Введение к работе
Актуальность темы. По данным Федеральной службы госстатистики в 2010 году в России было произведено 1037 млрд кВт-ч электроэнергии. По этому показателю Российская Федерация занимает третье место в мире, уступая лишь США и Китаю. Значительный объём производства и потребления электроэнергии предъявляет повышенные требования к технико-экономической эффективности функционирования энерговырабатывающих предприятий. В условиях старения основного оборудования отечественных электростанций актуальной становится проблема продления индивидуального ресурса имеющихся турбоагрегатов (ТА) и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя. При решении этой проблемы особое внимание следует уделять диагностике дефектов, способных привести к авариям с катастрофическими последствиями.
Необходимость продления ресурса и предотвращения аварийных выходов оборудования из строя повышает требования к методам и средствам технической диагностики ТА. В целях продления срока службы, повышения надёжности и экономичности установленного оборудования необходима разработка технических средств, позволяющих диагностировать дефекты на раннем этапе их развития.
Возникновение и развитие дефектов в различных частях роторной машины в большинстве случаев сопровождается изменением параметров вибрации её элементов. Поэтому одной из наиболее универсальных и совершенных методик диагностики роторных машин, к которым относятся ТА, является вибродиагностика, т.е. выявление дефектов на основе анализа характеристик вибрации элементов машины. В ряде случаев вибрация является не только индикатором, но и причиной развития дефектов. Более того, в некоторых ситуациях вибрация нарастает лавинообразно и требует экстренной остановки ТА для предотвращения его разрушения. Подтверждением сказанному являются выводы комиссии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору о причинах аварии, происшедшей 17.08.09 на Саяно-Шушенской ГЭС. В «Акте технического расследования причин аварии», принятом этой комиссией, сказано, что «одним из факторов, способствующих развитию дефекта в шпильках крепления крышки турбины на ГА-2, является значительное количество переходных режимов работы ... с повышенными динамическими характеристиками (вибрациями)...». В качестве рекомендаций по предотвращению подобных ситуаций комиссия предлагает «оснастить гидроагрегаты штатными системами постоянного контроля вибрации» и «обеспечить учет данных вибрационного и теплового контроля гидроагрегатов ... с реализацией функции предупредительной и аварийной сигнализации, автоматического останова гидроагрегатов».
Из сказанного следует, что разработка и внедрение на электростанциях России высоконадёжных средств вибромониторинга и вибродиагностики позволит предотвратить аварии с катастрофическими последствиями, продлить срок службы ТА и сократить сроки ремонта за счёт обнаружения дефектов на самых ранних стадиях их возникновения, а также снизить затраты на обслуживание оборудования благодаря прогнозированию изменений его технического состояния.
Задача измерения параметров вибрации ТА тепловых электрических станций осложняется повышенными требованиями к диапазону рабочих температур первичных преобразователей (датчиков). Снижение дополнительной температурной погрешности измерений в этом случае позволит адекватно оценить вибрационное со-
стояние ТА.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена:
- необходимостью использования на электростанциях РФ высоконадёжных от
казоустойчивых систем вибромониторинга (СВМ) с целью повышения безопасности и
экономической эффективности эксплуатации ТА;
-необходимостью обеспечения точности измерений параметров вибрации в широком диапазоне рабочих температур;
-отсутствием эффективных способов контроля работоспособности и компенсации температурной нестабильности пьезоэлектрических акселерометров (ПА), пригодных для использования в СВМ, в рабочем режиме объекта эксплуатации;
-наличием на многих электростанциях России оборудования виброконтроля, не обеспечивающего требуемых показателей отказоустойчивости и, как следствие, необходимостью разработки экономически эффективных способов его модернизации.
Исследования выполнялись в соответствии с «Перечнем критических технологий Российской Федерации», утверждённым Президентом РФ 21.05.06 №Пр-842 (раздел «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации»), по научному направлению ЮРГТУ(НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления», утверждённому советом университета 25.01.03.
Целью диссертационной работы является снижение погрешности измерений в рабочем диапазоне температур и обеспечение повышенной отказоустойчивости средств контроля вибрационного состояния ТА путём создания методов и интеллектуальных устройств виброконтроля для систем защиты и управления ТА, в том числе интеллектуальных датчиков.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены задачи по разработке:
- метода логической диагностики измерительных каналов СВМ;
-метода вычисления логических функций, обеспечивающего существенную экономию памяти микропроцессорной системы;
-метода определения работоспособности ПА на работающем оборудовании;
метода определения коэффициента преобразования ПА на работающем оборудовании;
интеллектуального датчика (ИД) вибрации опор ТА, обладающего повышенной температурной стабильностью за счёт коррекции температурной зависимости коэффициента преобразования ПА, реализующего также функции диагностики ПА в рабочем режиме объекта эксплуатации;
структуры и принципов функционирования цифровой СВМ, обладающей повышенной отказоустойчивостью за счёт реализации функций самодиагностики и взаимной диагностики блоков;
методики экспериментальных исследований и экспериментальной установки для проверки предложенных методов, моделей и устройств.
Методы исследования и достоверность результатов. Методология диссертационного исследования основана на сочетании теоретического анализа, математического компьютерного моделирования и физического эксперимента. При анализе использовались методы теории дифференциального исчисления, математического анализа, теории вероятностей, дискретной математики, метрологии. В процессе разработки компьютерных моделей и программного обеспечения устройств применялась
теория алгоритмов и программ.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается корректным применением методов теории математического анализа, теории алгоритмов и программ, метрологии; корректным применением математического аппарата при выводе аналитических выражений, подтверждением теоретических положений результатами физических экспериментов, а также многолетним опытом практического использования результатов диссертационной работы на электростанциях России.
На защиту выносятся:
-
Метод логической диагностики измерительных каналов СВМ, позволяющий идентифицировать аномальные состояния системы путём использования выявленной в ходе исследований взаимосвязи текущих значений параметров вибрации, измеренных в различных точках ТА.
-
Метод вычисления логических функций, позволяющий при реализации блоков диагностики, защиты и сигнализации получить существенную экономию памяти микропроцессорной системы для определённого класса функций, широко используемых при описании логики срабатывания защиты и сигнализации ТА, у которых на результат независимо друг от друга влияют относительно небольшие группы входных переменных. В ряде случаев указанный метод обеспечивает также уменьшение времени получения результата.
-
Метод определения работоспособности ПА, позволяющий путём возбуждения резонансных колебаний чувствительного элемента, измерения частоты этих колебаний и сравнения полученного значения с номинальным сделать заключение о работоспособности ПА без его демонтажа с объекта эксплуатации и без вывода объекта эксплуатации из рабочего режима.
-
Метод определения коэффициента преобразования ПА на работающем оборудовании, позволяющий путём формирования тестового воздействия на чувствительный элемент и сопоставления параметров свободной составляющей переходного процесса, полученных в процессе калибровки и эксплуатации ПА, измерить текущее значение коэффициента преобразования ПА в рабочем режиме объекта эксплуатации.
-
Компьютерные модели функциональных блоков диагностики и измерения коэффициента преобразования ПА, обеспечивающие определение метрологических характеристик новых методов контроля работоспособности и определения коэффициента преобразования ПА.
-
Устройство и принцип действия ИД вибрации опор ТА, реализующего функции диагностики ПА и обладающего повышенной температурной стабильностью за счёт коррекции температурной зависимости коэффициента передачи измерительного канала путём измерения и учёта текущего значения коэффициента преобразования ПА.
-
Устройства, алгоритмы и комплексы программ, обеспечивающие реализацию разработанных методов.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Разработан метод логической диагностики, отличающийся использованием информации о достижении пороговых уровней вибрации и об изменениях вибрации для формирования признаков отказа отдельных измерительных каналов СВМ и их групп.
-
Разработан метод вычисления логических функций, отличающийся исполь-
зованием группировки переменных и предварительного исключения неиспользуемых групп из вектора входных воздействий в процессе вычисления.
-
Впервые предложен метод определения работоспособности ПА, отличающийся тем, что использует исключение принуждённой составляющей переходного процесса, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации, а разработанное на основе этого метода устройство защищено патентом РФ на полезную модель № 99182.
-
Впервые предложен метод определения коэффициента преобразования ПА, отличающийся тем, что использует для определения коэффициента преобразования параметры экспоненциальной огибающей переходного процесса, вызванного воздействием тестового импульса, при этом выполняется исключение принуждённой составляющей, обусловленной вибрацией объекта эксплуатации, а разработанное на основе этого метода устройство защищено патентом РФ на полезную модель № 99158.
-
Предложены принципы построения интеллектуальных устройств (датчиков) отличающиеся использованием разработанных методов для реализации функций самодиагностики и повышения точности измерений параметров вибрации.
-
Отличительной особенностью разработанных компьютерных моделей и алгоритмов функционирования элементов СВМ является универсальность, обеспечивающая возможность их использования как в процессе компьютерного моделирования, так и в готовых устройствах.
Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методов, алгоритмов и устройств на этапах разработки и реализации современных СВМ ТА, а также для модернизации существующих СВМ, эксплуатируемых на электростанциях России. Указанные методы, алгоритмы и устройства позволяют существенно улучшить показатели отказоустойчивости и точности как новых, так и существующих СВМ, и, как следствие, повысить безопасность и экономическую эффективность эксплуатации ТА.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Камелот» при разработке новой цифровой СВМ, находящейся в стадии тестирования опытного образца, а также блоков диагностики, сигнализации и защиты «Скачок-2», «БЛСТЗ», регистратора срабатываний реле защит «Пульсар-2», прибора для проверки блока логики «ППБЛ». Перечисленные устройства внедрены и используются как в составе систем защиты и управления ТА, так и автономно, более чем на 10 электростанциях России (всего более чем на 100 ТА). Разработанные компьютерные модели и научные результаты работы внедрены в учебный процесс ЮРГТУ(НПИ).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (г. Новочеркасск, 2000); научно-технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 2003); международных научно-практических конференциях «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2000, 2010), «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г.Новочеркасск, 2001,2002), «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения» (г.Новочеркасск, 2003, 2005, 2006, 2010), а также на технических совещаниях в АО «Невинномысская ГРЭС». Получено 4 документа о внедрении результатов работы в промышленную и опытную эксплуатацию, 5 актов выполненных работ.
Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 25 печатных работ, в том числе 16 научных публикаций (из них 4 - в журналах, рекомендованных ВАК), получено 2 патента РФ и 7 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Она содержит 255 страниц основного текста, 79 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 101 наименования и 7 приложений на 33 страницах.
