Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ
МЕТАЛЛА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 11
Основные элементы ТЭС и условия их эксплуатации 11
Анализ методов оценки технического состояния оборудования ТЭС. 21
Программный комплекс «РАМПА» 29
Выбор ТЭО для проведения идентификации 35
База данных технического состояния котла 36
ГЛАВА 2 АГРЕГИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ
МЕТАЛЛА ТЭО 44
2.1 Анализ повреждаемости ТЭО 44
2.1.1 Анализ отказов 46
Определение эквивалентной температуры эксплуатации по времени до разрушения металла труб 53
Теоретические аспекты решения задачи 58
идентификации СПМ ТЭО 58
2.4 Модели СПМ теплоэнергетического оборудования 61
Классификация моделей 61
Агрегированные компоненты 65
ГЛАВА 3 ИДЕНТИФИКАЦИЯ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА
ТЭО 67
3.1 Определение механических свойств сталей при повышенных
температурах 67
Стенд для высокотемпературных испытаний 67
Математическая модель нагревательной камеры 73
Проведение испытаний материалов 78
3.2 Аппроксимирующие зависимости свойств металла ТЭО 82
Надежностная компонента 82
Температурная компонента 90
3.2.3 Механическая компонента 99
3.3. Проведение идентификации СПМ ТЭО 109
Методика решения задачи идентификации 109
Разработка идентификационных моделей изменения степени повреждения металла ТЭО 109
Нахождение агрегированных моделей и организация входа и выхода, выбор моделей агрегирования 112
Оптимальная агрегированная модель для входа 114
Оптимальная агрегированная модель для выхода 117
Нахождение критериальных и агрегированной скоростей изменения
степени повреждения металла 119
3.3.7 Опорные точки для нахождение оптимальных
аппроксимирующих зависимостей корреляционных функций 121
3.3.8 Оптимальные аппроксимирующие зависимости для
корреляционных функций 124
3.3.9 Нахождение идентификационных моделей степени
повреждения металла котла 126
ГЛАВА 4 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «ИДЕНТИФИКАЦИЯ
СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА ТЭО» 131
Назначение программного комплекса 131
Основные этапы работы ПК 132
Структура программного комплекса 134
Создание файла базы данных 137
Покомпонентный расчет 138
Покомпонентная модель 139
Агрегированная модель 139
Выбор оптимальной модели 141
Сохранение результатов работы 142
4.10 Пример работы 143
ГЛАВА 5 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИДЕНТИФИКАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОТОЯНИЯ МЕТАЛЛА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 144
Структурная модель надежности типового котла 144
Надежность функционирования 147
Стоимость эксплуатации котла 150
Выработка пара 151
Оценка эффективности автоматизированной идентификации 152
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 154
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 156
ПРИЛОЖЕНИЕ А 165
Разрушение экранных труб 165
Разрушение труб змеевиков КПП-1 178
Разрушение труб змеевиков Kill 1-2 185
Разрушение труб змеевиков ШПП 191
5. Разрушение труб экономайзеров 198
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 201
Введение к работе
Проблема автоматизации ремонтно-технического обслуживания (РТО) тепловых электростанций (ТЭС) в России стоит особенно остро. Это связанно с непрерывным увеличением затрат, обусловленных неудовлетворительным техническим состоянием элементов теплоэнергетического оборудования (ТЭО) вследствие старения. Объем денежных средств, направленных на ремонт, диагностирование и техническое обслуживание, например, в ОАО «Березовская ГРЭС-1» за 2003 г. составил 374892 тыс. рублей. На сегодняшний день имеются разработки автоматизированных систем управления РТО, направленные на уменьшение затрат, связанных с диагностированием и ремонтом. Однако, при краткосрочном и при долговременном планировании ремонтных мероприятий необходимо учитывать текущее состояние ТЭО, а также дальнейшее его изменение. Для использования в АСУ РТО состояние ТЭО необходимо оценивать, используя количественную характеристику -степень повреждения металла (СПМ) элементов, узлов и ТЭО в целом. Это позволяет получить математическую модель, которая используется при создании программного комплекса для автоматизированной идентификации СПМ ТЭО.
Для полной идентификации СПМ элементов, например котла ТГМЕ-464, нужно исследовать более 3300 элементов, наиболее ответственных с точки зрения промышленной безопасности. СПМ каждого описывается более, чем 22 параметрами, которые определяются методами разрушающего и неразрушающего контроля. Вышесказанное позволяет представить размерность задачи идентификации СПМ элементов котла. Идентификация СПМ с применением метода агрегирования уменьшает размерность задачи идентификации в 100 и более раз, а также исключает ранжирование при получении количественной оценки СПМ. Метод пригоден для автоматизированной идентификации СПМ ТЭО с использованием программного комплекса.
Основы идентификации степени повреждения металла энергооборудования отражены в работах Антикайна П.А., Березиной Т.Г., Гофмана Ю.Н., Гуревича В.З., Израилева Ю.Л., Райбмана Н.С., Хромченко Ф.А., Цыпкина Я.З. и других. Однако, известные знания по вопросам идентификации степени повреждения металла элементов ТЭС требуют дальнейшего совершенствования и развития, что делает тему диссертации актуальной.
На долю ТЭС приходилось около 72-75% вырабатываемой в России электроэнергии. Однако, конструкторский расчет и проектирование электростанций велись, основываясь на том, что проектируемые ТЭЦ должны работать в базовом режиме в течение расчетного количества времени, а фактически в течение многих десятилетий оборудование тепловых электростанций эксплуатируется в маневровом режиме (Сакмарская ТЭЦ, Каргалинская ТЭЦ, Орская ТЭЦ-1 и др.), что способствует ускоренному износу.
Другим фактором, повлиявшим на состояние электроэнергетики является ее эксплуатация в период с 1986 по 2003гг. Согласно Генеральной схеме развития электроэнергетики СССР, планировалось вывести из эксплуатации и демонтировать большинство из отмеченного выше оборудования. Однако при этом намечался и значительный ввод нового оборудования или замена турбин на ТЭЦ. К сожалению, начиная с 1989, 1990 гг., идет значительное отставание с вводом нового оборудования (турбин, энергетических и пиковых котлов). Фактически это приводит к восстановлению и продлению сроков эксплуатации изношенного оборудования. Так, на целом ряде ТЭЦ срок эксплуатации продлен до 40-50 лет (например, на Барнаульской ТЭЦ 5-ый блок Р-5-29 введен в 1944 г., и демонтаж намечался на 1996 г.; на Кемеровской ТЭЦ 2-ой блок Р-6-29 введен в эксплуатацию в 1942 г., демонтаж в 1994 г., 4-эй блок П-25-29, соответственно, 1943 и 1996 гг. и т.д.). В результате необходимо сохранять в эксплуатации большинство теплофикационных турбин, введенных в 50 гг.
Электроэнергия - одна из самых важных составляющих развития
промышленного производства. Электроэнергетика обладает рядом факторов, обусловливающих необходимость сохранения в ближайшей перспективе высокой надежности оборудования электростанций. К ним относятся :
- особая важность для населения и всей экономики обеспечения надежного
энергоснабжения;
высокая капиталоемкость и сильная инерционность развития электроэнергетики;
монопольное положение отдельных предприятий и систем по технологическим условиям, а также вследствие сложившейся в нашей стране высокой концентрации мощностей электроэнергетики:
высокий уровень опасности объектов электроэнергетики для населения и природы.
Поддержание ТЭС на высоком уровне надежности и экономичности -важнейшая задача на современном этапе.
Тепловые электростанции конструктивно представляют собой блочную структуру из котлов и турбин, хотя и имеется главный станционный коллектор, позволяющий отключать любой котел, либо турбину в любой момент времени. Котел представляет собой трубный агрегат, в задачи которого входит создание и поддержание на выходе в определенных пределах температуру и давление пара. В задачи турбины входит преобразование энергии пара в механическую, а затем электрическую энергию. При этом в котлотурбинном агрегате металл работает в тяжелых условиях - при высоких температурах и давлении в агрессивной среде - водяном паре в течение порядка 100 000 часов (расчетный срок службы элементов котла). В условиях эксплуатации, описанных выше, в металле внутристанционных и внутрикотельных трубопроводов, поверхностей нагрева, элементах арматуры, турбинах, в сварных соединениях возникают и развиваются повреждения и разрушения, которые могут привести к вынужденной внеплановой остановке котла или блока, а также вызвать сопутствующие разрушения элементов ТЭО. Также, количество этих повреждений неизменно увеличивается во времени, что ведет к постоянному
увеличению затрат на ремонт и диагностирование. Соответственно возрастают объемы материалов необходимых для ремонта.
Для поддержания оборудования в технически исправном состоянии и для обеспечения безопасной эксплуатации необходим постоянный поиск эффективных мер по оценке текущего состояния металла, а так же изменение состояния металла в будущем в зависимости от интенсивности эксплуатации, выдачей конструктивных рекомендаций в изменении режимов эксплуатации.
На современном этапе основная масса работы по обеспечению безотказной работы энергетического оборудования лежит на цехах централизованного ремонта и службах металлов энергетических систем и различных наушо-исследовательских организациях (ВТИ, УралВТИ, ЦКТИ, ОРГРЭС, ЦНИИТМАШ и т. д.).
Многочисленные опубликованные исследования ВТИ, Союзтехэнерго, ОРГРЭС, ЦКТИ, ЦНИИТМАШ, УралВТИ, проведенные в различные годы, направленные на выявление и устранение причин повреждения металла энергетического оборудования, разработку методов прогнозирования, не достаточно используют успехи, достигнутые в области теории идентификации и новых информационных технологий за последние годы.
Целью работы является повышение эффективности функционирования теплоэнергетического оборудования путем автоматизации процесса идентификации степени повреждения металла ТЭО.
Задачи работы:
1. Создать базу данных элементов ТЭО и условий их
эксплуатации;
Разработать методику определения эквивалентной температуры эксплуатации элементов ТЭО;
Разработать компонентные модели степени повреждения металла ТЭО и исследовать зависимости существенных свойств марок стали энергетического котла;
Разработать программный комплекс для автоматизированной идентификации степени повреждения металла ТЭО;
Определить эффективность функционирования ТЭО с автоматизированной идентификацией СПМ.
Объектом исследования является теплоэнергетическое оборудование (котлы), а предметом исследования - степень повреждения металла теплоэнергетического оборудования.
Степень обоснованности и достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями. Разработанный программный комплекс, принципы идентификации степени повреждения металла ТЭО, результаты лабораторных испытаний и натурных исследований подтвердили возможность их практической реализации.
Научная новизна:
- определены основные параметры моделей идентификации степени
повреждения металла ТЭО;
~ установлены основные причины отказов элементов ТЭО за тридцатилетний период эксплуатации и предложена методика определения эквивалентной температуры эксплуатации;
- исследованы зависимости существенных свойств марок стали от
эксплуатационных параметров;
-установлены авто- и взаимокорреляционные, а также передаточные и импульсные переходные функции изменения степени повреждения металла ТЭО;
разработаны модели идентификации степени повреждения металла ТЭО.
Практическая значимость. Разработан программный комплекс, позволяющий определять в автоматизированном режиме СПМ элементов, узлов и всего энергетического котла. Результаты исследований позволяют оценить состояние энергетического котла в целом, повысить объективность
оценки СПМ элементов котла и эффективность нахождения потенциально опасных агрегатов и элементов.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены на Сакмарской ТЭЦ и в службе металлов и сварки ОАО «Оренбургэнерго».
Апробация работы Материалы диссертации докладывались на третьей всероссийской НТК «Прочность и разрушения материалов и конструкций» (Орск, 2002 г.), на пятой НТК «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2002 г.), на всероссийской НПК «Качество профессионального образования» (Оренбург, 2003 г.), на всероссийской НПК «Современные аспекты интеграции машиностроительного производства» (Оренбург, 2003 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, включая монографию, кроме того отчет о НИОКР и свидетельство о регистрации программного комплекса.
На защиту выносятся.
Аппроксимирующие характеристики, входящие в состав агрегированных компонент.
Методика определения эквивалентной температуры эксплуатации ТЭО, учитывающая причины отказов элементов ТЭО.
Результаты экспериментальных исследований и модели идентификации степени повреждения металла ТЭО.
Программный комплекс: «Идентификация степени повреждения металла ТЭО».
