoringu i diagnostyki wchodzą czujniki wiroprądowe wraz z proksimitorami (czujniki do pomiaru względnego drgań wału a obudową), które są zainstalowane na poszczególnych łożyskach turbozespołu. Ponadto wykorzystane są jeszcze: czujnik znacznika fazy, czujnik przesuwu osiowego, wydłużenia względnego i wydłużenia bezwzględnego. System jest także przystosowany do pobierania danych na temat temperatury oleju na spływie z poszczególnych łożysk, ciśnienia w układzie itd., a także danych procesowych (moc na generatorze, ilość przepływającej pary, temperatura pary itd.). Sygnały są doprowadzane do przetwornika analogowo-cyfrowego. Następnie są przetwarzane przez program, który stanowi niejako serce systemu M&D. System pracujący w środowisku Windows XP zbudowany jest na bazie komputera przemysłowego PXI firmy National Instrument, która jest także twórcą środowiska LabVIEW.
Podstawę do zbudowania systemu stanowiła wibroakustyczna diagnostyka maszyn wirnikowych. Zastosowano teorię łożysk ślizgowych, równanie Reynoldsa i matematyczny model łożyska ślizgowego [1, 3] oraz wynikające z niego właściwości filmu olejowego. W pomiarze drgań względnych wykorzystano dwa czujniki wiroprądowe zamontowane na oprawie łożyska i przesunięte wzajemnie o 90o. Uwzględniono także pomiar temperatury łożyska, prędkość obrotową, zużycie materiałów czopa i panwi. Przeanalizowano także możliwe wady i usterki, które powstają na skutek eksploatacji turbozespołu.
Na podstawie tej wiedzy można zbudować prosty system diagnostyczny maszyny. Taka ilość informacji nie wystarcza jednak, aby stwierdzić choćby w przybliżeniu, czy określone zakłócenie pochodzi od pogarszającego się stanu, czy od przebiegu procesu technologicznego. Dlatego przy tego typu urządzeniach, które pracują z bardzo różnym obciążeniem zależącym od potrzeb zakładu, należy także uwzględnić jak najwięcej danych procesowych. Turbiny kondensacyjne pracują raczej ze stałym obciążeniem lub słabo zmiennym w czasie, natomiast turbina przeciwprężna musi pracować praktycznie w całym zakresie swojej mocy, co bardzo utrudnia przeprowadzenie analizy stanu technicznego maszyny i wpływa niekorzystnie na samą maszynę oraz jej elementy. Nierównomierny pobór mocy oraz wpływ innych maszyn wprowadza dodatkowe zakłócenia i trudności w rozpoznaniu stanu maszyny.
Program jest podzielony na kilka modułów pracujących niezależnie. Takie rozwiązanie zwiększa niezawodność systemu oraz możliwość rozproszenia informacji diagnostycznej (rys. 1).
Działanie systemu opiera się na serwerze wymiany danych pomiędzy poszczególnymi modułami. Zatrzymanie któregokolwiek modułu nie zatrzymuje systemu, jedynie chwilowo zmniejsza jego funkcjonalność. Wszystkie moduły są skalowane do wymaganej aplikacji. Do serwera można podłączać inne moduły w zależności od potrzeb użytkownika systemu.
Na planszy głównej modułu wizualizacji (rys. 2) programu znajdują się najważniejsze dane dotyczące ogólnego stanu turbozespołu (obroty, moc) oraz wielkości, charakteryzujące drgania w każdym łożysku.
Rys. 2. Ekran główny programu diagnostycznego
Z pozycji programu głównego można przejść na ekran wybranego łożyska (rys. 3), gdzie znajdują się wszystkie dane na temat drgań łożyska, a także wykresy: trajektorii czopa wału, FFT (Fast Fourier Transformation – Szybka Transformata Fouriera – operacja numeryczna bazująca na rozkładzie Fouriera przekształcająca sygnał z dziedziny czasu w dziedzinę częstotliwości) i RMS (Root Mean Square – wartość średnia kwadratowa a także wartość skuteczna) oraz chwilowe położenie środka czopa wału.
Rys. 3. Ekran łożyska
Program zgłasza przekroczenie wartości granicznych w postaci alarmu zbiorczego, istnieje jednak możliwość dokładnego sprawdzenia źródła jego występowania. Zapisuje wszystkie dane do pliku na dysku twardym zarówno w postaci tekstowej, jak i plików JPG.
Ponadto z ekranu głównego można wywołać opcję, która jest używana przy wybiegu i rozbiegu turbozespołu (rys. 4). Wyniki są przedstawiane w postaci wykresów, a także zapisywane na dysku w celu późniejszej weryfikacji i sprawdzenia prawidłowości przeprowadzenia np. uruchomienia turbozespołu.
Rys.4. Ekran wybiegu turbiny
Kolejną funkcją programu jest przedstawienie na trójwymiarowym wykresie (rys. 5) położenia wału w oprawach łożyskowych i jego zachowania podczas pracy. Opcja służy do zaawansowanej analizy ruchu wału w turbozespole, a także przedstawia kinetostatyczną linię ugięcia wału. Wszystko odbywa się na bieżąco, co zwiększa bezpieczeństwo i funkcjonalność całego systemu.
Rys. 5. Wykres 3D wraz z linią ugięcia wału
System był zainstalowany i testowany na rzeczywistym obiekcie. Działał przez ok. 3 miesiące i w tym czasie wykrył pewne nieprawidłowości w działaniu turbozespołu, świadczące o pogarszającym się stanie technicznym. Należy dodać, że dotychczasowy system, oparty wyłącznie na pomiarze wartości drgań względnych, nie zgłaszał żadnych alarmów. Po głębszej analizie otrzymanych wyników udało się określić prawdopodobne źródła zakłóceń i przyczyny ich powstawania.
Przez cały ten czas system działał nieprzerwanie, zarejestrował i zapisał między innymi sytuację wzbudzania się łożyska drugiego (rys. 6), o czym świadczy składowa subharmoniczna pojawiająca się w widmie częstotliwości.
Rys. 6. FFT łożyska 2
W trakcie eksploatacji system zarejestrował, jak zmieniają się drgania w zależności od obciążenia turbozespołu.
Za pomocą systemu udało się określić wielkość runoutu (są to zakłócenia elektromagnetyczne w indukcyjnych czujnikach przemieszczenia, pochodzące od niejednorodności magnetycznej materiału oraz zakłóceń wnoszonych indukcją obcowzbudną), który utrudnia przeprowadzanie pomiarów i może doprowadzić do „ukrycia” ważnych informacji diagnostycznych.
Podsumowanie
Na podstawie zarejestrowanych przez Program Diagnostyczny TP6 danych, wielkości i zmierzonych wartości określono stan techniczny turbozespołu TP 6 oraz sporządzono następujące wnioski.
1. Okresowo powstające samowzbudne drgania olejowe dowodzą o pogarszającej się sprawności układu i stopniowym zmniejszaniu się zapasu nośności hydrodynamicznej. Zmiany te mogą być spowodowane utratą przez olej roboczy właściwości lub zwiększenia się luzu w skojarzeniach czop-panewka. Jeżeli częstotliwość i intensywność pojawiania się wirów wzrośnie lub pojawią się one na stałe, wówczas należy niezwłocznie odstawić turbozespół. Początek tworzenia się wirów olejowych na łożysku 2 jest zjawiskiem niebezpiecznym, prowadzi bowiem do precesji wału, a ta z kolei pociąga za sobą wzrost amplitudy promienia precesji, co może skończyć się przerwaniem klina olejowego, czyli utratą nośności łożyska i przytarciem czopa wału o panew. Ponadto istnieje możliwość wyrwania białego materiału z powierzchni nośnej łożyska i stopniowe powiększanie się uszkodzenia, które w bardzo krótkim czasie może spowodować awarię turbozespołu. Okresowe pojawianie się subharmonicznych w widmie drgań łożyska drugiego o różnych porach dniach, pod różnym obciążeniem i wydajnością, a także zwiększona temperatura (w stosunku do pozostałych łożysk) oleju na spływie świadczą o pogorszeniu sprawności układu czop-panew.
Jeżeli częstotliwość i intensywność pojawiania się wirów wzrośnie lub pojawią się one na stałe, wówczas należy niezwłocznie odstawić turbozespół.
2. Na podstawie zebranych danych i po przeprowadzeniu opisanej analizy zadecydowano o wykonaniu podczas postoju letniego remontu turbozespołu TP6, który potwierdził tezy postawione na podstawie wskazań systemu.
3. Zastosowanie LabVIEW do stworzenia programu diagnostycznego okazało się trafnym wyborem. Powstał nowoczesny program spełniający zaplanowane cele na etapie projektowania. Odznacza się stabilnością, niezawodnością i szybkością działania. Stosunkowo niedużym nakładem można zbudować system na poziomie aktualnie oferowanych wielkich systemów diagnostycznych.
Program umożliwił zarejestrowanie danych, które zostały pominięte przez system stacjonarny pomiaru drgań względnych. Ma olbrzymie możliwości modernizacji i rozbudowy, może bez problemu współpracować z systemami M&D istniejącymi w zakładzie. Zapewnia swobodną wymianę danych przez LAN lub Internet.
UR
Autorzy są pracownikami Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Autor: Dr inż. Tomasz Korbiel, Mgr inż. Krzysztof Niemiec
