Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ принципов математического моделирования и эффективности методов диагностики оборудования 9
1.1. Постановка задач математического моделирования 9
1.2. Методы контроля и диагностирования оборудования 16
1.3. Структурная схема системы технической диагностики и её программного обеспечения 28
1.4. Технико-экономическая эффективность при внедрении математических моделей и комплексов программ в составе системы технической диагностики 37
Выводы по главе 1 40
Глава 2. Математические модели характеристик и диагностики оборудования 41
2.1. Условные обозначения и исходные данные 41
2.2. Разработка математической модели термогазодинамических параметров ДГ-90 44
2.3. Вычислительный эксперимент для определения эксплуатационных характеристик ДГ-90 48
2.4. Математическое моделирование технического состояния ДГ-90.
2.5. Математическая модель расцентровки роторов 59
Выводы по главе 2 61
Глава 3. Экспериментальные исследования оборудования 62
3.1. Планирование экспериментальных исследований 62
3.2. Вибрационные исследования паротурбинных установок 71
3.3. Термогазодинамические исследования состояния газотурбинных установок
Выводы по главе 3 85
Глава 4. Результаты диагностических исследований 86
4.1. Назначение программно-технического комплекса и программа исследований 86
4.2. Ретроспектива по состоянию теплофикационного оборудования Тобольской теплоэлектроцентрали 93
4.3. Спектры вибрации при различных режимах и температурах циркуляционной воды 103
4.4. Анализ состояния фундамента 108
4.5. Изменение амплитуд и фаз при различных режимах работы ТГ-2... 110
4.6. Результаты геодезических испытаний 120
Выводы по главе 4 127
Основные выводы и результаты 128
Список использованных источников 129
- Методы контроля и диагностирования оборудования
- Вычислительный эксперимент для определения эксплуатационных характеристик ДГ-90
- Термогазодинамические исследования состояния газотурбинных установок
- Спектры вибрации при различных режимах и температурах циркуляционной воды
Методы контроля и диагностирования оборудования
Совокупность уравнений, описывающих режимы работы и техническое состояние оборудования составляет математическую модель, а изучение его поведения в тех или иных условиях путем решения этих уравнений называется математическим моделированием по аналогии с моделированием натурным и физическим.
Возможности физического моделирования ограничены: чем сложнее изучаемый объект, тем меньше шансов на успех. Математическое моделирование не имеет подобных недостатков. Сложность математической модели, как правило, обусловливается сложностью исследуемого объекта, а также точностью результатов расчетов, определяемой практикой. В то же время сложность модели не должна превосходить некоторого предела, определяемого возможностями математического аппарата, которыми располагают исследователи.
Построение эффективных математических моделей предполагает глубокие знания в исследуемой области и требует большого искусства [26, 32]. Математическая модель в значительной мере определяет успех диагностирования. Именно поэтому так тщательно отрабатываются математические модели и проверяются экспериментально. И лишь когда появляется уверенность в том, что они достаточно хорошо описывают технологический процесс, наступает этап прогнозирования: модели могут надежно предсказать поведение исследуемого объекта в условиях, в которых эксперименты пока не проводились или вообще невозможны.
Современная технология теоретических исследований подразумевает "вычислительный эксперимент", опирающийся на "экспериментирование" с математической моделью. Роль экспериментальной установки выполняет ПЭВМ, ведущая вычисления по заданной программе. Например, под математической моделью режима работы агрегата подразумеваются увязанные с реальным законом регулирования алгоритмы расчета его характеристик в которых используются экспериментальные или расчетные характеристики элементов и закономерности влияния на них условий работы, которые позволяют получить с требуемой точностью значения параметров агрегатов в заданном диапазоне внешних воздействий.
Длительный опыт разработки и исследования позволяют сформулировать основные требования, предъявляемые к математическим моделям объектов: а) модель должна быть сформирована по блочному принципу, допускающему замену, добавление или совершенствование отдельных ее частей без нарушения общей системы; б) структура модели должна соответствовать конструктивному членению на узлы и элементы и ее блоки должны объединяться с учетом иерархии членения; в) при решении определяющих систем уравнений модель должна быть ориентирована на максимальное использование оптимизации параметров и других задач, решаемых стандартными (отработанными ранее) математическими методами.
Необходимо одновременно рассматривать математические модели неисправностей объекта, математические модели объекта и организацию способа их взаимодействия для сохранения адекватности реальному состоянию.
Задача моделирования системы с неисправностями может быть решена следующим образом. Составляется математическая модель, описывающая поведение системы, представляющая собой, как правило, детерминированное уравнение, которое описывает процессы, происходящие в системе, и их взаимные связи. Устанавливаются зависимости, связывающие параметры технологического процесса с первичными неисправностями.
Задаваясь типовыми функциями первичных неисправностей и решая уравнения, определяют реализации параметров рабочего процесса, соответствующих каждому аварийному состоянию. При этом, естественно, тратится значительное количество времени.
Таким образом, при диагностике систем широко применяется иерархическое построение моделей различного уровня сложности. При использовании иерархии модели системы необходима передача информации по всем ступеням иерархической модели как сверху вниз, так и в обратном порядке. Организация этого потока информации - непростая задача. В случае передачи сверху вниз информация должна преобразоваться к виду, приемлемому для моделей нижнего уровня. При движении снизу вверх важно сжатие информации, т.е. максимальное уменьшение ее объема при минимальном уменьшении информативности. Без сжатия моделей верхнего уровня трудно или невозможно справиться с чрезмерным объемом информации.
Самым простым решением проблемы является использование иерархической модели, т.е. в случае размещения всей иерархической модели в запоминающем устройстве ПЭВМ можно было бы использовать сразу всю модель для диагностики всех элементов системы. К сожалению, возможности вычислительных машин ограничены, поэтому для решения отдельных задач диагностики используют частные модели.
Большое значение имеет оптимальное выделение частных моделей элементов системы из иерархической, которое следует производить исходя из следующих соображений: а) размер каждой частной модели должен быть таким, чтобы она легко размещалась в запоминающем устройстве используемой вычислительной машины вместе с обслуживающими программами и время всех необходимых расчетов на ней должно быть реальным; б) число частных моделей должно быть минимальным, так как это уменьшит число взаимосвязей и необходимое машинное время; в) число параметров моделей взаимосвязей - минимально, с минимальной корреляцией между ними; г) по возможности частные модели выбирать таким образом, чтобы они совпадали с уже существующими моделями, имеющими отлаженные программы; д) информация по возможности не должна передаваться между моделями одинакового уровня в иерархии, иначе увеличивается число частных моделей; е) следует сразу разделять автоматические и автоматизированные модели, т.е. оценивать будущий режим работы.
В ряде случаев целесообразно использование упрощенной модели. Для упрощения анализа моделей используют агрегированные описания и декомпозиционные; методы эквивалентирования и доминирования; свойства адап 12
тации, процедуры обнаружения определенных свойств в модели; внесение в модели верхнего уровня частичной информации, относящейся к более низким уровням, а также метод макромоделирования, т.е. выделение существенных свойств и учет прочих (несущественных или неучтенных) в параметрической форме. Имеются другие способы упрощения анализа моделей, например неучет динамических свойств, линеаризация нелинейных процессов в некоторой области изменения значений и др.
Применительно к модели можно выделить следующие условные уровни: нулевой (ретроспектива), когда используется формальное описание, без привлечения каких-либо уравнений и взаимосвязей, основанных на физических представлениях; первый уровень наиболее типичный, когда математические модели узлов представлены формальным описанием их характеристик в виде таблиц или аппроксимирующих зависимостей и не раскрывают физической природы процессов, протекающих в отдельных элементах, которые рассматриваются как "черные ящики"; второй уровень, когда математические модели узлов детализированы по отдельным элементам, например по ступеням или отдельным узлам агрегатов, т.е. представляют собой модели первого уровня диагностики [28, 35, 36], третий уровень - прогнозирование и управление. На рис. 1.1 представлен жизненный цикл установки, охватывающий все этапы моделирования.
Методы расчетного определения характеристик с использованием математической модели можно условно разделить на три группы: для проектируемого агрегата; для выполненного, представляющего серию; для конкретного экземпляра. При выборе параметров и определении характеристик проектируемого агрегата, как правило, используются расчетные характеристики его элементов.
Вычислительный эксперимент для определения эксплуатационных характеристик ДГ-90
Диагностическая модель представляет собой, формализованное описание объекта учитывающее возможность изменения его состояния. Строится модель на основе анализа состава оборудования, условий использования и эксплуатации. Она может быть аналитической, графической и графоаналитической.
Определение и классификация диагностических параметров системы достаточно сложный и неформализованный процесс, поэтому создание систем диагностирования проходит несколько этапов. На первом предварительно назначаются существенные и диагностические параметры объекта и его оборудования, используя обычно знания и опыт специалистов. На втором этапе уточняются предварительно выбранные параметры путем использования различных формальных методов.
Если выделены определяющие параметры системы, то составляются и выбираются её диагностические модели, число которых обусловливается спецификой объекта и условиями его эксплуатации. По выбранным моделям назначаются прямые и, косвенные показатели (параметры), которые предстоит оценивать с помощью технических средств. После того как диагностическая модель выбрана, используются принципы общей теории идентификации: - наблюдаемость, управляемость и различимость.
Выбор оцениваемых прямых и косвенных показателей работы системы и методов их оценки, осуществляемой в результате анализа диагностической модели, с одной стороны, определяет её пригодность для контроля, а с другой - влияет на технические решения, принимаемые при проектировании технических средств диагностирования. Технические возможности разработчиков СТД во многом определяют решения, принимаемые при разработке диагностического обеспечении системы по выбору оцениваемых показателей и методов их оценки. Кроме того условия работоспособности системы и признаки наличия дефектов в ней, определяемые при разработке диагностиче ского обеспечения объекта существенно влияют на технические решения при разработке СТД, поскольку являются основой для получения метрологического обеспечения объекта и характеризуют методическую достоверность диагностирования оборудования теплогазоснабжения.
Алгоритмы и программы диагностирования состояния оборудования, реализуются автоматическими средствами диагностирования с помощью специалиста-диагноста. При разработке алгоритмов и программы диагностирования системы существенна оценка её по выбранным критериям с целью обеспечения требуемой эффективности ТД. Диагностическое обеспечение системы включает перечень оцениваемых показателей, методов их оценки, условия работоспособности, признаки наличия дефектов, алгоритмы и программы диагностирования.
Эффективность ТД оборудования, определяемая в ходе разработки диагностического обеспечения, позволяет оценить результаты, получаемые специалистами в ходе эксплуатации системы. Вероятностная оценка результатов диагностирования с учетом вероятностных показателей всех составляющих процесса дает возможность объективно судить об эффективности диагностирования. На основе учета влияния всех составляющих процесса диагностирования можно дать обоснованные рекомендации по ужесточению требований, предъявляемых к отдельным компонентам системы диагностирования.
Оценка эффективности СТД объектов, осуществляемая на конечном этапе создания последней, дает возможность оценить целесообразность затрат, связанных с ее применением в период эксплуатации.
Разработка технических средств диагностирования выполняется в два этапа. На первом этапе определяются задачи, вид средств (внешние, встроенные) и требования по безотказности, выбираются методы диагностирования, разрабатывается метрологическое обеспечение. В качестве критерия для оценки СТД при решении задач на первом этапе можно использовать экономические показатели. Содержание действий на первом этапе тесно связано со спецификой задач, решаемых СТД. Выбор метода ТД целесообразно осуще 36
ствлять из базы данных апробированных методов, причем каждый метод может характеризоваться двумя подмножествами показателей: показателями процесса диагностирования (время, достоверность, глубина поиска, стоимость и др.) и показателями объекта (вид объекта, число входов и выходов, необходимость тестового воздействия и др.). Это обстоятельство предопределило целесообразность их специального рассмотрения.
На втором этапе создаются алгоритмы и программы технических средств СТД и с учетом определенной степени автоматизации принимаются решения по выбору элементной базы, построению структуры, принципиальных схем и конструкций. В заключение определяется инструментальная достоверность, которая является одной из составляющих при определении эффективности диагностирования. На рис. 1.3 представлена структура системы технической диагностики и комплексов программ. К - сопутствующие капиталовложения потребителя, приходящиеся на единицу оборудования и включающие затраты на НИР и ОКР, выполняемые в исследовательских институтах, на контроль и диагностирование, стоимость приобретаемых потребителем средств контроля и диагностирования, затраты на обучение персонала, эксплуатирующего средства диагностирования и др.;
Индекс «1» присваивается базовому варианту, в качестве которого рассматривается вариант с достигнутым уровнем эффективности эксплуатации и ремонта оборудования, индекс «2» присваивается варианту с внедрением ме 38 роприятий по совершенствованию эксплуатации и ремонта оборудования, поэтому U, не учитывается, а только \J 2 с применением системы контроля и диагностики (СКД).
Присутствие в расчетах значения Ен требует специального пояснения. Взятая за основу методика определения значения народнохозяйственного эффекта [6] требует соответствующей ее адаптации к условиям переходного периода. Принципиального различия между значениями Ен и значением величины дисконтирования можно избежать в случаях: Ґ- если горизонт расчета экономического эффекта невелик, что требует увеличения трудоемкости расчетов (период достаточно стабильных процессов в экономике); либо, как получалось в итоге в наших расчетах, его значение (Ен) не влияет на конечный результат расчета экономического эффекта (при том же допущении стабильности процессов в экономике). Безусловно, принимаемые допущения потребуют дальнейшего научного их обоснования и приняты в качестве первых приближений.
Термогазодинамические исследования состояния газотурбинных установок
Исследование технического состояния паротурбинных установок разделяется на несколько этапов: предварительное исследование, исследование причин вибрации на работающем агрегате, исследование остановленного агрегата, обработка результатов исследования. По результатам обработки материалов исследования составляется заключение о причинах вибрации и мерах по ее снижению [46, 77].
При предварительном исследовании ставится задача определить причины появления повышенной вибрации, ее уровень, локализацию максимальных амплитуд, частотный спектр вибрации, общий характер вибрационных явлений. Если при этом становятся ясными причины вибрации, то после предварительного обследования составляется заключение и определяется объем работ по устранению повышенной вибрации.
Предварительное исследование включает в себя опрос эксплуатационного персонала, ознакомление с документацией, подготовки виброаппаратуры, проведение измерений вибрации. Опрос персонала должен выявить следующее: - когда и при каких обстоятельствах обнаружена повышенная вибрация (после монтажа агрегата, после капитального или текущего ремонта, в процессе эксплуатации, вибрация возникла скачком или постепенно и т. п.); - какие приняты меры по обеспечению безопасности агрегата (агрегат остановлен, оставлен в эксплуатации, ограничен по нагрузке и т. д.); - какие имеются наблюдения за характером вибрации (вибрация зависит от нагрузки, не зависит от нагрузки, внезапно возникает и исчезает, возникает при определенных условиях, преобладает в определенных точках и
Рассмотрены следующие документы: монтажные и ремонтные формуляры, отчетные документы по предыдущему ремонту, технические акты, имеющие отношение к вибрации, виброграммы с записывающего прибора, имеющиеся записи вибрации, чертежи агрегата. При ознакомлении с документацией необходимо определить соответствие зазоров и натягов в подшипниках, а также соответствие центровок по полумуфтам рекомендуемым значениям, выяснить изменения амплитуд вибрации во времени и в зависимости от режима работы агрегата. Предварительные замеры вибрации производятся при некоторой нагрузке агрегата без вмешательства в режим его эксплуатации и в основном ограничиваются измерением трех компонентов вибрации опор. Если повышенная вибрация возникает при определенном режиме, то для предварительных измерений выбираются два режима: с нормальной и повышенной вибрацией.
В тех случаях, когда вибрация локализуется на одном подшипнике, или части фундамента, целесообразно произвести соответственно снятие контурной характеристики. При предварительных замерах в каждой точке фиксируются размах полигармонической вибрации, амплитуда и фаза оборотной составляющей вибрации, частота и размах преобладающей гармоники вибрации (если она не оборотная).
Предварительный этап исследований позволяет выяснить наиболее вероятные причины вибрации и построить последующие эксперименты таким образом, чтобы выделить из группы вероятных действительную причину.
По результатам предварительного исследования агрегата составляется программа исследований на работающем агрегате. Ряд режимов агрегата, необходимых для исследования, может выходить за пределы, определенные правилами технической эксплуатации. Во всех случаях эксперименты по исследованию вибрации оборудования связаны с вмешательством в режим работы предприятия, а иногда и тепловой сети города. Поэтому программа исследований должна быть согласована с эксплуатационным персоналом и утверждена главным инженером предприятия.
Исследование включает опытное определение влияния на вибрацию различных факторов: теплового состояния, крутящего момента, нагрузки, эксплуатационных расцентровок. Исследование предполагает также снятие частотных и режимных характеристик вибрации [47, 73].
Помимо типовых экспериментов производились специальные опыты. Они планировались индивидуально в зависимости от предполагаемых причин вибрации, конструктивных особенностей агрегата, схемы его работы с тепловой сетью, коллекторами, трубопроводами. Изменения режимов работы агрегата при исследовании вибрации производятся в такой последовательности, чтобы по возможности обеспечить проведение всего комплекса намеченных экспериментов за один цикл «включения-выключения» агрегата.
Следующим этапом исследования вибрации является исследование остановленного агрегата. При минимальной разборке это исследование обычно ограничивается ревизией опорных подшипников, проверкой центровок по муфтам и состояния муфт, осмотром мест задеваний в доступной части роторов электродвигателя и насоса. При ремонте агрегата могут быть проведены также работы по частичной разборке роторов, их всесторонней проверке, включающей проверку на балансировочном станке, по ревизии шпоночных соединений и других монтажных сопряжений подшипников и корпусов.
Исследование остановленного агрегата позволяет также сопоставить его результаты с характером наблюдавшейся вибрации и подтвердить известные вибрационные диагностические признаки найденных дефектов либо обнаружить новые.
Следует учесть, что вибрационное исследование не всегда приводит к однозначному определению причины вибрации, поэтому в заключении по этому исследованию должны быть указаны все возможные причины вибрации, а намечаемый объем ремонтных работ должен предусматривать устранение всех этих причин.
Иногда трудно предвидеть, окажутся ли достаточными намеченные работы по устранению выявленной причины вибрации. Это относится, например, к низкочастотной вибрации, к работам по ужесточению опор и т. п. В таких случаях в заключении должна быть оговорена возможность дополнительных мероприятий по устранению вибрации после выполнения и проверки результатов проведенных работ.
В период 1994-7-2002 г. были проведены исследования паротурбинных установок (ПТУ), Нижневартовской ГРЭС, Тобольской ТЭЦ, Тюменской ТЭЦ-1, 2. Проведены измерения общего уровня вибросмещения, скорости, получены спектры, сняты характеристики разгона-выбега [68, 69].
Для получения значений вибропараметров использовалась переносная вибрационная аппаратура фирмы "Диамех" и штатная аппаратура смонтированная сотрудникам и НЛО "ГРАД", г. Тюмень, под руководством и личном участии автора диссертации. Разработанная общая экспериментальная схема представлена на рис 3.8. Измерения проводились в вертикальном, поперечном, осевом направлении по корпусам подшипников и в вертикальном, поперечном направлении по валу ПТУ. Для определения состояния фундаментов проводились геодезические исследования с помощью особо точных нивелиров [68, 69].
Спектры вибрации при различных режимах и температурах циркуляционной воды
В настоящем разделе обобщены результаты геодезических наблюдений за вертикальными смещениями опор роторов в разные сезоны года, в разных режимах эксплуатации (конденсационный и теплофикационный) и за состоянием фундаментного строения ТГ-2 Тобольской ТЭЦ. Наблюдения выполнены в период с июля 1998 г. по февраль 2002 г.
Установку геодезических марок на корпусах подшипниковых опор выполнили в 1998 г. сотрудники участка ТРЦ «Тюменьэнергоремонта», на верхнем строении фундамента использованы штатные геодезические реперы (отсутствует РП№5), на нижнем строении реперы установлены только в 2001 г.
В табл. 4.7. приведены величины смещений подшипниковых опор при переходе ТГ из предпускового состояния с условно нулевой центровкой опор в режим «Работа» с полностью прогретым фундаментом в разные сезоны года (конденсационный режим) и осенне-зимний сезоны для теплофикационного режима. Там же приведены средневесовые значения смещений опор (пункт 6), вычисленные с учётом качества выполненных измерений.
В пункте 7 приведено рекомендуемое на основе только геодезических данных взаимное высотное положение опор роторов для КПР, а в пункте 8 табл. 4.7 показано ожидание среднегодовое взаимное положение опор по высоте на работающем ТГ после перецентровки по пункту 7.
На рис. 4.23 данные табл. 4.7 представлены графически, а на рис. 4.24, 4.25 эти данные показаны в традиционной для электростанций форме в виде раскрытий и смещений полумуфт роторов с учётом реальных расстояний между геодезическими марками и осями подшипников.
Сопоставление реальных эксплуатационных (пункт 3, рис. 4.25) и предварительных расцентровок по ТУ завода-изготовителя (пункт 4, рис. 4.25) говорит о том, что после пуска компенсируются только раскрытие полумуфт РВД-РСД, остальные параметры расцентровок в 5-20 раз превышает расчётные. Внедрение рекомендаций по пункту 5, рис. 4.25 (после соответствующей процедуры согласования с РАО «ЕЭС России» согласно приказа № 730 от 29.12.2000 г. и с заводом-изготовителем), позволило бы резко улучшить условия работы подшипниковых опор, уменьшить изгибные напряжения на шейках роторов, разрывающие усилия в соединительных болтах полумуфт и выровнять изменения опорных реакций, т.е. сгладить колебания температуры баббита и повысить надёжность эксплуатации энергоблока.
На рис. 4.26 по данным табл. 4.8 показаны осадочные деформации верхнего строения фундамента (на отметке Н=+12,0 (м), пункт а), рис. 4.26) за период с октября 1998 г. по февраль 2002 г. и на отметке Н=0,0 (м) (пункт б), рис. 4.26) за последний год (02.01-02.02 г.г.), причём динамика осадочных деформаций за последний год на верхнем строении совпадает с величинами осадок нижней плиты. Недостатком исследования является отсутствие данных о деформациях по 5И фундаментной раме (односторонние измерения по реперу №8 без учёта поперечного крена ригеля говорят о возможной просадке этой рамы).
Полученные данные говорят о систематическом изменении центровок опор РСД и РНД, а также РНД-РГ, о чём свидетельствовали результаты анализа изменений центровок опор в этих соединениях роторов по данным 1983-1999 г.г. Предложения: 1. Представить рекомендации по предварительной расцентровке опор роторов по геодезическим данным на экспертизу и согласование с заводом-изготовителем с учётом требований приказа № 730 по РАО «ЕЭС России». 2. Разработать мероприятия по анализу причин нестабильности высотного положения фундаментного строения ТГ-2 Тобольской ТЭЦ. 3. Продолжить систематический геодезический контроль за состоянием центровок опор валопровода ТГ-2 и его фундаментом. На основе новых геодезических данных разработать поправки в предварительную расцен-тровку опор, компенсирующие осадочные деформации фундамента на межремонтный период.
Разработки вибрационных и термодинамических моделей для контроля и диагностики режимов работы и технического состояния ГТУ и ПТУ предлагается реализовать в виде автоматизированной системы мониторинга и диагностики. В виде примера приводится логическое описание системы, смонтированной на Тюменской ТЭЦ-2 и на головной районной электростанции.
Представлены результаты исследований ПТУ на Тобольской ТЭЦ по классической системе, включающей изучение ретроспективы, постоянный контроль вибрационных и геодезических параметров, анализ статистических данных, диагностика причин неисправностей и рекомендации по их устранению.
