Розвиток і застосування методів аналізу й діагностування вібраційного стану потужних турбоагрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ім. А.М.ПІДГОРНОГО

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗВИТОК ТА ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ АНАЛІЗУ І ДІАГНОСТУВАННЯ ВІБРАЦІЙНОГО СТАНУ ПОТУЖНИХ ТУРБОАГРЕГАТІВ

05.02.09 - динаміка та міцність машин

ЄФРЕМОВ ЮРІЙ ГЕННАДІЙОВИЧ

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в відділі вібраційних та термоміцнісних досліджень Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шульженко Микола Григорович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, завідувач відділу вібраційних та термоміцнісних досліджень

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зіньковський Анатолій Павлович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України завідувач відділу коливань та вібраційної надійності

доктор технічних наук, професор Жовдак Валерій Олексійович, Національний технічний університет “ХПІ” МОН України професор кафедри динаміки та міцності машин

Захист відбудеться “3” квітня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.01 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, Харків, вул. Д. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “1” березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н. О.О. Стрельнікова

АНОТАЦІЯ

Єфремов Ю.Г. Розвиток і застосування методів аналізу й діагностування вібраційного стану потужних турбоагрегатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка й міцність машин. - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розробці методичного забезпечення для комп'ютеризованої системи аналізу й діагностики вібраційного стану ТА. Розроблене програмно-методичне забезпечення встановлено в рамках стаціонарної комп'ютеризованої АСД ТА на 4 енергоблоках ТЕЦ України. Розроблено програмне забезпечення для комп'ютеризованої системи балансування гнучких роторів турбогенераторів параметрами коливань ротора й опор. Для автоматизованої оцінки впливу режимних факторів на вібростан ТА розроблено метод змінних коефіцієнтів. За даними експериментальних досліджень визначено основні параметри, які необхідно враховувати для оцінки впливу режимних факторів на вібростан ТА. Розроблено методику контролю крутильних деформацій валопровода, яка ґрунтується на використанні сигналів радіальних переміщень ротора в умовах експлуатації агрегату. Проведено експериментальні дослідження з оцінки крутильних деформацій скручування валопровода Т-250/300-240. За запропонованою методикою ідентифікації математичної моделі валопровода ТА побудовано модель валопровода на опорах, яка близька за своїми вібраційними характеристиками до реального валопровода ТА Т-250/300-240. Проведено експериментальну оцінку вібраційного стану турбоагрегатів Т-250/300-240 і К-300-240. За результатами діагностування було виявлено причини підвищеної вібрації на окремих ТА, що дозволило вирішити питання з оцінки їх вібростану та підвищення надійності роботи.

Ключові слова: турбіна, валопровод, опора підшипника, коливання, вібрація, режимний фактор, крутильні деформації, комп'ютеризована система аналізу.

АННОТАЦИЯ

Ефремов Ю.Г. Развитие и применение методов анализа и диагностирования вибрационного состояния мощных турбоагрегатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин. - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке методического обеспечения для компьютеризированной системы анализа и диагностики вибрационного состояния ТА. Разработанное программно-методическое обеспечение установлено в рамках стационарной компьютеризированной АСД ТА на 4 энергоблоках ТЕЦ Украины. Разработано программное обеспечение для компьютеризированной системы балансировки гибких роторов турбогенераторов по параметрам вибрации вала и опор. Для автоматизированной оценки влияния режимных факторов на вибросостояние ТА разработан метод переменных коэффициентов. По данным экспериментальных исследований определены основные параметры, которые необходимо учитывать для оценки влияния режимных факторов на вибросостояния ТА. Разработана методика контроля крутильных деформаций валопровода, основанная на использовании сигналов радиальных перемещений ротора в условиях эксплуатации агрегата. Экспериментальная оценка крутильных деформаций валопровода ТА Т-250/300-240 показала, что при изменении активной мощности ТА на 100 МВт деформация скручивания меняется линейно на 10'. По предложенной методике идентификации математической модели валопровода построена модель, близкая по своим вибрационным характеристикам к реальному валопроводу ТА Т-250/300-240 с целью расчетной оценки влияния несовершенств и дефектов, проявляющихся в процессе эксплуатации на вибрационное состояние ТА. Проведена экспериментальная оценка вибрационного состояния турбоагрегатов Т-250/300-240 и К-300-240. Результаты проведенных экспериментальных исследований вибрационного состояния работающих ТА по широкому набору вибрационных параметров с учетом режимных параметров позволили выявить причины изменения вибрационного состояния и работы ТА и выработать практические меры и рекомендации по их устранению.

Ключевые слова: турбина, валопровод, опора подшипника, колебания, вибрация, режимный фактор, крутильные деформации, компьютеризированная система анализа.

SUMMARY

Efremov Ju.G. Development and application of methods of powerful turbo-sets vibration state analysis and diagnosing.- Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Technical Science by speciality 05.02.09. - Dynamics and Strength of Machines. A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems NAS of Ukraine, Kharkiv, 2007.

The thesis devoted to development of methods for a computerized system of turbo-sets vibration state analysis and diagnostics. The developed methods and software is installed in the frame of stationary computerized automotive system of turbo-sets diagnostics on 4 power-generating units of Ukrainian thermoelectric plants. Software for computerized system of balancing of turbogenerators flexible rotors by parameters of shafts and supports is developed. The method of variable coefficients for automotive estimation of the operation factors influence on the turbo-sets vibration state is developed. By using experimental investigations data main parameters which should be taken into account for estimation of the operation factors influence on the turbo-sets vibration state are determined. The method of the shaft line torsional strains control based on the utilization of signals of the rotor radial displacements at the turbo-set operation conditions us developed. Experimental investigations on the estimation of torsional strains of the shaft line of T-250/300-240 are carried out. On the base of the proposed method of the shaft line mathematical model identification a model which is near the actual turbo-set T-250/300-240 shaft line by its vibration characteristics is built. Experimental estimation of the vibration state of turbo-sets T-250/300-240 and K-300-240 is carried out. By the results of diagnosing the reasons of increased vibration on separate turbo-sets are determined that permitted to solve problems of their vibration state estimation and increase of their operation reliability.

Key words: turbine, shaft line, bearing support, oscillations, vibrations, operation factor, torsional strains, computerized system for the analysis.

ОСНОВНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вібраційний турбоагрегат комп'ютеризований автоматизований

Актуальність теми. Основу теплоенергетики України становлять енергоблоки потужністю 200 і 300 МВт. У цей час понад 60% цих турбін, що встановлені на ТЕЦ і ТЕС України, відпрацювали продовжений парковий ресурс (наробіток однотипних за конструкцією й умовами експлуатації об'єктів, при якому не відбудеться відказ). Продовження терміну служби, забезпечення безаварійної й безпечної експлуатації енергомеханічного обладнання електростанцій, а також мінімізація витрат на обслуговування й ремонт є одними з найбільш актуальних проблем енергетики України. Характерним явищем, що майже завжди супроводжує несправну роботу машин, є ріст вібрації. Сучасним методом оцінки вібраційного стану енергообладнання є вібродіагностика, що базується на методах контролю й аналізу коливальних процесів.

У цей час, незважаючи на те, що складнощів при створенні ефективної інструментальної бази автоматизованих стаціонарних систем діагностування вібростану турбоагрегату (ТА) немає, вітчизняні штатні комп'ютеризовані системи з відповідним методичним і програмним забезпеченням відсутні. Переносна апаратура збору й аналізу даних, що є на електростанціях, різнотипна й найчастіше, через відсутність методик і алгоритмів оцінки вібростану ТА, використовується неефективно. Слід зазначити, що обсяг інформації, що міститься у вібраційних сигналах, дотепер недостатньо використовується для оцінки вібраційного стану ТА. Це, насамперед, стосується інформації, що є у вібропереміщеннях (коливаннях) валопровода.

Виходячи з викладеного, зазначені проблеми є на сьогодні досить актуальними й важливими в науковому й практичному відношенні, а для їхнього розв'язання необхідний подальший розвиток експериментальних методів аналізу динамічних процесів і оцінки вібраційного стану потужних ТА й енергетичного обладнання в процесі їхньої експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі вібраційних і термоміцнісних досліджень Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України в період 1996-2007 рр. Розробка теми дисертації пов'язана з дослідженнями в рамках держбюджетних НДР: “Розробка фундаментальних основ і комплексу прикладних програм забезпечення статичної й динамічної міцності, оптимального проектування й діагностики залишкового ресурсу енергомашин з урахуванням початкових і придбаних дефектів” (1996-1999 рр., № ДР 1974012285); “Розвиток теоретичних і експериментальних методів діагностування, оцінки вібраційного й термонапруженого станів і залишкового ресурсу енергомашин” (2000-2004 рр., № ДР 100U004814); “Розробка методів діагностування термонапруженого та вібраційного станів енергомашин на основі тривимірних моделей, їхніх елементів для обґрунтування продовження ресурсу” (2005-2009 рр., № ДР 0105U002640); “Методичні розробки визначення дефектів у системі багатоопорних роторів для потреб вібраційної діагностики енергетичних турбокомплексів” (1998-2000 рр., № ДР 0198U004131); “Діагностика напружено-деформованого й вібраційного станів елементів роторів турбомашин” (2003-2004 рр., № ДР 0103U004892); “Вплив нестаціонарних режимів роботи на термонапружений й вібраційний стани і тріщиностійкість елементів роторів турбін” (2005-2006 рр., № ДР 0105U007012).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка й застосування нових або вдосконалення існуючих методів аналізу механічних коливань для діагностування вібраційного стану потужних ТА в процесі їхньої експлуатації. Для її досягнення необхідно:

створити методики комп'ютеризованої оцінки вібраційного стану агрегату в процесі його експлуатації;

розвинути або створити методи обробки й аналізу показників механічних коливань для одержання основних параметрів, що характеризують вібраційний стан агрегату;

застосувати створене методичне забезпечення комп'ютеризованої системи для діагностування вібраційного стану реальних турбоагрегатів на різних режимах експлуатації.

Об'єкт дослідження - механічні коливання валопроводу й опор підшипників потужних турбоагрегатів.

Предмет дослідження - параметри механічних коливань валопроводу й опор підшипників на різних режимах роботи ТА.

Методи дослідження - цифрова обробка сигналів, теорія імовірності й математична статистика, прогнозування й оптимізація, аналіз часових рядів.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше розроблено методичне забезпечення комп'ютеризованої оцінки вібраційного стану ТА на різних режимах його експлуатації.

Уперше розроблено метод змінних коефіцієнтів для оцінки впливу режимних факторів на параметри механічних коливань ТА, що дозволив визначити в автоматизованому режимі комп'ютеризованої системи аналізу й діагностування вібростану ТА, чим викликаний ріст вібрації: змінами режимних факторів чи розвитком дефектів і пошкоджень.

Уперше запропоновано метод контролю крутильних деформацій валопроводу, що заснований на використанні сигналів радіальних переміщень ротора в умовах експлуатації агрегату, який дозволяє оцінювати деформацію скручування валопроводу в цілому або окремих його роторів.

Уперше запропоновано метод ідентифікації математичної моделі валопровода ТА для розрахункової оцінки впливу на параметри коливальних процесів валопроводу дефектів і недосконалостей, що проявляються в процесі експлуатації, при діагностуванні вібраційного стану ТА.

За даними натурних досліджень окремих ТА потужністю 250-300 МВт за допомогою розробленого програмно-методичного забезпечення комп'ютеризованої системи аналізу й діагностики вібраційного стану встановлено зв'язок між підвищеною вібрацією ТА і експлуатаційними дефектами.

Практичне значення отриманих результатів. На базі програмно-методичного забезпечення створено конкурентоспроможну комп'ютеризовану систему аналізу й діагностування вібраційного стану ТА для практичного застосування (впровадження) на енергоблоках ТЕЦ і ТЕС, що відповідає сучасному рівню розвитку техніки.

Створене програмно-методичне забезпечення впроваджено як складову системи аналізу й діагностики вібраційного стану ТА на 4 енергоблоках, що дозволило підвищити надійність їхньої роботи й запобігти розвитку позаштатних ситуацій.

Впроваджена комп'ютеризована система аналізу й діагностики вібраційного стану ТА дозволяє оперативному персоналу в реальному часі ухвалювати рішення щодо доцільності експлуатації ТА у випадку підвищення вібрації.

За результатами діагностування були усунуті причини підвищеної вібрації на окремих ТА. Отримана статистична інформація дозволила вирішити питання з оцінки вібростану ТА.

Розроблено програмно-алгоритмічне забезпечення для комп'ютеризованої системи балансування гнучких роторів турбогенераторів в розгінно-балансувальному спорудженні "Шенк".

Результати використовувалися при виконанні ряду госпдоговірних НДР:

№ 285 “Налагодження, випробування й введення в експлуатацію комп'ютеризованої системи безперервного автоматизованого моніторингу вібраційного стану турбоагрегату Т-250/300-240 ст№3 Хар.ТЕЦ-5”; № 717 “Налагодження обладнання на енергоблоці й введення в експлуатацію комп'ютеризованої системи вібромоніторингу турбоагрегату енергоблока ЗаТЕС”.

Результати впровадження розробки підтверджено документально (Додаток А).

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що викладені в дисертації, належать авторові. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачеві належать такі результати: в [1-3,10,14] - методичне забезпечення автоматизованого функціонування комп'ютеризованої системи аналізу вібраційного стану ТА, в [5, 8] - методичне забезпечення автоматизованої оцінки впливу режимних параметрів на вібраційний стан ТА, в [11] - методичне забезпечення оцінки крутильних деформацій роторів агрегатів, в [4] - методичне забезпечення ідентифікації математичної моделі валопроводу ТА, в [20] - програмно-алгоритмічне забезпечення для попередньої обробки вібровимірювальної інформації, в [6,7,9,12,13,15,16,17,18,19,21] - результати експериментальних досліджень з оцінки вібраційного стану ТА.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися й обговорювалися на: міжнародних наук.-техн. конф. "Удосконалювання турбоустановок методами математичного й фізичного моделювання" (Харків, 1997, 2003, 2006); "Сучасні прилади, матеріали й технології для неруйнуючого контролю й технічної діагностики" (Харків, 1998); "Динаміка роторних систем" (Хмельницький, 1998); "Надійність машин та прогнозування їх ресурсу" (Івано-Франківськ, Яремча, 2000); "Автомобільний транспорт: проблеми й перспективи" (Севастополь, 2002, 2003); "Конструктивна міцність матеріалів і ресурс устаткування АЕС" (Київ, 2003); "Вібрація машин: вимір, зниження, захист" (Донецьк, 2004); "Вібрації в техніці та технологіях" (Полтава, 2005); "Динаміка, міцність і ресурс машин і конструкцій" (Київ, 2005); всеукраїнській наук. -практ. конф. "Енергетика, Енергозбереження, Енергосервіс" (Одеса, 2004); конф. молодих учених і фахівців Ін-ту пробл. машинобудування ім. А.М. Підгорного (Харків, 2003, 2005, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 21 наукову роботу, серед яких 13 статей у спеціалізованих журналах і збірниках, 8 - у матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел (із 144 найменувань на 14 стор.) та 5-ти додатків. Загальний обсяг роботи складає 190 сторінок, включаючи 75 рисунків і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету й основні задачі роботи, викладено основні результати, їхню наукову новизну й практичну цінність, наведено відомості про публікації, особистий внесок автора, ступінь апробації роботи.

У першому розділі описуються особливості об'єкта дослідження, причини, що викликають вібрацію, а також наводиться огляд методів і засобів аналізу вібраційного стану й діагностування потужних турбоагрегатів.

До найбільш значущих робіт в області динаміки й діагностики енергомашин належать дослідження радянських, російських і вітчизняних учених: Ф.Я. Балицького, І.А. Біргера, С.І. Богомолова, А.Є. Божка, Ю.С. Воробйова, М.Д. Генкіна, А.С. Гольдіна, Ф.Н. Діментберга, С.В. Єпіфанова, В.О. Жовдака, А.З. Зіле, А.П. Зіньковського, Є.О. Ігуменцева, Б.Я. Кантора, В.А. Карасева, Я. Кічинського, І.О. Ковальова, А.Г. Костюка, О.І. Куменка, В.А. Марцинковського, Л.Д. Метелєва, В.Є. Петренка, А.М. Підгорного, В.І. Олімпієва, А.Б. Ройтмана, Б.Т. Рунова, А.Г. Соколової, Д.Ф. Симбірського, В.О. Троїцького, В.Т. Трощенка, Є.В. Урьєва, А.П. Філіппова, Л.О. Шубенко-Шубіна, М.Г. Шульженка та ін.

Об'єктом дослідження вібраційного стану й діагностування є турбоагрегат з теплофікаційною паровою турбіною Т-250/300-240 і генератором ТВВ-320, а також ТА з конденсаційною паровою турбіною К-300-240 і генератором ТГВ-300.

Одним із шляхів, що дозволяють контролювати й діагностувати вібростан ТА, є використання автоматизованих систем аналізу й діагностики (АСД). Серед розроблювачів АСД можна вказати такі найбільші компанії й об'єднання миру, як “General Electric” (Великобританія), “Westinghouse Electric Company” і “Detroit Edison” (США), “Alsthom” і “Electricite de France” (EdF) (Франція), “Hitachi” і “Mitsubishi” (Японія). В Україні виробництво вимірювальних перетворювачів, контрольно-сигнальної апаратури й АСД здійснюють ХДПО “Моноліт” (м. Харків), ВО “Веда”, НВФ “Промвітех”, ТОВ “Зонд XXI” і ЗАТ “Вібро-Щит” (м. Київ). Як показує огляд існуючих систем, розробці комп'ютеризованих стаціонарних АСД в Україні не приділяється належної уваги. АСД перебувають у стадії експериментальних розробок, а існуючі системи штатного контролю не дають достовірної інформації про вібраційний стан агрегату, внаслідок чого часто залишаються непоміченими дефекти, які виникли в процесі експлуатації, а також момент їхнього розвитку.

Аналіз розрахункових і експериментальних досліджень вібростану ТА великої потужності і їхніх елементів показує, що діагностування їхнього технічного стану можливо тільки при використанні сучасних комп'ютерних технологій збору, обробки й подання інформації. При цьому методики й технології аналізу й діагностування вібраційного стану ТА повинні будуватися з урахуванням конструктивних і технологічних особливостей кожного паротурбінного агрегату.

У другому розділі наведено вимоги, що ставляться до методичного й апаратного забезпечення стаціонарної комп'ютеризованої системи безперервного контролю й аналізу параметрів коливань роторних агрегатів. Описано функціональні можливості розробленого програмно-методичного забезпечення й наведено технічні характеристики апаратної частини АСД. Ефективність оцінки вібраційного стану ТА за допомогою АСД досягається за рахунок: постійного й безперервного синхронного виміру, контролю й реєстрації параметрів коливань роторів валопровода й коливань опор підшипників паралельно всіма каналами у режимі реального часу; зіставлення характеристик механічних коливань із опорними значеннями; виявлення змін вібростану; сигналізації при досягненні вібрацією небезпечного рівня; аналізу в реальному масштабі часу й обробці даних на різних режимах роботи ТА (валоповорот, пуск, зупинка, різні умови навантаження, стаціонарний режим); постоперативної обробки й детального аналізу отриманої інформації.

Оцінка вібростану ТА проводиться на всіх режимах його роботи. На режимі валоповороту - обертання турбіни здійснюється валоповоротним пристроєм. Цей режим, як правило, тривалий і здійснюється на частоті обертання 3-4 об/хв. Для виявлення дефектів тепломеханічного характеру на валоповороті безперервно вимірюються миттєві значення S_xi(t), S_yi(t) сигналів зміни зазору роторів у підшипниках двома ортогональними напрямками x і y у вигляді m дискретних значень на кожному оберті валопровода. За дискретним значенням сигналів S_xi(t), S_yi(t) після усереднення їх за кілька обертів ротора обчислюється максимальний модуль переміщення , що порівнюється із припустимим. Щоб уникнути пошкоджень ущільнень на критичних частотах обертання валопровода, рекомендовано здійснювати пуск агрегату після прогріву ротора й зниження S_max по всіх опорах до рівня, що нижчий припустимого. Величина S_max задається до 20 мкм на основі даних досліджень. Якщо після прогріву ТА S_imax перевищує припустимий рівень, то на причину ненормального биття роторів валопровода може вказати мнемолінія "вигину" валопровода, яку отримуємо на екрані монітора після з'єднання точок S_ix, S_iy

Особливістю оцінки вібростану ТА в режимі розгону (вибігу) є необхідність здійснення аналізу параметрів коливань роторів і опор безперервно при частоті обертання в реальному часі. Це вимагає, щоб програмно-технічне забезпечення дозволяло з відповідною швидкодією приймати й обробляти вібросигнали й видавати в необхідному обсязі інформацію про зміну контрольованих параметрів коливань. На номінальних обертах ТА (3000 об/хв) частота опитування одного каналу становить 12,8 КГц. Індикаторами рівня параметрів вібраційного стану ТА обрано стовпчикові діаграми розмахів відносних вібропереміщень роторів у підшипниках і середньоквадратичне значення (СКЗ) віброшвидкості опор валопровода по всіх контрольних точках. Межами припустимих рівнів вібрації по валу й опорах ТА задаються реальні середньостатистичні вибігові характеристики контрольованого ТА. Для постаналізу вібростану ТА використовуються порядкові спектри (по гармонічних складових), які містять дані про амплітуду й/або фазу сигналу як функцій від номера гармоніки частоти обертання.

На експлуатаційних режимах після навантаження й включення в мережу ТА АСД забезпечує безперервний нормований контроль його вібростану відповідно до вимог діючих стандартів і правил.

У третьому розділі описано розроблені методи й алгоритми комп'ютеризованого аналізу й діагностування вібростану турбоагрегатів.

Процедурі формування діагностичних ознак у практичних умовах роботи з параметрами коливальних процесів агрегату передує процедура попередньої обробки сигналу, що пов'язана з виділенням інформативних компонентів, придушенням шумів і перешкод (викидів), фільтрацією, нормуванням сигналу, формуванням масивів параметрів механічних коливань, візуалізацією й т.д. Для одержання спектральних характеристик вібросигналу застосовується перетворення Фур'є. Фільтрація вібросигналу проводиться з використанням методу накопичення і алгоритму пошуку й видалення неправдоподібних значень, що побудований з використанням методу Тьюкі. Для кількісної оцінки вібросигналу використовуються різні його параметри: розмах (подвійна амплітуда), пікове значення, середнє значення й середньоквадратичне значення, пік-фактор, коефіцієнт нелінійності спектра , де A_i - амплітуди вищих гармонік; A₁ - амплітуда 1-ї гармоніки, щільність потужності вібрації; , де A_i - амплітуда на відповідній частоті f_i, у спектрі віброшвидкості (вібропереміщення); хрест-фактор , де A - пікове значення амплітуди; A_СКЗ - середньоквадратичне значення.

Основним критерієм при виборі методів попередньої обробки даних були простота реалізації й швидкодія алгоритмів.

Для діагностики вібраційного стану машини й пошуку причин підвищеної вібрації важливо визначити, або викликаний ріст вібрації змінами режимних факторів, або розвитком дефектів і пошкоджень. Визначити вплив режимних факторів на вібраційний стан ТА можна, скориставшись відомими методами оцінки взаємозв'язку процесів - графічним і кореляційним. Графічний метод дозволяє візуально визначити взаємний зв'язок процесів, але не дає кількісної оцінки взаємозв'язку. За міру взаємозалежності між режимними факторами й вібраційним станом ТА приймається коефіцієнт кореляції r, що визначається в режимі ковзного вікна. Результат оцінки взаємозв'язку залежить від обраної ширини вікна N. Зменшення N призводить до неадекватної оцінки, а збільшення - до тимчасового запізнювання оцінки впливу режимних факторів на вібраційний стан ТА, що неприйнятно для роботи в реальному режимі часу.

Для автоматизованої оцінки впливу режимних факторів на параметри механічних коливань у режимі реального часу пропонується метод змінних коефіцієнтів. За даними безперервних вимірів параметрів механічних коливань (S) і режимних факторів (T) обчислюються в режимі ковзного вікна їхні середні значення M_S і M_T. Як показник зміни поточних значень S і T пропонуються відповідно змінні коефіцієнти K_S і K_T:

K_S=1-M_S/S - для параметрів механічних коливань;

K_T=1-M_T/T - для режимних факторів.

Знак змінних коефіцієнтів K_S і K_T вказує на зростання або зменшення відповідних параметрів і факторів відносно їхнього середнього значення.

Висновок про рівень взаємозв'язку S і T пропонується здійснювати за результатами перевірки одночасності виконання умов |K_S|>U_S , |K_T|>U_T, де U_S, U_T - граничні значення для відповідних змінних коефіцієнтів. Величини U_S, U_T рекомендується призначати з умови “чутливості” методу. При цьому варто врахувати результати попередніх досліджень діапазону змінних коефіцієнтів K_S і K_T для конкретного агрегату. Попередні статистичні дані необхідні також при визначенні ширини вікна для обчислення M_S і M_T.

Аналіз експериментальних характеристик механічних коливань і основних режимних факторів за тривалий період роботи ТА Т-250/300-240 показав, що перехідні процеси режимних факторів, що впливають на вібростан ТА, тривають, як правило, не більше 30 хв. Оскільки може мати місце тимчасове запізнювання реакції вібростану ТА при зміні режимних факторів, то значення M_S і M_T доцільно обчислювати при ширині вікна, не меншій 30 хв. Для різних опор величина граничного значення U_S повинна бути різною. Її можна вибрати в діапазоні значень 0.05-0.25. Наприклад, для активної потужності генератора величина U_T може бути обрана близькою до 0.05.

Виявлення і контроль повільної зміни деформації скручування валопровода здійснюється за сигналами від рознесених міток уздовж вала у вигляді поглиблень шляхом періодичного моніторингу кута скрутки . Мінімально на валопроводі повинно бути дві мітки. Для забезпечення контролю деформації скручування як роторів, так і муфт з'єднання, необхідно мати по дві мітки на кожному роторі валопровода. Контроль скручування валопровода турбіни і ротора генератора доцільно організувати по трьох мітках: одна на початку валопровода, друга наприкінці перед генератором, а третя - за генератором. Для цього на холостому ході турбогенератора при номінальних обертах перед його навантаженням і включенням у електромережу по сигналах від міток необхідно визначити і зафіксувати початкове значення зміни фаз ₀. При досягненні сталого значення заданого чи номінального навантаження N треба визначити і зафіксувати значення зміни фаз _N. Тоді кут скрутки валопровода, що викликаний номінальним навантаженням, визначається як = _N - ₀, а відносна деформація , де N - величина навантаження у момент виміру. Величина за наявності тільки пружних деформацій не залежить від N. Це може служити відповідною діагностичною ознакою при оцінці накопичення залишкових непружних деформацій.

Для розрахункової оцінки впливу на вібростан валопровода недосконалостей і дефектів, що проявляються в процесі експлуатації (і з метою їхньої ідентифікації), необхідно задати його вихідний вібраційний стан. З огляду на те, що при досить низьких рівнях моногармонічної вібрації остання визначається в основному залишковим дисбалансом, передбачається наближати розрахункову модель до вихідної системи на основі порівняння їх амплітудно-частотних характеристик (АЧХ). Така побудова розрахункової динамічної моделі із заданими властивостями являє собою обернену задачу теорії коливань, що має неоднозначний розв'язок. Окремим її розв'язком є розподіл умовних неврівноваженостей на роторах, при яких розрахункові АЧХ валопровода в місцях обпирання будуть близькі до вимірюваних. При цьому варіюються неврівноважені обертові навантаження (сили й моменти), що прикладені до середин прольотів. Як додаткові варійовані параметри для зближення результатів розрахунку й експерименту вибираються піддатливості опор. Експериментальними характеристиками є амплітуди й фази гармонічних складових вібропереміщень по взаємно ортогональних напрямках або значення максимального модуля вібропереміщень (з виділенням обертової складової вібропереміщення) для опорних перерізів валопровода на різних частотах. Функціонал якості, що побудований на використанні ортогональних складових вібропереміщень і підлягає мінімізації, має вигляд

,

де;

M - число розрахункових точок по частоті; N - число опор турбоагрегату; - експериментально обумовлені значення амплітуд і фаз обертової складової вібропереміщення по взаємно ортогональних поперечних напрямках; - розрахункові значення вібропереміщення амплітуд і фаз по ортогональних поперечних напрямках.

Якщо ж експериментально визначаються максимальні значення вектора обертової складової, а не компоненти переміщень по ортогональних напрямках, то функціонал, що мінімізується, має вигляд

,

де - відповідно експериментальні й розрахункові максимальні значення вектора оборотної складової вібропереміщень.

Функціонал Ф залежить від великої кількості змінних параметрів Z₁, Z₂,…,Z_n, що характеризують неврівноважені сили і моменти в прольотах і піддатливості підшипникових опор. Для його мінімізації використовується метод покоординатного спуска.

При побудові моделі валопровода за даними експериментальних досліджень використовувалися результати вимірів АСД ТА Т-250/300-240. При цьому варійованими параметрами були сили й моменти, що прикладені посередині прольотів, а також податливості підшипникових опор у вертикальному й горизонтальному напрямках. Отримані результати підтверджують, що можна одержати достатню відповідність розрахункової математичної моделі й вихідної (реальної) системи в області робочих частот. Це дозволяє застосовувати їх для аналітичного аналізу впливу дефектів на вібропараметри конкретного валопровода.

Для зменшення кількості операцій балансування роторів турбогенераторів і енергетичних машин у розгінно-балансувальному спорудженні “Шенк” розроблено програмний комплекс комп'ютеризованої системи балансування гнучких роторів турбогенераторів по параметрах коливань вала й опор. Система забезпечує:

- синхронну реєстрацію сигналів вібропереміщень ротора шістьома каналами у трьох радіальних перерізах (двома ортогональними напрямками) і одного сигналу від датчика прогину вала в контрольованому (обраному) перерізі, сигналів вібрації опор чотирма каналами виміру вібрації опор і частоти обертання вала;

- визначення й візуалізацію амплітуд і фаз обертової й подвійної складових вібрації ротора й опор;

- сигналізацію про перевищення припустимих величин параметрів вібрації ротора й опор;

- розрахунок системи вантажів за відомими значеннями динамічних коефіцієнтів впливу в одній або двох площинах;

- розрахунок коригувальних мас на пробних пусках, розкладання коригувальних вантажів по площинах, подання неврівноваженості у вигляді векторів у графічній формі;

- постаналіз записаної інформації, візуалізацію й архівацію отриманих результатів.

У четвертому розділі розроблені методи застосовано для оцінки вібраційного стану турбоагрегатів електростанцій. Розроблене програмно-методичне забезпечення застосовано в АСД, що впроваджені на енергоблоках Т-250/300-240 Київської ТЕЦ-5 і Харківської ТЕЦ-5, а також на двох турбоагрегатах К-300-240 Запорізької ТЕС. Наведемо для прикладу два випадки. Дослідження вібраційного стану ТА Т-250/300-240, що були проведені за допомогою системи, показали наявність спектральних складових віброшвидкості в області частот, менших 20 Гц у горизонтальному напрямку як на опорах ротора генератора й збудника, так і на валопроводі агрегату.

Після аналізу результатів висловлено припущення про виникнення низькочастотної вібрації через неправильне закріплення опор збудника, що дозволяло йому переміщатися в горизонтальному напрямку, і рекомендовано виконати обслуговування по кріпленню збудника. У результаті проведених робіт вібрація знизилася до нормативного рівня, а її низькочастотні складові зведено до мінімуму.

З використанням результатів натурних досліджень виконано експериментальну оцінку вібростану турбоагрегату Т-250/300-240 Київської ТЕЦ-5. Аналіз параметрів механічних коливань роторів показав наявність НЧ коливань роторів внаслідок зміни режимних параметрів. Визначенням і впровадженням оптимальних режимів експлуатації рівень вібрації агрегату був знижений. За складом гармонічних складових і видом орбіт руху шийок роторів виявлено причину підвищеної вібрації в області низьких частот. Фрагменти коливань шийок ротора протягом 4 обертів в ортогональних напрямках, траєкторії шийки ротора в підшипнику і їхні спектри за відсутності й наявності низькочастотної складової вібрації.

У процесі дослідної експлуатації систем на 4 енергоблоках ТЕЦ і ТЕС отримано амплітудно-фазо-частотні характеристики ТА, статистичні дані вібропереміщень вала, СКЗ віброшвидкості опор, амплітуд і фаз гармонічних складових вібропереміщень, траєкторії руху вала та виявлено вплив на зміну параметрів механічних коливань ТА режимних факторів, що надалі допоможе при створенні експертної системи визначення й пошуку причин підвищеної вібрації. У роботі наведено й інші приклади застосування системи аналізу й діагностики вібраційного стану ТА.

ВИСНОВКИ

Вперше розроблено й запропоновано методичне й програмне забезпечення стаціонарної комп'ютеризованої АСД турбоагрегату, що дозволяє забезпечити в реальному часі контроль, аналіз і оцінку вібраційного стану ТА на всіх його експлуатаційних режимах роботи. Програмно-методичне забезпечення встановлено як складову системи аналізу й діагностики вібраційного стану ТА на 4 енергоблоках (Т-250/300-240 Київської ТЕЦ-5, двох турбоагрегатах К-300-240 Запорізької ТЕС і Т-250/300-240 Харківської ТЕЦ-5). Впроваджені стаціонарні комп'ютеризовані АСД турбоагрегату дозволяють оперативному персоналу в реальному режимі часу ухвалювати рішення щодо доцільності експлуатації ТА у випадку підвищення вібрації або виникнення позаштатних ситуацій. Експериментальна експлуатація запропонованих методів у комп'ютеризованій системі аналізу й діагностики вібраційного стану ТА підтверджує доцільність їхнього використання для діагностики вібрації роторних агрегатів.

Вперше розроблено метод змінних коефіцієнтів для автоматизованої оцінки впливу режимних факторів на вібростан ТА. За даним методом створено програмне забезпечення для системи аналізу й діагностики вібростану ТА Т-250/300-240, що дозволяє в режимі реального часу визначати взаємозв'язок вібропараметрів і режимних факторів ТА. За даними експериментальних досліджень проведена оцінка взаємозв'язку режимних факторів і вібропараметрів ТА й визначено основні параметри, які необхідно враховувати для оцінки впливу режимних факторів на вібростан ТА. Аналіз вібраційних характеристик і режимних факторів дозволив визначити причини підвищеної вібрації ТА Т-250/300-240.

Вперше розроблено методику контролю крутильних деформацій валопровода, яка ґрунтується на використанні сигналів радіальних переміщень ротора в умовах експлуатації агрегату, що дозволяє оцінювати деформацію скручування валопровода в цілому або окремих роторів. Експериментальна оцінка крутильних деформацій валопровода ТА Т-250/300-240 довела, що при зміні активної потужності ТА на 100 МВт деформація скручування змінюється лінійно на 10'.

Вперше запропоновано методику ідентифікації математичної моделі валопровода ТА для розрахункової оцінки впливу на параметри коливальних процесів дефектів і недосконалостей. За даними експериментальних досліджень побудована модель валопровода, близька за своїми вібраційними характеристиками до реального валопровода ТА Т-250/300-240. Побудована адекватна математична модель валопровода турбоагрегату використовувалася для аналізу впливу зміщення у вертикальній площині опор, зламу й радіального зсуву осей роторів у муфті, наявності розкритої рівномірно дихаючої муфти на вібропараметри ТА.

Вперше розроблено програмне забезпечення балансування гнучких роторів турбогенераторів по параметрах вібрації вала й опор.

За даними натурних досліджень турбоагрегатів Т-250/300-240 і К-300-240 за допомогою розробленого програмно-методичного забезпечення стаціонарної АСД ТА встановлено зв'язок між наслідками (підвищеною вібрацією) і причинами, що її породжують (експлуатаційними дефектами). За результатами діагностування виявлено причини підвищеної вібрації на окремих ТА.

Подальше впровадження створеної системи на агрегатах, що виробили свій ресурс, дозволить запобігти розвитку позаштатних ситуацій і підвищить їхню експлуатаційну надійність. Система може бути використана для діагностики вібрації різних роторних агрегатів.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Автоматизированная система непрерывного вибромониторинга и анализа параметров вибрации роторных агрегатов / Н.Г. Шульженко, В.П. Билетченко, Ю.Г. Ефремов и др.// Питання розвитку газової промисловості України: Сб. науч. тр. - Харьков, 2000. - С. 19-23.

2. Аппаратурное обеспечение систем непрерывного вибромониторинга роторных агрегатов / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Энергетика и электрификация. - 2000.- № 7.- С. 35-38.

3. Методическое обеспечение систем непрерывного мониторинга и анализа параметров колебаний для диагностирования вибрационного состояния роторных агрегатов / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Энергетика и электрификация. - 2000.- № 9.- С. 34-40.

4. Шульженко Н.Г. Идентификация стержневых моделей валопроводов по данным экспериментальных исследований / Н.Г. Шульженко, Ю.Г. Ефремов, А.М. Ганжа // Проблемы машиностроения. - 2002. - № 4.- С.67-71.

5. Ефремов Ю.Г. Применение методов корреляционного анализа для определения взаимосвязи вибрационных и технологических параметров турбоагрегата // Вестник национального технического университета “ХПИ”. Тематический выпуск “Динамика и прочность машин”: Сб. науч. трудов. - Харьков, 2002. - С. 38-43.

6. Применение автоматизированных систем непрерывного вибромониторинга для диагностирования крупных турбоагрегатов / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов, и др. // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. праць. - Харків. - 2003. -Т. 1.- С. 26-29.

7. Обеспечение надежности и ресурса энергетических турбоагрегатов использованием системы диагностики вибраций и предупреждения нештатных ситуаций / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Энергетика и электрификация. - 2004.- № 5.- С. 41-43.

8. Разработка методики автоматизированной оценки влияния режимных факторов на вибрационное состояние турбоагрегата / Н.Г. Шульженко, Ю.Г. Ефремов // Проблемы прочности. - 2004.- № 1. - С. 147-156.

9. Помехоустойчивые измерители вибрации и их применение в динамике машин / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Вібрації в техніці та технологіях.- 2005.- № 2.- С. 105-107.

10. Технології діагностування вібраційного стану багатоопорних роторних агрегатів / М.Г. Шульженко, Л.Д. Мєтєльов, Ю.Г. Єфремов та ін. // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні: Зб.наук. праць.- Львів, 2006.- №40.- С. 296-305.

11. Оценка крутильных деформаций роторов агрегатов / Н. Г. Шульженко, Л. Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Вібрації в техніці та технологіях.- 2006.- № 1.- С. 149-151.

12. Анализ и диагностирование вибрационного состояния мощных турбоагрегатов / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Енергетика та електрифікація. - 2006.- № 11. - С. 30-38.

13. Шульженко Н.Г. Экспериментальная оценка вибросостояния ТА Т250/300-240 / Н.Г. Шульженко, Ю.Г. Ефремов, Н.И. Вова // Вісті Академії Інженерних наук України. Спеціальний випуск. Машинобудування та прогресивні технології. - 2007. - №3. - C. 71-75.

14. Система мониторинга вибрации турбоагрегата / Н.Г. Шульженко, В.П. Билетченко, Ю.Г. Ефремов и др. // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Тр. Междунар. науч.-техн. конф. 29 сент.- 2 окт. 1997 г. - Харьков: ИПМаш им. А.Н.Подгорного НАН Украины, 1997. - С. 356-359.

15. Теоретические и экспериментальные исследования колебаний роторов для решения задач диагностики и повышения надежности турбоагрегатов / Н.Г. Шульженко, В.П. Билетченко, Ю.Г. Ефремов и др. // Надійність машин та прогнозування їх ресурсу: Доповіді Міжнар.наук-техн. конф. 20-22 вересня 2000 р. - Івано-Франківськ-Яремча. Івано-Франківськ, 2000. - С. 612-621.

16. Диагностика вибрационного состояния машин с вращающимися элементами / Н.Г. Шульженко, Ю.Г. Ефремов // Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы: Материалы V-ой Междунар. науч.-техн. конф. - Севастополь: СевНТУ, 2002.- С. 85- 88.

17. Диагностика вибрационного состояния роторных агрегатов при изменении нагрузки / Н.Г. Шульженко, Ю.Г. Ефремов // Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы: Материалы VI-ой Междунар. науч.-техн. конф. - Севастополь: СевНТУ, 2003. - С. 32-35.

18. Применение автоматизированных систем непрерывного вибромониторинга для диагностирования вибрационного состояния и предупреждения нештатных ситуаций турбоагрегатов электростанций / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Вибрация машин: измерение, снижение, защита: Материалы 2-й Междунар. науч.-техн. конф. - Донецк: ДонНТУ, 2004.- С. 49-52.

19. Автоматизированная система непрерывного мониторинга и диагностики вибрационного состояния агрегатов для предупреждения нештатных ситуаций и повышения надежности эксплуатации энергооборудования ТЭЦ, ТЭС, АЭС / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Енергетика, Енергозбереження, Енергосервіс: Зб. матеріалів всеукраїнської наук.-практ. конф. - Одеса, 2004. - С. 75-77.

20. Предварительная обработка виброизмерительной информации для повышения надежности диагностирования агрегатов [Електронний ресурс] / Ю.Г. Ефремов, Н.Г. Шульженко // Харков: ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 2006. - електрон. опт. диск (CD-ROM): цв; 12. см. - Систем. требования: Pentium-133; 32 Mb RAM; CD-ROM Windows98/2000/NT/XP. - Междунар. науч.-техн. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”.

21. Влияние нестационарных режимов работы на вибрационное состояние турбоагрегата [Електронний ресурс] / Н.Г. Шульженко, Л.Д. Метелев, Ю.Г. Ефремов и др. // Харьков: ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины, 2006. - електрон. опт. диск (CD-ROM): цв; 12. см. - Систем. требования: Pentium-133; 32 Mb RAM; CD-ROM Windows98/2000/NT/XP. - Междунар. науч.-техн. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”.

Размещено на Allbest.ru